ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 ỨNG DỤNG LOGIC MỜ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Trong luận văn này, tác giả thực hiện nghiên cứu xây dựng mô hình toán học của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 trên cơ sở giữ nguyên các bản chất phi tuyến của hệ thống để m

TRẦN ĐỨC SỸ

ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN

HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

SRÊPỐK 3 ỨNG DỤNG LOGIC MỜ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN ĐỨC SỸ

ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN

HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

SRÊPỐK 3 ỨNG DỤNG LOGIC MỜ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Lê Tiến Dũng

Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu tự bản thân tôi thực hiện Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Học viên

Trần Đức Sỹ

ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ

MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 ỨNG DỤNG LOGIC MỜ Học viên: Trần Đức Sỹ 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 Srêpốk 3 nằm trong hệ thống Thủy điện bậc thang trên sông Srêpốk, góp phần quan trọng trong việc cung cấp năng lượng điện cho lưới điện quốc gia Trong luận văn này, tác giả thực hiện nghiên cứu xây dựng mô hình toán học của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 trên cơ sở giữ nguyên các bản chất phi tuyến của hệ thống để mô hình mô tả sát với thực tiễn Dựa trên cơ sở mô hình toán học và sự hiểu biết về bản chất hệ thống, kinh nghiệm vận hành, quản lý nhà máy, tác giả

đề xuất một phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 sử dụng logic mờ Hiệu quả của thuật toán đề xuất được thử nghiệm bằng

mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink Kết quả cho thấy đặc tính khởi động của hệ thống tốt hơn so với bộ điều khiển cũ, ngoài thời gian quá độ tốt hơn thì độ quá điều chỉnh

và sai lệch tĩnh cũng rất nhỏ; đảm bảo được các tiêu chí về chất lượng điều khiển, đáp ứng nhanh chóng công suất khi có yêu cầu nhằm góp phần tham gia vào việc ổn định cho

hệ thống điện Quốc gia

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

PROPOSING AN IMPROVED CONTROL ALGORITHM FOR THE GOVERNOR SYSTEM OF SREPOK 3 HYDROPOWER PLANT USING FUZZY LOGIC

SYSTEM

Abstract - Srepok 3 Hydropower Plant is located on the terraced hydropower system on the Srepok river, contributing significantly to the supply of electricity to the national grid

In this thesis, the author studies to construct mathematical model of the governor system

of the Srepok 3 hydropower plant on the basis of maintain the nonlinear of the system so that the model is close to reality Based on a mathematical model and an understanding

of the system, operation experience and plant management, the author propose a method for improving the control algorithm for the governor system of Srepok 3 hydropower plant uses fuzzy logic The effect of the proposed algorithm is tested by simulation on the Matlab/Simulink The result show that the startup characteristic of the system better than the old controller, In addition to the transitional time better then 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 National power system

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

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu: 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài 3

6 Cấu trúc của luận văn 3

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 4

1.1.Tổng quan về Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 4

1.2.Tổng quan về hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 4

1.2.1 Sơ đồ nguyên lý 4

1.2.2 Chức năng 5

1.2.3 Thông số hệ thống hệ thống điều tốc-turbine 5

1.2.4 Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc 7

1.2.5 Sơ đồ hàm truyền 8

1.2.6 Quá trình khởi động và các chế độ làm việc của bộ điều tốc nhà máy Srêpốk 3 9

1.2.7 Đặc tính của bộ điều tốc 10

1.3.Kết luận chương 1 14

CHƯƠNG 2.XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 15

2.1.Đặt vấn đề 15

2.2.Mô hình toán các khối chức năng 16

2.2.1 Mô hình Turbine thủy lực 16

2.2.2 Mô hình Turbine với cột nước không đàn hồi 19

2.2.3 Tổn thất cột nước 22

2.2.4 Mô hình hóa hệ thống tải máy phát 24

2.2.5 Mô hình van hướng 28

2.3.Mô hình các thành phần trong hệ thống 29

2.3.1 Số liệu tham số và các biến quá trình trong hệ thống 29

2.3.2 Các phương trình động học phi tuyến của hệ thống 32

2.3.3 Mô hình tổng thể của hệ thống điều tốc 32

2.4.Kết luận chương 2 34

THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 35

3.1.Đặt vấn đề 35

3.2.Giới thiệu lý thuyết điều khiển mờ 36

3.2.1 Giới thiệu chung 36

3.2.2 Bộ điều khiển mờ 40

3.2.3 Tổng hợp bộ điều khiển mờ 42

3.3.Phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 45

3.3.1 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển mới 45

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ 45

3.4.Kết luận chương 3 49

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 50

4.1.Mô phỏng hệ thống điều tốc hiện tại của Nhà máy 50

4.1.1 Mô phỏng các phần tử của hệ thống trên Matlab-Simullink 50

4.1.2 Kết quả mô phỏng hệ thống điều tốc trên Matlab-Simullink sử dụng bộ điều khiển PID 52

4.2.Mô phỏng hệ thống với thuật toán điều khiển đề xuất 54

4.2.1 Mô phỏng hệ thống trên Matlab-Simullink 54

4.2.2 Kết quả mô phỏng hệ thống điều tốc trên Matlab-Simullink sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp FUZZY 55

4.3.Kết luận chương 4 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO………

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG………

BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN………

BẢN SAO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI………

1.2 Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 7

1.5 Đường đặc tính điều chỉnh tĩnh 11 1.6 Đặc tính Speed Drop (f1< fđm) 12 1.7 Đặc tính Speed Drop (f2>fđm) 12 1.8 Đặc tính Speed Drop khi 2 tổ máy làm việc song song khác bp 13

2.1 Sơ đồ cấu trúc các phần tử thủy lực nhà máy Thủy điện 15 2.2 Mối quan hệ giữa độ mở lý tưởng và độ mở thực 22

2.5 Mô hình van hướng 29

2.7 Mô hình van hướng, cột nước và turbine 33 2.8 Mô hình tổng thể hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 34 3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc 35 3.2 Mô tả các giá trị ngôn ngữ bằng tập mờ 37 3.3 Quy tắc hợp thành MIN (a), Quy tắc hợp thành PROD (b) 39 3.4 Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ 40

3.6 Giải mờ theo phương pháp trọng tâm 42 3.7 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ cơ bản 43 3.8 Nguyên lý của bộ điều khiển có thêm bộ điều khiển mờ 45

4.1 Mô phỏng bộ điều khiển trên Matlab-Simullink 50 4.2 Mô phỏng servo cánh hướng trên Matlab-Simullink 50 4.3 Mô phỏng hệ thống turbine thủy lực trên Matlab-Simullink 51 4.4 Mô phỏng tải máy phát trên Matlab-Simullink 51 4.5 Mô phỏng toàn bộ hệ thống trên Matlab-Simullink 52

4.6 Kết quả mô phỏng đặc tính khởi động 52 4.7 Kết quả mô phỏng chế độ khởi động, hòa lưới và mang tải 53 4.8 Đặc tính nhà máy thủy điện Srêpốk 3 53 4.9 Mô phỏng bộ điều khiển trên Matlab-Simullink 54 4.10 Mô phỏng toàn bộ hệ thống trên Matlab-Simullink 54 4.11 Kết quả đặc tính tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID+FUZZY 55

4.12 So sánh kết quả đặc tính tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID và

4.13 Kết quả mô phỏng đặc tính khởi động 56 4.14 Kết quả mô phỏng chế độ khởi động, hòa lưới và mang tải 56

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Do đặc thù địa lý của Việt Nam nên các nguồn thủy điện lớn tập trung ở Miền Bắc, tuy nhiên các nơi tiêu thụ là Miền Nam và ảnh hưởng của việc giới hạn truyền tải điện lưới 500 kV nên các nhà máy thủy điện ở khu vực Nam Tây nguyên và Miền Nam đóng vai trò quan trọng cấp nguồn cho phụ tải và đặc biệt lúc tăng phụ tải đột ngột

Với việc phân bổ huy động nguồn trên hệ thống điện Việt Nam: Nhiệt điện chạy nền, Thủy điện chạy phủ đỉnh do ưu điểm của các nhà máy thủy điện là thời gian khởi động và dừng máy nhanh, tốc độ tăng/giảm tải nhanh

Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 là Nhà máy nằm trong hệ thống Thủy điện bậc thang trên sông Srêpốk 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 làm nhiệm vụ điều tiết ngày, được tích nước từ ngày 11/5/2010 Công suất lắp đặt của nhà máy là 220

MW, sản lượng điện trung bình hàng năm là 1.060 tỉ kwh

Đặc điểm của nhà máy Srêpốk 3 là tổ máy có công suất lớn, độ thay đổi cột nước nhỏ (4m/110MW) nên hệ thống điều tốc Srêpốk 3 đang lấy giá trị cột nước H cài đặt cho hệ thống điều tốc là hằng số Vì vậy, hệ thống điều tốc chỉ phụ thuộc vào các giá trị Tần số lưới (fL); Công suất hệ thống (PL); Tần số đặt (fref); Công suất đặt (Pref) ; Độ mở cánh hướng đặt (αref) Khi có sự thay đổi công suất phụ tải thì độ mở cánh hướng sẽ thay đổi theo để điều chỉnh công suất phát của tổ máy mà không xét đến cột nước hiện tại

Việc đáp ứng nhanh của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 góp phần rất lớn vào việc ổn định tần số hệ thống và cung cấp nguồn điện nhanh chóng cho phụ tải Miền Nam

Về vấn đề mô hình hóa hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện:

 Tác giả Prabha Kundur đã mô hình hóa các đối tượng tham gia trong hệ thống điện trong đó có kể đến các dạng của nhà máy Thủy điện [9];

 Các tác giả German Ardul Munoz Hernandez, Sa'ad Petrous_Manso và Dewwi Leuan Lones đã giới thiệu về mô hình hóa và điều khiển các nhà máy Thủy điện [14];

 Lê Đình Tâm, nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Buôn Kuốp ứng dụng điều khiển thích nghi, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng [7]

 Tác giả FP de Mello cùng các cộng sự: Nghiên cứu các phương pháp điều khiển

có xét đến các yêu tố ảnh hưởng của sự đàn hồi của cột nước trong đường hầm Tuy nhiên trong mô hình đã bỏ qua các yếu tố sự đàn hồi cột nước Hơn nữa mô hình toán

học của nhà máy bị đơn giản hóa thành mô hình tuyến tính nên chưa mô tả được chính xác hệ thống thực vốn có bản chất phi tuyến [10];

 Tác giả Roshni Bhoi, Dr S.M Ali: Áp dụng phương pháp điều khiển PID và xem hệ thống là tuyến tính [12]

Vấn đề điều khiển nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc:

 Các tác giả Nguyễn Văn Dũng, Trương Thị Bích Thanh đã đề xuất thuật điều khiển bền vững H để điều khiển ổn định tốc độ turbine nhưng lại xem các thông số của

và điều chỉnh mô hình để mô tả được chính xác hệ thống thực và đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 ứng dụng logic mờ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Srêpốk 3; Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát hệ thống điều tốc có xét đến yếu tố độ thay đổi cột nước H(t) của nhà máy Thủy điện Srêpốk 3;

Giới hạn của đề tải: Mô hình của hệ thống có kết nối lưới

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 mờ để

đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhằm đạt được các tín hiệu đầu

ra bám theo các tín hiệu yêu cầu với chất lượng điều khiển tốt;

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

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu và ứng dụng logic mờ vào thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3;

6 Cấu trúc của luận văn

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

Chương 2: Xây dựng mô hình toán học của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3;

Chương 3: Đề xuất phương pháp nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3;

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả

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

Công trình Thủy điện Srêpốk 3 được bố trí trên sông Srêpốk thuộc xã Eapô - huyện

Cư Jút - tỉnh Đăk Nông và xã Tân Hòa - huyện Buôn Đôn - tỉnh Đăk Lắk Cách thành phố Buôn Ma Thuột khoảng 30 km về phía Tây Bắc và cách thành phố Hồ Chí Minh khoảng 400 km

Sông Srêpốk là một dòng sông lớn nhất trong hệ thống sông ngòi ở Đắk Lắk Đây

là một phụ lưu quan trọng của sông Mêkông Sông được hình thành hoàn toàn trên địa phận Đắk Lắk và được hợp thành từ hai dòng sông nhỏ là sông Krông Ana (sông Mẹ hay sông Cái) và sông Krông Nô (còn gọi là Krông Knô, sông Bố hay sông Đực) Sông chảy qua các huyện Krông Ana, Buôn Đôn và Ea Súp của Đăk Lăk Đây là con sông đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế, xã hội của các tỉnh Đắk Lắk và Đăk Nông cũng như của Tây Nguyên

Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 là Nhà máy nằm trong hệ thống Thủy điện bậc thang trên sông Srêpốk 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 làm nhiệm vụ điều tiết ngày, được tích nước từ ngày 11/5/2010 Công suất lắp đặt của nhà máy là 220

MW, sản lượng điện trung bình hàng năm là 1.060 tỉ kwh Tổ máy số 1 hoà vào lưới điện Quốc gia ngày 25/6/2010 và tổ máy số 2 hoà vào lưới điện Quốc gia vào ngày 24/9/2010

1.2 Tổng quan về hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3

1.2.2 Chức năng

- Ổn định tốc độ cho tổ máy trong chế độ làm việc không tải và khi đã hòa lưới;

- Giữ công suất tác dụng theo một giá trị đặt trước trong chế độ cố định;

- Điều chỉnh công suất tác dụng để ổn định hệ thống trong chế độ điều tần;

- Dừng bình thường tổ máy; dừng sự cố tổ máy;

1.2.3 Thông số hệ thống hệ thống điều tốc-turbine

a) Thông số hệ thống điều tốc [1]

Bảng 1.1 Thông số của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3

Hãng chế tạo Wuhan Sanlian Hydropower Control

Thời gian mở cánh hướng hoàn toàn 2 – 40 sec

Độ dốc Speed Drop (Bp) 0 ~ 10 %

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

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

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 (Hs) 1.9 (m)

Số cánh hướng nước tĩnh 24 cánh

Số cánh hướng động 24 cánh

Chiều cao mỗi cánh 1475 mm

Hành trình servo mở tối đa 512 (mm)

1.2.4 Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc

Sơ đồ khối hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 như Hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3

Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 được trang bị:

 02 bộ PLC (A, B) làm việc hoàn toàn độc lập và có tính chất dự phòng nóng cho nhau, khi một kênh bị sự cố thì kênh dự phòng không bị ảnh hưởng và vẫn làm việc bình thường;

 Một (01) màn hình giám sát điều khiển kiểu cảm ứng (HMI) đặt tại tủ điều tốc;

 Modul đầu vào tương tự : TSX AEY 800;

 Modul đầu ra tương tự : TSX ASY 410;

 Modul đầu vào số : TSX DEY 16D2;

 Modul đầu ra số : TSX DSY 16T2;

 HUB, kết nối truyền thông giữa các CPU, giữa CPU với màn hình cảm ứng, giữa các CPU với SCADA;

 Các modul đo lường:

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

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

 Một (01) cảm biến tiệm cận đo lường tần số tổ máy bằng cách đo tốc độ quay Turbine

1.2.5 Sơ đồ hàm truyền

Sơ đồ hàm truyền điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 như Hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ hàm truyền bộ điều tốc

 Ở chế độ điều khiển theo độ mở cánh hướng Giá trị đặt của độ mở cánh hướng được đặt ở ngõ Yc, được hiệu chỉnh bằng hệ số Kyg Tín hiệu này sẽ được so sánh với tín hiệu hồi tiếp về của độ mở cánh hướng thực (YPID) Tín hiệu trên được hiệu chỉnh qua bộ (bp/Ey/Ep);

 Ở chế độ điều khiển công suất Bộ điều tốc lấy tín hiệu độ sai lệch giữa công suất đặt và công suất của hệ thống để đưa vào khối PID hiệu chỉnh để tìm được giá độ

mở cánh hướng tối ưu;

 Ở chế độ điều khiển tần số Bộ điều tốc lấy tín hiệu độ sai lệch tốc độ tổ máy và tốc độ hệ thống/tốc độ đặt để đưa vào khối PID hiệu chỉnh tốc độ

1.2.6 Quá trình khởi động và các chế độ làm việc của bộ điều tốc nhà máy Srêpốk 3

tự động bám theo tần số lưới Đặc tuyến khởi động tổ máy như Hình 1.4 sau:

Hình 1.4 Đặc tuyến khởi động tổ máy b) Chế độ điều tần (frequency control)

Khi làm việc ở chế độ điều tần máy phát sẽ tự động điều chỉnh tần số của hệ thống

ổn định xung quanh giá trị định mức, điều chỉnh tần số theo đặc tính speep drop;

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

Ở chế độ này, máy phát công suất được đặt sẵn và ổn định phát công suất này nếu tần số lưới thay đổi Nhưng nếu tần số lưới dao động vượt quá ± 0.8Hz tổ máy sẽ chuyển sang chế độ điều tần;

d) Chế độ điều chỉnh độ mở cánh hướng (Opening control)

Ở chế độ này, máy phát chạy với độ mở cánh hướng được đặt sẵn và chạy ở độ mở này nếu tần số lưới thay đổi (công suất phát thay đổi) Nhưng nếu tần số lưới dao động vượt quá ± 0.8Hz tổ máy sẽ chuyển sang chế độ điều tần

1.2.7 Đặc tính của bộ điều tốc

Điện áp và tần số là hai chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng điện năng cũng như an toàn trên hệ thống điện Tần số tại mọi điểm trên hệ thống đều như nhau, vì vậy nếu có sự dao động nào đối với tần số sẽ ảnh hưởng đến toàn hệ thống điện Do đó nếu không có điều chỉnh công suất do Turbine của các nhà máy điện phát ra thì sẽ dẫn đến

sự thay đổi tần số của lưới điện quá giới hạn cho phép Phương trình cơ bản đặc trưng cho sự chuyển động quay của rotor máy phát:

- Mq : Mô men lực chuyển động rotor tổ máy;

- Mc : Mô men cản chuyển động rotor tổ máy

- J : Mômen quán tính của rotor máy phát;

Sự biến đổi tần số chủ yếu do sự biến đổi của công suất tác dụng Khi có sự thay đổi phụ tải, công suất điện máy phát thay đổi gây ra sự chênh lệch giữa moment điện và moment cơ trên trục máy phát và kết quả là sự sai lệch về tốc độ;

Vì vậy điều chỉnh công suất của Turbine thực chất là điều chỉnh lưu lượng nước vào Turbine bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng Nhiệm vụ của hệ thống điều tốc là phải cảm nhận được sự thay đổi này để đảm bảo mang lại một sự cân bằng cần thiết trong hệ thống

a) Đường đặc tính điều chỉnh tĩnh của Turbine

Đường đặc tính điều chỉnh tĩnh của bộ điều tốc đó là mối liên hệ giữa số vòng quay của turbine và phụ tải của nó n = f(P) Khả năng điều chỉnh công suất của Turbine khi tốc độ quay thay đổi được xác định bởi độ dốc của đặc tính điều chỉnh của bộ điều chỉnh tốc độ:

- nmax: Số vòng quay không tải;

- nmin: Số vòng quay đầy tải;

- ndm: Số vòng quay định mức;

b) Đặc tính Speed Drop và Speed level

- Speed Drop (bp) được xác định bằng bằng công thức:

100

dm dm

f

f bp P





 Hai tổ máy làm việc song song:

Trường hợp hai tổ máy có cùng công suất và có cùng Speed Drop:

Xét 2 tổ máy mang tải là P P1 2 ứng với tần số fdm khi tần số hệ thống giảm, để đưa tần số về tần số định mức fdm thì mỗi tổ máy sẽ tăng một lượng công suất   P1 P2

Có nghĩa là khi 2 tổ máy có cùng Speed Drop thì phụ tải sẽ được san sẽ đều cho 2 tổ máy Ta có đặc tính điều chỉnh như Hình 1.6, đường đặc tính làm việc mới là đường a2b2 thay cho đường cũ là a1b1

Khi tần số hệ thống tăng, để đưa tần số về tần số định mức fdm thì mỗi tổ máy sẽ giảm một lượng công suất   P1 P2 Ta có đặc tính điều chỉnh như Hình 1.7, đường đặc tính làm việc mới là đường a2b2 thay cho đường cũ là a1b1

Hình 1.6 Đặc tính Speed Drop (f1< fđm)

Hình 1.7 Đặc tính Speed Drop (f2>fđm)

 Hai tổ máy làm việc song song có Speed Drop khác nhau

Xét 2 tổ máy làm việc song song có cùng công suất nhưng có Speed Drop khác nhau, công suất ban đầu của 2 tổ máy là P1 và P2, giả sử tổ máy 2 có Speed Drop lớn hơn tổ máy 1 (bp2 > bp1), ta có:

Khi tần số hệ thống giảm xuống f1  fdmthì mỗi tổ máy sẽ đáp ứng tăng thêm một lượng công suất   P1 P2, lượng công suất tăng thêm của mỗi máy là:

Đặc tính Speed Drop khi 02 tổ máy làm việc song song khác bp được thể hiện như Hình 1.8

Hình 1.8 Đặc tính Speed Drop khi 2 tổ máy làm việc song song khác bp

 Speed Level chính là đường đặc tính Speed Drop nhưng nó thể hiện độ dốc phần trăm mỗi dải công suất của tổ máy phát ứng với giá trị tần số định mức Như vậy tập hợp tất các các đường đặc tính Speed Drop của mỗi dải công suất tổ máy chính là đường đặc tính Speed Level Như Hình 1.9

Hình 1.9 Đặc tính Speed level 1.3 Kết luận chương 1

Trong chương này tác giả đã giới thiệu tổng quan về nhà máy Thủy điện Srêpốk

3, tổng quan về bộ điều khiển hệ thống điều tốc hiện tại của nhà máy củng như các chế

độ làm việc, các đặc tính của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ

MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3

2.1 Đặt vấn đề

Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 với cấu trúc hệ thống thủy lực như Hình 2.1 bao gồm: Hồ chứa, đường ống áp lực, turbine và đường ống xả nước xuống hạ lưu nhà máy Với đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 tác giả đã nghiên cứu đối tượng trên mô hình phi tuyến; do đường ống áp lực ngắn nên tác giả nghiên cứu đối tượng không có sự đàn hồi của cột nước trong đường ống áp lực

Để đạt được kết quả nghiên cứu khá hoàn thiện; tác giả phân tích, nghiên cứu cụ thể quá trình làm việc và các hiệu ứng động học đối với từng đối tượng thủy lực có mặt trong hệ Từ các nghiên cứu trên, tác giả xây dựng được mô hình toán học cho mỗi phần

tử để làm cơ sở phân tích, tìm hiểu sâu bản chất của đối tượng Trên cơ sở đó, tác giả sẽ

đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc các phần tử thủy lực nhà máy Thủy điện [14]

2.2 Mô hình toán các khối chức năng

2.2.1 Mô hình Turbine thủy lực

Các đặc điểm tuabin và đường ống áp lực được xác định bởi ba phương trình cơ bản sau đây:

 Vận tốc của nước trong đường ống áp lực

 Công suất cơ tuabin

 Gia tốc của cột nước

a) Vận tốc nước trong đường ống áp lực [9]

Công suất cơ turbine tỷ lệ với cột áp và lưu lượng, ta có:

- ag: Gia tốc của nước;

- ρ: Khối lượng riêng của nước;

- ρLA: Khối lượng của nước trong đường hầm;

- ρagΔH: Độ gia tăng áp lực tại cánh hướng;

- t: Thời gian bằng giây

Chia cả hai vế cho A a H U  g 0 0và chuẩn hóa phương trình ta được:

0 g

LUT

a H

Trong đó Tw là hằng số thời gian khởi động của nước Thông thường khi đầy tải thì nó có giá trị từ 0.5 (s) đến 4 (s)

Từ biểu thức (2.4) và (2.12) ta thấy được mối quan hệ giữa sự thay đổi vận tốc và

vị trí cánh hướng như sau:

Trong đó  là đạo hàm tốc độ của mỗi tổ máy Đạo hàm tốc độ thì nhỏ nhất là 

khi tổ máy làm việc trong hệ thống lớn, do đó các giá trị liên quan đến ∆� có thể bỏ qua, khi đó (2.18) và (2.19) có thể viết lại:

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 (2.20) và (2.21) vào (2.4) và (2.8), ta được:

13 21

23 23

Một turbine lý tưởng, không có tổn thất loại Francis có các giá trị [9]:

a11 = 0,5; a13 = 1,0; a21 = 1,5; a23 = 1,0

2.2.2 Mô hình Turbine với cột nước không đàn hồi

Ta có các phương trình động lực học cơ bản của chất lỏng không nén được trong đường hầm như sau [9]:

- U: Vận tốc nước;

- G: Độ mở cánh hướng;

- H: Cột nước tại cánh hướng;

- H0: Giá trị ổn định trạng thái ban đầu của H;

- Hl: Tổn thất cột nước trong đường hầm;

- P: Công suất turbine;

- Q: Lưu lượng định mức;

- A: Diện tích đường hầm;

- L: Chiều dài đường hầm;

- ag: Gia tốc của nước;

- t: Thời gian bằng giây

Chúng ta quan tâm đến hiệu suất lớn, do vậy biểu thức (2.23) và (2.24) có thể chuẩn hóa như sau:

1 2

 

  

Tương tự, từ phương trình (1.25) ta có:

Do thực tế công suất của turbine còn phụ thuộc vào công suất cản của turbine, do

đó công suất cơ ngõ ra của turbine được biểu diễn trong hệ đơn vị tương đối như sau:

Với A là Hệ số khuếch đại của turbine [9]: t

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa độ mở lý tưởng và độ mở thực [9]

Và công suất cản của turbine:

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

Do dòng chảy trong đường ống áp lực luôn chảy rối phức tạp, sự chảy rối cùng với

ma sát vào vách đường ống làm cho áp lực nước giảm theo chiều của dòng chảy Tổn thất áp lực trên toàn bộ chiều dài của đường ống được biểu diễn bởi công thức [15]:

Với:

2

f fLk

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

2 0.9

1.3255.74ln

Với e là độ nhám của mặt trong đường hầm

Từ các biểu thức (2.30) tới (2.44) ta mô hình đặc trưng của cột nước và turbine như Hình 2.3

Hình 2.3 Mô hình cột nước và turbine 2.2.4 Mô hình hóa hệ thống tải máy phát

a) Mô hình cơ khí của máy phát

Phương trình của chuyển động quay của máy phát điện[14]:

- Tacc: Mô men gia tốc;

- Tm: Mô men cơ;

- Te: Mô men điện;

- J: Mô men quá tính tổng hợp cua rmáy phát và turbine;

- δm: Góc quay cơ khí của rotor;

Động năng quay được tính bằng 2

2m

w

J vậy phương trình (2.50) có thể chuẩn hóa bằng quan hệ trong đơn vị tương đối của hằng số quán tính H, được định nghĩa là động năng của máy quay ở tốc độ định mức Volt-Ampe của máy điện Gọi w là vận tốc góc m0định mức, ta có:

2 0

2 base m

m e m

HVA dw T T

Về quan hệ giữa vận tốc gốc điệnw(rad/s) với vận tốc góc của roto, được tính như sau: w= wm/pn; trong đó pn là số cặp cực của máy phát Phương trình (2.51) được viết lại trong đơn vị tương đối với vận tốc góc của roto theo vận tốc của dòng điện (rad/s):

m

VAT

w

Với công suất bằng mô men nhân với vận tốc góc ( P=Tw) Phương trình (2.52) biểu diễn quan hệ giữa công suất cơ và công suất điện với dao động nhỏ quanh điểm làm việc và bỏ qua thành phần bậc 2, ta có:

Do chuyển động của hệ turbine – máy phát với dao động nhỏ quanh điểm làm việc,

vì vậy biểu thức (2.56) được viết lại: