Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều tốc Turbine thủy điện nhỏ ở các tỉnh miền núi phía Bắc Việt Nam

Chia sẻ: Thi Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

91
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo này phân tích và trình bày hệ thống điều chỉnh tốc độ turbine thuỷ điện nhỏ theo quan điểm tối ưu hóa. Thiết lập quá trình điều khiển chuyển động phi tuyến với bộ điều tốc thực hiện theo hệ điều khiển mờ theo luật PID. Bộ điều khiển cho hệ thống điều tốc và máy phát đã đạt được kết quả tốt với việc thử nghiệm trên mô hình.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều tốc Turbine thủy điện nhỏ ở các tỉnh miền núi phía Bắc Việt Nam

Lưu Tùng Giang và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 59 - 65 NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC TURBINE THỦY ĐIỆN NHỎ Ở CÁC TỈNH MIỀN NÚI PHÍA BẮC VIỆT NAM Lưu Tùng Giang1, Nguyễn Hiền Trung2* 1 2 Sở Công thương tỉnh Hà Giang, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Bài báo này phân tích và trình bày hệ thống điều chỉnh tốc độ turbine thuỷ điện nhỏ theo quan điểm tối ưu hóa. Thiết lập quá trình điều khiển chuyển động phi tuyến với bộ điều tốc thực hiện theo hệ điều khiển mờ theo luật PID. Bộ điều khiển cho hệ thống điều tốc và máy phát đã đạt được kết quả tốt với việc thử nghiệm trên mô hình. Kết quả mô phỏng cho thấy tần số ổn định tốt nhất ở chế độ hoà lưới, còn ở chế độ vận hành với các loại phụ tải độc lập khác nhau cũng hoàn toàn thoả mãn so với chỉ tiêu chất lượng đặt ra: góc tải và mô men điện từ cũng thay đổi nhằm duy trì nguồn năng lượng cấp cho tải theo công suất đặt; đáp ứng tần số đảm bảo độ sai lệch nhỏ hơn với sai lệch tần số cho phép. Từ khóa: Hệ thống điều tốc, lưu lượng nước, tối ưu hóa, chất lượng điện năng MỞ ĐẦU* Với đặc điểm địa lý của miền núi phía Bắc Việt Nam có nhiều đồi núi và sông hồ, lại có mưa nhiều nên hàng năm mạng lưới sông suối vận chuyển ra biển hơn 870 tỷ m3 nước, rất thuận lợi cho việc phát triển các nhà máy thủy điện. Hà Giang là một tỉnh nằm ở địa đầu phía Bắc tổ quốc. Do đặc điểm địa hình chia cắt mạnh tạo nên lợi thế về tiềm năng thuỷ điện với qui mô 750MW/68 dự án [1]. Hình 1 là sơ đồ nghiên cứu của nhà máy thủy điện Thanh Thuỷ 2, xã Thanh Thuỷ, huyện Vị Xuyên, tỉnh Hà Giang, được sử dụng trong bài báo này. Kết cấu nhà máy gồm: Hình 1. Sơ đồ nghiên cứu Đập tràn tự do Ôphixerop có cửa nhận nước kiểu chiaron; Ống áp lực bằng thép D1400 dày 14-20mm; Turbine Francis trục ngang HLD45-WJ-82; Máy phát đồng bộ có công suất 8MW (bảng 3); Hệ thống điều chỉnh kích từ; Hệ thống đường dây truyền tải và các thiết bị trợ động khác; Hệ thống bảo vệ, an toàn... * Tel: 0912386547; Email: nguyenhientrung@tnut.edu.vn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Thông thường, mỗi nhà máy thuỷ điện đều được trang bị hệ thống tự động ổn định tốc độ và tự động điều chỉnh điện áp - AVR nhằm đảm bảo chất lượng điện năng [2]-[4]. Hệ thống điều tốc có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng nước đưa vào turbine. Cần nghiên cứu sao cho hệ thống luôn ổn định tốc độ tức là ổn định tần số lưới điện ở tần số công nghiệp 50Hz với sai số cho phép ±0,2Hz [5], đảm bảo duy trì công suất cơ khi vận hành hoà vào lưới điện theo điều độ hệ thống điện (A0). XÂY DỰNG MÔ HÌNH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC 1. Mô hình hệ thống Cơ sở nghiên cứu về điều chỉnh tốc độ tự động đối với thuỷ điện nhỏ được minh hoạ trong trường hợp tổ máy phát cấp riêng cho phụ tải cục bộ như hình 2. Khi phụ tải thay đổi làm cho Pe thay đổi, gây nên mất cân bằng giữa Pe và Pm, đây là nguyên nhân làm cho tốc độ tăng hay giảm. Từ hình 2 khi máy phát nối cứng trục với turbine và phụ tải được mô tả bằng phương trình chuyển động: dr 2H  Tm  Te dt (1) Hình 2. Mô hình turbine - máy phát cấp điện 59 http://www.lrc-tnu.edu.vn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Với trạng thái tĩnh (xác lập) Tm0 = Te0, từ (1) và (2) ta có: Pm  Pe  0 (Tm  Te ) (3) d r  2 H 0  Pm  Pe dt d r 1   (Pm  Pe ); M  2 H 0 dt M (4) Công suất Pe điện từ được phát tới phụ tải hỗn hợp. Có những loại tải không phụ thuộc nhiều vào tần số (tải chiếu sáng và tải nhiệt). Nhưng cũng có loại tải phụ thuộc nhiều vào tần số (tải động cơ), ta có: Pe  PL  Dr (5) trong đó: PL là sự thay đổi công suất tải; D là hệ số damping. Thay (5) vào (4) sẽ được d r (6) 2 H 0  Dr  Pm  PL dt Phương trình chuyển động (6) được minh họa trong hình 3. -  1 Ms  D r + PL Turbine  1 1  sTGV PL D Pe a) 1/ R P b) t Hình 3. Hàm truyền công suất (tốc độ) khi tải phụ thuộc tần số Sai lệch tốc độ ở trạng thái xác lâp Δωr khi tải thay đổi phụ thuộc vào độ nhạy tần số tải. Còn đối với một biến đổi của phụ tải điện (ΔPL), sai lệch tốc độ cuối cùng là Δωr = ΔPL/D (hình 3). Bộ điều tốc đơn giản nhất có thể là một khâu tích phân của biến thiên tốc độ, được thiết kế như hình 4. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1  sTR R 1  s T TR RP 1  sTW 1  sTW / 2  - 1 2H0  D ΔPL Pm + 2. Đáp ứng thời gian của bộ điều chỉnh tốc độ Bộ điều chỉnh tốc độ được thiết lập để điều chỉnh sự thay đổi vị trí của các cổng cánh hướng dẫn đến thay đổi áp suất turbine với thời gian ngắn như mong muốn. Hệ phản hồi tần số ổn định với yêu cầu thời gian khởi động trong khi làm việc của hệ thống thể hiện ở hình 5, trong đó: TW - hằng số thời gian khởi động (1s) RP - độ giảm tốc độ trạng thái tĩnh (0,05) TGV - hằng số thời gian của servomotor cổng chính (0,2s) TR - thời gian thiết lập lại (5s) RT - độ giảm tốc độ tạm thời (0,4) D - hệ số damping (= 2) Tải đặt r Hình 4. Mô hình bộ điều tốc: (a) sơ đồ mạch và (b) đáp ứng khi tăng tải Δωr cho phụ tải trong đó: Tm - mô men turbine (p.u); Te - mô men điện (p.u); H - hằng số quán tính (s). Ta có thể sử dụng công suất thay cho mô men trong phương trình chuyển động. Với những sai lệch nhỏ: P  r M  P0  P Tm  Tm 0  Tm ;Te  Te 0  Te r  0  r (2) 83(07): 59 - 65 ΔPm Lưu Tùng Giang và đtg Hình 5. Mô hình điều khiển độ mở cánh hướng turbine Trong hình 5 là mô hình hoàn chỉnh được ứng dụng trong thực tế điều khiển tốc độ, nâng cao được phản hồi độ lệch tốc độ (góc công suất) cho các nhiễu tải khác nhau (ΔPL ). 3. Thiết lập sơ đồ khối điều khiển Sơ đồ bộ điều tốc điện - thuỷ lực cung cấp với luật điều khiển PID được thể hiện trong hình 6. Độ sai lệch tốc độ được xử lý thông qua hệ thống PID thành một tín hiệu lệnh để các van thủy lực và cơ cấu trợ động (servo) điều chỉnh 60 http://www.lrc-tnu.edu.vn Lưu Tùng Giang và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ sự thay đổi trong van tiết lưu hoặc vị trí cửa van của cơ cấu truyền động. Các hằng số thời gian của các thiết bị truyền động thủy lực được thành lập bởi các đặc điểm công nghệ của hệ thống van và servo. - r - 1 1  sTPV FLC Đóng Rmax  - KV 1/s Van mở Min RP 1 1  sTGV Cơ cấu thừa hành thuỷ lực G/G0   Van mở Max Mở van + ref Mở Rmax RT sTR 1  sTR Hình 6. Sơ đồ khối bộ điều tốc turbine thuỷ lực trong đó: TPV - thời gian servomotor định hướng (0,05s) KV - khuếch đại phụ động (=5) Rmax mở - tốc độ mở cửa van tối đa ≈ 0,15pu/s Rmax đóng - tốc độ đóng cửa van tối đa ≈ 0,15pu/s Khi vận hành hệ thống thì đặc tính vận hành thường xuyên thay đổi, nhờ các thiết bị điều khiển có độ bù chuyển tiếp giúp vận hành ổn định. Còn khi lựa chọn tối ưu thì độ giảm tốc độ tạm thời RT và thời gian thiết lập lại TR có quan hệ với hằng số thời gian khởi động TW và hằng số thời gian cơ của turbine - máy phát TM=2H như sau [6]: T RT   2,3  (TW  1, 0)0,15 W TM (7) TR  5,0  (TW  1,0)0,5TW (8) 4. Bộ điều khiển mờ theo luật PID Hệ thống điều khiển theo hình 6 được kiểm soát bằng một tiêu chí là tối ưu hóa với hệ điều khiển logic mờ [7] theo thuật toán chỉnh định PID, có 3 đầu vào gồm sai lệch e giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu ra, đạo hàm bậc nhất của e và đạo hàm bậc hai của e. Đầu ra của hệ mờ là đạo hàm du/dt của tín hiệu điều khiển u(t) như hình 7. x  - d e’ dt e Luật hợp thành I Đối tượng Sử dụng phương pháp chỉnh định bộ điều khiển theo giải thuật Ziegler-Nichols (Z-N). Trong phương pháp này, việc tách rời thời gian Ti sẽ được thiết lập đến vô cùng và thời gian phát sinh Td tới không. Điều đó là để có được PID ban đầu của hệ thống. Thiết lập PID này, sau đó sẽ tiếp tục được tối ưu hóa bằng cách sử dụng "Phương pháp suy giảm độ dốc". 5. Tham số PID Hệ thống theo khảo sát là dao động và do đó điều chỉnh theo quy tắc Z-N dựa trên hệ số khuếch đại tới hạn Kth và chu kỳ tới hạn Pth : Gc ( s )  K p (1  Ti ( s )  Td ( s )) (9) Từ N-Z phương pháp điều chỉnh tần số theo quy tắc điều chỉnh với thông số của Kp, Ti và Td như bảng 1 với: Kth là hệ số khuếch đại khi hệ ở trạng thái dao động tới hạn; Tck là chu kỳ dao động. Bảng 1 Luật điều khiển P PI PID Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Kp Ti Td 0,5.Kth 0,4.Kth 0,6.Kth ∞ 0,8.Tck 0,5.Tck 0 0 0,125.Tck Xét phương trình đặc trưng của mạch vòng khép kín: s3  6s 2  5s  K P  0 (10) Từ tiêu chuẩn ổn định Routh, giá trị của Kp làm cho hệ thống ổn định có thể được xác định theo bảng 2. Bảng 2 s3 s2 s1 s0 1 6 (30-Kp)/6 Kp 5 Kp 0 - Thiết lập các tham số điều khiển PID ta thu được hàm truyền khép kín của các PID điều khiển với tất cả các thông số xác định được là: y Hình 7. Hệ điều khiển mờ theo luật PID 83(07): 59 - 65 Gc ( s )  6,3223( s  1, 4235) 2 s (11) Từ hàm truyền đạt trên, ta có thể thấy rằng bộ điều khiển PID đã đạt cực trị tại gốc s=- 61 http://www.lrc-tnu.edu.vn Lưu Tùng Giang và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 1,4235. Sơ đồ khối kiểm soát hệ thống với điều khiển PID như hình 8. (s) + 6,3223s 2  17,999s  12,8089  f(s) s 4  6s3  5s 2 - 83(07): 59 - 65 Quá trình thử tải theo 4 cấp độ khác nhau (bảng 5 phụ lục) từ mức 0,71MVA đến 7,57 MVA có tổng thời gian chạy 60s, công suất tham chiếu 0,305pu tương đương 1,73MVA. Đáp ứng của hệ thống như sau: 1.6 Hình 8. Sơ đồ điều khiển 1.4 1.2 Vòng lặp khép kín hệ thống là: 1 0.8 Gc (s) 6,3223s 2  17,999s  12,8089  4 R(s) s  6s3  11,3223s 2  18s  12,8089 (12) 0.6 0.4 0 10 20 30 40 50 60 Hình 11. Đáp ứng tốc độ (pu) Đáp ứng của hệ thống này có thể thu được bằng mô phỏng MATLAB [8]. 40 30 Step Response 1.8 20 1.6 10 1.4 0 1.2 Amplitude -10 1 -20 0 10 20 30 0.8 40 0.6 50 60 1 0.4 0.8 0 0 5 Time (sec) 10 15 0.2 Hình 9. Đáp ứng hệ thống thiết kế 0.6 0.4 0.2 0 Để nâng cao chất lượng hơn nữa, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng bộ điều khiển PID số q0  q1 z  q2 z 1  z 1 10 20 30 40 50 60 < Cong suat phan khang Qeo (pu)> 0.2 2 0.15 (13) Gc ( z )  1 0 Hình 12. Đáp ứng góc tải và mô men điện từ (pu) 0.1 0.05 0 -0.05 0 10 20 30 40 50 60 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 10 20 30 40 50 60 Hình 10. Tối ưu hoá đáp ứng hệ thống Sau khi thực hiện mô phỏng với việc sử dụng bộ PID số làm chất lượng điều khiển tốt hơn, thời gian đáp ứng ở 2,43s. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRONG MATLAB 1. Khi nhà máy vận hành độc lập Mô hình mô phỏng nhà máy xây dựng từ thư viện SimPower của Matlab Simulink với các thông số đã được điều chỉnh lại theo số liệu dùng trong bài báo này (bảng 3, 4 phụ lục). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 13. Đáp ứng công suất Q và P (pu) Nhận xét: Tăng phụ tải 0,71MVA ở thời điểm 5s, hệ thống điều tốc điều chỉnh tần số tăng đến 60Hz. Ở thời điểm 20s, nếu tiếp tục tăng đến 7,57MVA, tần số giảm xuống còn 25Hz. Khi duy trì tải ở mức 1,73 MVA tương ứng công suất đặt 0,305pu thì hệ thống điều tốc điều chỉnh về trạng thái duy trì ổn định ở tần số 49,99 Hz. 2. Khi nhà máy hoà với lưới điện vô cùng lớn 62 http://www.lrc-tnu.edu.vn Lưu Tùng Giang và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 10 1.1 < Toc do may phat (pu)> 1.08 8 1.06 6 1.04 4 1.02 83(07): 59 - 65 1 2 0 0.98 -2 0.96 -4 0.94 -6 0.92 0 0.9 0 2 4 6 8 10 12 Hình 14. Đáp ứng tốc độ 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 0 2 4 6 8 10 12 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 0 2 4 6 8 10 12 Hình 15. Đáp ứng góc tải và mô men điện từ 10 5 0 -5 4 6 8 10 12 Hình 16. Đáp ứng công suất Q và P Nhận xét: Khi nhà máy hoà vào lưới điện có công suất vô cùng lớn, thì góc tải và mô men điện từ cũng được điều chỉnh theo công suất đặt tham chiếu. Lúc đó sự duy trì của hệ thống điều tốc là duy trì và điều chỉnh công suất cơ trên trục turbine. Tần số luôn duy trì ổn định ở mức f=50Hz được xác lập ở thời gian 2,5s. Góc tải công suất duy trì ở 22,10 và mô men điện từ ở mức 0,9pu. KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này đã chọn ra phương án nâng cao chất lượng điều tốc turbine thuỷ điện nhỏ, bằng việc thiết lập hệ thống điều chỉnh phù hợp giữa công suất nguồn sơ cấp và tải của lưới điện; Xây dựng hệ thống điều khiển tốc độ turbine bằng bộ điều tốc với hệ điều khiển mờ theo luật PID. Tiến hành xây dựng các mô hình mô phỏng để kiểm tra các tính năng của mô hình đã thiết kế cũng như thử nghiệm các trường hợp hoạt động của hệ thống trong các điều kiện làm việc tiêu biểu. Tuy nhiên do việc tiến hành thí nghiệm trên đối tượng máy phát không ở mô hình thực tế, nên việc nghiên cứu mới chỉ dừng ở việc khảo sát dựa trên mô hình được xây dựng từ các thư viện chuẩn hóa trong Matlab Simulink. Kết quả mô phỏng cho thấy tần số ổn định tốt nhất ở chế độ hoà lưới, còn ở chế độ vận hành với các loại phụ tải độc lập khác nhau thì có sai số là 0,01Hz nằm trong phạm vi cho phép. Như vậy với việc xây dựng mô hình nâng cao chất lượng điều tốc đã giải quyết được các yêu cầu đặt ra. PHỤ LỤC -10 -15 0 2 2 4 6 8 10 12 Bảng 3. Thông số máy phát điện đồng bộ TT 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tên thông số Công suất định mức Pđm 63 Đơn vị Trị số MW 8,00 http://www.lrc-tnu.edu.vn