- Tuy nhiên, trên thực tế chất lượng điều khiển của hệ điều tốc tại một số nhà máy chưa đáp ứng được yêu cầu như : chịu nhiều ảnh hưởng của nhiễu, thời gian quá độ kéo dài, độ quá điều chỉnh thay đổi theo tải,… Xuất phát từ lý do thực tiễn đó, sau khi thực tập tại nhà máy thủy điện, tiếp xúc với điều kiện thực tế, em càng nhận thấy cần phải nâng cao chất lượng của các hệ điều tốc cũ. - Nhằm tìm hiểu sâu hơn về vấn đề trên, em được giao đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển điều tốc Tuabin thủy lực cho nhà máy thủy điên vừa và nhỏ”, nội dung đồ án gồm các phần cơ bản sau đây. - Khảo sát hệ điều tốc. - Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - Thiết kế bộ điều tốc nhà máy thuỷ điện vừa và nhỏ. - Nâng cao chất lượng bộ điều tốc dùng thuật toán điều khiển PID kết hợp với mờ. - Trục Tuabin nối với rô to máy phát • Bộ chèn trục • Ổ hướng Tuabin • Ổ hướng Máy phát • Ổ đỡ • Hệ thống phanh • Hệ thống dầu MHY • Hệ thống điều tốc • Hệ thống vét dầu, vét nước Chương 1: Giưới thiệu về nhà máy thủy điện. - 16 Chương 2: Khảo sát hệ điều tốc của nhà máy thủy điện vừa và nhỏ. - Máy điều tốc trong nhà máy thủy điện 2.1. - Chức năng và nguyên lý làm việc của máy điều tốc Máy điều tốc của tua bin là thiết bị dùng để điều chỉnh tốc độ của máy phát điện. - Các chức năng chính của máy điều tốc: 2.1.1.Chức năng điều tốc - Điều chỉnh tốc độ quay của tua bin trong quá trình khởi động/dừng máy - Điều chỉnh tốc độ quay của tua bin trong quá trình làm việc với tải. - 2.1.2.Chức năng điều tải - Điều khiển cánh hướng nước và van kim. - Các phần chính của máy điều tốc bao gồm phần dẫn động và phần điều chỉnh. - Hình 1.1 minh họa sơ đồ khối của hệ thống điều khiển hoàn chỉnh cùng đối tượng thừa hành chịu tác động điều khiển từ máy điều tốc. - Cơ cấu phản hồi cứng có chức năng “điều tốc làm việc lâu dài” khi máy phát vận hành song song trong hệ thống và điều chỉnh công suất phát của tua bin để khôi phục tần số của hệ thống. - Hình 1.2 minh họa nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí. - Khi tốc độ quay của bộ điều tốc tăng tỷ lệ với tốc độ quay của tua bin, quả cầu văng ra làm cho khớp nối đi lên và đẩy van phân phối xuống. - Chương 2: Khảo sát hệ điều tốc của nhà máy thủy điện vừa và nhỏ. - 18 Hình 1.1 Hệ thống điều khiển có máy điều tốc Hình 1.2 Nhuyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí (Bộ phận đo) Bộ phận đo tốc độ (Giá trị chuẩn) Độ mở (Khối làm việc)Phản hồi chínhPhản hồi âmĐối tượng điều khiển ∆ω(Khối điều khiển )Thiết bị điều khiển Thiết bị điều chỉnh tốc độ 65P Thiết bị giới hạn tải 77 (Phần điều chỉnh ) Cơ cấu dầu áp lựcCơ cấu phản hồi (Phần làm việc) Servo motor (Nhiễu) Tải hệ thống (Đối tượng điều khiển ) Tua bin và máy phát thủy lực Lỗ nhỏ Cánh hướng Bộ phận giảm chấn phản hồi cứng Điểm tựa phản hồi Khớp nối Đòn nốiQuả cầu Cơ cấu đo tốc độ (Bộ điều tốc) Dầu thoát đi Dầu áp lực Van phân phối Servo motor Mở Đóng Cam phản hồi cứng Vòng hướng y z x Chương 2: Khảo sát hệ điều tốc của nhà máy thủy điện vừa và nhỏ. - Phân loại máy điều tốc 2.2.1. - Máy điều tốc cơ khí Con lắc ly tâm được sử dụng làm nhiệm vụ đo tốc độ, lực ly tâm tác dụng lên quả cầu sẽ thay đổi khi tốc độ quay thay đổi. - Ngoài các máy điều tốc sử dụng con lắc ly tâm làm bộ phận phát động, còn có máy điều tốc sử dụng dây đai, máy điều tốc nối trực tiếp với trục chính của tua bin, máy điều tốc truyền động bằng bánh răng và máy điều tốc sử dụng động cơ điện. - Trong khi lực ly tâm được ứng dụng cho máy điều tốc con lắc ly tâm thì các loại máy điều tốc này được phát động bằng lò xo, lò xo lá, hoặc lực trọng trường. - Máy điều tốc điện Điện áp của máy phát được sử dụng làm tín hiệu vào, nó được đưa qua mạch cộng hưởng hoặc mạch cầu, độ lệch tần số được xác định theo giá trị đặt sau đó tín hiệu đầu ra được đưa qua bộ khuếch đại và chuyển đổi thành các chuyển động cơ khí bằng các cơ cấu chuyển đổi điện-cơ. - Các loại máy điều tốc khác Máy điều tốc không có bộ điều tốc (Speederless governors) là máy điều tốc trong đó phần đo tốc độ sử dụng trong quá trình vận hành bình thường được bỏ qua, máy điều tốc chỉ làm nhiệm vụ đóng đường vào của nước khi tốc độ máy phát tăng lên không bình thường, tuy nhiên trong quá trình vận hành bình thường việc mở servomotor bị cấm bởi thiết bị giới hạn tải, chúng được kết nối với bộ phận điều chỉnh mức nước của bể áp lực . - Máy điều tốc còn được phân ra làm hai loại, loại một (loại A) là các máy điều tốc mà bản thân nó (phần dẫn động) và servomotor được đặt trong một hệ thống hoàn chỉnh (Xem Hình 1.3), loại còn lại (loại B) là các máy điều tốc có hai phần trên tách rời nhau. - Ngoài ra, máy điều tốc còn được phân loại theo tua bin. - Các máy điều tốc được mô tả ở trên sử dụng cho tua bin Francis, đối với các máy điều tốc sử dụng cho tua bin cánh quạt, độ mở cánh tua bin tiếp nhận sự điều khiển tiếp theo từ cam, với các độ mở khác nhau của cánh hướng cho phép quá trình vận hành hiệu quả cao. - Tổng quan về máy điều tốc được thể hiện trong Hình 1.4. - Tương tự đối với máy điều tốc tua bin Pelton, ở đó cơ chế mở/đóng của bộ đo được điều khiển bởi máy điều tốc và độ mở của van kim tiếp nhận điều khiển tiếp theo cùng với độ mở của bộ đo. - Ngoài ra, trong các nhà máy điện loại nhỏ và trung bình, servomotor điện Chương 2: Khảo sát hệ điều tốc của nhà máy thủy điện vừa và nhỏ. - 20không dùng dầu áp lực được sử dụng Hình 1.3 (a) Mặt cắt MĐT cơ khí Hình 1.3 (b) Máy điều tốc cơ khí Cơ cấu vận hành bằng tay Xy lanh Pít-tôngXy lanh dừng CamBộ đo thời gian Thanh pít-tông ụ ngang Xy lanh khởi động Thiết bị giới hạn độmởBộ dừng Cơ cấu vận hành bằng tay Van phân phối Động cơ điện điều khiển Chỉ thị điều tốc Chỉ thị mức độ điều tốc Chương 2: Khảo sát hệ điều tốc của nhà máy thủy điện vừa và nhỏ. - 21 Hình 1.4 Thiết bị điều khiển cánh tua bin của tua bin cánh quạt (2) Phân loại máy điều tốc theo hoạt động Theo Tổ chức Nghiên cứu Kỹ thuật điện Nhật Bản, máy điều tốc được chia thành ba loại: Loại X, Loại Y và Loại Z, theo hoạt động của chúng. - Bảng 1 cho biết danh mục các hoạt động cả máy điều tốc. - Max Trục phản hồi cánh tua bin Min Van phân phối của cánh tua bin Thanh nối dưới Cần điều chỉnh cánh tua bin Thanh nối trên Thanh phản hồi cánh tua binTải trọng Góc quay của cánh tua bin Dây neo phản hồi cánh tua bin Pít-tông của van phân phối cánh tua bin Phần cuối của thanh servomotor cửaHướng vào Dây neo phản hồi cửa Trục phản hồi cửa Cam thay đổi góc mở cánh tua bin Thanh phản hồi của van điều khiển Độ mở của cửa Van dầu áp lực thường đóng Hướng mở cánh tua bin Servomotor cánh tua bin Pít-tông điều khiển Dầu áp lực Dầu thoát Van dầu thoát thường mở Tải trọng Chương 2: Khảo sát hệ điều tốc của nhà máy thủy điện vừa và nhỏ. - 22 Bảng 1 Danh mục các hoạt động của máy điều tốc Loại Mục X Y Z (*7) Các hoạt động - Vùng chết. - Không có bộ phận đo tốc độ Cung cấp năng lượng điều khiển máy điều tốc PMG hoặc DC PMG, DC hoặc PT DC hoặc AC PMG : Máy phát sử dụng nam châm vĩnh cửu SSG : Máy phát tín hiệu tốc độ Chương 2: Khảo sát hệ điều tốc của nhà máy thủy điện vừa và nhỏ. - Do đó cần đề ra các tiêu chuẩn lựa chọn máy điều tốc, trước hết cho phép lựa chọn chính xác máy điều tốc được lắp đặt mới hoặc thay thế. - Bảng 2: Các tiêu chuẩn lựa chọn máy điều tốc theo Tổ chức Nghiên cứu Kỹ thuật điện (Nhật Bản). - Bảng 2 Các tiêu chuẩn lựa chọn máy điều tốc Loại Các tiêu chuẩn có thể áp dụng X (a) Các nhà máy thủy điện tích năng (b) Các nhà máy thủy điện làm nhiệm vụ điều tần cho lưới điện bằng các máy điều tốc làm việc tự do hoặc vận hành thiết bị AFC(Thiết bị điều chỉnh tần số tự động). - Hình (b) Quan hệ giữa tốc độ quayvà hành trình của servomotor Thời gian Thời gian đóng tương đương Thời gian chết tương đương Thời gian chết Servo motor bắt đầu tác động Độ mở cánh hướng Hình (a) Thời gian chết và thời gian đóng Chương 2: Khảo sát hệ điều tốc của nhà máy thủy điện vừa và nhỏ. - 2.3 Cấu tạo của máy điều tốc Máy điều tốc theo định nghĩa trước đây là một tổ hợp các chức năng điều chỉnh độ mở của van tiết lưu. - Hình 1.5 minh họa hệ thống điều khiển máy điều tốc cùng với các chức năng của nó. - Thiết bị phản hồi có tác dụng hỗ trợ cho quá trình điều chỉnh ổn định, nó được cấu tạo bởi cơ cấu phản hồi cứng là thiết bị điều tốc và cơ cấu phản hồi mềm là mạch hãm. - 2.3.7 Van điều khiển Chuyển động cơ khí được chuyển thành sự thay đổi lưu lượng của dầu áp Chương 2: Khảo sát hệ điều tốc của nhà máy thủy điện vừa và nhỏ. - 25lực để điều chỉnh pít tông điều khiển. - Van phân phối được điều khiển bằng pít tông điều khiển. - 26 Hình 1.5 Hệ thống điều khiển của máy điều tốc Khuếch đại tín hiệu Đo độ lệch tần số Thiết bị dừng khẩn cấp Thiết bị điều chỉnh tần số/tải Píttông điều khiển Phản hồi cứng/mềmThiết bị giới hạn tải Van tiết lưu (Tua bin nước) Van phân phối và servomotor Van điều khiểnChuyển đổi(Phần điện (Điều chỉnh)) (Phần dẫn động)Đo tần số (Máy phát. - Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - 26CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ ĐIỀU TỐC 3.1.Sơ đồ khối chức năng của máy phát và hệ điều tốc Hình 3.1.Sơ đồ khối chức năng của máy phát và hệ tốc. - Về cơ bản, sơ đồ này giống với sơ đồ khối chức năng của hệ điều tốc đã mô tả hình 2.1.Tuy nhiên, sơ đồ hình 3.1 có bổ xung thêm điều kiện máy phát hòa đồng bộ với lưới và tín hiệu đặt vào hệ điều tốc được phát ra từ một trung tâm điều khiển của lưới điện quốc gia AGC. - (3.2) Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - (3.6) Trong đó: L: là chiều dài đường ống dẫn nước A: tiết diện đường ống ρ: khối lượng riêng của nước ag: gia tốc trọng trường ρ.ag.∆H= độ tăng áp suất trên cánh hướng tuabin t: thời gian (giây) Bằng cách chia 2 vế của phương trình (3.6) cho A.ρ.ag.H0.U0 , phương trình gia tốc ở dạng chuẩn sẽ là: Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - (3.11) Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - a23=1.0 Thông thường ,các giá trị đo được của các hệ số a đối với một tuabin Francis 40MW như sau : Mức độ tải a11 a13 a21 a23 Tải định mức Không tải Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - Ngay khi độ mở cánh hướng thay đổi bước nhảy, công suất cơ sẽ giảm 2.0 pu .Sau P G (pu) Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - Thay đổi bước nhảy • Đường dốc trong 1s Hình 3.4a.Độ mở cánh hướng giảm theo hàm bước nhảy t(s) G U (pu) P Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - GLIEoV t(s) G P U (pu) Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - (3.19) QAU= (3.20) Trong đó: U: vận tốc dòng nước G: độ mở cánh hướng lý tưởng Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - (3.26A) Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - Đại lượng này liên hệ với độ mở Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - Chúng có thể được biểu diễn dưới dạng sơ đồ khối như trong hình FLg NLg 0 g G tFLAg tNLAg Không tải Đầy tải Độ mở cánh hướng thực (pu) Độ mở cánh hướng thực (pu) Tổn thất không tải Độ mở cánh hướng lớn nhất Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - Mô hình bộ điều tốc rmeqtdω2H T Tdt=− Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - 41Chức năng cơ bản của một hệ điều tốc là điều khiển tốc dộ và/hoặc tải.Ở đây, chúng ta sẽ nghiên cứu những yêu cầu đặc biệt của việc điều khiển tuabin thủy lực, sự vận hành vật lý và mô hình hóa trong các nghiên cứu hệ thống. - Chức năng chính của điều khiến tốc độ/tải có xét tới phản hồi sai số tốc độ để điều khiển vị trí cánh hướng. - Để đảm bảo nhiều đại lượng cùng hoạt động song song ổn định như ý muốn, hệ điều tốc cần được tính đến đặc tính quá độ. - Tuy nhiên, đối với một tuabin thủy lực,một hệ điều tốc với đặc tính quá độ đơn giản thì không đủ.Ví dụ sau đây sẽ nói rõ hơn về điều này. - Tuabin được biểu diễn dưới dạng mô hình cổ điển và hệ điều tốc đơn giản chỉ là một hệ số khuếch đại KG =1/R. - Hay: 10Rs2+(10R-2)s+1=0 1MSDTK+ ww11/2TsTs−+ 1R ∑ w đặt Tuabin Máy Phát ∆wr Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - Hay nói cách khác, hệ số của bộ điều khiển tốc độ KG phải nhỏ hơn 5. - Kết quả là sẽ có một hệ điều tốc mà khi có sai lệch tốc độ nhanh thì có hệ số khuếch đại thấp và khi ở trạng thái xác lập thì có hệ số khuếch đại cao. - Ví dụ 3.3 thể hiện tác động của bộ bù quá độ tức thì lên đặc tính ổn định của hệ điều tốc. - Hệ điều tốc với bộ bù quá độ . - Hệ điều tốc cơ khí – thủy lực Trong các hệ điều tốc cũ, chức năng của một hệ điều tốc thường được thực hiện bằng cả thành phần cơ khí và thành phần thủy lực.Việc cảm nhận tốc độ, vòng phản hồi quá độ vĩnh viễn, và các chức năng tính toán được thực hiện bằng các thành phần cơ khi, các chức năng đòi hỏi công suất cao hơn được thực hiện bàng các thành phần thủy lực. - wr ewrf Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - Hình 3.12 biểu diễn sơ đồ khối của hệ điều tốc thường thấy trong các đề tài nghiên cứu tính ổn định của hệ thống. - Sơ đồ này cùng với sơ đồ hình 3.7 cung cấp một mô hình đầy đủ của tuabin thủy lực và hệ điều tốc Mô hình hệ điều tốc vẽ trong hình 3.12 có tính đến tác động của các dải chết. - rωVan tiết lưu và động cơ chấp hành g Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - Rp: Hệ số bù xác lập RT: Hệ số bù quá độ TR: thời gian đặt Các điểm giới hạn : Giới hạn trên độ mở cánh hướng bằng 1.0 Giới hạn dưới độ mở cánh hướng bằng 0 Giới hạn trên của tốc độ mở cánh hướng Rmaxpen=0.16pu/s Giới hạn trên của tốc độ đóng cánh hướng Rmaxclose=0.16pu/s Giới hạn trên của tốc độ đóng cánh hướng trong vùng đệm Rmaxbuff=0.04pu/s gbuff=0.08pu: vùng giới hạn g Hệ điều tốc điện - thủy lực Các hệ điều tốc tuabin thủy lực hiện đại thường dùng các hệ thống điện thủy lực. - Các đặc tính động học của hệ điều tốc điện được điều chỉnh thường xuyên để tương đồng với đặc tính động học của các hệ điểu khiển cơ khí thủy lực. - Điều chỉnh hệ điều tốc Có 2 điểm cần chú ý trong viêc lựa chọn thiết lập của hệ điều tốc: 1. - Để phù hợp với tốc độ nạp tải thì hằng số thời gian RT nên nhỏ hơn ,thông thường là khoảng 0.5 Ví dụ 3.3: PR=0.05 GT =0.5s WT =2.0s MT =10.0s DK =1.0 Hình 3.13.Sơ đồ khối hệ điều tốc ứng với ví dụ 3.3 Hình 3.13 biểu diễn sơ đồ khối của hệ điều tốc của một đại lượng thủy lực cung cấp cho tải cách ly. - Hệ điều tốc tiêu biểu bao gồm một bộ bù quá độ Gc(s) và hằng số thời gian điều khiển TG=0.5s. - Kiểm tra tính ổn định của hệ điều tốc bằng cách xem xét đáp ứng tần số của vòng hở trong hai trường hợp sau đây: ∑1PR ()cGs 11GTs+ 110.5WWTsTs−+1MDTs K+efwr. - Hệ điều tốc Tuabin Máy phát/Tải w Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - ()Us ()Hs ()Ys Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - Và Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - Hình 3.14a.Đặc tính tần vòng hở khi không có bộ bù Biên độ (dB) Pha (độ) Tần số (rad/s) Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - Luật điều khiển tích phân, gọi tắt là I: 1() ()iut etdtT=∫ Trong đó: Ti được gọi là thời gian tích phân Biên độ (dB) Pha (độ) Tần số (rad/s) Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều tốc. - Luật điều khiển tỷ lệ tích phân (PI) 1. - Luật điều khiển tỷ lệ vi phân (PD. - Luật điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân (PID. - Bộ điều tốc PID. - Gate efwrwr Chương 4: Thiết kế bộ điều tốc cho nhà máy thủy điện vừa và nhỏ 53CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ 4.1.Các bước thiết kế bộ điều tốc • Xây dựng mô hình đối tượng đủ chính xác. - Tính toán thông số của bộ điều khiển. - Đưa bộ điều khiển vừa thiết kế vào điều khiển đối tượng thực và kiểm tra quá trình làm việc của hệ thống. - Chương 4: Thiết kế bộ điều tốc cho nhà máy thủy điện vừa và nhỏ 54 4.2.Các thông số hệ điều tốc nhà máy thủy điện Công suất biểu kiến của máy phát : S=266.7 MVA Hệ số công suất máy phát : cosρ = 0,9 Công suất định mức của tuabin : Pm = 245MW Mômen quán tính hệ tuabin – máy phát : JT kg.m2 Cột áp định mức : Hr = 88 m Chiều dài hầm dẫn nước : L = 210 m Diện tích tiết diện hầm dẫn nước : A = 50,6 m2 Lưu lượng dòng chảy đầy tải : Qr = 301,5m3/s Độ mở cánh hướng lúc đầy tải : gFL = 0,76 Độ mở cánh hướng lúc không tải : gNL = 0,24 4.3. - Tính toán tham số Lập M File trong phần mềm Matlab: %Thong so mach vong vi tri kv = 20 wv = 500 sgv = 0.4 kq =0.19 S0 =0.19 wn = 535 sgn = 1.55 %kv = 1 %tv = 0.2 % Hydraulic tuabin Pt = 245 Pg = 266.7 po = Pt/Pg L = 210 Hr = 88 A = 50.3 gmax = 0.73 gmin = 0.07 At = 1/(gmax-gmin) Chương 4: Thiết kế bộ điều tốc cho nhà máy thủy điện vừa và nhỏ 55Unl = At *gmin Qr = 301.5 ag = 9.81. - H0 = 1 Ur = Qr/A Tw = (L*Ur)/(ag*Hr) go = po*(gmax - gmin) Pr = po % Mat phat Hqt =4.4 Te = 0.1 D = 0.01 bp = 0.001 Kết quả tính toán: Pt =245 Pg =266.7000 po =0.9186 L =210 Hr =88 A =50.3000 gmax =0.7300 gmin = 0.0700 At =1.5152 Unl =0.1061 Qr H0 =1 Ur =5.9940 Tw =1.4581 go =0.6063 Pr =0.9186 Hqt =4.4000 Te =0.1000 D =0.0100 bp =1.0000e-003 Chương 4: Thiết kế bộ điều tốc cho nhà máy thủy điện vừa và nhỏ 56 4.4. - Chương 4: Thiết kế bộ điều tốc cho nhà máy thủy điện vừa và nhỏ PID p DIGsK TsTs
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt