Điều khiển tự chỉnh định tham số bộ điều khiển pid cho hệ thống điều tốc nhà máy thuỷ điện srêpốk 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG MAI ĐÌNH THÀNH ĐIỀU KHIỂN TỰ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

MAI ĐÌNH THÀNH

ĐIỀU KHIỂN TỰ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY

THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

MAI ĐÌNH THÀNH

ĐIỀU KHIỂN TỰ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY

THỦY ĐIỆN SRÊPỐK

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Lê Tiến Dũng

Đà Nẵng – Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đề tài luận văn “ Điều khiển tự chỉnh định tham số bộ điều khiển PID cho Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3” do Thầy giáo PGS.TS Lê Tiến Dũng hướng dẫn là công trình nghiên cứu của bản thân tôi tự thực hiện; trong đó tôi có sử dụng 1 số tài liệu để tham khảo và trích dẫn Các

số liệu của NMTĐ Srêpốk 3 và kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào Tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình

Học viên

Mai Đình Thành

ĐIỀU KHIỂN TỰ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ

THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPÔK 3

Học viên: Mai Đình Thành Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 8520216 Khóa: K33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Nhà máy Thủy điện Srêpôk 3 nằm trên sông Srêpốk thuộc tỉnh Đắl Lắk, góp

phần đáng kể trong việc cung cấp điện cho lưới điện khu vực và quốc gia Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu xây dựng mô hình toán học của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpôk 3 trên cơ sở giữ nguyên các bản chất phi tuyến của hệ thống để mô hình mô tả sát với thực tiễn nhà máy Trên cơ sở mô hình toán học xây dựng và sự hiểu biết về bản chất hệ thống cũng như kinh nghiệm vận hành bảo trì hệ thống, tác giả đề xuất một phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpôk 3 bằng phương pháp tự chỉnh định tham số bộ điều khiển PID dựa trên sự kết hợp của PID và thuật toán điều khiển mờ Hiệu quả của thuật toán đề xuất được thử nghiệm bằng mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink Kết quả cho thấy đặc tính điều chỉnh của hệ thống ở chế độ power control tốt hơn so với bộ điều khiển củ, ngoài thời gian quá độ tốt hơn thì độ quá điều chỉnh và sai lệch tỉnh củng nhỏ hơn; đảm bảo được các tiêu chí về chất lượng điều khiển, đáp ứng nhanh khi có yêu cầu về công suất nhằm góp phần tham gia vào việc ổn định cho hệ thống điện khu vực và Quốc gia

Từ khóa - Nhà máy thủy điện; Hệ thống điều tốc; Logic mờ; Mô hình hóa; Mô phỏng

SELF TUNING CONTROL OF PID CONTROLLER PARAMETERS FOR GOVERNOR SYSTEM OF SREPOK3 HYDRO POWER PLANT

Abstract - Srepok 3 Hydropower Plant is located on the Srepok River in Dak Lak

Province, contributing significantly to the supply of electricity to the regional and national grid In this thesis, the author studies to builds the mathematical model of the governor system of Srepok 3 hydropower plant on basis of maintain the nonlinear nature of the system so that the model conforms to the plant reality Based on the construction mathematical model and the understanding of the system as well as the experience of operating and maintaining the system, the author proposes a method for improving the control algorithm of the governor system of Srepok 3 hydropower plant

by algorithm self-tuning PID controller parameters, method based on the combination

of PID and a fuzzy control algorithm The effect of the proposed algorithm is tested by simulation model on Matlab / Simulink The results show that the control characteristics

of the system in the power control mode is better than the control of the tuber, not only the transition time better but also the over adjustment and the static deviation is very small; To ensure of criterion of control quality, responding quickly the power when have request to contribute to participate in the stability for the regional and National power system

Key words - Hydropower plant; Governor system; Fuzzy logic; Modeling; Simulation

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Bố cục đề tài 2

6 Tài liệu nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 3

1.1 Tổng quan về nhà máy thủy điện Srêpốk 3 3

1.1.1 Vị trí địa lý nhà máy thủy điện Srêpốk 3 3

1.1.2 Giới thiệu các thiết bị trong nhà máy thủy điện Srêpốk 3 3

1.2 Tổng quan về Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 8

1.2.1 Chức năng của hệ thống điều tốc nhà máy Srêpốk 3 8

1.2.2 Thông số của hệ thống điều tố 8

1.2.3 Sơ đồ của hệ thống điều tốc 10

1.2.4 Hệ thống dầu áp lực 11

1.2.5 Hệ thống điều khiển điều tốc 11

1.2.6 Quá trình khởi động, các chế độ làm việc của hệ thống điều tốc 13

1.2.7 Đường đặc tính của điều tốc 15

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 19

2.1 Đặt vấn đề 19

2.2 Xây dựng mô hình các phần tử trong hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện 20

2.2.1 Các phương trình động học của hệ thống thủy lực 20

2.2.2 Mô hình Turbine 24

2.2.3 Mô hình đường ống áp lực 28

2.2.4 Mô hình hóa hệ thống máy phát – tải 29

2.2.5 Mô hình hóa van hướng 33

2.3 Tổng hợp mô hình 35

2.3.1 Mô hình toán học hệ thống thủy lực 36

2.3.2 Mô hình tổng thể của hệ thống 36

2.4 Kết luận chương 2 38

CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC 39

3.1 Cấu trúc điều khiển và hoạt động của hệ thống điều tốc tại nhà máy thủy điện Srêpốk 3 39

3.1.1 Bộ điều khiển đang làm việc hiện tại ở nhà máy 39

3.1.2 Vấn đề còn tồn tại và sự cấp thiết phải cải thiện chất lượng hoạt động của hệ thống 40

3.2 Giới thiệu về lý thuyết điều khiển 41

3.2.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID 41

3.2.2 Giới thiệu về điều khiển mờ 44

3.3 Đề xuất thuật toán điều khiển nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc 49

3.3.1 Đề xuất phương án 50

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ 50

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 58

4.1 Mô phỏng hệ thống điều tốc với thực trạng của nhà máy (khi chưa đưa vào giải pháp nâng cao chất lượng) 58

4.1.1 Bảng thông số mô phỏng hệ tống điều tốc nhà máy thủy điện 58

4.1.2 Mô phỏng cột nước 58

4.1.3 Mô phỏng đường ống áp lực 59

4.1.4 Mô hình turbine 59

4.1.5 Mô phỏng hệ thống thủy lực 59

4.1.6 Mô phỏng servo van hướng 60

4.1.7 Mô phỏng tải máy phát 60

4.1.8 Mô phỏng hệ thống điều khiển 61

4.1.9 Mô phỏng mô hình toàn hệ thống điều tốc nhà máy 62

4.1.10 Kết quả mô phỏng khởi động tổ máy 63

4.1.11 Kết quả mô phỏng hòa lưới tổ máy 64

4.1.12 Đáp ứng của hệ thống thủy lực 64

4.1.13 Hệ thống thực nhà máy đang làm việc 65

4.2 Kết quả mô phỏng Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 với bộ điều khiển tự chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 66

4.2.1 Mô hình mô phỏng tổng hợp của hệ thống điều tốc trên Matlab – Simulink 66

4.2.2 Mô phỏng bộ điều khiển Hệ thống điều tốc 66

4.2.3 Mô phỏng bộ điều khiển tự chỉnh định tham số bộ điều khiển PID ở chế độ Power Control của hệ thống điều tốc Srêpốk 3 67

4.2.4 Kết quả mô phỏng quá trình khởi động và hòa lưới trên Matlab-Simulink 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CÁC KÝ HIỆU:

CÁC CHỮ VIẾT TẮT:

NMTĐ: Nhà máy thủy điện

GCB: Máy cắt đầu cực máy phát

MBA: Máy biến áp

SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition

HMI: Human Machine Interface

CNS: Control Network System

AC: Alternatal Current

DC: Direct Current

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 Bảng thông số turbine nhà máy thủy

4.1 Bảng tham số mô phỏng của nhà máy

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ, đồ thị Trang

1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 3 10 1.2 Van chính hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 3 11

1.3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc NMTĐ

1.7 Đường đặc tính điều chỉnh tĩnh của điều tốc hoạt động

2.6 Đáp ứng van hướng theo tín hiệu điều khiển 34 2.7 Mô hình toán học tổng thể hệ thống thủy lực 36

Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ, đồ thị Trang

2.8 Hình 2.8 Mô hình phi tuyến hệ thống điều tốc turbine

3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc 39 3.2 Hiện tượng quá điều chỉnh ở chế độ Power Control 41

3.6 Cấu trúc hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ 45 3.7 Sơ đồ khối chức năng các bộ điều khiển mờ 45

3.10 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống bộ điều tốc theo phương

3.11 Cấu trúc bộ điều khiển tự chỉnh định tham số PID 51 3.12 Đáp ứng step của hệ thống điều khiển PID 52 3.13 Xây dựng hàm liên thuộc cho sai lệch e, de 54 3.14 Xây dựng hàm liên thuộc cho đáp ứng đầu ra Kpp, Kdp 55 3.15 Xây dựng hàm liên thuộc cho đáp ứng đầu ra Kpi 55 3.16 Xây dựng luật hợp thành trên phần mềm Matlab 57

4.7 Mô phỏng bộ điều khiển hệ thống điều tốc 61

Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ, đồ thị Trang

4.11 Đáp ứng của các thông số hệ thống thủy lực 65

4.13 Mô phỏng mô hình tổng hợp hệ thống trên

4.14 Mô phỏng bộ điều khiển tự chỉnh định tham số bộ PID 67

4.15 Mô phỏng bộ điều khiển chỉnh định tham số bộ PID ở

chế độ Power Control trên Matlab-Simulink 67

4.16 Đường tốc độ của turbine khi sử dụng bộ điều khiển tự

chỉnh tham số PID trên Matlab-Simulink 68

4.17

Công suất cơ Pmec của turbine khi dùng bộ điều khiển

tự chỉnh định tham sô bộ PID ở chế độ Power Control trên Matlab-Simulink

68

4.18

Công suất cơ Pmec của turbine khi dùng bộ điều khiểnPID thuần túy và bộ điều khiển tự chỉnh định tham sô bộ PID ở chế độ Power Control

69

4.19

Công suất cơ Pmec của turbine khi dùng bộ điều khiểnPID thuần túy và bộ điều khiển tự chỉnh định tham sô bộ PID ở chế độ Power Control

70

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đặc thù của hệ thống điện Việt Nam thì vào mùa khô phụ tải ở Miền Nam thường rất cao nhưng nguồn điện ở khu vực này không đủ cung cấp cho phụ tải và do giới hạn truyền tải của đường dây 500kV Bắc – Nam nên việc đáp ứng công suất nhanh và ổn định lúc phụ tải tăng đột ngột đóng vai trò hết sức quan trọng và cấp thiết

Việc đáp ứng nhanh của hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện góp phần vào việc ổn định tần số và cung cấp nguồn điện nhanh chóng cho hệ thống điện Điều đó phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính điều tốc của các tổ máy thủy điện

Việc đáp ứng nhanh của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 góp phần rất lớn vào việc ổn định công suất khu vực tây nguyên và cung cấp nguồn điện

ổn định cho miền nam

Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 do Trung quốc sản xuất, được đưa vào vận hành từ năm 2009 tuy nhiên trong quá trình vận hành vẫn chưa nắm được hoàn toàn công nghệ cũng như bản chất vật lý và các thuật toán điều khiển trong hệ thống

Từ các yếu tố trên ta thấy cần đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng được mô hình toán học mô tả gần như đúng với hệ thống điều tốc thực của nhà máy

Đề xuất cải tiến bộ điều khiển trên cơ sở ứng dụng điều khiển mờ để cải thiện chất lượng hệ thống điều tốc có xét đến yếu tố cột nước thay đổi

Xây dựng mô hình và mô phỏng toàn hệ thống trên phần mềm Matlab – Simulink để phân tích và đánh giá kết quả

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Srêpốk 3;

2

Phạm vi nghiên cứu là vấn đề điều khiển hệ thống điều tốc sử dụng bộ điều khiển tự chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để điều khiển Hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 3

Giới hạn nghiên cứu: Khi máy phát kết nối với lưới ở chế độ Power Control

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết;

- Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3;

- Dựa trên các mô hình toán học, nghiên cứu và áp dụng lý thuyết điều khiển

để tự động chỉnh định các tham số của bộ điều khiển PID nhằm nâng cao chất lượng

hệ thống điều tốc

- Sử dụng công cụ Matlab để mô phỏng, đánh giá và rút ra kết luận

5 Bố cục đề tài

Luận văn được chia thành 04 chương:

Chương 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện Srêpôk 3 và Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpôk 3

Chương 2: Mô hình toán học của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpôk

3

Chương 3: Đề xuất phương pháp nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpôk 3

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả

6 Tài liệu nghiên cứu

Tài liệu nghiên cứu sử dụng cho luận văn này là các bài báo, luận văn của các tác giả trong nước và nước ngoài về vấn đề mô hình hóa nhà máy thủy điện và các phương pháp nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống điều tốc, tài liệu kỹ thuật của nhà máy thủy điện Srêpôk 3 Ngoài ra tác giả còn tham khảo 1 số giáo trình về lý thuyết điều khiển như: Phân tích và điều khiển hệ phi tuyến, lý thuyết điều khiển mờ,

Mô hình hóa hệ thống đo lường và điều khiển, tổng hợp hệ thống điều khiển truyền động điện

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 VÀ HỆ THỐNG

ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3

1.1 Tổng quan về nhà máy thủy điện Srêpốk 3

1.1.1 Vị trí địa lý nhà máy thủy điện Srêpốk 3

Nhà máy thủy điện Srêpốk 3 năm trên sông Srêpôk Cách thành phố Buôn Ma Thuột khoảng 30km về phía Tây Bắc Diện tích lưu vực 9410 km2 Nhà máy nằm cách đập chính khoảng 3,5 km về phía hạ lưu Nhà máy là bậc thang thứ 7 tính từ thượng lưu sông chính Srêpôk Phía thượng lưu có các NMTĐ Krông Nô 2, Krông

Nô 3; Buôn Tua Srah; Chưpông Krông; Buôn Kuốp, Hòa Phú; Cụm nhà máy Drây Hlinh 1, Drây Hlinh 2, Drây Hlinh 3; phía hạ lưu có NMTĐ Srêpôk 4 và Srêpôk 4A

Có diện tích lưu vực 9.410 km2, với hồ chứa có dung tích toàn bộ là 218.99 triệu m3, trong đó dung tích hữu ích là 62.85 triệu m3, hồ chứa của nhà máy có chức năng điều tiết ngày

Nhà máy thủy điện Srêpốk 3 có tổng công suất lắp máy là 220MW bao gồm 2

tổ máy với tua bin Francis kiểu trục đứng, 2 máy phát đồng bộ cực lồi điện lượng trung bình nhiều năm 1.062,2 triệu kWh cung cấp cho lưới điện Quốc gia Nhà máy được xây dựng trên địa phận xã Tân Hòa huyện Buôn Đôn tỉnh Đăk Lăk và xã Eapo huyện CưJut tỉnh Đăk Nông

1.1.2 Giới thiệu các thiết bị trong nhà máy thủy điện Srêpốk 3

Các hạng mục thiết bị của Công trình thủy điện Srêpốk 3 bao gồm: tuyến năng lượng, thiết bị nhà máy, thiết bị trạm phân phối 220kV, Kênh xả

a Tuyến năng lượng

- Hồ chứa: Hồ chứa có chức năng tích và chứa nước để tạo năng lượng chạy

máy

Các thông số cơ bản của Hồ chứa:

 Dung tích hồ chứa : 218.99 x 106 m3

 Kiểu đập : Bê tông cốt thép có cửa van cung điều tiết

 Số lượng cửa tràn : 5 cửa (kích thước mỗi cửa:15x16,5 m)

Các thông số chính của máy phát điện

220 kV qua các máy cắt trạm

Các thông số chính của MBA T1, T2:

 Loại máy biến thế : 3 pha

 Kiểu làm mát (70/100%) : ONAN/ONAF

6

 Điện áp định mức của cuộn dây : 230/13,8 kV

 Dòng điện định mức cuộn dây : 326.3/5439 A

- Hệ thống điều khiển giám sát

Hệ thống điều khiển và giám sát của nhà máy Srêpốk 3 do tập đoàn ABB chế tạo và cung cấp Hệ thống điều khiển chia làm 4 mức điều khiển

Hệ thống gồm bao thành phần chính sau: Các bộ điều khiển (PLC) và các Module I/O, giao diện người máy (HMI), các trạm điều khiển trung tâm Các thành phần của hệ thống liên kết với nhau thông qua hệ thống mạng quang

Chức năng và nhiệm vụ của hệ thống điều khiển, giám sát NMTĐ Srêpốk 3 là giám sát, điều khiển và thu thu số liệu của thiết bị ở nhà máy, trạm phân phối, đập tràn và cửa nhận nước Ngoài ra còn còn kết nối với trung tâm điều độ quốc gia A0, miền trung A3 để giám sát và điều khiển

- Hệ thống kích từ

Hệ thống kích từ nhà máy thủy điện Srêpốk 3 là loại kích từ kỹ thuật số Exc

9000 do Guangzhou-China thiết kế chế tạo Hệ thống kích từ có các chức năng sau:

 Cung cấp dòng một chiều cho cuộn dây rotor máy phát

 Giữ ổn định điện áp đầu cực máy phát;

 Ngăn điện áp đầu cực máy phát tăng cao khi mất tải đột ngột;

 Cải thiện ổn định động của hệ thống

Máy biến áp kích từ: Máy biến thế kích từ là loại máy biến thế kiểu biến áp khô Thông số của máy biến thế kích từ như sau:

 Kiểu biến áp khô : ZSCB9-1600/13.8

 Công suất định mức : 1600 kVA

7

 Điện áp định mức : 13800  2  2,5%/ 480 V

Cầu chỉnh lưu: Là chỉnh lưu cầu 3 pha, Cầu chỉnh lưu Thyristor có nhiệm vụ biến đổi điện áp 3 pha đầu cực máy mát thành điện áp 1 chiều DC

Máy cắt kích từ: Máy cắt kích từ là loại máy cắt không khí Quá trình đóng cắt máy cắt có thể được thực hiện tại chỗ hoặc từ xa

Bộ điều khiển AVR: Có chức năng điều khiển các cầu chỉnh lưu, giữ điện áp đầu cực máy phát ổn định

Các thiết bị đo lường và bảo vệ

- Các hệ thống khác phục vụ cho quá trình vận hành thiết bị trong nhà máy như sau:

 Hệ thống điện tự dùng AC-DC: cung cấp nguồn AC và DC cho các hệ thống thiết bị trong nhà máy;

 Hệ thống chữa cháy Máy phát: Phục vụ chữa cháy máy phát;

 Hệ thống chữa cháy Máy biến thế chính: phục vụ chữa cháy máy biến

áp chính; Hệ thống chữa cháy tòa nhà

 Hệ thống khí nén cao áp: Cung cấp khí cho hệ thống điều tốc và phục

8

vụ quá trình chạy bù;

 Hệ thống khí nén hạ áp: Cung cấp khí cho hệ thống phanh tổ và phục

vụ quá trình sữa chữa, vệ sinh các thiết bị trong nhà máy;

 Hệ thống bơm tiêu – tháo cạn: Phục vụ quá trình bơm nước rò rỉ và nước tháo cạn nhà máy khi vận hành và sửa chữa;

 Hệ thống nước làm mát gối trục tổ máy: Phục vụ làm mát các gối trục khối Turbine - Máy phát;

 Hệ thống điện áp một chiều 220 Vdc và hệ thống lưu điện UPS;

1.2 Tổng quan về Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3

Hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Srêpốk 3 do hãng Wuhan Salian Hydropower control equipment chế tạo, được trang bị bộ điều khiển số có chức năng lập trình được Hệ thống này gồm có một tủ điều khiển và một cơ cấu chấp hành trên

đó có các thiết bị như hệ thống dầu áp lực, van tỷ lệ, servomotor

1.2.1 Chức năng của hệ thống điều tốc nhà máy Srêpốk 3

Hệ thống điều tốc có chức năng chính là điều khiển và ổn định tốc độ turbine thủy lực, để thực hiện được việc điều khiển này hệ thống điều tốc lấy tín hiệu phản hồi tốc độ để so sánh với tín hiệu tốc độ đặt, khi có sự sai khác sẽ đưa ra tín hiệu đi điều khiển sao cho tốc độ đầu ra luôn luôn duy trì ở giá trị tốc độ đặt

Chức năng chính của hệ thống điều tốc trong quá trình làm việc như sau [3]:

- Tự động khởi động tổ máy và điều chỉnh tần số để hòa tổ máy vào lưới khi

có lệnh chạy máy

- Ổn định tốc độ tổ máy khi không tải, khi hòa lưới và khi mất tải đột ngột

- Dừng máy bình thường và dừng khẩn cấp khi có sự cố

- Khi làm việc với lưới nó cho phép tổ máy đáp ứng nhanh theo sự thay đổi của phụ tải để ổn định tốc độ tổ máy ở giá trị định mức

- Các chế độ làm việc của hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 3 như sau: P mode, GV mode, F mode, Isolated mode Làm việc ở chế độ bù đồng bộ

1.2.2 Thông số của hệ thống điều tố

a Thông số Turbine

9

Số cánh bánh xe công tác 13 cánh

Đường kính ngoài bánh xe công tác 5130 (mm)

Đường kính trong bánh xe công tác 4850 (mm)

Công suất định mức Turbine 112.25 MW

Lưu lượng nước qua Turbine 206 (m3/s)

Chiều cao hút cho phép (H s) 1.9 (m)

Hành trình servo mở tối đa 512 (mm)

Bảng 1.1 Bảng thông số turbine nhà máy thủy điện Srêpốk 3

b Thông số của Hệ thống điều tốc

10

Độ chính xác điều chỉnh cánh hướng 0.5 %

Thời gian mở cánh hướng hoàn toàn 2 – 40 sec

Độ dốc Speed Droop (B p ) 0 ~ 10 %

Thời gian Servo đóng hoàn toàn 3 ÷ 100 (s)

Thời gian Servo mở hoàn toàn 3 ÷ 100 (s)

Hằng số tích phân (K I) 0.05 ÷ 10 (1/s)

Bảng 1.2 Bảng thông hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 3

1.2.3 Sơ đồ của hệ thống điều tốc

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 3

Chức năng các khối trong hệ thống

- Khối Tín hiệu: Đây là khối thu thập các tín hiệu đầu vào, bao

gồm: Công suất P, độ mở cánh hướng, tần số Cột áp

- Bộ Điều khiển: Đây là Bộ điều khiển của Hệ thống điều tốc, nhiệm vụ của

Bộ điều khiển là thu thập tất cả tín hiệu đầu vào, sau đó dựa trên các tham số đặt để đưa tín hiệu đi điều khiển đến cơ cấu chấp hành;

- Cơ cấu chấp hành: Đây là khối nhận tín hiệu điện chuyển đổi thành tín hiệu

áp lực dầu để đóng mở Servomotor thay đổi độ mở cánh hướng;

11

- Khối phản hồi: Khối này có nhiệm vụ phản hồi vị trí cánh hướng, công suất

đầu cực máy phát, tốc độ tổ máy, tần số lưới qua các CT, PT, sensor để cung cấp tín hiệu phản hồi cho khối tín hiệu

1.2.4 Hệ thống dầu áp lực

Hệ thống dầu áp lực có chức năng tạo áp lực và duy trì áp lực dầu cao để điều khiển van chính đi đóng/mở servo cánh hướng để điều chỉnh lưu lượng nước qua tuabin, điều khiển quá trình chạy dừng tổ máy,dừng tổ máy khẩn cấp;

Hệ thống dầu áp lực của nhà máy Srêpốk 3 gồm có:

Hình 1.2 Van chính hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 3

- Một (01) Bồn dầu với dung tích 5400 lít

- Một (01) Bồn dầu áp lực dung tích 4000 lít

- Hai (02) Bơm dầu công suất mỗi bơm 55kW

- Hai (02) Servo cánh hướng

- Một (01) khối van vược tốc cơ

- Một (01) khối van đóng khẩn cấp

- Một (01) cụm làm mát bồn dầu bằng nước

- Hai (02) bộ lọc dầu, một (01) cụm bồn dâu và bơm dầu rỉ

Các khối kết nối, Van điện và các thiết bị đo lường, chỉ thị và các thiết bị bảo

vệ khác

1.2.5 Hệ thống điều khiển điều tốc

12

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 3

Hệ thống điều khiển điều tốc NMTĐ Srêpốk 3 gồm có:

- Hai (02) bộ PLC (kênh A, kênh B) kết nối song song, làm việc độc lập và

dự phòng cho nhau, khi một kênh bị lỗi thì hệ thống sẽ tự động chuyển sang kênh dự phòng mà không ảnh hưởng đến các thông số vận hành của tổ máy

Hình 1.4 Bộ PLC hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 3

13

 Module ngõ vào tương tự : TSX AEY 800;

 Module ngõ ra tương tự : TSX ASY 410;

 Module ngõ vào số : TSX DEY 16D2;

 Module ngõ ra số : TSX DSY 16T2;

- Trên mỗi bộ PLC (kênh) được trang bị các modul đo lường như sau:

Hình 1.5 Tủ điều tốc NMTĐ Srêpốk 3

 Một (01) module đo lường tần số lưới;

 Một (01) module đo lường tần số tổ máy;

 Một (01) cảm biến đo tốc

- Một (01) màn hình giám sát điều khiển, giám sát kiểu cảm ứng (HMI) có chức năng hiển thị các thông số cài đặt và vận hành Giám sát trạng thái, lưu sự kiện

và hiển thị thông số theo thời gian thực dưới dạng biểu đồ;

- Một (01) bộ kết nối mạng(Switch), dùng để kết nối truyền thông giữa các PLC, giữa các PLC với màn hình cảm ứng, giữa tủ điều tốc với hệ thống điều khiển giám sát nhà máy

1.2.6 Quá trình khởi động, các chế độ làm việc của hệ thống điều tốc

1.5YNL

Hình 1.6 Đường đặc tính khởi động tổ máy

- Khi có lệnh khởi động tổ máy, bộ điều khiển điều tốc sẽ mở cánh hướng đến 1.5 lần độ mở cách hướng không tải và chờ tốc độ tổ máy tăng lên

- Khi tốc độ tổ máy đạt 90 % tốc độ định mức thì lúc này bộ điều khiển sẽ đóng cánh hướng đến độ mở không tải, đồng thời bộ điều khiển PID không tải sẽ được đưa làm việc Việc đóng cánh hướng đến độ mở bao nhiêu phụ thuộc vào cột nước của hồ Khi tốc độ tổ máy đạt đến giá trị đặt thì bộ điều khiển sẽ tự động bám

theo tốc độ đặt Hình 1.6 mô tả đặc tuyến khởi động tổ máy

b Các chế độ làm việc của hệ thống

Hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 3 có các chế độ làm việc như sau:

- Chế độ điều tần (frequency control):

Nhà máy có hai chế độ điều tần đó là :

- Điều tần ở chế độ Power / Opening Control: Khi hệ thống điều tốc đang làm việc ở chế độ Power Control hoặc Opening Control Nếu tần số f > 50.5Hz thì hệ thống sẽ giảm độ mở cánh hướng nước để giảm công suất tổ máy kéo tần số về f ≤ 50,5Hz Nếu tần số tổ máy f < 49.5Hz thì hệ thống tăng độ mở cánh hướng để tăng công suất tổ máy, kéo tần số tổ máy lên f ≥ 49.5Hz

- Điều tần ở chế độ Speed Control

Khi bộ điều tốc đang làm việc ở bất kì chế độ nào mà tần số tổ máy nằm ngoài

15

khoảng 50±0.8Hz thì hệ thống sẽ tự động chuyển sang làm việc ở chế độ “Speed Control”,

Khi tần số tổ máy trở về trong khoảng f = 50±0.5Hz thì bộ điều tốc tự động

chuyển về làm việc ở chế độ ban đầu

- Chế độ điều chỉnh công suất tác dụng (Power control):

Khi tổ máy hòa lưới, bộ điều tốc sẽ điều chỉnh mở/đóng cánh hướng nước đến khi giá trị phản hồi công suất tổ máy bằng giá trị công suất đặt Bộ điều tốc sẽ làm việc với giá trị công suất đặt này nếu tần số tổ máy chưa vuợt ra ngoài Deadband Setting Nhưng nếu tần số lưới dao động vượt quá ± 0.8Hz tổ máy sẽ chuyển sang chế độ điều tần;

- Chế độ điều chỉnh độ mở cánh hướng (Opening control):

1.2.7 Đường đặc tính của điều tốc

Theo quy định về tần số hệ thống điện Việt Nam hiện nay là 50 ± 0,2 Hz Tần

số phụ thuộc vào tốc độ quay rotor máy phát f = , trong đó số cực từ p là không đổi do đó tần số chỉ phụ thuộc vào tốc độ quay rotor máy phát Mặt khác phương trình

cơ bản đặc trưng cho sự chuyển động quay của rotor tổ máy:

Trong đó: J : mômen quán tính của rotor tổ máy thủy lực;

ω : tốc độ góc rotor tổ máy (ω = ᴫ.n/30);

Mq : Mô men lực chuyển động rotor tổ máy;

Mc : Mô men cản chuyển động rotor tổ máy;

Muốn giữ cho tốc độ tổ máy n = const, tức là giữ cho tốc độ góc là hằng số thì

dω/dt = 0 Thì cần duy trì sự cân bằng Mq = Mc Mômen cản Mc phụ thuộc vào phụ

tải của máy phát còn Mq thì phụ thuộc vào công suất của turbine

- Đường đặc tính điều chỉnh tĩnh của Turbine

Mỗi một bộ điều tốc đều có đường đặc tính điều chỉnh, đó là mối liên hệ giữa

số vòng quay của turbine và phụ tải của nó n = f(P) Xét đường đặc tính điều chỉnh

của Turbine như sau

16

Đối với bộ điều tốc này thì quá trình điều chỉnh tốc độ (tần số) có độ lệch, nghĩa là tốc độ quay của nó trước và sau khi điều chỉnh kết thúc không bằng nhau

Hình 1.7 Đường đặc tính điều chỉnh tĩnh của điều tốc hoạt động với độ dốc

Độ dốc của bộ điều tốc là tỷ số giữa hiệu số của số vòng quay không tải nmax

và số vòng quay đầy tải nmin với số vòng quay định mức n đm , ký hiệu độ dốc là R ta

có:

- Đặt tính Speed Drop và Speed level

Speed Drop (bp) được xác định bằng tỷ số giữa độ lệch tần số và độ lệch công

suất phát ra, nó đặt trưng cho việc điều chỉnh tốc độ có độ trượt được tính bằng %

- Xét 2 tổ máy có cùng công suất và có cùng Speed Drop (bp), tìm xem độ

đáp ứng công suất của 2 tổ máy khi tần số thay đổi

Giả sử ban đầu 2 tổ máy mang tải là P 1 = P 2 ứng với tần số f đm , khi tần số hệ

thống giảm là f 1 < f đm , để đưa tần số hệ thống về fđm thì mỗi tổ máy sẽ tăng một

lượng công suất ΔP 1 = ΔP 2 Điều này có nghĩa là khi 2 tổ máy có cùng Speed Drop

(bp) thì phụ tải sẽ được san sẽ đều cho 2 tổ máy Từ hình vẽ ta thấy sau khi tăng thêm

17

một lượng ΔP = ΔP 1 + ΔP 2 thì đường đặt tính điều chỉnh của mỗi tổ máy là đường màu xanh (a2b2) thay cho đường màu đỏ (a1b1) hay ta nói ta đã thay đổi điểm đặt của bộ điều tốc

Hình 1.8 Đặc tính Speed Drop khi 2 tổ máy làm việc song song có cùng bp với (f 1 <

f đm )

Ngược lại khi tần số hệ thống tăng lên f 2 > f đm thì bộ điều tốc sẽ giảm mỗi tổ

máy một lượng ΔP 1 = ΔP 2 để đưa tần số về f đm Như vậy trong cả 2 trường hợp tần

số giảm hoặc tăng thì 2 tổ máy đều đáp ứng tăng hoặc giảm một lượng công suất là như nhau nếu chúng có cùng bp

Hình 1.9 Đặc tính Speed Drop khi 2 tổ máy làm việc song song có cùng bp với (f 2 >

f đm )

18

- Xét sự phân bố công suất của 2 tổ máy làm việc song song có Speed Drop

(bp) khác nhau

- Xét 2 tổ máy làm việc song song có cùng công suất nhưng có Speed Drop

(bp) khác nhau, công suất ban đầu của 2 tổ máy là P 1 và P 2, giả sử tổ máy 2 có Speed

Drop lớn hơn tổ máy 1 (bp 2 > bp 1), ta có:

bp 1 = / đ

/ đ , bp 2 = / đ

Khi tần số hệ thống giảm xuống f 1 < f đm thì mỗi tổ máy sẽ đáp ứng tăng thêm

một lượng công suất ΔP1 ≠ ΔP2, lượng công suất tăng thêm của mỗi máy là:

ΔP 1 =

đ * đ và ΔP 2 =

Ta tiến hành lập tỷ số: = , nghĩa là lượng công suất tăng thêm của mỗi

tổ máy sẽ tỷ lệ nghịch với Speed Drop của nó Nếu tổ máy nào có Speed Drop lớn

hơn thì sẽ đáp ứng tăng thêm/giảm đi 1 lượng công suất nhỏ hơn tổ máy còn lại khi

tần số giảm/tăng 1 lượng Δf

Hình 1.10 Đặc tính Speed Drop khi 2 tổ máy làm việc song song khác bp

 Speed level chính là tập hợp một họ đường Speed Drop để thay đổi điểm

làm việc của bộ điều tốc hay chính là thay đổi công suất của bộ điều tốc để đưa tần

số (tốc độ) về định mức

- Vận tốc nước thay đổi trực tiếp thông qua độ mở của cánh hướng với căn bậc

2 của cột nước trước cánh hướng

- Đường ống áp lực là không đàn hồi và nước trong đường ống là không nén được

- Sức cản thủy lực trong đường ống áp lực là không đáng kể có thể bỏ qua

- Công suất ra của turbine là tỷ lệ với cột nước và lưu lượng nước qua turbine

Hình 2.1 Mặt cắt nhà máy thủy điện với đập, đường ống áp lực và hạ lưu

20

Từ mô hình nghiên cứu, Xét mô hình nhà máy thủy điện gồm hồ chứa, đường ống áp lực, cụm van chính và sevor, turbine, hệ thống điều tốc và máy phát điện như hình 2.1

Từ mô hình nhà máy, tác giả xây dựng được mô hình toán học cho mỗi phần

tử tham gia trong mô hình để làm cơ sở phân tích bản chất của đối tượng Trên cơ sở

đó, tác giả sẽ đề xuất phương án nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống điều tốc

2.2 Xây dựng mô hình các phần tử trong hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện

2.2.1 Các phương trình động học của hệ thống thủy lực

a Vận tốc nước trong đường ống áp lực

Vận tốc dòng chảy trong đường ống áp lực là một hàm của độ mở và cột nước

 Q : lưu lượng nước qua turbine (m3/s)

Mặt khác ta có quan hệ giữa lưu lượng (Q) và vận tốc (U) của nước trong

đường ống có quan hệ bởi công thức sau [8]:

b Gia tốc của cột nước

Hình 2.2 Sơ đồ mô tả lưu lượng nước (Q) chảy trong đường ống áp lực

Turbine sẽ chuyển đổi thế năng cột nước thành cơ năng quay turbine Nước từ thượng lưu đi qua đường ống áp lực tác động lên bánh xe công tác tạo ra momen quay turbine Theo định luật 2 Newton ta có [11]:

Trong đó:

 F net: lực tác động lên khối lượng nước trong đường ống (N)

22

 a g: gia tốc của nước (m/s2)

 ρ: khối lượng riêng của nước (kg/m3)

 A: Diện tích đường ống áp lực (m2)

Lực tác động lên đầu vào Turbine tỷ lệ thuận với cột nước tĩnh(H 0), còn tại

ngõ ra turbine thì nước lại tỷ lệ thuận với cột nước turbine (H), tổn thất cột nước trong đường ống áp lực do ma sát là (H f) Vì vậy lực trong đường ống áp lực là:

Khi cánh hướng được mở ra trong khoảng thời gian Δt thì làm cho vận tốc của

nước trong đường ống áp lực tăng lên một khoảng ΔU, khi đó làm cho cột nước thượng lưu bị giảm đi một lượng ΔH Tốc độ tăng của vận tốc nước được biểu diễn

theo định luật 2 Newton’s là:

∆

 ρLA: Khối lượng của nước trong đường ống áp lực (Kg)

 ρagΔH: Độ gia tăng áp lực tại cánh hướng

Chia hai vế của phương trình (2.11) trên cho và chuẩn hóa phương trình ta có:

∆

Hay:

Với T w là hằng số thời gian khởi động của nước, T w là thời gian cần thiết để

nước từ điểm đầu tại cột áp H0 tăng tốc trong đường ống áp lực đến điểm cuối với vận tốc U0, T w có giá trị thay đổi phụ thuộc vào tải Thông thường khi đầy tải thì nó

có giá trị từ 0.5 (s) đến 4 (s)

c Tổn thất cột nước

Tổn thất cột nước được xác định theo công thức [6]

là tổn thất dọc đường từ cửa lấy nước đến cửa ra ống hút [10]

- fi: Hệ số cản tại thời điển tính toán;

- Ui: Vận tốc tại thời điển tính toán

dg

24

Hệ số ma sát f là một hàm của Reynolds:

Với Re là hệ số Reynolds,  là độ nhớt động của nước ở 200c

Ở các dòng chảy tầng, với Re ≤ 2100, thì hệ số ma sát có thể tính:

Ở các dòng chảy rối, với 2100 < Re < 108, thì hệ số ma sát có thể tính:

Với e là độ nhám của mặt trong đường hầm

Theo [6] tổn thất đường hầm nhà máy thủy điện Srêpốk3 có kết quả tính toán như bảng 2.1:

Công suất cơ trên trục Turbine thủy lực(P mec) được tính bằng tích của độ cao

cột nước tĩnh (H) nhân với lưu lượng(Q) theo khối lượng của chất lỏng;

Thực tế thì công suất cơ Turbine bị giảm theo hiệu suất , là hệ số để tính toán phần tổn thất công suất Đối với Turbine thủy lực công suất trên trục tại cột nước định mức xấp xỉ trong vùng vị trí van hướng đóng hoàn toàn đến vị trí van hướng không tải và gần tuyến tính với vị trí van hướng ở vị trí không tải đến van mở hoàn toàn [10]

2 0.9

1.325

5.74ln

: :Hiệu suất turbine;

M t : Mô mem quán tính của turbine (N.m);

r : Tốc độ quay của turbine (rad/s);

P h : Công suất lý tưởng của cột nước (MW);

Thực tế, khi tính công suất cơ cần phải xem xét đến hiệu ứng lực cản, độ ma sát của nước và độ lệch tốc độ của rotor và góc mở của van hướng Ở hệ đơn vị tương đối, công suất turbine có thể biểu diễn sau:

mec = η( ̅).A t t ( t - NL )

Trong đo A t là Hệ số khuếch đại turbine

Hình 2.3 Đường đặc tính công suất/góc mở van hướng với Turbine

Hệ số khuếch đại turbine A t được tính từ tỉ lệ góc mở hiệu dụng với góc mở

thực tế của van hướng, có xét đến sự ràng buộc về mômen trên trục turbine và trục

máy phát, được tính theo biểu thức dưới đây[10] :

27

Trong đó: G FL và G NL là vị trí của van hướng lúc vận hành đầy tải và lúc không

tải, cả hai đại lượng này đều được tính ở tốc độ và cột nước định mức P t.rate và P G.rate

là công suất định mức của turbine và của máy phát

Theo [10] thì công suất cơ được viết

Và công suất cản của turbine:

Hệ số D Dam nói lên sự thay đổi tốc độ đột ngột khi cánh hướng được mở từ trạng thái không tải sang trạng thái mở hoàn toàn Thông thường giá trị D Damđược chọn tùy vào từng nhà máy thủy điện, và D Damnằm ở trong khoảng 0.5 ≤ D Dam≤ 2

Thay (2.38) vào (2.37) ta được:

Sự thay đổi của moment cơ (ΔP m ) và lưu lượng qua turbine (ΔU) phụ thuộc vào sự thay đổi của độ mở cánh hướng (ΔG), sự thay đổi của tốc độ (Δω) và sự thay đổi của cột nước (ΔH)

Một turbine khi xét với biến thiên nhỏ quanh một điểm làm việc, các giá trị biến thiên của nó gồm lưu lượng và công suất có thể biễu diễn bằng phương pháp tuyến tính hóa, sử dụng phương pháp xấp xỉ chuổi Taylor [10], viết ở hệ đơn vị tương đối như sau:

- Phương trình lưu lượng đi qua turbine (hay đường ống áp lực)

28

Δ là sai lệch tốc độ tính ở hệ đơn vị, sai lệch này có giá trị nhỏ, trong trường

hợp máy phát nối với hệ thống điện lớn, có thể bỏ qua Δ

Các hệ số a 11 và a 13 là đạo hàm riêng của lưu lượng đối với cột áp và độ mở

cánh hướng, còn các hệ số a 21 và a 23 là đạo hàm riêng của công suất turbine đối với cột áp và độ mở cánh hướng Các hệ số này phụ thuộc vào tải của máy và có thể được đưa ra giá trị nhờ vào đặc điểm turbine tại một điểm làm việc

Thay các biểu thức (2.42) và (2.43) vào các biểu thức (2.7) và (2.30), ta rút ra được mối quan hệ giữa ∆ và ∆ ̅ như sau [8]:

Biểu thức (2.44) biểu diễn mô hình của turbine không lý tưởng

Một turbine lý tưởng, không có tổn thất loại Francis có các giá trị a ij:

a 11 = 0,5; a 13 = 1,0; a 21 = 1,5; a 23 = 1,0

2.2.3 Mô hình đường ống áp lực

Từ các phương trình (2.3), (2.4), (2.10) và (2.27) Ta có các phương trình động lực học cơ bản của nước không nén trong đường hầm như sau [8]:

Trong đó:

- H 0 : Giá trị ổn định trạng thái ban đầu của H;

- t : Thời gian bằng giây

Chuẩn hóa các phương trình ở trên dựa trên các giá trị định mức Biểu thức (2.45) và (2.46) có thể chuẩn hóa như sau: