Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu hệ điều khiển kích từ cho máy phát thủy điện nhỏ

Trong nhà máy thủy điện muốn cho máy phát điện phát ra điện năng ổn định và có chất lượng cao thì cần phải có hệ thống điều khiển kích bộ dây quấn stato trong máy phát... Mỗi turbine đượ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Quốc Khánh

Phản biện 1: PGS.TS Trần Bách

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN

Ngày 24 tháng 09 năm 2010

Có thể tìm luận văn tại THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐHKTCN- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRUNG TÂM HỌC LIỆU – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

LỜI NÓI ĐẦU

Đất nước ta đang trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đấtnước.Điện khí hóa đóng vai trò rất quan trọng cho sự phát triển trongthời kỳ này nó không những đóng vai trò chủ chốt trong công nghiệp,nông nghiệp mà còn rất cần cho sinh hoạt đời sống và văn hóa của conngười

Nước ta nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa với chủ yếu là đồi núi và

hệ thống sông ngòi được phân bố rộng khắp đất nước nên việc pháttriển xây dựng nhà máy thủy điện rất thuận lợi vì có nguồn năng lượngthủy năng rất lớn

Trong nhà máy thủy điện muốn cho máy phát điện phát ra điện năng

ổn định và có chất lượng cao thì cần phải có hệ thống điều khiển kích

bộ dây quấn stato trong máy phát

Chương 1:TỔNG QUAN NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN NHỎ 1.1 Tổng quan về nhà máy thuỷ điện.

Năng lượng điện hay còn gọi là điện năng, là dạng năng lượng thứ cấpđược tạo ra từ nhiều nguồn năng lượng thứ cấp khác nhau như nhiệtnăng (dầu,khí đốt, than, năng lượng phóng xạ, năng lượng mặttrời…),thủy năng (sông, suối, sóng biển, thủy chiều…), năng lượng gió.Đây là loại năng lượng đóng vai trò quan trọng và được sử dụng trênkhắp thế giới trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống ngày nay như côngnghiệp, nông nghiệp, giao thông, sinh hoạt …

Thuỷ năng là một dạng năng lượng tái tạo được Đây là đặc tính ưuviệt nhất của nguồn năng lượng này, các nguồn năng lượng khác như :Nguyên tử, than, dầu … không thể tái tạo được Trong quá trình biếnđổi năng lượng, chỉ có thuỷ năng sau khi biến đổi thành cơ năng vànhiệt năng lại được tái tạo thành dạng thủy năng, còn các dạng nănglượng khác trong quá trình biến đổi không tự tái tạo trong tự nhiên Conngười sử dụng nguồn thuỷ năng để phục vụ cho đời sống và sản xuất,đặc biệt là để phát điện

a Tình hình phát triển thuỷ điện

b Sơ đồ nhà máy thủy điện

Nhà máy thủy điện là một tổ hợp phức tạp, sử dụng năng lượngcủa sông suối, để sản xuất điện năng bao gồm 3 tuyến:

c Phân loại nhà máy thuỷ điện

Tuỳ thuộc vị trí địa lý mà nhà máy thuỷ điện được phân thành 3 loại

cơ bản:

* Nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông ( hay sau đập)

* Nhà máy thủy điện đường dẫn

* Nhà máy thủy điện tổng hợp

Năng lượng nước được tập trung là nhờ đập và cả đường dẫn Cột ápcủa trạm gồm 2 phần: một phần do đập tạo nên, phần còn lại do đườngdẫn tạo nên

Nhà máy kiểu này được dùng cho các đoạn sông mà ở trên sông có độdốc nhỏ thì xây đập ngăn nước và hồ chứa, còn ở phía dưới có độ dốclớn thì xây dựng đường dẫn.

d Nguyên lý phát điện của nhà máy thủy điện

Cho dù nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn, lòng sông hay tổng hợpthì cũng đều có chung một nguyên lý phát điện như sau: Nước từ hồchứa thượng lưu được dẫn vào hệ thống đường ống áp lực và buồngxoắn, tại đây nước được gia tốc tới vận tốc rất lớn Qua hệ thống cánhhướng, nước được dẫn vào turbine thuỷ lực làm quay turbine, đồng thờilàm quay máy phát điện (thông thường trục của turbine được nối thẳngvới trục máy phát) Từ đầu cực máy phát, dòng điện được tăng áp quamáy biến áp lực và dẫn lên trạm phân phối cung cấp cho các hộ tiêu thụcủa một vùng độc lập, hoặc đồng thời hoà vào lưới điện quốc gia, xemhình 1-5

Để điều chỉnh độ mở cánh hướng người ta sử dụng các servomotor(thông thường 2 servomotor) và hệ thống xilanh thuỷ lực.Truyền độngcủa servomotor sẽ qua hệ thống xilanh gắn với vòng điều chỉnh, giữacánh hướng và vòng điều chỉnh có các khớp truyền động Với sự pháttriển vượt bậc của kỹ thuật số, bộ điều tốc turbine được tự động hoáhoàn toàn có khả năng thu thập các thông số quá trình một cách liên tục,

tự động điều chỉnh ổn định quá trình vận hành Mối liên hệ giữa turbine

và máy phát

Mỗi turbine được cung cấp một hệ thống điều tốc tự động riêngbiệt có khả năng điều khiển tốc độ, công suất phát hoặc lưu lượng nướcvào turbine cho phép tổ máy vận hành ổn định, hoàn hảo ở chế độ vậnhành song song với nhau và với hệ thống điện

e.Tự động hóa trong nhà máy thủy điện

1.2 Điều tốc turbine thuỷ điện nhỏ

a Cấu tạo chung của thiết bị điều tốc

Mỗi nhà máy thuỷ điện đều được trang bị một hệ thống tự động ổnđịnh tần số và tự động điều chỉnh điện áp Với tuabin thuỷ lực thì sựnhạy cảm với vấn đề quá tốc (lồng tốc) là rất nghiêm trọng nên luônđược thiết kế khả năng tự bảo vệ quá tốc với ít nhất hai phương thức:bằng cơ học và bằng hệ thống tự động bảo vệ nằm trong hệ thống tựđộng kiểm tra khống chế bởi các thiết bị điện [13]

b Các chức năng của điều tốc

c Điều chỉnh mô men trên trục tua bin

.

t t

Q - Lưu lượng của tổ máy (m3/s);

H - Cột nước làm việc của tua bin (m);

 - Trọng lượng riêng của nước (kG/m3);

 - Hiệu suất của turbine;

1.3.3 Phương trình điện áp và đồ thị véc tơ của máy phát điện đồng bộ.Đối với máy phát điện đồng bộ tốc độ quay n = const được thể hiện rõràng thông qua các quan hệ giữa các đại lượng U, I, It, cosφ trong đómột số quan hệ chính xác được suy ra từ phương

trình cân bằng điện áp tổng quát của một pha có dạng:

U   E   I r  ­  jx­

Trong đó : - U : điện áp ở đầu cực máy

- rư và xбưư là điện trở và điện kháng tản từ của dây quấnphần ứng

- E

: sức điện động cảm ứng trong dây quấn do từtrường khe hở

Từ trường khe hở lúc có tải là do từ trường cực từ F1 và từ trườngphản ứng

-jxбưư=-j(I xбưưcosΨ + I xбưưsinΨ)

Xq = xưq + xư là điện kháng đồng bộ ngang trục

1.3.4 Các đặc tính điều chỉnh của máy điện đồng bộ

a Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ

Đặc tính không tải là quan hệ E0 = U0 = F(it), khi I = 0 và f = fdm

Dạng đặc tính không tải có thể biểu thị theo đơn vị tương đối

tdmo

i i và U

E

Trong đó itdmo là dòng điện không tải khi U = Udm

Mạch từ của máy phát đện tuabin hơi bão hòa hơn mạch từ của tuabinnước Khi E0 = Udm = E* = 1, đối với máy phát điện tuabin hơi kµd = kµ=1,2 còn máy phát điện tuabin nước kµd = 1,06

b Đặc tính ngoài

Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I) khi it =const, cos φ = const và f =fdm

Đặc tính ngoài cho thấy khi phải thay đổi tải I sao cho cos φ = const rồi

đo U và I ứng với các trị số khác nhau của tải

Trong mỗi trường hợp phải điều chỉnh dòng điện kích thích sao chokhi I = Idm có U = Udm, sau đó giữ không đổi khi thay đổi tải Dòng điện

it ứng với U = Udm; I = Idm; cos φ = cos φdm, f= fdm được gọi là dòngđiện từ hóa định mức

dm

dm dm

U

U E



d Đặc tính tải

Đặc tính tải [22] là quan hệ giữa U = f(it) khi I = const; f = fdm; cos φ =

const Với các trị số khác nhau của I và cos φ sẽ có các đặc tính tải khácnhau, trong đó có ý nghĩa nhất là đặc tính tải thần cảm ứng với cosφ = 0(φ = π/200) và I = Idm

Để đặc tính đó phải điều chỉnh rt và Z (cuộn cảm) sao cho I = Idm Dạngcủa đặc tính thuần cảm như đường 3 trên hình 1-18 Đặc tính tải thuầncảm có thể suy ra được từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng

e Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch K

Đặc tính ngắn mạch là quan hệ In = f(it) khi U = 0 và f = fdm (khi đó dâyquấn phần ứng được nối tắt ngay ở đầu máy) Nếu bỏ qua điện trở dâyquấn phản ứng (rư = 0) thì mạch điện của điện dây quấn phần ứng lúc ngắnmạch là thuần cảm (Ψ = 900) như vậy Iq = cosΨ = 0 và Id = I;

dm

X I X

U

Thường xd* > 1 do đó K < 1 và dòng điện ngắn mạch xác lập Iuo <Iđm, vì vậy có thể kết luận dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phátđện đồng bộ không lớn là do tác dụng khử từ rất mạnh của phản ứngphần ứng

1.4 Kết luận chương I

Trong chương I đã trình bày một cách khái quát về nhà máy thủyđiện nhỏ.Nghiên cứu vai trò, đường đặc tính, phương trình và đồ thị véc

tơ máy điện đồng bộ, xác định vị trí, chức năng của hệ điều khiển kích

từ trong máy phát thủy điện nhỏ

Chương 2: MÔ TẢ TOÁN HỌC MÁY PHÁT THUỶ ĐIỆN NHỎ 2.1 Mô tả toán học máy phát đồng bộ xoay chiều 3 pha [23]

2.1.1 Các phương trình điện áp viết trong hệ tọa độ ba pha abc

Thông thường máy phát đồng bộ được mô tả bởi 3 cuộn dây stator gắnvới cuộn dây damper đặt trên hệ tọa độ vuông góc dq (cuộn D,Q) vàcuộn kích từ (cuộn f) đặt trên trục d (hình 2-1) Phương trình điện ápđược viết cho phần stator trên hệ tọa độ stator, phần rotor trên hệ tọa độrotor Tuy nhiên, để đơn giản ta bỏ qua các chỉ số về trục tọa độ, lúc nàyphương trình điện áp được viết như sau Chiều dòng điện được đánhdấu trên hình 2-1:

dt d

2.1.2 Các phương trình điện áp viết trong hệ tọa độ ba pha dq

Sử dụng phép chuyển vị tọa độ Park cho phần phía stator như sau:

I R

dt d

2.1.3 Mô hình mạch thay thế tương đương

Thay thế đạo hàm d/dt bởi toán tử laplace Phương trình (2.27) trởthành:

R L i u

(2.36)

2.2 Mô hình toán máy phát thủy điện nhỏ

Trên cơ sở các phương trình toán của máy điện đồng bộ của bộ điều

chỉnh điện áp kích từ, của bộ điều tốc và của tải có mô hình toán toàntrạm máy phát thủy điện nhỏ đối tượng điều khiển đa biến như sau:

a Mô hình máy phát đồng bộ với biến dòng điện như sau

 ad d kt kt D D D D

b

i R i x i x i x

id, iq : Dòng điện trục d, trục q của phần ứng

ikt, iD, iQ: Dòng cuộn kích từ, cuộn ổn định trục dọc và trục ngang

xd, xq, xad: Trở kháng trục dọc ,trục ngang và tương hỗ

b Mô hình bộ điều chỉnh điện áp

I d

I U q U q

I U d U I

dt

d

T    (2.43)

e Phương trình tải trạm điện

qpt pt dpt pt dpt

pt

dt

dI x I

r



qdt pt qpt pt qpt

pt

dt

dI x I

2.3 Mô hình toán hệ thống tự động điều chỉnh điện áp của máy phát

Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp xây dựng có sơ đồ như [18] hình

2.6

    U kt KD

I q I U d ba q

I U d ba I

2.4.1 Điều chỉnh sông suất tác dụng P

Trường hợp máy phát điện làm việc trong hệ thống điện có công suất

vô cùng lớn với u, f = const Đặc tính góc công suất tác dụng: Là quan

hệ P = f ( ) khi E0 = const; u = const, trong đó  là góc tải giữa các

véc tơ suất điện động E0 và điện áp U Công suất của máy đồng bộ ở

đầu cực máy:

P = mU I cos 

Đối với máy cực lồi và với rư = 0 vì trị số rư rất nhỏ so với các điệnkháng đồng bộ ( Xdb, Xd, Xq) thì có.

d d

U E I

P = m U I cos (    ) (2.75a)

P = m U ( I cos cos Isinsin)(2.75b)

P = m U ( I qcos I dsin)(2.75c)

x U U E

Từ biểu thức (2.75f) cho thấy công suất tác dụng của máy cực lồigồm hai thành phần: Thành phần Pe tỷ lệ với sin  và phụ thuộc vàoE0 ( hoặc it) và thành phần Pu tỷ lệ với sin 2θ và không phụ thuộc vàoE0 ( hoặc it)

Như vậy muốn điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát thì phảithay đổi góc  , nghĩa là giao điểm A bằng cách thay đổi công suất cơtrên trục máy

Áp dụng điều kiện này với biểu thức (2.75) của máy phát cực lồi thì cóthể suy ra được góc  m xác định bởi:

84

A B A Cos m

Khi điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ làmviệc trong lưới đện vô cùng lớn (u = const; f = const) khi công suất tácdụng của máy phát được giữ không đổi bỏ qua tổn hao trên dây quấn

phần ứng (rư = 0) Trong trường hợp này, đồ thị vectơ suất điện động códạng sau :

2.5 Kết luận chương II

Chương 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ

3.1 Mô hình hệ điều chỉnh máy phát đồng bộ

• Bộ tự động điều khiển phát điện (AGC)

• Bộ tự động điều khiển công suất phản kháng (AQC)

• Biểu đồ tốc độ / công suất và và sụt giảm điện áp kháng hay điệnnăng

• Bộ điều khiển tốc độ và hệ thống kích thích

• Động cơ chính/ tua-bin và SG

• Tốc độ, điện áp, và những cảm biến điện

• Máy biến thế, lưới điện (XT), và trường điện từ của hệ thốngđiện(emf), Es

• PSS Bộ điều khiển điện áp phản hồi đầu vào

3.2.Xây dựng hệ điều khiển kích từ

3.2.1.Một số hệ điều khiển kích từ kinh điển

a.Hệ thống kích từ một chiều:(DC Exciter)

Đây là hệ thống kích thích sử dụng máy phát điện một chiều Dòngđiện kích từ được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp ra của máykích thích một chiều

*Ưu điểm:

Bộ biến đổi có công suất nhỏ

* Nhược điểm:

Do sử dụng hệ thống vành góp chổi than độ bền không cao nên côngsuất chế tạo bị hạn chế.

Hệ thống kích thích được sử dụng gián tiếp nên hằng số thời gian Tecủa hệ thống kích từ lớn, khả năng đáp ứng của hệ thống chậm

Kết cấu hệ thống kích từ phức tạp (Nếu dùng động cơ sơ cấp để quaymáy phát một chiều)

Vì vậy, hệ thống kích từ máy phát loại này thường được áp dụng ởcác máy phát điện có công suất nhỏ và trung bình

c.Hệ thống kích từ tĩnh: (Static Exciter)

Đây là hệ thống kích từ không có phần quay (kích từ tĩnh) sử dụng

bộ chỉnh lưu có điều khiển để cấp nguồn cho cuộn dây kích từ

Do ưu điểm của hệ thống kích từ loại này chúng được áp dụng rộngrãi trong các máy phát công suất trung bình và lớn có yêu cầu về chấtlượng điều chỉnh

* Nhược điểm:

Hệ thống kích từ vẫn phải dùng vành góp chổi than như đầu ra củaAVR

3.2.2 Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp tự động AVR

* Mô hình của bộ AVR trong thực tế

a Thuyết minh sơ đồ khối của bộ AVR

* Khối điều khiển

* Khối giới hạn

* Khối tạo điện áp đặt

b.Thiết kế khối điều khiển chính (Controler)

* Sơ đồ bộ điều khiển

- Tín hiệu điện áp đặt Uref được tạo ra bởi khối đặt điện áp (SETPOIN)

- Tín hiệu điện áp đầu cực máy phát Us được lấy về từ khối tính toán(CALCULATE)

- Tín hiệu giới hạn UOEL và UUEL được lấy từ khối giới hạn (LIMITER)

- Tín hiệu ra Vf được cấp cho mạch kích từ của máy phát

- Các khối LV GATE và HV GATE là các khối lựa chọn giá trị thấp vàgiá trị cao của tín hiệu và để đưa ở đầu ra

- Bộ điều chỉnh là bộ điều khiển PI

- Khâu Follow up FCR là khâu có tác dụng lấy giá trị đặt của dòng điệnkích từ tại thòi điểm chuyển đổi từ chế độ điều khiển tự động sang điềukhiển bằng tay giúp chình quá trình chuyển đổi chế độ làm việc từ từkhông gây biến động mạnh

* Mô hình bộ biến đổi bộ chỉnh lưu

Hàm truyền bộ chỉnh lưu:

WCL =

110

*4

11

+ Cho tác động tín hiệu vào là xung step

+ Xác định tín hiệu ra có dạng gần với khâu quán tính bậc 1 có trễ .

( )

1

s DT

- Tính toán các tham số của bộ PI theo công thức:

Kp= 0,9T/(K) (3.4)

* Khâu lựa chọn giá trị cao và thấp

- Lựa chọn giá trị thấp (LV Gate): Khâu này có tác dụng so sánh hai

giá trị đầu vào và đầu ra giá trị nhỏ nhất

- Lựa chọn giá trị cao (HV Gate): Khâu này có tác dụng so sánh hai

giá trị đầu vào và đưa ra đầu ra giá trị lớn nhất

c.Thiết kế khối chuyển đổi và tính toán (Caculate)

* Sơ đồ khối tính toán

* Khâu tính toán sin – cos

* Khâu chuyển đổi điện áp dòng điện abc2dq

Khâu này có tác dụng chuyển đổi các giá trị điện áp trong hệ trục bapha sang hệ vuông góc d,q theo phép biến đổi Park

d.Thiết kế khối giới hạn (Limiter)

* Vai trò của các giới hạn

Công suất phát ra của máy phát là:

UE U

* Khâu giới hạn tần số điện áp (V/f limiter)

Ta có đường đặc tính giới hạn tần số điện áp như sau:

Để giải quyết được yêu cầu trên thì bộ giới hạn V/f được thiết kế nhưsau:

Phương trình của đường thẳng giới hạn:

U f    K f U *  _ fn K  (3.13)

Trong đó: K : Hệ số góc của đường đặc tính V/f

U_fn : Điện áp ứng với tần số định mức

Utmax : Điện áp đặt lớn nhất

Các tham số thực tế: K = 09; U_fn = 1.1; Utmax = 1.1;

* Khâu giới hạn thiếu kích thích (UEL Limiter)

Sau đây là thiết kế chi tiết của khối giới hạn UEL

* Khâu giới hạn quá kích thích (OEL Limiter)

e Thiết kế bộ đặt điện áp (Setpoin)

* Sơ đồ khối điện áp đặt

Để giải quyết được các yêu cầu đó khối đặt điện áp được thiết kế nhưsau:

* Khâu tự động điều chỉnh công suất phản kháng (AQR)

Các tham số:

Tq = 0,2: Hệ số lọc công suất phản kháng

Kq = 0,01: Hệ số khuyêch đại

3.3.Xây dựng hệ thống ổn định công suất PSSs

Hệ thống ổn định điện PSS (Power System Stabilizers) làm giảm daođộng của roto máy phát bằng cách thêm tín hiệu ổn định phụ trợ (s),chống lại sự thay đổi góc công suất Tín hiệu đầu vào là tín hiệu tốc độ

và công suất điện qua bộ tích phân kết hợp với quán tính roto PSS làchức năng phụ của AVR, nó được lắp đặt để chống lại sự dao động của

hệ thống Các bộ AVR có độ nhạy cao sẽ làm giảm kích từ quá thấp khiđiện áp lưới tăng cao, do đó làm mất sự ổn định của ngẫu lực và máyphát có thể mất đồng bộ tiến tới dao động

PSS cần thiết để góp phần vào việc giảm dao động của roto trên phạm

vi tần số chứ không phải duy nhất một tần số

Lượng từ thông f (f, , r ) Sau khi tuyến tính hóa: