Ứng dụng logic mờ để nâng cao chất lượng điều khiển công suất nhà máy thủy điện đăkrơsa

Nhà máy thủy điện Đăkrơsa với lợi thế địa lý có độ dốc lớn, là khu vực có tiềm năng lớn về thuỷ điện có lượng mưa trung bình hàng năm lớn, hệ thống sông suối dày đặc với độ dốc lớn, thun

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HUY QUYỀN

ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG

ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT NHÀ MÁY

THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HUY QUYỀN

ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG

ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT NHÀ MÁY

THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA

Chuyên nghành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn : "Ứng dụng logic mờ để nâng cao chất lượng điều khiển công suất nhà máy thủy điện ĐăkRơSa ” là công trình nghiên cứu tự bản

thân tôi thực hiện Các số liệu tham khảo, trích dẫn và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Nguyễn Huy Quyền

DUT.LRCC

TÓM TẮT ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG

ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA

Học viên : Nguyễn Huy Quyền

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 8520216 Khóa: K37 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Hiện nay Năng lượng là lĩnh vực quan trọng đối với sự phát triển

của một quốc gia nói riêng trên toàn thế giới nói chung, các nguồn năng lượng được tạo ra từ thủy điện, năng lượng tái tạo luôn là nguồn năng lượng sạch, ổn định, chi phí thấp và ít ảnh hưởng đến môi trường luôn được các Quốc gia trên toàn thế giới quan Tâm phát triển Chính vì vậy đòi hỏi phải có những giải pháp kỹ thuật các vấn đề trên một cách linh hoạt và hiệu quả

Nhà máy thủy điện Đăkrơsa với lợi thế địa lý có độ dốc lớn, là khu vực có tiềm năng lớn về thuỷ điện có lượng mưa trung bình hàng năm lớn, hệ thống sông suối dày đặc với độ dốc lớn, thung lũng hẹp, nước chảy xiết và là nơi đầu nguồn của các sông lớn có tiềm năng thủy điện Nhà máy thủy điện Đăkrơsa rất phù hợp làm đối tượng nghiên cứu trong đề tài này

APPLICATION OF FUZZY LOGIC QUALITY IMPROVEMENT CAPACITY CONTROL OF DAKROSA HYDROPOWER

Abstract - Currently, Energy is an important field for the development of a

country in particular around the world in general, energy sources are generated from hydroelectricity, and renewable energy is always a clean and stable source of energy countries with low cost and low environmental impact have always been interested in developing countries all over the world Therefore, it is required to have technical solutions to the above problems in a flexible and effective way Dak Lak hydroelectric power plant with geographical advantages is steep, is an area with great potential for hydroelectricity with large average annual rainfall, dense river system with great slope, narrow valley, water it is fast flowing and is the source of large rivers with hydropower potential Dakrosa hydroelectric power plant is very suitable as the research subject in this topic

DUT.LRCC

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN………… ………

TÓM TẮT ………

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC 3

NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA 3

1.1 Tổng quan về nhà máy thủy điện Đăkrơsa 3

1.1.1 Vị trí địa lý công trình thủy điện Đăkrơsa 3

1.1.2 Thông số cơ bản công trình 4

1.2 Các Hạng mục chính của Công trình 4

1.2.1 Hồ chứa nước thủy điện Đăkrơsa 4

1.2.2 Đập thủy điện Đăkrơsa 4

1.2.3 Nhà máy thủy điện Đăkrơsa 6

1.3 Thiết bị thủy lực chính của nhà máy thủy điện 6

1.3.1 Hệ thống turbine nhà máy thủy điện Đăkrơsa 7

1.3.2 Máy phát nhà máy thủy điện Đăkrơsa 9

1.3.3 Hệ thống điều tốc thủy điện Đăkrơsa 12

Chương 2 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO NHÀ MÁY 16

THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA 16

2.1 Đặt vấn đề 16

2.2 Mô hình toán học các khối chức năng của nhà máy 16

2.2.1 Đường ống chính 16

2.2.4 Lưu lượng đường ống nhánh 25

DUT.LRCC

2.2.5 Turbine 29

2.3 Mô hình toán học tổng nhà máy thủy điện Đăkrơsa 30

Chương 3 - ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA ỨNG DỤNG LOGIC MỜ 31

3.1 Đặt vấn đề 31

3.2 Tổng quan về logic mờ ứng dụng trong điều khiển 32

3.3 Giải pháp đề xuất ứng dụng logic mờ để nâng cao chất lượng điều khiển công suất nhà máy thủy điện Đăkrơsa 38

3.4 Kết luận chương 3 45

Chương 4 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 46

4.1 Mô phỏng hệ thống điều tốc hiện tại của nhà máy 46

4.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống với thuật toán điều khiển đề xuất 52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DUT.LRCC

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3 1 Luật hợp thành bộ điều khiển mờ cho K P 43

Bảng 3 2 Luật hợp thành bộ điều khiển mờ cho K I 44

Bảng 3 3 Luật hợp thành bộ điều khiển mờ cho K D 44

Bảng 4 1 Các thông số dùng trong mô hình Matlab 50

DUT.LRCC

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Nhà máy thủy điện Đăkrơsa nhìn từ thượng lưu 4

Hình 1 2 Mặt cắt công trình Dập thủy điện Đăkrơsa 5

Hình 1 3 Đập dâng nhà máy thủy điện Đăkrơsa 5

Hình 1 4 Kênh dẫn nhà máy thủy điện Đăkrơsa 6

Hình 1 5 Tổng quan hệ thống van cánh hướng, turbine, máy phát 7

Hình 1 6 Tuabine tổ máy Đăkrơsa 7

Hình 1 7 Turbine Francis – Trục Ngang 8

Hình 1 8 Cấu tạo Rotor máy phát điện 3 pha đồng bộ 11

Hình 1 9 Hình ảnh hệ thống điều tốc thủy điện Đăkrơsa 13

Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thủy lực NMTĐ Đăkrơsa 16

Hình 2 2 Sơ đồ khối các thành phần chức năng chính NMTĐ Đăkrơsa 17

Hình 2 3 Đường ống chính 18

Hình 2 4 Mô hình toán cột nước tổng 21

Hình 2 5 Mô hình hóa van servo 22

Hình 2 6 Hệ thống thủy lực các đường ống phụ 22

Hình 2 7 Sơ đồ khối các đường ống phụ 23

Hình 2 8 Mô hình để tính cột nước áp lực H1 25

Hình 2 9 Mô hình tính lưu lượng qua ống dẫn phụ Q 1 29

Hình 2 10 Mô hình tính công suất cơ turbine 29

Hình 2 11 Mô hình toán học tổng NMTĐ Đăkrơsa 30

Hình 3 1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc 31

Hình 3 2 Mô tả các giá trị ngôn ngữ bằng tập mờ [2] 34

Hình 3 3 Quy tắc hợp thành MIN (a), Quy tắc hợp thành PROD (b) 36

Hình 3 4 Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ 36

Hình 3 5 Xác định độ thỏa mản đầu vào [2] 37

Hình 3 6 Giải mờ theo phương pháp trọng tâm 38

Hình 3 7 Cấu trúc bộ điều khiển dùng thuật toán PID+ Puzzy 39

Hình 3 8 Sơ đồ nguyên lý của phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc mà luận văn đề xuất 39

Hình 3 9 Xây dựng hàm liên thuộc cho sai lệch e và de 42

Hình 3 10 Xây dựng hàm liên thuộc cho đáp ứng đầu ra K P và K D 42

Hình 3 11 Xây dựng hàm liên thuộc cho đáp ứng đầu ra K I 43

Hình 3 12 Xây dựng luật hợp thành trên phần mềm Matlab 45

Hình 4 1 Mô hình bộ điều khiển trước cải tiến NMTĐ Đăkrơsa trên Matlab 46

DUT.LRCC

Hình 4 2 Mô hình hóa van servo trên Matlab 46

Hình 4 3 Mô hình hóa cột nước tổng trên Matlab 47

Hình 4 4 Mô hình hóa năng lượng thủy lực trên Matlab 47

Hình 4 5 Mô hình hóa công suất cơ trên Matlab 47

Hình 4 6 Sơ đồ mô phỏng 1 tổ máy phát điện trên Matlab 48

Hình 4 7 Sơ đồ mạch nhất thứ lưới điện nhà máy 48

Hình 4 8 Mô phỏng lưới điện và máy phát của một tổ máy trên Matlab 48

Hình 4 9 Mô phỏng cả hệ thống điện nhà máy thủy điện Đăkrơsa và lưới điện 49

Hình 4 10 Kết quả mô phỏng các tổ máy chưa cải tiến 51

Hình 4 11 Mô phỏng bộ điều khiển tự chỉnh định tham số bộ PID 52

Hình 4 12 Mô phỏng toàn bộ hệ thống trên Matlab-Simullink 52

Hình 4 13 Kết quả đặc tính khi sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp FUZZY 53

Hình 4 14 So sánh kết quả đáp ứng độ mở cánh hướng khi sử dụng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển kết hợp PID + FUZZY 53

Hình 4 15 So sánh kết quả đáp ứng công suất cơ khi sử dụng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển kết hợp PID + FUZZY 54

DUT.LRCC

15 Q , Q1, Q2, Q3 Lưu lượng vào turbine của các tổ máy 1, 2, 3 [m3/s]

16 ̅̅̅ , ̅̅̅ , ̅̅̅ Lưu lượng vào turbine của các tổ máy 1, 2, 3 [pu]

17

̅̅̅̅̅ Lưu lượng không tải [pu]

18 H1, H2, H3 Cột nước làm việc các tổ máy 1, 2, 3 [m]

19 ̅̅̅ , ̅̅̅̅ , ̅̅̅̅ Cột nước làm việc của các tổ máy 1, 2, 3 [pu]

21 ̅̅̅̅ Công suất cơ của turbine [pu]

DUT.LRCC

LỜI NÓI ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay Năng lượng là lĩnh vực quan trọng đối với sự phát triển của một quốc gia nói riêng trên toàn thế giới nói chung, các nguồn năng lượng được tạo ra từ thủy điện, năng lượng tái tạo luôn là nguồn năng lượng sạch, ổn định, chi phí thấp và ít ảnh hưởng đến môi trường luôn được các Quốc gia trên toàn thế giới quan Tâm phát triển Chính vì vậy đòi hỏi phải có những giải pháp kỹ thuật các vấn đề trên một cách linh hoạt và hiệu quả

Nhà máy thủy điện Đăkrơsa với lợi thế địa lý có độ dốc lớn, là khu vực có tiềm năng lớn về thuỷ điện có lượng mưa trung bình hàng năm lớn, hệ thống sông suối dày đặc với độ dốc lớn, thung lũng hẹp, nước chảy xiết và là nơi đầu nguồn của các sông lớn có tiềm năng thủy điện Nhà máy thủy điện Đăkrơsa rất phù hợp làm đối tượng nghiên cứu trong đề tài này

2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài này đề cập đến việc xây dựng mô hình toán học của một nhà máy thủy điện điển hình có chung đường ống áp lực, không có hồ chưa, khả năng điều tiết theo giờ của các khâu thiết bị trong nhà máy thủy điện Đăkrơsa gồm các hạng mục công trình gồm : Đường ống áp lực, Van cầu, máy phát điện, các ống rẽ nhánh Thông qua

đề tài nghiên cứu này, Tôi hiểu rõ hơn phương pháp xây dựng bộ điều khiển cũng như các phần tử chức năng trong nhà máy thủy điện để đáp ứng các điều kiện về sự thay đổi cột áp lớn trong quá trình vận hành, khả năng điều chỉnh công suất thích ứng về những thay đổi các yếu tố đầu vào như lưu lượng, cột áp đến hiệu suất và sự ổn định của thiết bị khi hòa lưới

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống thiết bị, hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Đăkrơsa;

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết;

- Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học các khâu trong hệ thống thiết bị nhà máy thủy điện Đăkrơsa;

- Dựa trên 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 nhằm nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển

DUT.LRCC

- 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 Đăkrơsa;

Chương 2 : Mô hình toán học các khâu trong hệ thống nhà máy thủy điện

Đăkrơsa;

Chương 3 : Đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển nhà máy;

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 của nhà máy thủy điện Tài liệu kỹ thuật của nhà máy

DUT.LRCC

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC

NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA

1.1 Tổng quan về nhà máy thủy điện Đăkrơsa

1.1.1 Vị trí địa lý công trình thủy điện Đăkrơsa

Công trình thủy điện Đăkrơsa nằm trên địa phận xã Ngọc Tụ thuộc huyện Đăk

Tô tỉnh Kon Tum Công trình khai thác nguồn nước suối ĐắkTaKan – nhánh suối nhỏ

bờ trái và đổ vào sông Krông Po Kô, khai thác kiểu đường dẫn

Thành phần công trình bao gồm: Đập dâng, đập tràn, cửa lấy nước, kênh dẫn và nhà máy có công suất lắp đặt 7,5MW cùng với kênh xả và trạm phân phối ngoài trời Công trình thủy điện tận dụng phần chênh lệch mực nước từ cao trình MNDBT 734m đến cao trình MNHL 600m

Nhiệm vụ chính của công trình thủy điện Đăkrơsa: Phát điện bổ sung nguồn điện năng khoảng 33,62 triệu kWh vào hệ thống điện Quốc gia Tọa độ địa lí vào khoảng :

+ Vĩ độ bắc 14042‟28” đến 14042‟49”

+ Kinh độ đông 107049‟16” đến 107049‟27”

Công trình thủy điện ĐăkRơSa nằm trên nhánh suối ĐắkTaKan là phụ lưu nhỏ của nhánh Krông Pô Kô, thượng nguồn sông Sê San, sông bắt nguồn từ đỉnh Ngọc Linh với cao độ khoảng +2598m, suối ĐắkTaKan gần như chảy theo hướng Bắc Nam Khu vực xây dựng công trình thủy điện Đắk Rơ Sa gần thị trấn Đắk Tô, tỉnh Kon Tum

Hệ thống sông suối phân bố tương đối dày trong lưu vực, mật độ sông suối 0,84km/km2 Lưu vực có hình dạng lông chim, dòng chính ĐắkTaKan có độ dốc thoải (0,8%) Trừ một vài km ở thượng nguồn có độ dốc lớn còn độ dốc của suối tại vùng tuyến công trình là 0,25% Dòng chảy hiền hoà, hai bên bờ suối đều có bãi bồi và bậc thềm rộng 200†1200m Đoạn từ tuyến đập đến nhà máy là đoạn thác với độ dốc 2,6% Lợi dụng đoạn thác này để xây dựng nhà máy thuỷ điện Từ nhà máy đến cửa suối độ dốc lòng sông rất thoải hai bên bờ suối có bãi bồi và thềm, sông được mở rộng Hai bờ thung lũng suối là những dải núi nhấp nhô chạy song song với suối Độ dốc của sườn núi bờ phải từ 25†40o, bờ trái 15†25o phủ cây bụi và rừng cây lâm nghiệp Thảm phủ thực vật trên lưu vực chiếm 70%, phần lớn là rừng nguyên sinh và tái sinh Rừng trồng

có ít, chủ yếu là rừng phòng hộ đầu nguồn

DUT.LRCC

Hình 1 1 Nhà máy thủy điện Đăkrơsa nhìn từ thượng lưu

1.1.2 Thông số cơ bản công trình

1.2.1 Hồ chứa nước thủy điện Đăkrơsa

Diện tích ngập trong lòng hồ 27ha bao gồm suối và bãi bồi - được nhân dân trồng lúa và hoa màu Nền lòng hồ là nền đất sét, á sét aluvi, á cát, cát cuội sỏi, chiều dày từ

1 đến 3m Chỗ sâu nhất không quá 10m Dưới là đá Granit - biotit của phức hệ Bà Nà

Đá nứt nẻ yếu, tính thấm nhỏ, rất cứng chắc, cắt qua hồ chứa có một đới phá hủy kiến tạo bậc IV - đới nứt nẻ tăng cao, không làm ánh hưởng đến hồ chứa

1.2.2 Đập thủy điện Đăkrơsa

a Tuyến đập dâng là đập bê tông trọng lực, cao khoảng 15 m, chiều dài đập (tính theo cao trình đỉnh đập 734.0m) khoảng 40m Suối Đăk Tơ kan đoạn xây tuyến đập chảy theo hướng Đông Nam - Tây Bắc, thung lũng suối tương đối rộng khá bằng

DUT.LRCC

phẳng Vai phải đập là sườn phủ có độ dốc 20 - 300, Vai trái đập là là sườn phủ có độ dốc 20 - 250

b Đập thủy điện Đăkrơsa là dạng kiểu đập bằng cách xây dựng đập chắn ngang sông có thể làm cho mức nước ở trước đập dâng cao tạo ra cột nước H0 tạo áp lực theo kênh dẫn nước đưa nước về bể điều áp Nói chung nhà máy thủy điện kiểu đập thường

dễ xây dựng ở những nơi dòng chảy có độ dốc lớn, chảy ngang qua thung lũng của những quả đồi

Do dòng chảy trong đường ống áp lực là kín bảo toàn được cột áp thủy tĩnh nên cột nước của nhà máy thủy điện có thể được tính như từ mức nước khối kênh dẫn hở (Điểm cuối bể áp lực nhà máy) đến mức nước phía sau NMTĐ Dễ thấy, cột nước của NMTĐ kiểu kênh dẫn có thể rất lớn nếu nguồn nước được lấy từ vị trí cao

Hình 1 2 Mặt cắt công trình Dập thủy điện Đăkrơsa

Hình 1 3 Đập dâng nhà máy thủy điện Đăkrơsa

 Nhà máy thủy điện Đăkrơsa thuộc kiểu kênh dẫn

DUT.LRCC

Hình 1 4 Kênh dẫn nhà máy thủy điện Đăkrơsa

1.2.3 Nhà máy thủy điện Đăkrơsa

Nhà máy thuỷ điện Đăkrơsa đƣợc bố trí bên bờ phải sông ĐăkTờkan, ở chân đồi núi cách mép sông khoảng 30m, cao độ mặt đất tự nhiên khu nhà máy từ (624.0 

635.0)m Chọn loại kết cấu BTCT kiểu hở móng đặt trên nền địa chất đặt móng nhà máy trong đới IIA, các thông số chính của thiết bị kiến nghị dùng turbine Francis trục ngang, 03 tổ máy với công suất lắp máy mỗi tổ là 7,5 MW Các thiết bị chính bố trí các thiết bị gồm (turbine, máy phát điện, van cầu, máy biến áp…), hệ thống điều khiển giám sát và các thiết bị khác

1.3 Thiết bị thủy lực chính của nhà máy thủy điện

Thiết bị thuỷ lực chính của nhà máy thuỷ điện gồm có:

Hình 1 5 Tổng quan hệ thống van cánh hướng, turbine, máy phát

1.3.1 Hệ thống turbine nhà máy thủy điện Đăkrơsa

Hình 1 6 Tuabine tổ máy Đăkrơsa

Trong các nhà máy thủy điện,Turbine là một trong những bộ phận chính trong nhà máy thủy điện có chức năng chuyển đổi năng lượng của dòng nước (thủy năng) thành cơ năng làm quay tuabine và máy phát điện, thông qua kết nối trục với máy phát điện để biến năng lượng nước thành điện năng Có thể coi Turbine là trái tim của nhà máy.Turbine nhà máy thủy điện Đăkrơsa thuộc loại Turbine Francis trục ngang

DUT.LRCC

Thành phần cấu tạo hệ thống turbine: Buồng xoắn, cánh hướng, Bánh xe công

tác, côn hút, trục turbine, ổ đỡ turbine, hệ thống điều khiển cánh hướng, đêm kín trục turbine, hệ thống làm kín bánh xe công tác

Hình 1 7 Turbine Francis – Trục Ngang

 Buồng xoắn: Chức năng hướng cánh hướng dẫn dòng Phân bố áp lực dòng chảy lên bánh xe công tác đều nhau để tránh mài mòn cánh của bánh xe công tác Buồng xoắn có kết cấu dạng ống xoắn theo hình xoắn ốc, có đường kính của tiết diện thay đổi nhỏ dần Bồng xoắn được chia ra làm 3 bộ phận cơ bản: Đoạn ống trung gian, thân buồng xoắn, Stay-ring

 Ống hút và côn xả: Là bộ phận đưa nước từ bánh xe công tác xả ra hạ lưu

 Bánh xe công tác

 Chức năng: là bộ phận chuyển năng lượng dòng nước thành cơ năng truyền lên trục Turbine-Máy phát làm quay máy phát điện

Nguyên lý làm việc: BXCT là sử dụng phần thế năng và một phần động năng của

dòng nước Dòng nước khi chảy qua BXCT theo hướng xuyên tâm lượn trong các rãnh giữa hai mặt cong cánh BXCT, làm thay đổi cả độ lớn lẫn hướng (theo hướng dọc trục) của vận tốc nước Do nước phải đổi hướng chảy tạo nên phản lực tác dụng lên cánh BXCT Phản lực này tác động lên tất cả các cánh BXCT tạo nên mômen quay turbine

Trục turbine và ổ hướng turbine

 Trục turbine Nhiệm vụ là truyền động mômen quay từ BXCT đến trục rotor máy phát Trục Turbine mặt trên gắn với trục dưới máy phát bằng bu lông, mặt dưới

DUT.LRCC

được gắn với bánh xe công tác bằng bu lông và có vai trục turbine Trục Turbine được định hướng bằng 10 segment;

 Ổ hướng Turbine: có nhiệm vụ giữ cho trục turbine luôn quay theo một phướng thẳng đứng đồng tâm với trục máy phát Cấu tạo : vai trục turbine (phần quay) gắn trực tiếp với trục turbine, cùng với segment hướng, phần tĩnh gắn trên giá đỡ turbine gồm: thùng dầu, dầu, các đường ống làm mát dầu ổ hướng, các segment hướng, các cảm biến đo lường và bảo vệ ổ hướng turbine

 Hệ thống dầu làm mát : Dầu trong ổ hướng turbine được làm mát bằng các ống nước ngâm trực tiếp trong bồn dầu Hệ thống ống nước làm mát được quấn thành những vòng tròn hở quanh trục turbine theo chu vi thùng dầu, ống nước được quấn thành ba lớp, mỗi lớp gồm sáu vòng quanh trục, các ống được gắn nối tiếp nhau chỉ có một đầu vào và một đầu ra

 Cảm biến đo lường : 8 RTD đo nhiệt độ segment hướng (Hiển thị đo lường)

2 Dial đo nhiệt độ segment hướng (Hiển thị và bảo vệ), 700C (Trip) 1 Dial đo nhiệt độ dầu ổ hướng (Hiển thị và bảo vệ) 600C (Alarm), 65o C (Trip) 1 RTD đo nhiệt độ dầu

ổ hướng (Hiển thị) 2 RTD đo nhiệt độ nước vào và ra hệ thống nước làm mát dầu turbine 3WOD Cảm biến nước lẫn trong dầu 3LS1,2,3 Hiển thị mức dầu trong ổ hướng (Thước đo)

Cánh hướng tĩnh và cánh hướng động

 Cánh hướng tĩnh : Gồm 24 cánh hướng cố định bố trí đều xung quanh ngõ

ra của buồng xoắn trước van cánh hướng động Nhiệm vụ hướng dòng nước theo hướng xuyên tâm với BXCT nhằm tăng hiệu suất

 Cánh hướng động : Gồm 24 cánh hướng được dẫn động qua cánh tay đòn của servomotor Nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng nước chảy vào BXCT từ đó thay đổi công suất Turbine

 Bộ phận phân phối nước cho BXCT : Bộ phận phân phối nước cho bánh xe công tác có nhiệm vụ chính điều chỉnh lưu lượng nước vào Bánh xe công tác theo một hướng dòng chảy nhất định để thay đổi công suất của Turbine Bộ phận này gồm các thành phần sau: Vành dẫn động cánh hướng, vành dưới, cánh hướng động, servomotor

1.3.2 Máy phát nhà máy thủy điện Đăkrơsa

- Nguyên lý làm việc: Máy phát điện làm việc dựa trên nguyên lý của định luật

cảm ứng điện từ, khi tốc độ tổ máy ta cung cấp dòng kích từ cho cuộn dây rotor máy phát Dòng điện này sẽ sản sinh ra từ thông Φ, vì rotor đang quay nên từ thông này

DUT.LRCC

quét qua các thanh dẫn Stator đặt lệnh nhau trong không gian 1200 nên sức điện động cảm ứng phía dây quấn Stator là sức điện động xoay chiều 3 pha có cùng biên độ nhưng lệch nhau 1200 điện

- Thông số kỹ thuật:

+ Công suất biểu kiến : 3.125 MVA + Công suất tác dụng : 2.5 MW + Tần số định mức: 50Hz + Hệ số công suất : 0.8 + Điện áp định mức : 6.3 kV + Dòng điện định mức : 286.4 A + Tốc độ định mức : 1000 vòng/phút + Tốc độ lồng tốc : 1697 vòng/ phút

- Cấu tạo máy phát diện 3 pha đồng bộ: cấu tạo chính của máy phát gồm hai phần:

a Stator

+ Stator gồm một khung, lõi stator và cuộn dây stator…

+ Khung của stator được hàn từ các tấm thép và khung máy, chúng được sử dụng để gắn cố định vào lõi của stator

+ Lõi của stator được làm từ các lá thép silicon có độ dẫn từ cao, tổn thất thấp, các lá thép có độ mỏng 0,5mm Lõi của stator được đặt trên khung, bên trong và khe của lõi thực hiện xử lý hoàn hảo nhằm ngăn chặn sự phóng điện hồ quang

+ Các cuộn dây stator được làm bằng các sợi dây đồng ghép đôi Lớp cách điện trong và lớp cách điện ngoài đều được tạo thành bằng các sợi vải mica epoxy ép nóng

Bề mặt của mỗi cuộn dây được xử lý để bảo vệ tia lửa điện

+ Khi các cuộn dây stator được gắn vào bên trong khe của lõi stator, 6 bộ dò nhiệt độ điện trở dây đồng (RTD, 100 ở 00C) được gắn vào các rãnh của stator để phát hiện các kênh nhiệt độ của các cuộn dây stator và lõi stator

+ Có 6 sợi cáp đầu ra của máy phát, trong đó có 3 sợi cáp đầu ra và 3 sợi cáp trung tính Nếu vị trí của các sợi cáp này không thuận lợi cho việc kết nối trong việc thiết kế và lắp đặt của nhà máy, các sợi cáp đầu ra và các sợi cáp trung tính có thể chuyển đổi vị trí cho nhau

b Rotor: Rô to Máy điện đồng bộ bao gồm lõi thép, cực từ và dây quấn kích từ Dây quấn kích từ được cấp bởi nguồn điện Một chiều để tạo ra từ trường cho Máy

DUT.LRCC

Hình 1 8 Cấu tạo Rotor máy phát điện 3 pha đồng bộ

- Dây quấn: Dây quấn stato làm bằng dây dẫn điện được bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh của lõi thép

- Lõi thép: Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục lõi thép được ép vào trong vỏ Máy

- Ổ trục: Ổ trục bạt lót của máy phát là ổ trục tự bôi trơn Dầu bôi trơn được đưa lên phía trên và đổ vào ống bạc lót phía trên bởi một bánh công tác để bôi trơn và làm lạnh cho toàn bộ bạc lót Vật liệu của bề mặt làm việc của bạc lót là lớp babit mỏng + Bộ phận làm lạnh dầu gồm một số ống đồng và được đặt trong một bể chứa dầu, ở đáy của vị trí ổ trục Áp lực của nước làm mát là 0,25 MPa, nước phải được làm sạch

+ Dầu được rót vào ổ trục từ một lỗ dầu trên nắp ổ trục đến vạch giữa của đồng

hồ đo dầu (khi máy không hoạt động thì mức dầu cao hơn đường trung tâm một ít) Ta

có thể tháo dầu từ ống dầu thông qua van xả đặt ở đáy ổ trục

+ Ổ trục phía bánh đà được cách điện để tạo điều kiện cho việc kiểm tra và đo điện trở cách điện Ống dẫn nước làm mát nối với ổ trục phải có một bộ phận là phi kim loại để đảm bảo cách điện với bề mặt của ổ trục

+ Mỗi một ổ trục được trang bị một nhiệt kế, khi nhiệt độ vượt quá mức cao nhất khi vận hành, chuông của hệ thống điều khiển trong trạm sẽ tự động báo động

c Tấm bệ máy

+ Tấm bệ máy được hàn từ các thanh thép có thể chịu được toàn bộ trọng lượng của stator, gối đỡ và các bộ phận quay của tổ máy

DUT.LRCC

+ Vì stator và 2 gối đỡ được lắp đặt trên bệ máy và được định vị bằng các chốt định vị riêng biệt sau khi đã được cân chỉnh, vì vậy việc lắp đặt và bảo dưỡng máy phát rất tiện lợi

+ Cuộn dây kích từ làm từ thanh đồng hình chữ nhật, cách điện loại F

+ Cuộn hãm (vòng ngắn mạch): là các thanh dẫn được nối các đầu với nhau và được đặt dọc theo các rãnh của cực từ

+ Vành thắng: Được đặt ở cuối, dưới nan hoa, làm từ hợp kim chịu được nhiệt và

ma sát và là nơi tiếp xúc với má thắng

1.3.3 Hệ thống điều tốc thủy điện Đăkrơsa

a Chức năng của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Đăkrơsa

* Các chức năng tự động

- Mở máy, máy dừng, tăng giảm phụ tải, dừng máy khẩn cấp;

- Tự động chuyển đổi giữa các trạng thái làm việc bằng tay/tự động

- Khi vận hành ở trạng thái cơ khí thủy lực bằng tay, hệ thống điều tiết bằng điện

sẽ tự động theo dõi độ mở của bộ tiết lực không cần phải điều chỉnh, có thể chuyển đổi

từ tay động sang tự động để vận hành bất cứ lúc nào

* Chức năng bán tự động

- Mở máy, máy dừng, tăng giảm phụ tải, dừng máy khẩn cấp

* Đặc điểm:

- Sử dụng Bộ điều khiển PLC hãng Siemens sản xuất

- Sử dụng môtơ bước do hãng Parker chế tạo, sản phẩm này được thiết kế

- Hệ thống có chức năng tự chuẩn đoán, chống sai lệch;

- Có chức năng trình tự giám sát chế độ làm việc

- Cơ cấu hạn chế độ mở bằng động cơ, có thể thao tác bằng tay tại chỗ hoặc thao tác bằng điện động từ xa

- Có thể trang bị cổng kết nối thông tin RS485, cổng Lan để thực hiện giám sát điều khiển bằng máy vi tính

- Hệ thống hiển thị: Sử dụng màn hình tinh thể lỏng kiểu cảm ứng ;

- Sử dụng mô tơ bước thay thế hệ thống chuyển đổi bằng điện thủy lực, mô tơ được truyền động trực tiếp qủa đào lệch tâm để điều khiển van điều áp chính nên khiến

DUT.LRCC

cho việc điều khiển của bộ tiếp lực được nhanh và chuẩn xác hơn và tránh được hiện tượng bị tắc nghẽn do dầu bẩn gây nên đối với bộ chuyển đổi bằng điện thủy lực

- Có chức năng khuyếch đại và phản hồi kỹ thuật số vì vậy độ tin cậy trong điều khiển đã được nâng cao thêm một bước

Sơ đồ nguyên lý điều khiển của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện

b Cấu tạo hệ thống điều tốc

- Thiết bị điều khiển: Hệ thống PLC và màn hình giám sát, cài đặt

- Các sensor thu thập thông số tín hiệu đo lường

- Cơ cấu chấp hành:

+ Hệ thống dầu điều tốc + Servo Motor

+ Van cánh hướng

Hình 1 9 Hình ảnh hệ thống điều tốc thủy điện Đăkrơsa

DUT.LRCC

* Các chế độ làm việc của hệ thống điều tốc

Quá trình khởi động : Khi có lệnh khởi động tổ máy đưa đến bộ điều tốc, bộ điều tốc sẽ thực hiện khởi động tổ máy theo chương trình cài đặt sẵn Ban đầu bộ điều tốc

sẽ gửi lệnh đi mở cánh hướng thực tế khoảng từ 8% † 24% độ mở cánh hướng tùy theo cột nước tại thời điểm khởi động, trong giai đoạn này bộ điều tốc làm việc ở chế độ Opening-Control Khi tốc độ tổ máy đạt 90% tốc độ định mức bộ điều chỉnh PID được đưa vào hoạt động (bộ điều tốc chuyển sang chế độ “Speed Control Noload”) chương trình điều tốc sẽ điều khiển tốc độ tổ máy tăng dần và đạt tốc độ định mức Độ mở cánh hướng sẽ thay đổi tùy theo cột nước hiện tại của từng tổ máy

Chế độ điều tần (Frequency Control)

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

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

Chế độ cố định công suất là chế độ mà điều tốc nhận giá trị đầu vào là giá trị SET công suất, giá trị SET này được gửi tới điều tốc, điều tốc sẽ quy đổi giá trị công suất SET này ra một độ mở tương ứng với tín hiệu cột nước hiện tại để đi điều khiển cách hướng mở ở một giá trị tại thời điểm công suất được SET Trong quá trình làm việc nếu cột nước có sự thay đổi khi đó điều tốc sẽ thực hiện nhận tín hiệu phản hồi tốc độ

về và cột nước thực tế để đi điều khiển cánh hướng mở/đóng lại sao cho luôn luôn duy trì được giá trị công suất SET được giữ cố định Trong quá trình làm việc nếu tần số lưới dao động vượt quá giá trị cho phép thì tổ máy sẽ chuyển sang chế độ điều tần Chế độ điều chỉnh độ mở cánh hướng (Opening control)

Chế độ này máy phát chạy với độ ở cánh hướng đặt sẵn nếu tần số lưới thay đổi quá giá trị cho phép thì chuyển sang chế độ điều tần

* Thông số và đặc tính của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Đăkrơsa

Đối với hệ thống điện Việt Nam hiện nay thì quy định về tần số của hệ thống là

50 ± 0,2 Hz Tần số phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor máy phát

Bảng thông số kỹ thuật hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Đăkrơsa

DUT.LRCC

Chương 2 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO NHÀ MÁY

THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA 2.1 Đặt vấn đề

Nhà máy thủy điện Đăkrơsa có kết cấu hệ thống gồm có hồ chứa (kênh dẫn nước), ống dẫn nước, van hướng động và turbine Francis Hình bên dưới mô tả toàn bộ

hệ thống thủy lực của nhà máy, cũng như các biến phần tử thủy lực có trong hệ thống

Dựa trên các thông số của công trình cần nghiên cứu phân tích và xây dựng toàn

bộ mô hình trạng thái của nhà máy theo các biến trạng thái liên quan đến quá trình vận hành của nhà máy

2.2 Mô hình toán học các khối chức năng của nhà máy

2.2.1 Đường ống chính

Từ sơ đồ nguyên lý ở Hình 2-1, chúng ta chuyển thành sơ đồ khối chức năng như sau để từng bước xây dựng mô hình toán học của từng thành phần của hệ thống, và làm cơ sở để đi đến xây dựng mô hình toán học của cả hệ thống

Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thủy lực NMTĐ Đăkrơsa

DUT.LRCC

Hình 2 2 Sơ đồ khối các thành phần chức năng chính NMTĐ Đăkrơsa

Đường ống chính

Van3 (servo)

Máy phát

MÁY BIẾN ÁP

LƯỚI

Q2DUT.LRCC

( ) (2.5) Vậy nên vận tốc dòng nước chảy được tính theo công thức:

Trong quá trình dịch chuyển của dòng nước sẽ xảy ra các tổn thất của cột nước

do ma sát do đó vận tốc được viết lại như sau:

Để tính toán Xét lưu lượng nước vào ra trên một tiết diện cắt ngang của đường ống

V hồ chứa = Lưu lượng đầu vào – Lưu lượng đầu ra Ta có:

Giả định cột nước đầu vào là không đổi nó chỉ tổn hao cột nước do ma sát trong quá trình di chuyển trong đường ống Do đó trên cột nước tính toán ở đường ống chính là:

Mô hình toán của cột nước áp lực tổng:

Hình 2 4 Mô hình toán cột nước tổng

2.2.2 Van Servo

Trong đó :

Qin là lưu lượng vào van servo

Qout là lưu lượng ra khỏi van servo

u là tín hiệu mong muốn đặt vào van servo Gọi G là đáp ứng đầu ra ứng với tín hiệu mong muốn đặt vào là u

Với mỗi tín hiệu đặt vào đầu thì tín hiệu đầu ra khi vào trạng thái xác lập phải đúng bằng tín hiệu đặt để đảm bảo tính đúng đắn cho các khâu khác Tuy nhiên quá trình thay đổi độ mở van servo cần có một thời gian trễ để đạt được trang thái xác lập Quá trình này được biểu diễn bằng hàm truyền tương ứng sau:

DUT.LRCC

Van servo được điều khiển độ mở để đưa lượng nước vào buồng turbine ở đây nước đẩy bánh xe công tác làm turbine quay Vị trí cánh hướng điều khiển phụ thuộc vào tín hiệu điều tốc

Van servo thực chất là một khâu tỉ lệ phụ thuộc vào độ mở của van:

Trong đó: u là độ mở mong muốn đặt vào van servo

G là độ mở thực tế của van

Ts là thời gian trễ

Mô hình của van servo được xây dựng:

Hình 2 5 Mô hình hóa van servo

2.2.3 Các đường ống phụ

Hình 2 6 Hệ thống thủy lực các đường ống phụ

Sơ đồ khối của hệ thống các đường ống phụ:

DUT.LRCC

Hình 2 7 Sơ đồ khối các đường ống phụ

Gọi: G1, G2, G3 lần lượt là độ mở của các van 1, 2, 3

Q1, Q2, Q3 lần lượt là lưu lượng đi ra đường ống 1, 2, 3

H1, H2, H3 lần lượt là cột nước làm việc của các đường ống phụ Các van servo đóng mở có quan hệ với lưu lượng như một khâu tỉ lệ Do đó:

⁄]

⁄]

̅̅̅ , ̅̅̅ , ̅̅̅ lưu lượng vào turbine của các tổ máy 1, 2, 3 [pu]

̅̅̅ , ̅̅̅ , ̅̅̅ độ mở van hướng 1, 2, 3 [pu]

Mô hình toán cột nước áp lực H1 (tương tự cho H2 , H3):

Hình 2 8 Mô hình để tính cột nước áp lực H1

2.2.4 Lưu lượng đường ống nhánh

Theo định luật II Newton:

Thay (2.37), (2.38) vào biểu thức (2.39) được:

, , lần lượt là tiết diện, chiều dài, lưu lượng đường ống chính

, , lần lượt là tiết diện, chiều dài, lưu lượng đường ống 1

, , lần lượt là tiết diện, chiều dài, lưu lượng đường ống 2

, , lần lượt là tiết diện, chiều dài, lưu lượng đường ống 3

Lấy biểu thức (2.46)+(2.47) vế theo vế ta được:

DUT.LRCC

( ) [

( ) ( )]

[ ( )]

[ ( )]

(2.50) Đặt:

[ ( )]

(2.54)

[ ( )]

(2.57) Đặt

∫ ( ) (2.60) Chuyển sang miền Laplace ta được

Trong đó : D1 , Ac1 là đường kính và tiết diện của đường ống 1

Mô hình toán để tính lưu lượng qua ống dẫn phụ ( tương tự , ):

DUT.LRCC

Hình 2 9 Mô hình tính lưu lượng qua ống dẫn phụ Q 1

Trong đó : là hiệu suất

là lưu lượng không tải

là công suất cơ của turbine[pu]

Do có sự sai lệch giữa giá trị mô hình và giá trị trên thực tế nên cần có một hệ số khuếch đại At để đảm bảo mô hình cho kết quả đúng với thực tế Mô hình toán công suất cơ của Turbine:

Hình 2 10 Mô hình tính công suất cơ turbine

DUT.LRCC