ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ THỊ ÁNH NGỌC NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT THUỶ ĐIỆN NHỎ Chuyên ngành: Thiết bị mạng và nhà máy điện Mã số: TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2010 Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Quốc Khánh Phản biện 1: PGS.TS Trần Bách Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Như Hiển Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN Ngày 24 tháng 09 năm 2010 Có thể tìm luận văn tại THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐHKTCN- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRUNG TÂM HỌC LIỆU – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN LỜI NÓI ĐẦU Đất nước ta đang trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước.Điện khí hóa đóng vai trò rất quan trọng cho sự phát triển trong thời kỳ này nó không những đóng vai trò chủ chốt trong công nghiệp, nông nghiệp mà còn rất cần cho sinh hoạt đời sống và văn hóa của con người. Nước ta nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa với chủ yếu là đồi núi và hệ thống sông ngòi được phân bố rộng khắp đất nước nên việc phát triển xây dựng nhà máy thủy điện rất thuận lợi vì có nguồn năng lượng thủy năng rất lớn. Trong nhà máy thủy điện muốn cho máy phát điện phát ra điện năng ổn định và có chất lượng cao thì cần phải có hệ thống điều khiển kích từ cho máy phát đồng bộ. Trước khi kết thúc khóa học em được giao đề tài luận văn là: “ Nghiên cứu hệ điều khiển kích từ cho máy phát thủy điện nhỏ” Hệ thống điều khiển kích từ máy phát đồng bộ phải đảm bảo: Điều chỉnh dòng kích từ để duy trì điện áp máy phát làm việc trong điều kiện bình thường và cưỡng bức kích thích để giữ đồng bộ máy phát với lưới khi điện áp lưới hạ thấp do xảy ra ngắn mạch ở xa, triệt từ trường kích thích để giảm nhanh dòng kích thích về không có ngắn mạch trong nội bộ dây quấn stato trong máy phát. 1 Chương 1:TỔNG QUAN NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN NHỎ 1.1. Tổng quan về nhà máy thuỷ điện. Năng lượng điện hay còn gọi là điện năng, là dạng năng lượng thứ cấp được tạo ra từ nhiều nguồn năng lượng thứ cấp khác nhau như nhiệt năng (dầu,khí đốt, than, năng lượng phóng xạ, năng lượng mặt trời…),thủy năng (sông, suối, sóng biển, thủy chiều…), năng lượng gió. Đây là loại năng lượng đóng vai trò quan trọng và được sử dụng trên khắp thế giới trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống ngày nay như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, sinh hoạt … Thuỷ năng là một dạng năng lượng tái tạo được. Đây là đặc tính ưu việt nhất của nguồn năng lượng này, các nguồn năng lượng khác như : Nguyên tử, than, dầu … không thể tái tạo được. Trong quá trình biến đổi năng lượng, chỉ có thuỷ năng sau khi biến đổi thành cơ năng và nhiệt năng lại được tái tạo thành dạng thủy năng, còn các dạng năng lượng khác trong quá trình biến đổi không tự tái tạo trong tự nhiên. Con người sử dụng nguồn thuỷ năng để phục vụ cho đời sống và sản xuất, đặc biệt là để phát điện. a. Tình hình phát triển thuỷ điện b. Sơ đồ nhà máy thủy điện Nhà máy thủy điện là một tổ hợp phức tạp, sử dụng năng lượng của sông suối, để sản xuất điện năng bao gồm 3 tuyến: c. Phân loại nhà máy thuỷ điện Tuỳ thuộc vị trí địa lý mà nhà máy thuỷ điện được phân thành 3 loại cơ bản: * Nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông ( hay sau đập) * Nhà máy thủy điện đường dẫn * Nhà máy thủy điện tổng hợp Năng lượng nước được tập trung là nhờ đập và cả đường dẫn. Cột áp của trạm gồm 2 phần: một phần do đập tạo nên, phần còn lại do đường dẫn tạo nên. 2 Nhà máy kiểu này được dùng cho các đoạn sông mà ở trên sông có độ dốc nhỏ thì xây đập ngăn nước và hồ chứa, còn ở phía dưới có độ dốc lớn thì xây dựng đường dẫn. d. Nguyên lý phát điện của nhà máy thủy điện Cho dù nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn, lòng sông hay tổng hợp thì cũng đều có chung một nguyên lý phát điện như sau: Nước từ hồ chứa thượng lưu được dẫn vào hệ thống đường ống áp lực và buồng xoắn, tại đây nước được gia tốc tới vận tốc rất lớn. Qua hệ thống cánh hướng, nước được dẫn vào turbine thuỷ lực làm quay turbine, đồng thời làm quay máy phát điện (thông thường trục của turbine được nối thẳng với trục máy phát). Từ đầu cực máy phát, dòng điện được tăng áp qua máy biến áp lực và dẫn lên trạm phân phối cung cấp cho các hộ tiêu thụ của một vùng độc lập, hoặc đồng thời hoà vào lưới điện quốc gia, xem hình 1-5. Để điều chỉnh độ mở cánh hướng người ta sử dụng các servomotor (thông thường 2 servomotor) và hệ thống xilanh thuỷ lực.Truyền động của servomotor sẽ qua hệ thống xilanh gắn với vòng điều chỉnh, giữa cánh hướng và vòng điều chỉnh có các khớp truyền động. Với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật số, bộ điều tốc turbine được tự động hoá hoàn toàn có khả năng thu thập các thông số quá trình một cách liên tục, tự động điều chỉnh ổn định quá trình vận hành. Mối liên hệ giữa turbine và máy phát. Mỗi turbine được cung cấp một hệ thống điều tốc tự động riêng biệt có khả năng điều khiển tốc độ, công suất phát hoặc lưu lượng nước vào turbine cho phép tổ máy vận hành ổn định, hoàn hảo ở chế độ vận hành song song với nhau và với hệ thống điện. e.Tự động hóa trong nhà máy thủy điện 1.2. Điều tốc turbine thuỷ điện nhỏ a. Cấu tạo chung của thiết bị điều tốc 3 Mỗi nhà máy thuỷ điện đều được trang bị một hệ thống tự động ổn định tần số và tự động điều chỉnh điện áp. Với tuabin thuỷ lực thì sự nhạy cảm với vấn đề quá tốc (lồng tốc) là rất nghiêm trọng nên luôn được thiết kế khả năng tự bảo vệ quá tốc với ít nhất hai phương thức: bằng cơ học và bằng hệ thống tự động bảo vệ nằm trong hệ thống tự động kiểm tra khống chế bởi các thiết bị điện [13] b. Các chức năng của điều tốc c. Điều chỉnh mô men trên trục tua bin . . t t N Q H M γ η ω ω = = (1.1) Trong đó: N t - Công suất thuỷ lực do dòng nước sinh ra trên trục tua bin (kW) ; Q - Lưu lượng của tổ máy (m3/s); H - Cột nước làm việc của tua bin (m); γ - Trọng lượng riêng của nước (kG/m3); η - Hiệu suất của turbine; 1.3. Máy phát điện 1.3.1.Kết cấu của máy đồng bộ cực lồi a. Stator b. Rotor 1.3.2. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ E 0 =K e .Φ.f (1.2) K e =4,44 .W1.K dq (1.3) Trong đó: K e : Hằng số điện từ E 0 : Là sức điện động pha W 1 : Số vòng dây quấn 1 pha K dq : Hệ số dây quấn 4 Φ: Từ thông cực từ Rôto 1.3.3. Phương trình điện áp và đồ thị véc tơ của máy phát điện đồng bộ. Đối với máy phát điện đồng bộ tốc độ quay n = const được thể hiện rõ ràng thông qua các quan hệ giữa các đại lượng U, I, I t , cosφ trong đó một số quan hệ chính xác được suy ra từ phương trình cân bằng điện áp tổng quát của một pha có dạng: ( ) U E I r jx δ σ = − + & & &   Trong đó : - U • : điện áp ở đầu cực máy. - r ư và x бư là điện trở và điện kháng tản từ của dây quấn phần ứng. - E δ • : sức điện động cảm ứng trong dây quấn do từ trường khe hở. Từ trường khe hở lúc có tải là do từ trường cực từ 1 F • và từ trường phản ứng u F • sinh ra. ud E • =-j I d X ưd (1- 5) ud E • = -j I q X ưq (1- 6) Kết quả phương trình cân bằng sức điện động có dạng: ( ) 0 u u ud r jx uq E E U E I σ • • • • • = + + − + (1-7) 0 ud uq u u d q j x j x j x r E U I I I I σ • • • • • • = − − − − Đồ thị véctơ suất điện động tương ứng với phương trình (1-7) được trình bày ở hình 1.13 tên là đồ thị Blondel. Vectơ -jx бư trong phương trình (1-13) do từ thông tản sinh ra và không phụ thuộc vào từ dẫn của khe hở theo các hướng dọc trục và ngang trục. Nếu phân tích thành các thành phần theo hai hướng đó thì có: 5 -jx бư =-j( I • x бư cosΨ + I • x бư sinΨ) - jx бư =- j q I • x бư - d I • x бư và trở thành: U • = 0 E • - j d I • (x ưd + x бư ) – j q I • ( x ưq + x бư ) - I • r ư U • = 0 E • - j d I • x Trong đó: x d = x ưd + x бư là điện kháng đồng bộ dọc trục X q = x ưq + x ư là điện kháng đồng bộ ngang trục. 1.3.4. Các đặc tính điều chỉnh của máy điện đồng bộ a. Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ Đặc tính không tải là quan hệ E 0 = U 0 = F(i t), khi I = 0 và f = f dm Dạng đặc tính không tải có thể biểu thị theo đơn vị tương đối. tdmodm i i ivà U E E 1 0 == (1.15) Trong đó i tdmo là dòng điện không tải khi U = U dm Mạch từ của máy phát đện tuabin hơi bão hòa hơn mạch từ của tuabin nước. Khi E 0 = U dm = E * = 1, đối với máy phát điện tuabin hơi k µd = k µ= 1,2 còn máy phát điện tuabin nước k µd = 1,06. b. Đặc tính ngoài Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I) khi i t =const, cos φ = const và f = f dm . Đặc tính ngoài cho thấy khi phải thay đổi tải I sao cho cos φ = const rồi đo U và I ứng với các trị số khác nhau của tải. Trong mỗi trường hợp phải điều chỉnh dòng điện kích thích sao cho khi I = I dm có U = U dm , sau đó giữ không đổi khi thay đổi tải. Dòng điện i t ứng với U = U dm ; I = I dm ; cos φ = cos φ dm , f= f dm được gọi là dòng điện từ hóa định mức. 6 100% 0 dm dm dm U UE U − =∆ d. Đặc tính tải Đặc tính tải [22] là quan hệ giữa U = f(i t ) khi I = const; f = f dm; cos φ = const. Với các trị số khác nhau của I và cos φ sẽ có các đặc tính tải khác nhau, trong đó có ý nghĩa nhất là đặc tính tải thần cảm ứng với cosφ = 0 (φ = π/200) và I = I dm Để đặc tính đó phải điều chỉnh r t và Z (cuộn cảm) sao cho I = I dm. Dạng của đặc tính thuần cảm như đường 3 trên hình 1-18. Đặc tính tải thuần cảm có thể suy ra được từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng. e. Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch K Đặc tính ngắn mạch là quan hệ I n = f(i t) khi U = 0 và f = f dm (khi đó dây quấn phần ứng được nối tắt ngay ở đầu máy). Nếu bỏ qua điện trở dây quấn phản ứng (r ư = 0) thì mạch điện của điện dây quấn phần ứng lúc ngắn mạch là thuần cảm (Ψ = 90 0 ) như vậy I q = cosΨ = 0 và I d = I; dm no I I K = (1.16) Theo định nghĩa suy ra : d dm no X U I = (1.17) Trong đó x d là trị số bão hòa của điện kháng động bộ dọc trục ứng với E = U dm . ddmd dm XIX U K 1 == (1.18) Thường x d* > 1 do đó K < 1 và dòng điện ngắn mạch xác lập I uo < Iđm, vì vậy có thể kết luận dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phát đện đồng bộ không lớn là do tác dụng khử từ rất mạnh của phản ứng phần ứng. 1.4. Kết luận chương I 7 Trong chương I đã trình bày một cách khái quát về nhà máy thủy điện nhỏ.Nghiên cứu vai trò, đường đặc tính, phương trình và đồ thị véc tơ máy điện đồng bộ, xác định vị trí, chức năng của hệ điều khiển kích từ trong máy phát thủy điện nhỏ. Chương 2: MÔ TẢ TOÁN HỌC MÁY PHÁT THUỶ ĐIỆN NHỎ 2.1. Mô tả toán học máy phát đồng bộ xoay chiều 3 pha [23] 2.1.1. Các phương trình điện áp viết trong hệ tọa độ ba pha abc Thông thường máy phát đồng bộ được mô tả bởi 3 cuộn dây stator gắn với cuộn dây damper đặt trên hệ tọa độ vuông góc dq (cuộn D,Q) và cuộn kích từ (cuộn f) đặt trên trục d (hình 2-1). Phương trình điện áp được viết cho phần stator trên hệ tọa độ stator, phần rotor trên hệ tọa độ rotor. Tuy nhiên, để đơn giản ta bỏ qua các chỉ số về trục tọa độ, lúc này phương trình điện áp được viết như sau. Chiều dòng điện được đánh dấu trên hình 2-1: a a s a b b s b c c s c d u R i dt d u R i dt d u R i dt Ψ  + = −   Ψ  + = −   Ψ  + = −   (2.1) 2.1.2. Các phương trình điện áp viết trong hệ tọa độ ba pha dq Sử dụng phép chuyển vị tọa độ Park cho phần phía stator như sau: 2 2 os os( - ) os( ) 3 3 2 2 2 sin sin( - ) sin( ) 3 3 3 1 1 1 2 2 2 π π θ θ θ π π θ θ θ   +  ÷  ÷  ÷ = +  ÷  ÷  ÷  ÷   e e e s e e e c c c K (2.12) Từ đó ta có phương trình điện áp phía stator được chuyển vị sang hệ tọa độ dq: 8 [...]... tốc độ và hệ thống kích thích • Động cơ chính/ tua-bin và SG • Tốc độ, điện áp, và những cảm biến điện • Máy biến thế, lưới điện (XT), và trường điện từ của hệ thống điện( emf), Es • PSS Bộ điều khiển điện áp phản hồi đầu vào 3.2.Xây dựng hệ điều khiển kích từ 3.2.1.Một số hệ điều khiển kích từ kinh điển a .Hệ thống kích từ một chiều:(DC Exciter) Đây là hệ thống kích thích sử dụng máy phát điện một chiều... động của khối điều chỉnh công suất phản kháng để phân phối phụ tải phản kháng giữa các tổ máy, tiến hành sự thay đổi điện áp đặt để điều chỉnh điện áp ra của máy phát KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ Trong thời gian thực hiện đề tài “ Nghiên cứu hệ điều khiển kích từ cho máy phát thủy điện nhỏ em đã làm việc những việc sau đây: - Tìm hiểu về máy phát điện đồng bộ, tìm hiểu về các hệ thống kích từ, hệ thống ổn định... để quay máy phát một chiều) Vì vậy, hệ thống kích từ máy phát loại này thường được áp dụng ở các máy phát điện có công suất nhỏ và trung bình c .Hệ thống kích từ tĩnh: (Static Exciter) Đây là hệ thống kích từ không có phần quay (kích từ tĩnh) sử dụng bộ chỉnh lưu có điều khiển để cấp nguồn cho cuộn dây kích từ *Ưu điểm: Hằng số thời gian Te nhỏ do đó khả năng đáp ứng của hệ thống rất nhanh tạo điều kiện... suất điện động như trên sẽ xác định được quan hệ I = f (i1), còn gọi là đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ 2.5 Kết luận chương II Chương 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ 3.1 Mô hình hệ điều chỉnh máy phát đồng bộ • Bộ tự động điều khiển phát điện (AGC) • Bộ tự động điều khiển công suất phản kháng (AQC) • Biểu đồ tốc độ / công suất và và sụt giảm điện áp kháng hay điện năng • Bộ điều khiển. .. PSS từ đó chọn ra phương án thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh điện áp cho hệ thống kích từ tĩnh - Tiến hành mô tả toán học và mô hình hóa về kích từ - máy phát điện đồng bộ trong hệ tọa độ tương đối để phục vụ cho quá trình mô phỏng - Tiến hành xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát đảm bảo tính ổn định làm việc với các giới hạn thiếu kích thích, quá kích thích, giới hạn tần số điện. .. I Q + Ψ qm  s L0 )i0 = −u0 ( R0 + ωb   (2.36) 2.2 Mô hình toán máy phát thủy điện nhỏ Trên cơ sở các phương trình toán của máy điện đồng bộ của bộ điều chỉnh điện áp kích từ, của bộ điều tốc và của tải có mô hình toán toàn trạm máy phát thủy điện nhỏ đối tượng điều khiển đa biến như sau: a Mô hình máy phát đồng bộ với biến dòng điện như sau ud = 1 p( − x d i d + x ad ikt + x ad i D ) + x q iq −... chiều Dòng điện kích từ được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp ra của máy kích thích một chiều *Ưu điểm: Bộ biến đổi có công suất nhỏ * Nhược điểm: Do sử dụng hệ thống vành góp chổi than độ bền không cao nên công suất chế tạo bị hạn chế 16 Hệ thống kích thích được sử dụng gián tiếp nên hằng số thời gian T e của hệ thống kích từ lớn, khả năng đáp ứng của hệ thống chậm Kết cấu hệ thống kích từ phức... áp dụng công nghệ điều khiển số Cấu trúc mạch kích từ đơn giản, dễ điều khiển, chất lượng ổn định Công nghệ bán dẫn phát triển cho phép chế tạo các bộ chỉnh lưu dùng Valve bán dẫn với công suất và giá thành hạ Do ưu điểm của hệ thống kích từ loại này chúng được áp dụng rộng rãi trong các máy phát công suất trung bình và lớn có yêu cầu về chất lượng điều chỉnh * Nhược điểm: Hệ thống kích từ vẫn phải dùng... UUEL được lấy từ khối giới hạn (LIMITER) - Tín hiệu ra Vf được cấp cho mạch kích từ của máy phát - Các khối LV GATE và HV GATE là các khối lựa chọn giá trị thấp và giá trị cao của tín hiệu và để đưa ở đầu ra - Bộ điều chỉnh là bộ điều khiển PI - Khâu Follow up FCR là khâu có tác dụng lấy giá trị đặt của dòng điện kích từ tại thòi điểm chuyển đổi từ chế độ điều khiển tự động sang điều khiển bằng tay... số kích từ Hệ số khuyếch đại bộ điều khiển chính KA = 300 Tham só xác lập kiểu điều chỉnh KE = 1.0 Hằng số thời gian bên trong của bộ điều chỉnh TC =0 KF = 0.03 Vrmax = 7.0 Vrmin = 6.5 Vamax =12.0 Vamin = -12.0 TE =0.8 Hằng số đặc trưng cho bộ chỉnh lưu Xex ≈ 0.2 = Kc Kd = 0.4 TB = 0 TF = 1.0 s 4.2 Các thành phần của hệ thống mô phỏng *Hệ thống điều khiển máy phát - Mô hình máy phát Đây là mô hình máy