MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SHKOPETI. (SIMULATION MODEL OF THE HYDRO POWER PLANT SHKOPETI)

Tóm tắt Các ngành năng lượng là một trong những lĩnh vực quan trọng nhất của nền kinh tế Anbani. Trên 90% tổng lượng điện được sản xuất bởi các nhà máy thủy điện, chủ yếu là do năm nhà máy điện quan trọng ở miền Bắc Albania. Một số các nhà máy điện đã được phục hồi với sự hỗ trợ tài chính của Ngân hàng Thế giới và các nhà tài trợ khác. Đặc điểm tình hình mạng lưới truyền tải điện của Anbani là gián đoạn thường xuyên mỗi ngày cho đến ngày này. Một kế hoạch hoạt động an toàn và đáng tin cậy trong tương lai rất quan trọng là tiền đề để có mô hình mô phỏng này, có thể mô tả các hành vi tĩnh và động của toàn bộ mạng lưới bao gồm bất kỳ yếu tố nào

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CỦA NHÀ MÁY

THỦY ĐIỆN SHKOPETI.

(SIMULATION MODEL OF THE HYDRO

POWER PLANT SHKOPETI)

Tóm tắt

Các ngành năng lượng là một trong những lĩnh vực quan trọng nhất của nền kinh tế An-ba-ni Trên 90% tổng lượng điện được sản xuất bởi các nhà máy thủy điện, chủ yếu là do năm nhà máy điện quan trọng ở miền Bắc Albania Một số các nhà máy điện đã được phục hồi với sự hỗ trợ tài chính của Ngân hàng Thế giới và các nhà tài trợ khác Đặc điểm tình hình mạng lưới truyền tải điện của An-ba-ni là gián đoạn thường xuyên mỗi ngày cho đến ngày này Một kế hoạch hoạt động an toàn và đáng tin cậy trong tương lai rất quan trọng là tiền đề để có mô hình mô phỏng này, có thể

mô tả các hành vi tĩnh và động của toàn bộ mạng lưới bao gồm bất kỳ yếu tố nào Đóng góp này trình bày các bước quan trọng nhất cho việc tạo ra một mô hình thực tế theo định hướng của nhà máy thủy điện Shkopeti Vì vậy trong việc đo lường các nhà máy thuỷ điện được thực hiện để có được những tín hiệu thời gian phản hồi thu được của tất cả các bộ phận chức năng quan trọng Các điểm đặt cho công suất tác dụng và điểm đặt cho điện áp máy phát điện đã được thay đổi từng bước trong suốt quá trình nhà máy điện hoạt động trong chế độ kết nối Sự vận hành chuyển tiếp của nhà máy điện đã được đo và ghi lại bởi máy tính dựa trên hệ thống LabVIEW với 16 kênh Trên cơ sở tài liệu kỹ thuật sẵn có và các báo cáo chạy nghiệm thu một mô hình tổng hợp bao gồm cả mô hình con khác nhau của nhà máy điện đã được phát triển Sử dụng phần mềm MATLAB / Simulink để có thể xác định tất cả các thông số cần thiết của mô hình toán học Mô hình toàn bộ nhà máy thủy điện bao gồm các mô hình riêng biệt của phần thủy lực (đường hầm dẫn nước, bể điều áp, đường ống áp lực), bộ điều chỉnh tuabin, tuabin Kaplan, bộ điều chỉnh điện áp bộ ổn định hệ thống, mô hình mạng và máy phát điện Các kết quả mô phỏng cho thấy một sự tương ứng tốt giữa các giá trị đo và mô phỏng Các mô hình tạo ra có thể được thực hiện như một phần của mô hình mạng lưới điện động của An-ba-ni được tìm ra cho ví dụ với phần mềm DIgSILENT

Từ khoá: Nhà máy thuỷ điện, mô hình hóa, đồng nhất hóa, mô phỏng, hệ thống điện.

Giới thiệu tiểu sử của Tác giả

Fred Prillwitz Ông sinh năm 1960 Teutschenthal, Đức Ông nhận bằng tiến sĩ của từ Đại học Rostock vào năm 1992 Ông làm luận án tiến sĩ của mình về "điều kiện vận hành của mạng lưới tàu với tần số biến thiên" Bây giờ ông đã thuộc về đội ngũ cán

bộ khoa học của Viện Điện-Điện tử tại trường Đại học Rostock Lĩnh vực của ông bao gồm các mô hình động và mô phỏng các hệ thống điện và kỹ thuật điện cao thế

1 Giới thiệu

Dự án tiếp tục được mô tả là một phần của cái gọi là hiệp ước ổn định cho Nam Đông

Âu và được hỗ trợ bởi ban trao đổi hàn lâm Đức

Vấn đề chính hiện nay trong ngành điện An-ba-ni là sự hạn chế về khả năng phát điện [1] Albania phải nhập khẩu hơn 25% của tổng số điện Sự gia tăng các mức tiêu thụ điện, đặc biệt là trong các hộ gia đình (nấu ăn, làm mát sưởi ấm không gian,) đã dẫn đến mức độ cao về kỹ thuật và phi tổn hao kỹ thuật Đồng thời an ninh và độ tin cậy của các nguồn cung cấp được giảm Hàng ngày sự gián đoạn nguồn cung cấp điện là thường xuyên Tình trạng này sẽ tiếp tục trong tương lai cho đến khi các nhà máy điện mới và đường truyền mới được xây dựng Các cơ sở cũ phải được tái tạo Các công ty nhà nước KESH chịu trách nhiệm về việc phát và truyền tải điện Để chuẩn bị

kỹ thuật của tất cả các công trình xây dựng và hồi phục ,điều đó rất quan trọng, có các mô hình thực tế của các hệ thống điện Với những mô hình hành vi tĩnh và động của những năng động của hệ thống có thể được mô phỏng trong các hoàn cảnh khác nhau Chỉ bằng cách này có thể đáp ứng các quyết định về các đo lường thực tế để được thực hiện

Trên 90% tổng lượng điện được sản xuất bởi các nhà máy thủy điện Năm nhà máy thuỷ điện chính (Bảng 1) thuộc về thác tại sông Drin và Mát ở phía Bắc của Albania

Bảng 1: Nhà máy thủy điện chính ở An-ba-ni

Những nhà máy thủy điện đóng một vai trò chủ đạo trong một mô hình động của hệ thống điện An-ba-ni Sau đó các mô hình mô phỏng tổng thể có thể được sử dụng bởi các nhân viên đào tạo của họ mà còn bởi các chuyên gia cho điều tra như [3]:

- Khả năng Black Start sau khi Black Out

- Hành vi hoạt động cô lập

- Khả năng dự trữ năng lượng sơ cấp và thứ cấp

- Phân tích ổn định trong toàn bộ hệ thống

Các tác giả điều tra các đặc tính động của các nhà máy thủy điện Shkopeti Sử dụng tài liệu của các mô hình mô phỏng nhà máy điện đã được phát triển Sau khi thử nghiệm phù hợp với các tham số mô hình có thể được ước tính Kết quả là các mô hình toán học được phát triển cho thấy gần giống như các hành vi tương tự như các nhà máy điện thực Các mô hình và đồng nhất hóa tương tự đã được thực hiện ở Thụy

Sĩ [4], Serbia [6] và Macedonia [7]

Hình 1: Albania với nhà máy điện Shkopeti

2 Nhà máy thủy điện Shkopeti

Các nhà máy thủy điện Shkopeti nằm ở phía Bắc Albania ở sông Mát, khoảng 25 km

về phía thượng nguồn từ cửa của sông Mat là vào biển Adriatic, xem hình 1 và hình

2 Nó là loại thủy điện và đã được đưa vào hoạt động năm 1963 với sự giúp đỡ của Liên Xô cũ Cùng với nhà máy thuỷ điện Ulza cũng trong hệ thống sông này

Hình 2: Hình ảnh nhà máy thủy điện Shkopeti

Trong những năm hoạt động nhà máy điện đã được duy trì kém Trong thập kỷ 90 là phục hồi chức năng của các nhà máy điện Shkopeti đã được bắt đầu Nó là một phần của cái gọi là " dự án Phục hồi chức năng sông drin " (DRCRP), tài trợ bởi các nhà tài trợ quốc tế khác nhau và cho vay Chủ đề của DRCRP là để phục hồi chức năng

và hiện đại hóa thiết bị cơ khí và điện của hai nhà máy điện ở sông drin và hai nhà máy điện ở sông Mat [2] Mục đích là để tăng:

- Hiệu quả,

- Sản lượng sản xuất,

- Tuổi đời và

- Sự sẵn sàng

Kết quả trong nhà máy thủy điện Shkopeti các thiết bị cơ khí thuỷ điện mới được chuyển giao bởi công ty Áo Andritz trong thiết bị điện đã được phục hồi bởi công ty Croatia Koncar

Các dữ liệu chính của nhà máy thủy điện Shkopeti được hiển thị dưới đây:

-Số đơn vị: 2

-Loại tua bin: Kaplan

-Công suất / đơn vị: 12 MW

-Tốc độ thiết kế: 300 min-1

-Lưu lượng thiết kế / đơn vị: 35 m3 / s

-Mạng lưới cao: 40 m

-Tỷ trọng đập: 53 m, dài 90 m

-Điện áp thiết kế: 10 kV

Hình 3:Sơ đồ nhà máy thủy điện Shkopeti

3 Đo lường

Đề án của nhà máy thủy điện Shkopeti được thể hiện trong hình 3 Các phép đo được thực hiện tại một hệ thống tuabin máy phát điện Các đơn vị khác được coi là tương

tự Khoanh tròn những tín hiệu được đo Nhưng cũng có những tín hiệu hơn nữa của các bộ điều khiển khác nhau đã được đo Danh sách tín hiệu tổng thể được hiển thị trong bảng 2 Các tín hiệu được đo và ghi lại bởi máy tính dựa trên hệ thống LabVIEW với 16 kênh Tỷ lệ lấy mẫu là 50ms Các phép đo phải được thực hiện trong quá trình chuyển đổi từ một điểm làm việc ổn định đến một điểm khác Những thay đổi của các điểm làm việc có thể được thiết lập bằng cách thay đổi thủ công của điểm đặt cho công suất tác dụng Tất cả các thí nghiệm đã được thực hiện trong hoạt

động nối liền với nhau Những thay đổi từng bước của điểm đặt có thể được hiểu như

là một bước đầu vào cho một hệ thống không rõ đã được xác định Các quy trình:

- Bắt đầu của một bộ phận và đồng bộ hóa,

- Tắt và ngừng của một bộ phận

cũng cần được đo để nhận được thông tin bổ sung

Không thể cho phép chạy một bộ phận mà chỉ được nghiên cứu trong hoạt động riêng biệt Cũng không có phương án để thực hiện một bước đầu vào đến bộ điều khiển điện áp Tín hiệu công suất phản kháng từ máy phát không cho phép

Bảng 2: Tín hiệu đo lường

4 Mô hình nhà máy điện

Tất cả các tài liệu kỹ thuật có sẵn và báo cáo nghiệm thu của các nhà máy điện đã được nghiên cứu Sau khi điều tra tổng thể một mô hình động của nhà máy điện có thể được phát triển

Hình 4: sơ đồ khối tổng quát của HPP Shkopeti

Sơ đồ khối của mô hình hoàn chỉnh với các mô hình con của nó được trình bày trong hình 4 Mô hình này đã được tạo ra bằng cách sử dụng phần mềm Matlab / Simulink như "trên mỗi đơn vị" mô hình Ký hiệu "trên một đơn vị" cho phép giao diện giữa các mô hình con

Các tín hiệu được khoanh trong sơ đồ khối nói chung và trong tất cả những mô hình được đo Các vị trí của các điểm tín hiệu đo đóng một vai trò quan trọng đối với cách chia của mô hình tổng hợp thành các mô hình và việc xác định khả năng riêng của các mô hình con

Bất cứ nơi nào mình có thể, các thông số của các mô hình con (hằng số thời gian, độ khuyếch đại và những đặc điểm) có thể được lấy từ tài liệu, nếu chúng được biết đến

và chắc chắn không sửa đổi

5 Đồng nhất hóa

Đồng nhất hóa này được chia trong một vài bước Các cơ sở để đồng nhất hóa là một bảng với đo lường các trạng thái ổn định tại các điểm làm việc ổn định khác nhau

Với khả năng của nó để xác định đặc tính thời gian độc lập và phát hiện độ lệch Đồng nhất hóa đã được thực hiện theo thứ tự sau:

- Xấp xỉ của hàm giữa vị trí van dẫn G V và công suất tác dụng p G,

- Xấp xỉ của hàm giữa vị trí con chạy của điện trở R U và vị trí van dẫn G V,

- Xác định các bộ điều chỉnh tuabin,

- Xấp xỉ của hàm giữa tuabin cắt a T và vị trí van hướng dẫn G V resp., vị trí con chạy

R U,

- Xác định các phần thuỷ lực,

- Đồng nhất hóa các đặc tính thiệt hại cùng với máy phát điện và mạng lưới,

- Đồng nhất hóa các bộ ổn định hệ thống điện,

- Đồng nhất hóa các điểm đặt điện áp máy phát điện cùng với các bộ điều áp,

- Thử nghiệm của các mô hình hoàn chỉnh với p G set, f và u G set là tín hiệu đầu vào và p G

và q G như là tín hiệu đầu ra

Để xác định phương pháp lỗi ít nhất vuông được sử dụng, xem hình 5

Hình 5: Phương pháp nhận dạng Ít vuông

Sự khác biệt giữa bình phương đo lường và mô phỏng sẽ được giảm thiểu do biến thiên của các tham số mô hình Khi xác định nhiều hơn một tham số vào một thời điểm trọng số của các tham số có thể được thay đổi Vì vậy thuật toán đã được lập trình trong Matlab Các tham số bắt đầu có thể được lấy từ tài liệu, ước tính, kinh nghiệm

6 Mô hình con

Shkopeti là một loại nhà máy thủy điện áp suất thấp Bởi vì với khoảng cách tương đối dài (khoảng 300 m) từ đập đến nhà máy nhà máy điện được xây dựng với đường

hầm dẫn nước, bể điều áp và đường ống áp lực Điều này thực tế không phải là điển hình cho một nhà máy thủy điện Các mô hình của phần thủy lực được thể hiện trong hình 6 Các quán tính của nước đã được đưa vào xem xét bởi các hằng số thời gian

T WDS (hầm dẫn nước), T WS (bể điều áp) và T WDR(đường ống áp lực)

Hình 6: Mẫu của phần thủy lực

Tính đàn hồi của nước và đường ống áp lực thì đơn giản được mô phỏng theo thời gian T L* Những tổn thất ma sát đã được đại diện bởi các yếu tố R DS (hầm dẫn nước)

và R DR (đường ống áp lực) Tuabin Kaplan được điều khiển bởi vị trí của van G V dẫn cánh gạt (tuabin mở) và vị trí của con chạy R U (góc định vị cánh quạt) Các vị trí này được định nghĩa bởi động cơ servo tương ứng được cung cấp bởi bộ điều chỉnh tuabin Mặt cắt vật lý của tuabin cho thấy mặt cắt của dòng nước chảy vào tuabin Chức năng giữa van dẫn G V, con chạy R U và mặt cắt a T có thể được xác định từ các đo lường ổn định, xem hình 7 Đó là phương trình Torricelli, công thức 1:

q T=a T h1 /2

(1)

là cơ sở cho việc xác định các đặc tính này

Hình 7: Đặc điểm của chéo tuabin mục Cuối cùng năng lượng thủy lực p hyd được tính toán với công thức 2:

p hyd=∆ h q T (2)

Đồng thời năng lượng thủy lực phyd đại diện cho các tín hiệu đầu vào của các tổn hao trên mô hình con, xem hình 8 Mô hình này bao gồm tất cả các tổn hao tuabin, tổn thất ma sát trong vòng bi và cũng là tổn thất điện chính của các máy phát điện Những tổn thất do chức năng, công thức 3, có thể được xác định từ các giá trị ổn định của năng lượng thủy lực phyd và công suất tác dụng máy phát điện P G

Tín hiệu đầu ra của tổn hao trên mô hình con là công suất tuabin P T Tại điểm làm việc ổn định công suất tuabin P T bằng công suất tác dụng máy phát điện P G

p V=k kV+p G k pV+p G2 k qV (3)

Hình 8 Sự thất thoát trong mô hình con

Các bộ điều chỉnh tuốc bin trong nhà máy điện là một loại mới Bộ điều chỉnh này bao gồm hai phần, điện và điện thuỷ lực, xem hình 9 TRái tim của phần điện là bộ điều khiển PID Bộ điều khiển này quy định các vị trí mở của vane dẫn và các con chạy Thông qua một hệ thống động cơ phụ trợ và các servo trong phần điện thủy lực van dẫn và con chạy di chuyển đến vị trí cần thiết Các tín hiệu đầu vào của phần điện

đã được đo hoàn chỉnh Tần số của lưới điện là cần thiết nếu các nhà máy điện tham gia vào các điều chỉnh sơ cấp Trong trường hợp hiện tại bộ phận tần số đã không được hoạt động bởi vì σP đã không được điều chỉnh về không Các điểm đặt choP đã không được điều chỉnh về không Các điểm đặt cho cộng suất tác dụng p Gset năng không trực tiếp kết nối với bộ điều khiển PID Có một máy tạo song răng cưa nối liền với để tránh những điểm đặt đột ngột Chức năng giữa các tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PID y PIDvà điểm đặt cho vị trí của vane dẫn G Vset

có thể được xác định từ các phép đo ổn định của P G và G V, xem hình 10

Hình 9: Mô hình của các bộ điều chỉnh tuabin

Hình 10: Đặc điểm của vị trí van dẫn Trong cùng một cách chức năng giữa các điểm đặt cho van dẫn G Vset và con chạy R Uset

cũng có thể được xác định từ các giá trị ổn định, xem hình 11

Hình 11 Đặc tuyến của vị trí con chạy

Hình 12 Mô hình của bộ điều áp

Mô hình máy phát điện được dựa trên mô hình phi tuyến tính tự thứ năm của một máy tính đồng bộ [5] Mô hình này đã đủ điều kiện để mô phỏng chế độ hoạt động kết nối của một máy phát điện Các tín hiệu đầu vào kích thích áp u e, tần số f, công suất tuabin P T và điện áp U G, φ G tại thanh góp mạng kết nối Điện áp U G và góc pha φ G

là kết quả từ một phép tính lưu lượng tải trong mô hình con mạng Các quán tính của tuabin phát điện cũng được bao gồm trong mô hình máy phát điện Các tín hiệu đầu

ra là công suất tác dụng P G và công suất phản kháng P G Các thông số của máy phát được lấy từ tài liệu nhà máy điện

Các bộ điều áp là một kiểu mới từ Koncar Nó được xây dựng như một bộ điều khiển PI-với bù công suất tác dụng và bù công suất phản kháng, xem hình 12 Đầu ra của

bộ điều khiển PI cung cấp bộ nguồn DC, hoạt động như một khuếch đại DC-máy này được mô phỏng như máy kích thích với bão hòa Việc bù công suất tác dụng đã không hoạt động vì độ khuyếch đại K iP không được chỉnh vể không Các điểm đặt cho điện áp máy phát điện u Gset là một trong những tín hiệu đầu vào Thật không may tín hiệu này không thể đo được Trong những thí nghiệm điểm đặt này đã không được thay đổi, giá trị có thể được tính như trong công thức 4

u Gset=u G−u PSS−i q K iq (4)

Trong trường hợp khác khi điểm đặt được đổi từng bước, các hành vi thời gian của

u Gset phải được xác định Nói chung điểm đặt đã được thay đổi bởi lệnh tăng / giảm với tốc độ kiểm soát liên tục Các tín hiệu đầu vào của các bộ điều áp có điện áp máy phát điện u G, điểm đặt điện áp được nói đến u Gset, công suất tác dụng và phản kháng và tín hiệu từ bộ ổn định công suất hệ thống nhưu PSS Chỉ có tín hiệu đầu ra là điện áp kích thích sẽ đến phát điện này

Các tín hiệu đầu vào của bộ ổn định công suất hệ thống là tần số fvà công suất tác dụng P G Chỉ có tín hiệu đầu ra u PSS phụ thuộc vào độ chênh lệch của tần số và công suất tác dụng Các tham số của mô hình, xem hình 13, có thể được lấy từ tài liệu

Hình 13: Mô hình của bộ ổn định hệ thống điện

7 Mô phỏng

Mọi mô hình con đã được kết nối với một mô hình hoàn chỉnh của các nhà máy điện theo hình 4 Trong một số so sánh sau đây các tín hiệu đo lường và mô phỏng được trình bày Các tín hiệu đo được vẽ màu xanh lam trong mô phỏng các tín hiệu được

vẽ màu đỏ