Nghiên cứu, nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc ổn định tần số máy phát thủy điện Bình Điền

1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG

HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT

THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN

Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số : 605260

Ngƣời thực hiện : NGUYỄN TÂM PHƢƠNG

Cán bộ HD khoa học : PGS.TS. VÕ QUANG LẠP

THÁI NGUYÊN-NĂM 2010

2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

*****

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

--------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG

HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT

THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN

Học viên : Nguyễn Tâm Phƣơng

Lớp : Cao học K11-TĐH

Cán bộ HDKH : PGS.TS. Võ Quang Lạp

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Võ Quang Lạp

HỌC VIÊN

Nguyễn Tâm Phƣơng

BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC

3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là , Nguyễn Tâm Phƣơng học viên lớp cao học Tự Động Hoá niên khoá

2008-2010 sau hai năm học tập và nghiên cứu, đƣợc sự giúp đỡ của các thầy cô giáo

và đặc biệt là thầy PGS.TS Võ Quang Lạp, thầy giáo hƣớng dẫn tốt nghiệp của tôi,

tôi đã đi đến cuối chặng đƣờng để kết thúc khoá học thạc sĩ.

Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: "Nghiên cứu nâng cao chất

lượng hệ thống điều tốc ổn định tần số máy phát thủy điện Bình Điền".

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự

hƣớng dẫn của PGS.TS Võ Quang Lạp và chỉ tham khảo các tài liệu đã đƣợc liệt

kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dƣới bất kỳ hình thức nào. Nếu

có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Ngƣời cam đoan

Nguyễn Tâm Phƣơng

4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU

CHƢƠNG I

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU TỐC MÁY

PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ

1

I.1 Tổng quan về điều tốc 1

I.1.1 Tần số trong chất lƣợng điện 2

I.1.2 Điều tốc trong ổn định tần số 7

I.1.3 Phân loại các loại điều tốc 8

I.1.3.1 Trên cơ sở truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cơ

cấu điều chỉnh có thể phân loại

8

I.1.3.2 Trên cơ sở hoạt động của bộ điều chỉnh có thể phân loại 9

I.1.3.3 Dựa trên cơ sở tín hiệu công tác của phần tử điều chỉnh 9

I.1.3.4 Trên cơ sở nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh vòng quay có

thể phân loại

9

I.1.3.5 Dựa trên cơ sở sử dụng các loại phản hồi khác nhau có thể

phân loại

9

I.1.4 Các thông số của bộ điều tốc 10

I.1.5 Giới thiệu một số bộ điều tốc 12

I.1.5.1 Điều tốc cơ khí 12

I.1.5.2 Điều tốc điện 14

I.2 Hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Bình Điền 15

5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

I.2.1 Phần điều khiển 15

I.2.2 Phần động lực 22

I.2.2.1 Hệ thống dầu áp lực 22

I.2.2.2 Cấu trúc phần thủy lực 24

I.2.2.3 Cấu tạo của các loại van 25

CHƢƠNG II

PHÂN TÍCH CÁC PHƢƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỀU

TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN

31

II.1 Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thủy điện 31

II.2 Hệ điều khiển vector biến tần độ ng cơ không đồng bộ ba pha 32

II.2.1 Mô tả độ ng cơ không đồng bộ ba pha dƣới dạng các đại lƣợ ng vec

tơ không gian

32

II.2.2 Quy đổi các đại lƣợ ng điện củ a độ ng cơ không đồng bộ tƣ̀ hệ véc

tơ (a,b,c) về hệ tọ a độ cố định trên Stato (,)

34

II.2.3 Quy đổi các đại lƣợ ng điện củ a độ ng cơ không đồng bộ ba pha tƣ̀

hệ tọ a độ cố định trên Rotor (x,y) về hệ tọ a độ cố định trên Stator (,)

37

II.2.4 Quy đổi các đại lƣợ ng điện củ a độ ng cơ không đồng bộ ba pha tƣ̀

hệ tọa độ cố định trên Stator (,) về hệ tọ a độ cố định trên Rotor (d,q).

39

II.2.5 Xây dƣ̣ ng mô hình toán họ c cho độ ng cơ không đồng bộ 43

II.2.6 Cơ sở để định hƣớng tƣ̀ thông trong hệ tọ a độ tƣ̣ a theo tƣ̀ thông

Rotor (d,q)

45

II.3 Hệ thống Thyristor – độ ng cơ 48

II.3.1 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định và đƣờng đặc tính tĩnh 50

II.3.2 Chất lƣợ ng độ ng củ a hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín 52

II.3.3 Hạn chế quá điều khiển tốc độ quay bằng 56

II.3.4 Hệ thống điều chỉnh tốc độ nhiều mạch vòng kín có mạch vòng

trong cài đặt suất biến đổi dòng điện

61

CHƢƠNG III 66

6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH

TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN

III.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển 67

III.1.1 Hàm truyền của động cơ điện 67

III.1.2 Bộ chỉnh lƣu bán dẫn THYRISTOR 72

III.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc 74

III.1.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện 74

III.1.5 Tổng hợp hệ điều khiển RI

, R, R 75

III.2 Mô phỏng hệ truyền động bộ điều tốc khi sử dụng bộ điều khiển PID 82

III.2.1 Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ điện

một chiều kích từ độc lập 82

III.2.2 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bộ điều tốc sử dụng bộ

điều khiển PID 85

CHƢƠNG IV

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN

90

IV.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí 90

IV.2 Các bộ điều khiển mờ 92

IV.2.1 Phƣơng pháp tổng hợp kinh điển 92

IV.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh 93

IV.2.3 Bộ điều khiển mờ động 93

IV.3 Bộ điều khiển mờ lai PID 97

IV.3.1 Giới thiệu chung 97

IV.3.2. Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID. 99

IV.3.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí dùng bộ điều khiển mờ lai PD 101

IV.3.4 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ lai song song PD 109

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113

7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤ C CÁ C HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình vẽ Tên hình vẽ Trang

Hình I.1 Sơ đồ khối của một máy phát nối lƣới độc lập 2

Hình I.2 Đặc tính tần số của lƣới và máy phát 3

Hình I.3 Sơ đồ khối của bộ điều tốc 3

Hình I.4

Sơ đồ bộ điều tốc có phản hồi công suất hay phản hồi vị trí

cánh hƣớng

5

Hình I.5 Đƣờng đặc tính điều chỉnh tần số Turbine - máy phát 6

Hình I.6 Hệ thống điều khiển có máy điều tốc 13

Hình I.7 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí 14

Hình I.8 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Bình Điền 16

Hình I.9 Sơ đồ khối trình tự khởi động bộ điều tốc 17

Hình I.10 Sơ đồ trình tự khởi động không tải bộ điều tốc 19

Hình I.11 Sơ đồ thuật toán của bộ điều tốc Bình Điền 20

Hình I.12 Sơ đồ nguyên lý đo lƣờng tần số 22

Hình I.13 Sơ đồ nguyên lý nguồn dầu thủy lực bộ điều tốc 23

Hình I.14 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển thủy lực 24

Hình I.15 Sơ đồ Secvo điều chỉnh cánh hƣớng 25

Hình I.16 Sơ đồ cấu tạo của van điện từ khiểu bypass 25

Hình II.1 Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thủy điện 31

Hình II.2 Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ 32

Hình II.3

Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên

stator (,)

35

Hình II.4

Hệ tọa độ cố định trên stator (,) và hệ toạ độ cố định trên

rotor(x,y)

36

Hình II.5

Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố định

stator (,) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y) 37

8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình II.6

Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định

stator (,) và hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q).

39

Hình II.7 Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ 44

Hình II.8 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ 45

Hình II.9

Định hƣớng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor

(d,q)

45

Hình II.10

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng

thiết bị biến tần 48

Hình II.11

Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor – động

cơ.

49

Hình II.12

Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ

hai mạch vòng kín.

50

Hình II.13

Đƣờng đặc tĩnh tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch

vòng kín.

51

Hình II.14

Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc

độ shai mạch vòng kín.

53

Hình II.15

Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của quá trình khởi động hệ

thống điều chỉnh tốc độ

a) Quá trình khởi động tăng tốc lý tƣởng.

b) Hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín

53

Hình II.16 Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân 58

Hình II.17

Ảnh hƣởng của phản hồi âm vi phân tốc độ quay đối với quá

trình khởi động.

1 – Hệ thống hai mạch vòng kín thông dụng

2 – Hệ thống cài đặt phản hồi âm vi phân

59

Hình II.18

Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng tốc độ quay có

cài đặt phản hồi âm vi phân tốc độ quay:

a. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ban đầu

b. Sơ đồ cấu trúc sau khi đơn giản hoá

59

9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình II.19

Hệ thống điều khiển tốc độ ba mạch vòng có mạch vòng có

cài đặt suất biến đổi dòng điện.

ADR – bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện.

CD – khâu vi phân dòng điện

63

Hình II.20 Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện 63

Hình II.21

Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng suất biến đổi

dòng điện

64

Hình III.1 Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ 66

Hình III.2 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều. 67

Hình III.3 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều 69

Hình III.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải 69

Hình III.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá 70

Hình III.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi. 71

Hình III.7

Sơ đồ cấu trúc thu gọn:

a. Theo tốc độ, b. Theo dòng điện 71

Hình III.8

Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ

chỉnh lƣu

72

Hình III.9

Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lƣu bán dẫn thyristor

a. khi chuẩn xác, b. khi gần đúng. 74

Hình III.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 75

Hình III.11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 76

Hình III.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 77

Hình III.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 79

Hình III.14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 81

Hình III.15 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 85

Hình III.16

Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau

của vị trí đặt đầu vào đặt = 10 V, I = 0 A

87

Hình III.17 Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau 89

10

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

của vị trí đặt đầu vào đặt = 10 V, I = 4,3 A

Hình IV.1 Quan hệ giƣ̃a



và



91

Hình IV.2 Hệ điều khiển mờ theo luật I 94

Hình IV.3 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 94

Hình IV.4 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 95

Hình IV.5 Hệ điều khiển mờ PID 96

Hình IV.6 Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển 98

Hình IV.7 Mô hình bộ điều khiển mờ bù 98

Hình IV.8

Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều

khiển PID 100

Hình IV.9 Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ 101

Hình IV.10 Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ lai PD 103

Hình IV.11

Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ lai

PD

104

Hình IV.12

Định nghĩa các tập mờ cho biến DET của bộ điều khiển mờ

lai PD

104

Hình IV.13

Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ lai

PD

105

Hình IV.14 Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ lai PD 105

Hình IV.15

Bề mặt đặc trƣng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ

lai PD

106

Hình IV.16 Quan hệ tín hiệu vào ra của bộ mờ lai PD 107

Hình IV.17

Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lƣợng bộ điều khiển PID và bộ

điều khiển mờ lai PD

108

Hình IV.18

Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau

của vị trí đặt đầu vào đặt = 10 V, I = 0 A

110

Hình IV.19

Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau

của vị trí đặt đầu vào đặt = 10 V, I = 4.3 A

112

11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỞ ĐẦ U

Hiện nay, tần số trong hệ thống điện là một trong những chỉ tiêu để đánh giá

chất lƣợng điện năng. Do vậy để giữ tần số ổn định khi phụ tải thay đổi ở các nhà

máy thủy điện ngƣời ta phải sử dụng thiết bị để điều chỉnh đó là hệ thống điều tốc.

Ngày nay khi công nghệ tự động hóa trong việc điều chỉnh tần số hệ thống

điện càng phát triển việc nghiên cứu, nâng cao chất lƣợng hệ thống điều tốc ổn định

tần số là hết sức cấp thiết. Ngoài việc thành công trong nghiên cứu còn mang tính

ứng dụng thực tiễn cho Nhà máy thủy điện Bình Điền, góp phần vào ổn định tần số

của hệ thống điện khi phụ tải dao động.

Việc “Nghiên cứu, nâng cao chất lƣợng hệ thống điều tốc ổn định tần số

máy phát Thủy điện Bình Điền” còn có mộ t ý nghĩa rất lớn trong ngành tƣ̣ độ ng

hóa. Đó chính là nộ i dung đề tài luận văn tốt nghiệp cao họ c củ a tôi.

Nội dung của luận văn đƣợc chia thành 4 chƣơng sau:

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU

TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ.

CHƢƠNG II: PHÂN TÍCH CÁC PHƢƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ

THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN.

CHƢƠNG III: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN

ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN.

CHƢƠNG VI: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT

LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Võ Quang Lạp đã

hƣớng dẫn tận tình , chỉ bảo cặn kẽ để tôi hoàn thành luận văn này . Xin gƣ̉ i lời

cảm ơn chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trƣờng Đại học Kỹ thuật

Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn

thành luận văn.

12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban

Giám Hiệu Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận

lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 9 năm 2010

Tác giả luận văn

Nguyễn Tâm Phương