Bài tập dài mô hình hóa nhà máy thủy điện đơn giản bằng MATLABSIMULINK

Bài tập dài mô hình hóa nhà máy thủy điện đơn giản bằng MATLABSIMULINKMỤC LỤCLỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................................4CHƢƠNG 1: NHU CẦU VÀ LỢI ÍCH CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ..........................5CHƢƠNG 2: TUABIN THỦY LỰC ....................................................................................72.1: Mô hình toán học của hệ thống bộ điều chỉnh tuabin .................................................82.2: Mô hình hóa các bộ điều khiển ......................................................................................92.3: Mô hình hóa các hệ thống servo thủy điện ...................................................................92.3.1: Nguyên tắc hoạt động của động cơ servo.................................................................102.3.2: Mô hình toán học của động cơ servo........................................................................112.4: Giới thiệu về tuabin thủy lực .......................................................................................122.4.1: Tuabin xung kích .......................................................................................................122.4.2: Tuabin phản lực .........................................................................................................132.4.3: Năng lƣợng và hiệu suất của tuabin.........................................................................132.5: Mô hình hóa các tua bin thủy lực................................................................................142.6: Mô hình MATLAB Simulink của bộ điều chỉnh tuabin thủy lực ..........................16CHƢƠNG 3: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ................................................................................173.1: Máy phát điện đồng bộ .................................................................................................173.2: Mô hình máy phát điện đồng bộ..................................................................................172.3: Đầu vào và đầu ra của các khối ...................................................................................182.4: Thông số của máy đồng bộ trong MATLAB Simulink ...........................................19CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN..........................................................214.1: Hoạt động của nhà máy thủy điện nhỏ .......................................................................224.2: Mô hình MATLAB Simulink của nhà máy thủy điện.............................................234.3: Đƣa thông số vào mô hình............................................................................................23CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT.....................................................................265.1: Kết quả mô phỏng.........................................................................................................265.2: Kết luận..........................................................................................................................29Bài tập dài nhà máy điện GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát3MỤC LỤC CÁC BẢNGTên bảng TrangBảng 3.1: Các tín hiệu bộ tách kênh tại đầu cuối m của một máy phát điện 19Bảng 4.1: Bảng thông số khối HTG 23Bảng 4.2: Thông số khối Excitation System (Hệ thống kích từ) 24Bảng 4.3: Thông số Máy phát điện (200MVA, 13.8kV) 24Bảng 4.4: Thông số máy biến áp 25Bài tập dài nhà máy điện GVHD: TS. Nguyễn Ngọc KhoátBài tập dài mô hình hóa nhà máy thủy điện đơn giản bằng MATLABSIMULINKBài tập dài mô hình hóa nhà máy thủy điện đơn giản bằng MATLABSIMULINKLỜI MỞ ĐẦUMô hình hóa và mô phỏng là một phương pháp nghiên cứu khóa học được ứng dụngrất rộng rãi: Từ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đến vận hành các hệ thống. Ngày nay nhờ có sựtrợ giúp của các máy tính có tốc độ tính toán cao và bộ nhớ lớn mà phương pháp mô hìnhhóa được phát triển mạnh mẽ, đưa lại hiệu quả to lớn trong nghiên cứu khoa học và thựctiễn sản xuất. Mô hình hóa và mô phỏng được ứng dụng không những vào lĩnh vực khoahọc công nghệ mà còn ứng dụng có hiệu quả vào nhiều lĩnh vực khác nhau như quân sự,kinh tế và xã hội...Chính vì lý do này nên chúng em chọn đề tài “ Mô hình hóa, mô phỏng và điềukhiển một hệ thống điện (thủy điện hydro turbine) đơn giản. Thiết kế bộ ổn định (powersystem stabilizer) cho hệ thống điện này. Kiểm chứng hiệu quả của phương pháp nghiêncứu sử dụng MATLABSimulink ” làm đề tài nghiên cứu bài tập dài của chúng em.Mô hình hóa và mô phỏng là một lĩnh vực rất rộng và đang phát triển. Do thời giancó hạn nên bài tập dài của chúng em vẫn có sự thiếu sót mongDù đã rất cố gắng và nỗ lực để thực hiện đề tài này, nhưng do kiến thức và thời giancó hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế, vì vậy chúng em rất mong nhậnđược những ý kiến đóng góp của quý thầy cô cùng các bạn.Sinh viên thực hiệnNguyễn Trọng Thành làm chƣơng 1Võ Anh Thắng làm từ 2.1 đến 2.4Phan Anh Tú làm làm 2.4 đến 2.6Nguyễn Minh Tiến làm chƣơng 3Nguyễn Văn Tuấn làm chƣơng 4Đặng Văn Thắng làm chƣơng 5Bài tập dài nhà máy điện GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát5CHƢƠNG 1: NHU CẦU VÀ LỢI ÍCH CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆNNhu cầu năng lượng đã tăng lên đáng kể trong thế kỷ vừa qua và dự kiến sẽ tăngtrưởng nhanh hơn và đáng kể trong tương lai gần. Trên cơ sở hạn chế và bổ sung các nguồnnăng lượng được phân loại thành hai loại: Nguồn năng lượng không thể tái tạo và nguồnnăng lượng tái tạo được.Các nguồn năng lượng không tái tạo là một nguồn tài nguyên thiên nhiên mà khôngthể sản xuất được và tồn tại của nó có giới hạn, nơi mà các nguồn năng lượng tái tạo là mộtnguồn tài nguyên thiên nhiên có thể được bổ sung một cách tự nhiên.Ví dụ về các nguồn năng lượng không tái tạo được là dầu mỏ, khí tự nhiên, than,uranium, propan,…và ví dụ về các nguồn năng lượng tái tạo là sinh học, năng lượng mặttrời, thủy điện, địa nhiệt, năng lượng thủy triều…Năng lượng không thể tái tạo là nguồnnăng lượng chính cho sản xuất điện. Trong đó 32% tổng lượng nhiên liệu hóa thạch toàncầu được dùng để sản xuất điện và 40% sản lượng điện sản xuất trên toàn thế giới bởi cácnhà máy điện dùng than và 20% do các nhà máy điện dùng khí đốt. Ngày nay, chúng takhông thể tưởng tượng một cuộc sống mà không sử dụng các nhiên liệu hóa thạch. Do tiêuthụ nhiên liệu hóa thạch, môi trường ngày càng bị ô nhiễm và thậm chí nó ảnh hưởng đếnsức khỏe con người trực tiếp do hít vào khói thải. Sự phát xạ hạt bụi sau khi đốt gây ra bệnhung thư phổi và ung thư bàng quang. Ô nhiễm không khí đã trở thành một vấn đề nghiêmtrọng ở nhiều nước đang phát triển. Sử dụng các nguồn năng lượng xanh giảm tỷ lệ của sựnóng lên toàn cầu. Gió, mặt trời, thủy điện, sóng biển, địa nhiệt và thủy triều là một số trongnhững hình thức của các nguồn năng lượng tái tạo.Ở việt nam về cơ cấu tiêu thụ điện, công nghiệp tiếp tục là ngành chiếm tỉ trọng tiêuthụ điện năng nhiều nhất với tốc độ tăng từ 47.4% lên đến 52% tổng sản lượng tiêu thụ điệntương ứng trong năm 2006 và 2010. Tiêu thụ điện hộ gia đình chiếm tỉ trọng lớn thứ hainhưng có xu hướng giảm nhẹ do tốc độ công nghiệp hoá nhanh của Việt Nam, từ 42.9%năm 2006 thành 38.2% năm 2010. Phần còn lại dịch vụ, nông nghiệp và các ngành khácchiếm khoảng 10% tổng sản lượng tiêu thụ điện năng. Để có thể đáp ứng được nhu cầu điệnnăng, Chính phủ Việt Nam đã đề ra mục tiêu cụ thể về sản xuất và nhập khẩu cho ngànhđiện. Trong Tổng sơ đồ VII cho giai đoạn 20102020 tầm nhìn 2030 các mục tiêu bao gồm:1) Sản xuất và nhập khẩu tổng cộng 194 210 tỉ kWh đến năm 2015, 330 362 tỉ kWh năm2020, và 695 834 tỉ kWh năm 2030.MỤC LỤCLỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................................4CHƢƠNG 1: NHU CẦU VÀ LỢI ÍCH CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ..........................5CHƢƠNG 2: TUABIN THỦY LỰC ....................................................................................72.1: Mô hình toán học của hệ thống bộ điều chỉnh tuabin .................................................82.2: Mô hình hóa các bộ điều khiển ......................................................................................92.3: Mô hình hóa các hệ thống servo thủy điện ...................................................................92.3.1: Nguyên tắc hoạt động của động cơ servo.................................................................102.3.2: Mô hình toán học của động cơ servo........................................................................112.4: Giới thiệu về tuabin thủy lực .......................................................................................122.4.1: Tuabin xung kích .......................................................................................................122.4.2: Tuabin phản lực .........................................................................................................132.4.3: Năng lƣợng và hiệu suất của tuabin.........................................................................132.5: Mô hình hóa các tua bin thủy lực................................................................................142.6: Mô hình MATLAB Simulink của bộ điều chỉnh tuabin thủy lực ..........................16CHƢƠNG 3: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ................................................................................173.1: Máy phát điện đồng bộ .................................................................................................173.2: Mô hình máy phát điện đồng bộ..................................................................................172.3: Đầu vào và đầu ra của các khối ...................................................................................182.4: Thông số của máy đồng bộ trong MATLAB Simulink ...........................................19CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN..........................................................214.1: Hoạt động của nhà máy thủy điện nhỏ .......................................................................224.2: Mô hình MATLAB Simulink của nhà máy thủy điện.............................................234.3: Đƣa thông số vào mô hình............................................................................................23CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT.....................................................................265.1: Kết quả mô phỏng.........................................................................................................265.2: Kết luận..........................................................................................................................29Bài tập dài nhà máy điện GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát3MỤC LỤC CÁC BẢNGTên bảng TrangBảng 3.1: Các tín hiệu bộ tách kênh tại đầu cuối m của một máy phát điện 19Bảng 4.1: Bảng thông số khối HTG 23Bảng 4.2: Thông số khối Excitation System (Hệ thống kích từ) 24Bảng 4.3: Thông số Máy phát điện (200MVA, 13.8kV) 24Bảng 4.4: Thông số máy biến áp 25Bài tập dài nhà máy điện GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát4LỜI MỞ ĐẦUMô hình hóa và mô phỏng là một phương pháp nghiên cứu khóa học được ứng dụngrất rộng rãi: Từ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đến vận hành các hệ thống. Ngày nay nhờ có sựtrợ giúp của các máy tính có tốc độ tính toán cao và bộ nhớ lớn mà phương pháp mô hìnhhóa được phát triển mạnh mẽ, đưa lại hiệu quả to lớn trong nghiên cứu khoa học và thựctiễn sản xuất. Mô hình hóa và mô phỏng được ứng dụng không những vào lĩnh vực khoahọc công nghệ mà còn ứng dụng có hiệu quả vào nhiều lĩnh vực khác nhau như quân sự,kinh tế và xã hội...Chính vì lý do này nên chúng em chọn đề tài “ Mô hình hóa, mô phỏng và điềukhiển một hệ thống điện (thủy điện hydro turbine) đơn giản. Thiết kế bộ ổn định (powersystem stabilizer) cho hệ thống điện này. Kiểm chứng hiệu quả của phương pháp nghiêncứu sử dụng MATLABSimulink ” làm đề tài nghiên cứu bài tập dài của chúng em.Mô hình hóa và mô phỏng là một lĩnh vực rất rộng và đang phát triển. Do thời giancó hạn nên bài tập dài của chúng em vẫn có sự thiếu sót mongDù đã rất cố gắng và nỗ lực để thực hiện đề tài này, nhưng do kiến thức và thời giancó hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế, vì vậy chúng em rất mong nhậnđược những ý kiến đóng góp của quý thầy cô cùng các bạn.Sinh viên thực hiệnNguyễn Trọng Thành làm chƣơng 1Võ Anh Thắng làm từ 2.1 đến 2.4Phan Anh Tú làm làm 2.4 đến 2.6Nguyễn Minh Tiến làm chƣơng 3Nguyễn Văn Tuấn làm chƣơng 4Đặng Văn Thắng làm chƣơng 5Bài tập dài nhà máy điện GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát5CHƢƠNG 1: NHU CẦU VÀ LỢI ÍCH CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆNNhu cầu năng lượng đã tăng lên đáng kể trong thế kỷ vừa qua và dự kiến sẽ tăngtrưởng nhanh hơn và đáng kể trong tương lai gần. Trên cơ sở hạn chế và bổ sung các nguồnnăng lượng được phân loại thành hai loại: Nguồn năng lượng không thể tái tạo và nguồnnăng lượng tái tạo được.Các nguồn năng lượng không tái tạo là một nguồn tài nguyên thiên nhiên mà khôngthể sản xuất được và tồn tại của nó có giới hạn, nơi mà các nguồn năng lượng tái tạo là mộtnguồn tài nguyên thiên nhiên có thể được bổ sung một cách tự nhiên.Ví dụ về các nguồn năng lượng không tái tạo được là dầu mỏ, khí tự nhiên, than,uranium, propan,…và ví dụ về các nguồn năng lượng tái tạo là sinh học, năng lượng mặttrời, thủy điện, địa nhiệt, năng lượng thủy triều…Năng lượng không thể tái tạo là nguồnnăng lượng chính cho sản xuất điện. Trong đó 32% tổng lượng nhiên liệu hóa thạch toàncầu được dùng để sản xuất điện và 40% sản lượng điện sản xuất trên toàn thế giới bởi cácnhà máy điện dùng than và 20% do các nhà máy điện dùng khí đốt. Ngày nay, chúng takhông thể tưởng tượng một cuộc sống mà không sử dụng các nhiên liệu hóa thạch. Do tiêuthụ nhiên liệu hóa thạch, môi trường ngày càng bị ô nhiễm và thậm chí nó ảnh hưởng đếnsức khỏe con người trực tiếp do hít vào khói thải. Sự phát xạ hạt bụi sau khi đốt gây ra bệnhung thư phổi và ung thư bàng quang. Ô nhiễm không khí đã trở thành một vấn đề nghiêmtrọng ở nhiều nước đang phát triển. Sử dụng các nguồn năng lượng xanh giảm tỷ lệ của sựnóng lên toàn cầu. Gió, mặt trời, thủy điện, sóng biển, địa nhiệt và thủy triều là một số trongnhững hình thức của các nguồn năng lượng tái tạo.Ở việt nam về cơ cấu tiêu thụ điện, công nghiệp tiếp tục là ngành chiếm tỉ trọng tiêuthụ điện năng nhiều nhất với tốc độ tăng từ 47.4% lên đến 52% tổng sản lượng tiêu thụ điệntương ứng trong năm 2006 và 2010. Tiêu thụ điện hộ gia đình chiếm tỉ trọng lớn thứ hainhưng có xu hướng giảm nhẹ do tốc độ công nghiệp hoá nhanh của Việt Nam, từ 42.9%năm 2006 thành 38.2% năm 2010. Phần còn lại dịch vụ, nông nghiệp và các ngành khácchiếm khoảng 10% tổng sản lượng tiêu thụ điện năng. Để có thể đáp ứng được nhu cầu điệnnăng, Chính phủ Việt Nam đã đề ra mục tiêu cụ thể về sản xuất và nhập khẩu cho ngànhđiện. Trong Tổng sơ đồ VII cho giai đoạn 20102020 tầm nhìn 2030 các mục tiêu bao gồm:1) Sản xuất và nhập khẩu tổng cộng 194 210 tỉ kWh đến năm 2015, 330 362 tỉ kWh năm2020, và 695 834 tỉ kWh năm 2030.Bài tập dài mô hình hóa nhà máy thủy điện đơn giản Bài tập dài mô hình hóa nhà máy thủy điện đơn giản Bài tập dài mô hình hóa nhà máy thủy điện đơn giản Bài tập dài mô hình hóa nhà máy thủy điện đơn giản bằng MATLABSIMULINKBài tập dài mô hình hóa nhà máy thủy điện đơn giản bằng MATLABSIMULINKBài tập dài mô hình hóa nhà máy thủy điện đơn giản bằng MATLABSIMULINKBài tập dài mô hình hóa nhà máy thủy điện đơn giản bằng MATLABSIMULINKBài tập dài mô hình hóa nhà máy thủy điện đơn giản bằng MATLABSIMULINKBài tập dài mô hình hóa nhà máy thủy điện đơn giản bằng MATLABSIMULINKBài tập dài mô hình hóa nhà máy thủy điện đơn giản bằng MATLABSIMULINK

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: NHU CẦU VÀ LỢI ÍCH CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 5

CHƯƠNG 2: TUABIN THỦY LỰC 7

2.1: Mô hình toán học của hệ thống bộ điều chỉnh tuabin 8

2.2: Mô hình hóa các bộ điều khiển 9

2.3: Mô hình hóa các hệ thống servo thủy điện 9

2.3.1: Nguyên tắc hoạt động của động cơ servo 10

2.3.2: Mô hình toán học của động cơ servo 11

2.4: Giới thiệu về tuabin thủy lực 12

2.4.1: Tuabin xung kích 12

2.4.2: Tuabin phản lực 13

2.4.3: Năng lượng và hiệu suất của tuabin 13

2.5: Mô hình hóa các tua bin thủy lực 14

2.6: Mô hình MATLAB / Simulink của bộ điều chỉnh tuabin thủy lực 16

CHƯƠNG 3: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 17

3.1: Máy phát điện đồng bộ 17

3.2: Mô hình máy phát điện đồng bộ 17

2.3: Đầu vào và đầu ra của các khối 18

2.4: Thông số của máy đồng bộ trong MATLAB / Simulink 19

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 21

4.1: Hoạt động của nhà máy thủy điện nhỏ 22

4.2: Mô hình MATLAB / Simulink của nhà máy thủy điện 23

4.3: Đưa thông số vào mô hình 23

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 26

5.1: Kết quả mô phỏng 26

5.2: Kết luận 29

MỤC LỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Các tín hiệu bộ tách kênh tại đầu cuối 'm' của một máy phát điện 19

Bảng 4.2: Thông số khối Excitation System (Hệ thống kích từ) 24

LỜI MỞ ĐẦU

Mô hình hóa và mô phỏng là một phương pháp nghiên cứu khóa học được ứng dụng rất rộng rãi: Từ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đến vận hành các hệ thống Ngày nay nhờ có sự trợ giúp của các máy tính có tốc độ tính toán cao và bộ nhớ lớn mà phương pháp mô hình hóa được phát triển mạnh mẽ, đưa lại hiệu quả to lớn trong nghiên cứu khoa học và thực tiễn sản xuất Mô hình hóa và mô phỏng được ứng dụng không những vào lĩnh vực khoa học công nghệ mà còn ứng dụng có hiệu quả vào nhiều lĩnh vực khác nhau như quân sự, kinh tế và xã hội

Chính vì lý do này nên chúng em chọn đề tài “ Mô hình hóa, mô phỏng và điều

khiển một hệ thống điện (thủy điện - hydro turbine) đơn giản Thiết kế bộ ổn định (power system stabilizer) cho hệ thống điện này Kiểm chứng hiệu quả của phương pháp nghiên cứu sử dụng MATLAB/Simulink ” làm đề tài nghiên cứu bài tập dài của chúng em

Mô hình hóa và mô phỏng là một lĩnh vực rất rộng và đang phát triển Do thời gian

có hạn nên bài tập dài của chúng em vẫn có sự thiếu sót mong

Dù đã rất cố gắng và nỗ lực để thực hiện đề tài này, nhưng do kiến thức và thời gian

có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế, vì vậy chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô cùng các bạn

Sinh viên thực hiện Nguyễn Trọng Thành làm chương 1

Võ Anh Thắng làm từ 2.1 đến 2.4 Phan Anh Tú làm làm 2.4 đến 2.6 Nguyễn Minh Tiến làm chương 3 Nguyễn Văn Tuấn làm chương 4 Đặng Văn Thắng làm chương 5

CHƯƠNG 1: NHU CẦU VÀ LỢI ÍCH CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

Nhu cầu năng lượng đã tăng lên đáng kể trong thế kỷ vừa qua và dự kiến sẽ tăng trưởng nhanh hơn và đáng kể trong tương lai gần Trên cơ sở hạn chế và bổ sung các nguồn năng lượng được phân loại thành hai loại: Nguồn năng lượng không thể tái tạo và nguồn năng lượng tái tạo được

Các nguồn năng lượng không tái tạo là một nguồn tài nguyên thiên nhiên mà không thể sản xuất được và tồn tại của nó có giới hạn, nơi mà các nguồn năng lượng tái tạo là một nguồn tài nguyên thiên nhiên có thể được bổ sung một cách tự nhiên

Ví dụ về các nguồn năng lượng không tái tạo được là dầu mỏ, khí tự nhiên, than, uranium, propan,…và ví dụ về các nguồn năng lượng tái tạo là sinh học, năng lượng mặt trời, thủy điện, địa nhiệt, năng lượng thủy triều…Năng lượng không thể tái tạo là nguồn năng lượng chính cho sản xuất điện Trong đó 32% tổng lượng nhiên liệu hóa thạch toàn cầu được dùng để sản xuất điện và 40% sản lượng điện sản xuất trên toàn thế giới bởi các nhà máy điện dùng than và 20% do các nhà máy điện dùng khí đốt Ngày nay, chúng ta không thể tưởng tượng một cuộc sống mà không sử dụng các nhiên liệu hóa thạch Do tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, môi trường ngày càng bị ô nhiễm và thậm chí nó ảnh hưởng đến sức khỏe con người trực tiếp do hít vào khói thải Sự phát xạ hạt bụi sau khi đốt gây ra bệnh ung thư phổi và ung thư bàng quang Ô nhiễm không khí đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng ở nhiều nước đang phát triển Sử dụng các nguồn năng lượng xanh giảm tỷ lệ của sự nóng lên toàn cầu Gió, mặt trời, thủy điện, sóng biển, địa nhiệt và thủy triều là một số trong những hình thức của các nguồn năng lượng tái tạo

Ở việt nam về cơ cấu tiêu thụ điện, công nghiệp tiếp tục là ngành chiếm tỉ trọng tiêu thụ điện năng nhiều nhất với tốc độ tăng từ 47.4% lên đến 52% tổng sản lượng tiêu thụ điện tương ứng trong năm 2006 và 2010 Tiêu thụ điện hộ gia đình chiếm tỉ trọng lớn thứ hai nhưng có xu hướng giảm nhẹ do tốc độ công nghiệp hoá nhanh của Việt Nam, từ 42.9% năm 2006 thành 38.2% năm 2010 Phần còn lại dịch vụ, nông nghiệp và các ngành khác chiếm khoảng 10% tổng sản lượng tiêu thụ điện năng Để có thể đáp ứng được nhu cầu điện năng, Chính phủ Việt Nam đã đề ra mục tiêu cụ thể về sản xuất và nhập khẩu cho ngành điện Trong Tổng sơ đồ VII cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030 các mục tiêu bao gồm: 1) Sản xuất và nhập khẩu tổng cộng 194 - 210 tỉ kWh đến năm 2015, 330 - 362 tỉ kWh năm

2020, và 695 - 834 tỉ kWh năm 2030

2) Ưu tiên sản xuất điện từ nguồn năng lượng tái tạo bằng cách tăng tỷ lệ điện năng sản xuất

từ nguồn năng lượng này từ mức 3.5% năm 2010 lên 4.5% tổng điện năng sản xuất vào năm

2020 và 6% vào năm 2030

3) Giảm hệ số đàn hồi điện/GDP từ bình quân 2.0 hiện nay xuống còn bằng 1.5 năm 2015

và 1.0 năm 2020

4) Đẩy nhanh chương trình điện khí hoá nông thôn miền núi đảm bảo đến năm 2020 hầu hết

số hộ dân nông thôn có điện

Các chiến lược được áp dụng để đạt các mục tiêu nói trên cũng đã được đề ra bao gồm: 1) Đa dạng hoá các nguồn sản xuất điện nội địa bao gồm các nguồn điện truyền thống (như than và ga) và các nguồn mới (như Năng lượng tái tạo và điện nguyên tử)

2) Phát triển cân đối công suất nguồn trên từng miền: Bắc Trung và Nam, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện trên từng hệ thống điện miền nhằm giảm tổn thất truyền tải, chia sẻ công suất nguồn dự trữ và khai thác hiệu quả các nhà máy thuỷ điện trong các mùa

3) Phát triển nguồn điện mới đi đôi với đổi mới công nghệ các nhà máy đang vận hành 4) Đa dạng hoá các hình thức đầu tư phát triển nguồn điện nhằm tăng cường cạnh tranh nâng cao hiệu quả kinh tế;

Cơ cấu các nguồn điện cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030 đã được đề ra trong

đó nguồn nhiên liệu quan trọng nhất vẫn là than và nhiệt điện Điện nguyên tử và năng lượng tái tạo chiếm tỉ trọng tương đối cao vào giai đoạn 2010-2020 và sẽ dần trở nên tương đối quan trọng trong giai đoạn 2020-2030 Thuỷ điện vẫn duy trì thị phần không đổi trong giai đoạn 2010-2020 và 2020-2030 vì thuỷ điện gần như đã được khai thác hết trên toàn quốc Việt nam là một nước đang phát triển nên nhu cầu năng lượng rất cao Việc thiết kế và xây dựng nhà máy thủy điện với những cải tiến về công nghệ giúp năng suất sản xuất điện năng tăng cao và ổn định hơn là một việc cần thiết hiện nay song song với việc thiết kế và xây dựng các nguồn năng lượng sạch

CHƯƠNG 2: TUABIN THỦY LỰC

Nhà máy thủy điện là nguồn năng lượng trong hệ thống điện Nó có hai phần chính, thứ nhất là các phần cơ khí của nhà máy bao gồm tuabin thuỷ lực, đường ống áp lực, điều khiển, động cơ servo thủy lực, van điều khiển, Phần thứ hai của nhà máy là phần điện mà chủ yếu bao gồm máy phát và tải Các hình thức kết hợp của tua bin thủy lực, điều khiển và

hệ thống servo thủy điện được biết bộ điều chỉnh tuabin thủy điện

Chức năng của một bộ điều chỉnh tuabin thuỷ điện là kiểm soát tốc độ của tuabin qua tín hiệu phản hồi của tốc độ Các tần số được tạo ra tỷ lệ thuận với tốc độ quay của tuabin

Vì vậy, để duy trì tần số được tạo ra liên tục ở 50Hz thì tốc độ phải được luân chuyển liên tục Tuabin được nối với trục của máy phát điện, các dữ liệu về tốc độ phát được cảm nhận bởi máy đo tốc độ và gửi trở lại bộ điều chỉnh tuabin Bộ điều chỉnh tuabin so sánh với giá trị thực tế và tham khảo các tín hiệu tốc độ và điều chỉnh lưu lượng nước để duy trì tốc độ ở mức độ chính xác Sự thay đổi trong tốc độ của tuabin có thể kéo hệ thống hướng tới sự bất

ổn Bộ điều chỉnh tương đối nhỏ về kích thước nhưng nhanh hơn để đáp ứng với các lỗi về tốc độ Sự biến động của tốc độ của máy phát điện đối với tốc độ đồng bộ được gọi là sự dao động Hiện tượng này về cơ bản xảy ra do thiếu sự kiểm soát của bộ điều chỉnh

Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng của một nhà máy điện thủy điện

Hình 2.1 cho thấy một sơ đồ khối hoàn toàn của nhà máy thủy điện Nước được lưu trữ tại hồ chứa Năng lượng của nước được chuyển thành động năng khi nó được xả ra khỏi

hồ chứa và đi qua các đường ống áp lực Động năng này được chuyển đổi thành năng lượng

cơ học cho phép nước rơi trên cánh quạt của tuabin Bên cạnh đó trục của máy phát điện được nối với trục của tuabin khi tuabin quay làm quay máy phát điện tạo ra điện năng, máy phát điện sản xuất năng lượng điện bằng cách chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện Các hệ thống điều chỉnh tốc độ tuabin điều chỉnh tốc độ máy phát điện dựa trên

các tín hiệu phản hồi độ lệch tần số của hệ thống với các thiết lập ban đầu Điều này đảm bảo phát điện tại tần số đồng bộ

2.1: Mô hình toán học của hệ thống bộ điều chỉnh tuabin

Do sự thay đổi của tải trong thời gian vận hành nên tần số được tạo ra các hệ thống dao động Bộ điều chỉnh tuabin được sử dụng để duy trì tốc độ của tuabin liên tục do đó tần

số và điện năng hoạt động phải đáp ứng khi tải thay đổi Bộ điều chỉnh tuabin quy định đầu vào là nước sẽ đi vào tua bin, sau đó làm quay máy phát điện để sản xuất điện Phần này thể hiện chi tiết các mô hình cơ học của hệ thống điều khiển tuabin thủy lực Một mô hình toán học của một hệ thống thủy lực bao gồm cả các tuabin đường ống áp lực và hệ thống điều khiển được giới thiệu ở đây Để điều chỉnh việc mở cửa của các cửa van, động cơ servo điều khiển van Các động cơ servo được kích hoạt bởi các tín hiệu được tạo ra từ bộ điều chỉnh tuabin

- : per-unit conduit head losses

- h: Chiều dài đoạn ống dẫn

- A: Diện tích mặt cắt ngang của đường ống áp lực

Với Q là tốc độ dòng chảy, là mômen xoắn tuabin, y là chiều cao mở cửa xả và x là tốc

độ của tuabin Khi các thông số của tuabin khác nhau trong phạm vi nhỏ thì hoạt động ổn định, hai chức năng trên cho lưu lượng nước và mômen xoắn có thể được tuyến tính (phương trình 2.4 và 2.5) như:

, đạo hàm riêng của mô-men xoắn cho áp suất tuabin nước

, đạo hàm riêng của dòng chảy mở van

, đạo hàm riêng của dòng chảy với tốc độ của tuabin

, đạo hàm riêng của dòng chảy với van của tuabin

2.2: Mô hình hóa các bộ điều khiển

Ở đây bộ điều khiển PID được sử dụng như là bộ điều khiển Các lỗi về tốc độ được xem như là đầu vào cho bộ điều khiển và bộ điều khiển PID nhằm giảm sự khác biệt giữa tốc độ thực tế và tốc độ mong muốn bằng cách điều chỉnh các hằng số của bộ điều khiển Tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi

là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D

Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PID:

2.3: Mô hình hóa các hệ thống servo thủy điện

Trong mô hình bộ điều chỉnh tuabin động cơ servo được sử dụng để kiểm soát các cửa van theo tín hiệu của bộ điều khiển Bộ điều khiển vô hiệu hóa các lỗi trong tín hiệu tốc

độ bằng cách gửi một tín hiệu tới động cơ servo để điều khiển đóng mở van Vì vậy, động

cơ servo làm việc ở đây như là một thiết bị truyền động và được kích hoạt bằng cách nhận các tín hiệu báo lỗi Bộ điều khiển xử lý dữ liệu sai số, vị trí góc đến cơ cấu chấp hành để điều khiển các van làm tăng hoặc giảm việc mở van tạo ra sự ổn định hệ thống bằng cách duy trì tốc độ yêu cầu Bằng cách thu thập các tín hiệu vị trí góc, động cơ servo điều chỉnh van dẫn đến điều chỉnh lưu lượng nước như vậy mà tốc độ đạt giá trị yêu cầu hoặc giá trị đồng bộ

Hình 2.2: Mô hình phi tuyến của tua bin thủy lực 2.3.1: Nguyên tắc hoạt động của động cơ servo

Các hoạt động cơ bản của động cơ servo là tương tự như của động cơ cảm ứng với một số sự điều chỉnh Có hai cuộn dây đặt trên stator được gọi là cuộn điều khiển và cuộn pha chuẩn Các điện áp áp dụng cho các đoạn và là 90° khi ra khỏi đoạn đó thì độ lớn điện áp không đồng đều Do đoạn này làm thay đổi từ trường quay được sinh ra trong stator

Sự thay đổi pha giữa điện áp trên cuộn điều khiển và cuộn pha chuẩn quyết định chiều quay của động cơ Các từ thông xoay của rotor tuân theo luật cảm ứng điện từ của Faraday

Khi dây dẫn rotor ngắn mạch trong một vòng kín và các sức điện động cảm ứng trong dây dẫn gây ra dòng điện trong các dây dẫn của rotor Theo định luật Faraday`s quy tắc bàn tay trái, khi một điện cảm chịu ảnh hưởng của từ thông, nó chịu một lực Các lực này gây ra một mômen xoắn đều và động cơ bắt đầu quay Đối với một động cơ servo, mômen xoắn có đặc điểm tốc độ tuyến tính Tốc độ của động cơ tỷ lệ với kích thước của cánh quạt, nếu muốn tăng tốc thì phải giảm kích thước cánh quạt đồng thời tăng số cánh quạt lên Để có thể tăng gia tốc, kích thước của rotor phải nhỏ Việc xây dựng rotor thường

là lồng sóc hoặc loại dây quấn Đường kính của rotor phải nhỏ để làm giảm quán tính để có thể tăng tốc nhanh

Rotor bắt đầu chuyển động, khi nó nhận được một tín hiệu báo 'lỗi' Động cơ sẽ quay theo hướng ngược lại khiến các tín hiệu gây lỗi bị giảm Các động cơ ngừng quay khi tín hiệu sai số gần bằng không Các đầu ra mômen xoắn của động cơ tỷ lệ với điện áp điều khiển và hướng của mômen xoắn được xác định bởi sự phân cực của điện áp điều khiển Trên thực tế trong một động cơ servo các điện áp không bằng nhau về độ lớn Điện áp tham chiếu được giữ không đổi và điện áp pha điều khiển được kích thích bởi những tín hiệu lỗi

Công suất đầu ra cơ học của động cơ ac servo thay đổi từ 2 watt đến vài trăm watt Đặc trưng của các mômen xoắn của động cơ là tốc độ và tín hiệu lỗi

Các mômen xoắn của động cơ có thể thay đổi bằng cách thay đổi độ lớn của bằng việc thay đổi điện áp Tương tự như vậy, hướng quay có thể được thay đổi bằng cách thay đổi phân cực của điện áp điều khiển

2.3.2: Mô hình toán học của động cơ servo

Các mômen xoắn ( ̇ )) của động cơ servo được mở rộng bằng định thức Taylor`s như trong phương trình 2.10

( ) ̇ ̇ ̇ (2.10) Bằng cách bỏ qua các điều kiện bậc cao hơn và điều kiện ban đầu, phương trình 2.10 có thể được viết lại như sau :

̇ Với

là mômen và hằng số thời gian tương ứng

Ở đây, động cơ servo điều khiển vị trí mở van thay đổi với tốc độ trục của máy phát điện để duy trì tốc độ không đổi / tần số Ở đây, sự thay đổi về tốc độ của máy phát điện hoạt động như các tín hiệu điều khiển

Phương trình 2.14 là hàm chuyển đổi cần thiết để phát triển các sơ đồ khối hoàn chỉnh của

hệ thống servo thủy điện (Hình 2.3)

Hình 2.3: Mô hình hệ thống servo thủy điện 2.4: Giới thiệu về tuabin thủy lực

Tuabin thủy lực chuyển đổi năng lượng cơ năng có trong nước Trên thực tế các nước được lưu trữ tại đập nước sau đó được xả qua các đường ống dẫn nước và tới tuabin Động năng của nước truyền tới một lực đẩy cho các cánh của tuabin để tạo ra một mômen xoắn trên trục Các trục được nối với các máy phát điện đồng bộ để các năng lượng quay ở trục được chuyển đổi thành năng lượng điện

Các loại tuabin chủ yếu là:

Hình 2.4: Tuabin xung kích (loại Pelton wheel )

2.4.2: Tuabin phản lực

Tuabin phản lực tương đối chậm hơn so với tuabin xung kích Do đầu tuabin thấp, chỉ có động năng của dòng nước là không đủ để xoay tuabin nhưng có nhiều cửa van quanh tuabin nên áp lực nước lớn làm xoay tuabin Do đó áp suất trong bánh công tác giảm trong quá trình này Do tốc độ dòng chảy cao, nó là rất khó khăn để đóng cửa van trong trường hợp khẩn cấp Vì vậy, điều chỉnh áp lực hoặc van cứu trợ được sử dụng để bỏ qua một phần nước trong trường hợp turbine xoắn ốc trực tiếp đến cuộc đua đuôi trong đóng nhanh cửa van Van cứu trợ này bảo vệ hệ thống từ các hiện tượng va chạm thủy lực trong đường ống

áp lực

Hình 2.5: Tuabin phản lực 2.4.3: Năng lƣợng và hiệu suất của tuabin

Khoảng cách thẳng đứng giữa lối vào đường ống áp lực và mức độ xả từ tuabin được gọi là cột nước Năng lượng quay bởi các tuabin tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy, áp suất và hiệu suất Năng lượng được tạo ra là tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy của chất lỏng Q Do

đó bằng cách kiểm soát tốc độ dòng chảy sử dụng cửa van, năng lượng tạo ra được kiểm

soát Hiệu suất tuabin phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy chất lỏng làm việc và các đặc tính của tuabin Hiệu suất tuabin được định nghĩa là tỷ số công suất sinh ra bởi các tuabin (năng lượng cơ học truyền qua trục tuabin) với công suất hấp thụ (năng lượng thủy lực tương đương với việc xả đo dưới của van)

2.5: Mô hình hóa các tua bin thủy lực

Phần này nói đến các phương trình mô tả sự thay đổi trong dòng lưu động và phát triển năng lượng cơ học liên quan đến tốc độ tuabin, độ mở van và tốc độ chuyển động của lưỡi tuabin thuỷ điện Các Francis được sử dụng nhiều ứng dụng trong ngành thủy lực bởi vì

nó thực hiện hoạt động với hiệu suất tương đối cao nhất Vì vậy mà tuabin Francis được sử dụng trong mô hình sẽ làm giảm áp lực của nước trong thời gian chảy qua tuabin Công suất đầu ra của tuabin là áp suất qua tuabin giảm Năng suất quay của tuabin thay đổi tỉ lệ với tốc

độ của dòng chảy, do đó hệ thống hoạt động hoặc đạt trạng thái ổn định khi lưu lượng nước chảy qua đường ống liên tục

Các phương trình liên quan đến đặc tính quá độ của các tuabin thủy lực được dựa trên giả định sau đây :

- Các lưỡi của turbine thủy lực được coi như tham số tạo ra ma sát cản nhưng được bỏ qua

- Bỏ qua áp lực nước va đập lên thành ống

- Nước được coi là không nén

- Thay đổi trực tiếp tốc độ của nước trong đường ống áp lực dựa vào cửa van

- Sản lượng điện của tuabin tạo ra tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy

Phương trình 2.15 và 2.16 [35] đại diện cho tốc độ dòng chảy và sức mạnh cơ khí phát triển tại các trục tương ứng trong việc mở cửa các điều khoản của hệ thống và người đứng đầu mạng