tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu, NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG hệ THỐNG điều tốc ổn ĐỊNH tần số máy PHÁT THỦY điện BÌNH điền

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT
THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN

Chuyên ngành

: TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số

: 605260

Người thực hiện

: NGUYỄN TÂM PHƯƠNG

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

THÁI NGUYÊN-NĂM 2010

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*****

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT
THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN

Học viên

: Nguyễn Tâm Phương

Lớp

: Cao học K11-TĐH

Cán bộ HDKH : PGS.TS. Võ Quang Lạp
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Võ Quang Lạp
BAN GIÁM HIỆU

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HỌC VIÊN

Nguyễn Tâm Phương
KHOA SAU ĐẠI HỌC

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là , Nguyễn Tâm Phương học viên lớp cao học Tự Động Hoá niên khoá
2008-2010 sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo
và đặc biệt là thầy PGS.TS Võ Quang Lạp, thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi,
tôi đã đi đến cuối chặng đường 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".
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS Võ Quang Lạp và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt
kê. Tơi khơng sao chép cơng trình của cá nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào. Nếu
có tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Người cam đoan

Nguyễn Tâm Phương

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU TỐC MÁY

1

PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ
I.1 Tổng quan về điều tốc
I.1.1 Tần số trong chất lượng điện
I.1.2 Điều tốc trong ổn định tần số
I.1.3 Phân loại các loại điều tốc
I.1.3.1 Trên cơ sở truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cơ

1
2
7
8

cấu điều chỉnh có thể phân loại
I.1.3.2 Trên cơ sở hoạt động của bộ điều chỉnh có thể phân loại
I.1.3.3 Dựa trên cơ sở tín hiệu cơng tác của phần tử điều chỉnh
I.1.3.4 Trên cơ sở nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh vịng quay có

9
9

thể phân loại

I.1.3.5 Dựa trên cơ sở sử dụng các loại phản hồi khác nhau có thể
phân loại
I.1.4 Các thông số của bộ điều tốc
I.1.5 Giới thiệu một số bộ điều tốc
I.1.5.1 Điều tốc cơ khí
I.1.5.2 Điều tốc điện
I.2 Hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Bình Điền
I.2.1 Phần điều khiển
I.2.2 Phần động lực
I.2.2.1 Hệ thống dầu áp lực
I.2.2.2 Cấu trúc phần thủy lực
I.2.2.3 Cấu tạo của các loại van
CHƯƠNG II

8

9
9
10
12
12
14
15
15
22
22
24
25

PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỀU 31

TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN
II.1 Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thủy điện
II.2 Hệ điều khiển vector biến tần động cơ không đồng bộ ba pha
II.2.1 Mô tả động cơ không đồng bộ ba pha dưới dạng các đại lượng vec

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

31
32
32

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

5
tơ không gian
II.2.2 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ từ hệ véc
tơ (a,b,c) về hệ tọa độ cố định trên Stato (α,β)
II.2.3 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ ba pha từ
hệ tọa độ cố định trên Rotor (x,y) về hệ tọa độ cố định trên Stator (α,β)
II.2.4 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ ba pha từ
hệ tọa độ cố định trên Stator (α,β) về hệ tọa độ cố định trên Rotor (d,q).
II.2.5 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ
II.2.6 Cơ sở để định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông
Rotor (d,q)
II.3 Hệ thống Thyristor – động cơ

II.3.1 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định và đường đặc tính tĩnh
II.3.2 Chất lượng động của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín
II.3.3 Hạn chế quá điều khiển tốc độ quay bằng
II.3.4 Hệ thống điều chỉnh tốc độ nhiều mạch vòng kín có mạch vòng
trong cài đặt suất biến đổi dòng điện
CHƯƠNG III

34
37
39
43
45
48
50
52
56
61

TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH

66

TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN
III.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển
III.1.1 Hàm truyền của động cơ điện
III.1.2 Bộ chỉnh lưu bán dẫn THYRISTOR
III.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc
III.1.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện
III.1.5 Tổng hợp hệ điều khiển RI, Rω, Rϕ
III.2 Mô phỏng hệ truyền động bộ điều tốc khi sử dụng bộ điều khiển PID

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

67
67
72
74
74
75
82

một chiều kích từ độc lập
III.2.2 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bộ điều tốc sử dụng bộ
điều khiển PID
CHƯƠNG IV

82
85

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ

90

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN
IV.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí
IV.2 Các bộ điều khiển mờ
IV.2.1 Phương pháp tổng hợp kinh điển
IV.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh
IV.2.3 Bộ điều khiển mờ động

90

92
92
93
93

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

6
IV.3 Bộ điều khiển mờ lai PID
IV.3.1 Giới thiệu chung
IV.3.2. Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID.
IV.3.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí dùng bộ điều khiển mờ lai PD
IV.3.4 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ lai song song PD
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

97
97
99
101
109
113

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình vẽ
Hình I.1
Hình I.2
Hình I.3
Hình I.4
Hình I.5
Hình I.6
Hình I.7
Hình I.8
Hình I.9
Hình I.10
Hình I.11
Hình I.12
Hình I.13
Hình I.14
Hình I.15
Hình I.16
Hình II.1
Hình II.2

Hình II.3
Hình II.4
Hình II.5
Hình II.6
Hình II.7
Hình II.8
Hình II.9
Hình II.10
Hình II.11

Tên hình vẽ
Sơ đồ khối của một máy phát nối lưới độc lập
Đặc tính tần số của lưới và máy phát
Sơ đồ khối của bộ điều tốc
Sơ đồ bộ điều tốc có phản hồi cơng suất hay phản hồi vị trí
cánh hướng
Đường đặc tính điều chỉnh tần số Turbine - máy phát
Hệ thống điều khiển có máy điều tốc
Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí
Sơ đồ khối hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Bình Điền
Sơ đồ khối trình tự khởi động bộ điều tốc
Sơ đồ trình tự khởi động khơng tải bộ điều tốc
Sơ đồ thuật tốn của bộ điều tốc Bình Điền
Sơ đồ nguyên lý đo lường tần số
Sơ đồ nguyên lý nguồn dầu thủy lực bộ điều tốc
Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển thủy lực
Sơ đồ Secvo điều chỉnh cánh hướng
Sơ đồ cấu tạo của van điện từ khiểu bypass
Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thủy điện
Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ

Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên
stator (α,β)
Hệ tọa độ cố định trên stator (α,β) và hệ toạ độ cố định trên
rotor(x,y)
Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố định
stator (α,β) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y)
Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định
stator (α,β) và hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q).
Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ
Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ
Định hướng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor
(d,q)
Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng
thiết bị biến tần
Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor – động

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

Trang
2
3
3
5
6
13
14
16
17
19
20

22
23
24
25
25
31
32
35
36
37
39
44
45
45
48
49

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

8

Hình II.12
Hình II.13
Hình II.14

Hình II.15

Hình II.16

Hình II.17

cơ.
Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ
hai mạch vịng kín.
Đường đặc tĩnh tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch
vịng kín.
Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc
độ shai mạch vòng kín.
Đồ thị dịng điện và tốc độ quay của q trình khởi động hệ
thống điều chỉnh tốc độ
a) Quá trình khởi động tăng tốc lý tưởng.

50
51
53

53

b) Hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vịng kín
Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân
58
Ảnh hưởng của phản hồi âm vi phân tốc độ quay đối với q
trình khởi động.
1 – Hệ thống hai mạch vịng kín thông dụng

59

2 – Hệ thống cài đặt phản hồi âm vi phân
Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vịng tốc độ quay có
Hình II.18

cài đặt phản hồi âm vi phân tốc độ quay:

59

a. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ban đầu
b. Sơ đồ cấu trúc sau khi đơn giản hố
Hệ thống điều khiển tốc độ ba mạch vịng có mạch vịng có
Hình II.19

Hình II.20
Hình II.21
Hình III.1
Hình III.2
Hình III.3
Hình III.4
Hình III.5
Hình III.6
Hình III.7

cài đặt suất biến đổi dòng điện.
ADR – bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện.

63

CD – khâu vi phân dòng điện
Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện
Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng suất biến đổi

63

dòng điện
Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ
Mạch điện thay thế của động cơ một chiều.
Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều
Tuyến tính hố đoạn đặc tính từ hố và đặc tính tải
Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hố
Sơ đồ cấu trúc khi từ thơng không đổi.
Sơ đồ cấu trúc thu gọn:

66
67
69
69
70
71

a. Theo tốc độ, b. Theo dòng điện

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

64

71

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

9

Hình III.8
Hình III.9
Hình III.10
Hình III.11
Hình III.12
Hình III.13
Hình III.14
Hình III.15
Hình III.16
Hình III.17
Hình IV.1
Hình IV.2
Hình IV.3
Hình IV.4
Hình IV.5
Hình IV.6
Hình IV.7
Hình IV.8
Hình IV.9
Hình IV.10
Hình IV.11

Hình IV.12
Hình IV.13
Hình IV.14
Hình IV.15
Hình IV.16
Hình IV.17

Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ
chỉnh lưu
Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn thyristor
a. khi chuẩn xác, b. khi gần đúng.
Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vịng vị trí
Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí
Sơ đồ mơ phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID
Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau
của vị trí đặt đầu vào ϕđặt = 10 V, I = 0 A
Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau
của vị trí đặt đầu vào ϕđặt = 10 V, I = 4,3 A
Quan hệ giữa ∆ϕ và ω
Hệ điều khiển mờ theo luật I
Hệ điều khiển mờ theo luật PD
Hệ điều khiển mờ theo luật PI
Hệ điều khiển mờ PID
Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển
Mơ hình bộ điều khiển mờ bù
Mơ hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ
điều khiển PID

Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ
Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ lai PD
Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ lai
PD
Định nghĩa các tập mờ cho biến DET của bộ điều khiển mờ
lai PD
Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ lai
PD
Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ lai PD
Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
lai PD
Quan hệ tín hiệu vào ra của bộ mờ lai PD
Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lượng bộ điều khiển PID và bộ
điều khiển mờ lai PD

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

72
74
75
76
77
79
81
85
87
89
91
94
94

95
96
98
98
100
101
103
104
104
105
105
106
107
108

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

10

Hình IV.18
Hình IV.19

Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau
của vị trí đặt đầu vào ϕđặt = 10 V, I = 0 A
Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau

của vị trí đặt đầu vào ϕđặt = 10 V, I = 4.3 A
MỞ ĐẦU

110
112

Hiện nay, tần số trong hệ thống điện là một trong những chỉ tiêu để đánh giá
chất lượng điện năng. Do vậy để giữ tần số ổn định khi phụ tải thay đổi ở các nhà
máy thủy điện người ta phải sử dụng thiết bị để điều chỉnh đó là hệ thống điều tốc.
Ngày nay khi cơng nghệ tự động hóa trong việc điều chỉnh tần số hệ thống
điện càng phát triển việc nghiên cứu, nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc ổn định
tần số là hết sức cấp thiết. Ngoài việc thành cơng trong nghiên cứu cịn 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 lượng hệ thống điều tốc ổn định tần số
máy phát Thủy điện Bình Điền” cịn có mợt ý nghĩa rất lớn trong ngành tự động
hóa. Đó chính là nội dung đề tài luận văn tốt nghiệp cao học của tôi.
Nội dung của luận văn được chia thành 4 chương sau:
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU
TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ.
CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ
THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN.
CHƯƠNG III: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN
ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN.
CHƯƠNG VI: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT
LƯỢNG 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
hướng dẫn tận tình, chỉ bảo cặn kẽ để tôi hoàn thành luận văn này. Xin gửi lời
cảm ơn chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chun ngành tự động hóa

11
Cơng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn
thành luận văn.
Tơi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban
Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận
lợi nhất về mọi mặt để tơi hồn thành khóa học.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 9 năm 2010
Tác giả luận văn

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

12
CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT
THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ
I.1 Tổng quan về điều tốc
Tấn số là một trong những tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng điện năng. Tốc
độ quay và năng suất làm việc của các động cơ đồng bộ và không đồng bộ phụ
thuộc và tần số của dịng điện xoay chiều. Khi tần số giảm thì năng suất của chúng
cũng bị giảm thấp. Tần số tăng cao dẫn đến sự tiêu hao năng lượng quá mức do vậy
tần số phải luôn được giữ ở định mức. Đối với hệ thống điện Việt Nam trị số định
mức của tần số được quy định là 50 Hz. Độ lệch cho phép khỏi trị số định mức là
±0,1 Hz.
Việc sản xuất và tiêu thụ công suất tác dụng xảy ra đồng thời. Vì vậy trong
chế độ làm việc bình thường, công suất phát P F do máy phát của các nhà máy điện
phát ra phải bằng tổng công suất do các phụ tải tiêu thụ P tt và công suất tổn thất Pth
trên đường dây truyền tải và các phần tử khác của mạng điện, nghĩa là tuân theo
điều kiện cân bằng công suất tác dụng:
PF = Ptt + Pth = PPT
Trong đó:
PPT: Phụ tải tổng của các máy phát
PF : Cơng suất phát
Khi có sự cân bằng cơng suất thì tần số được giữ khơng đổi. Nhưng vào mỗi
thời điểm tùy thuộc số lượng hộ tiêu thụ được nối vào và tải của chúng, phụ tải của
hệ thống điện liên tục thay đổi làm phá hủy sự cân bằng công suất và làm tần số
luôn biến động. Để duy trì tần số định mức trong hệ thống điện yêu cầu phải thay
đổi công suất tác dụng một cách tương ứng và kịp thời.
Như vậy vấn đề điều chỉnh tần số liên quan chắt chẽ với điều chỉnh và phân
phối công suất tác dụng giữa các tổ máy phát và giữa các nhà máy điện. Tần số
được điểu chỉnh bằng cách thay đổi lượng hơi hoặc nước vào Turbine. Khi thay đổi
lượng hơi hoặc nước vào Turbine, công suất tác dụng của máy phát cũng thay đổi.

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

13
I.1.1 Tần số trong chất lượng điện
Điều tốc là một trong những khâu quan trọng của nhà máy điện. Điều tốc
chính là quá trình điều chỉnh tốc độ quay của Turbine bằng cách thay đổi lưu lượng
nước vào bánh xe công tác. Mục đích của điều tốc là đảm bảo sự cân bằng giữa
công suất phát của tổ máy và công suất tiêu thụ (phụ tải). Quá trình điều tốc giữ cho
tần số không đổi hoặc độ lệch của tần số trong phạm vi cho phép nhờ vậy mà hệ
thống luôn làm việc ổn định.
* Một máy phát điện có hai chế độ làm việc cơ bản là:
- Trường hợp 1: Máy phát làm việc trong lưới độc lập tức là lưới chỉ do
công suất của tổ máy này cung cấp
- Trường hợp 2: Máy phát làm việc trong hệ thống, trong trường hợp này
công suất của hệ thống do nhiều máy cung cấp và lớn hơn nhiều công suất của tổ
máy đang xét.
* Trong trường hợp 1: Bộ điều tốc duy trì tần số có giá trị định mức
* Trong trường hợp 2: Bộ điều tốc phải đảm bảo được điều chỉnh sơ cấp
khi tần số lưới lệch khỏi giá trị định mức, còn điều khiển thứ cấp được điều khiển từ
xa theo lệnh của trung tâm điều độ. Trong thực tế quá trình điều chỉnh sơ cấp và thứ
cấp xảy ra đồng thời khi phụ tải của hệ thống tăng lên hay giảm xuống, tất cả các
nhà máy có điều chỉnh tốc độ tự động thay đổi công suất phát của mình để phù hợp
với phụ tải. Sau đó các nhà máy điều tần sẽ điều chỉnh công suất phát để đảm bảo
phần phụ tải thay đổi. Các nhà máy cịn lại giữ ngun cơng suất ban đầu để hệ

thống duy trì ở tần số định mức.
a. Tổ máy nối vào lưới độc lập

Hình I.1: Sơ đồ khối của một máy phát nối lưới độc lập
Trong đó: Z1, Z2 là phụ tải của máy phát

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

14
Yêu cầu trong lưới là: Khi đóng thêm phụ tải Z2 (hoặc cắt Z2) tần số vẫn ở
giá trị định mức. Đặc tính của lưới, máy phát lúc này có dạng như sau:

f
f2
f0
f1

Hình I.2: Đặc tính tần số của lưới và máy phát
Trong đó:
- (1) : Đặc tính của phụ tải Z1
- (2) : Đặc tính phụ tải Z1 và Z2
- (3) : Đặc tính tần số của Turbine - Máy phát
Như vậy ta thấy khi làm việc trong lưới độc lập, đặc tính tần số của Turbine Máy phát phải có dạng như đường số (3)

Để có được đặc tính như trên, ta có sơ đồ khối của bộ điều tốc như sau:

ε

fo

f

Hình I.3: Sơ đồ khối của bộ điều tốc

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chun ngành tự động hóa

15
Tín hiệu sai lệch (ε = fo- f) sẽ quyết định hướng dịch chuyển độ mở của cánh
hướng. Khi hệ thống đã ổn định, ε = 0 hay f = fo và công suất máy phát cân bằng
với công suất tải.
* Đặc điểm của bộ điều tốc trong trường hợp này là:
- PPT = 0

f > fo

- 0 < PPT < PMAX

f = fo

- PPT = PMAX

f < fo

Với bộ điều tốc như trên, tần số lưới luôn giữ giá trị định mức. Tuy nhiên,
nếu tổng công suất phụ tải lớn hơn công suất cực đại của một tổ máy phát thì lúc
này bộ điều tốc khơng cịn khả năng điều chỉnh được nữa lúc này buộc phải dừng
máy.
b. Tổ máy nối vào hệ thống:
Nếu công suất phụ tải lớn hơn cơng suất cực đại của một tổ máy thì để đảm
bảo cân bằng công suất của lưới, cần phải nối thêm tổ máy thứ hai vào lưới.
Giả sử cấu trúc của tổ máy thứ hai hoàn toàn giống tổ máy đầu tiên ( như đã
xét ở trên). Khi hệ thống máy phát đã cân bằng công suất của lưới ta có:
- f = fo
- P1 + P2 =PR

(1.1)

Trong đó:
P1, P2 là công suất phát của tổ máy 1 và 2
PR là tổng cơng suất phụ tải
Từ phương trình (1.1) ta thấy rằng có vơ số giá trị P 1, P2 có thể nhận được để
thỏa mãn phương trình (1.1). Điều này cũng có nghĩa là, ta khơng chủ động đặt
được công suất phát cho mỗi tổ máy.
Để giải quyết vấn đề này, người ta thiết kế bộ điều tốc có phản hồi cơng suất
hay phản hồi vị trí cánh hướng theo sơ đồ:

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chun ngành tự động hóa

16
fo

f

ε1

ε

ε2

(Po)(GVo)

(P)(GV)

Hình I.4: Sơ đồ bộ điều tốc có phản hồi cơng suất hay phản hồi vị trí cánh hướng
Lúc này ta có:
ε1 = fo – f
ε2 = (GVo – GV).ep hoặc ε2 = (Po- P).ep
ε = ε1 + ε2
Trong đó:
- fo: tần số đặt

- ep: độ rơi tốc độ
- GVo: giá trị đặt cánh hướng
- Po: giá trị đặt công suất
Khi hệ thống đã ổn định ε = 0
⇒ (fo - f) + ep(GVo - GV) = 0
⇒ f = fo + ep.GVo - ep.GV

(1.2)

Trong đó: GVo = Po.f(x)
- f(x): hàm tuyến tính (biến đổi giá trị cơng suất đặt sang vị trí secvo
Để thuận tiện cho sử dụng phản hồi công suất:
Khi hệ thống ổn định ε = 0 hay f = fo + ep.Po – ep.P

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

(1.3)

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

17
Từ phương trình (1.3) ta có đặc tính điều chỉnh Turbine - máy phát trong
trường hợp này có dạng sau:

P01

P02

Hình I.5: Đường đặc tính điều chỉnh tần số Turbine - máy phát
Đặc tính biểu diễn những điểm làm việc của máy phát ứng với các giá trị
khác nhau của tần số f. Khi thay đổi công suất đặt từ P 01→P02, đặc tính sẽ chuyển từ
đường số (1) sang đường số (2). Như vậy, với loại Turbine như trên hệ thống vẫn ổn
định khi f ≠ fo. Từ (1.3) ta thấy khi f = fo thì P = Po
Vậy đặc điểm của bộ điều tốc trong trường hợp này là:
- P = 0:

f > fo

- P = Po:

f = fo

- P = Pmax:

f < fo

- 0 < P < Pmax

f2 < f < f1

Trong đó:
- f1: là tần số giới hạn trên
- f2: là tần số giới hạn dưới
Từ sơ đồ đặc tính điều chỉnh Turbine, ta thấy nếu đặt ep = 0 thì sơ đồ vẽ có
dạng như khi làm việc ở lưới độc lập.

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

18
I.1.2 Điều tốc trong ổn định tần số
Nhiệm vụ chính của bộ điều tốc là giữ cho tốc độ quay của Rotor - Máy phát
là khơng đổi khi có sự thay đổi của phụ tải
Từ biểu thức tính tần số của máy phát điện xoay chiều:
f =

n.p
60

Trong đó:
- f: là tần số máy phát xoay chiều (Hz)
- n: tốc độ quay của Rotor máy phát (v/ph)
- p: Số đôi cực của máy phát
Ta thấy vì số đơi cực của máy phát là không đổi nên muốn đảm bảo tần số
không đổi (thay đổi trong phạm vi cho phép) thì ta phải ổn định tốc độ quay của
Rotor.
Rotor của máy phát được nối vào trục Turbine, dưới tác dụng của năng lượng
dòng nước làm Turbine quay và Rotor quay theo. Lúc này phương trình động lực
được xác định trên trục Turbine - Máy phát là:

M đ − M c = J.

dω
dt

Trong đó:
- Mđ: Mơmen động lực có tác dụng làm cho Turbine quay
- Mc: Mômen cản trên trục Turbine - Máy phát gồm:
+ Mômen cản do ma sát
+ Mômen điện từ: mômen này do dòng điện chạy trong phần
ứng của máy phát và nó thay đổi khi phụ tải thay đổi.
+ J: là mơmen qn tính quy đổi về trục Turbine
+ ω: là tốc độ góc của Rotor - máy phát được xác định:
Từ phương trình trên ta thấy số vịng quay không đổi khi

dω
= 0 nghĩa là
dt

mômen động lực bằng mômen cản hay công suất Turbine bằng công suất của phụ
tải máy phát, do công suất của phụ tải thay đổi liên tục nên muốn đảm bảo tần số

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chun ngành tự động hóa

19
khơng thay đổi ta phải điều chỉnh công suất của Turbine cho phù hợp, cơng suất của
Turbine do dịng nước cung cấp được xác định
NTB = 9,81.η.Q.H

(1.4)

Trong đó:
- η: Hiệu suất sử dụng cột nước của Turbine
- Q: Lưu lượng dòng nước (m3/s)
- H: Chiều cao cột nước (m)
- NTB: Công suất Turbine (KW)
Từ cơng thức (1.4) ta có thể thay đổi thông số η, Q, H để điều chỉnh công
suất của Turbine. Việc thay đổi thông số Q là tiện lợi nhất:
Lưu lượng Q của dòng nước qua tiết diện S được tính như sau:
Q = V.S (m3/s)
Trong đó:
- V: là vận tốc dòng chảy qua tiết diện S(m/s)
- S: là tiết diện mặt cắt ngang dòng nước (m2)
Mặt khác ta có:
V = 2 g .H

Vì độ cao của cột nước H hầu như không thay đổi trong khoảng thời gian ta
xét nên vận tốc dòng chảy qua Turbine là không đổi
Vậy để điều chỉnh Q dẫn đến thay đổi tốc độ thì người ta phải thay đổi tiết
diện dịng chảy khi ra khỏi đường ống
Như vậy: Điều tốc cho Turbine thủy lực là điều chỉnh lưu lượng nước vào
Turbine để giữ cho tốc độ quay Rotor máy phát không đổi khi tốc độ thay đổi. Nói
cách khác là giữ cho tần số máy phát không đổi khi tần số lưới thay đổi.

I.1.3 Phân loại các loại điều tốc
I.1.3.1 Trên cơ sở truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cơ cấu
điều chỉnh có thể phân loại:
- Bộ điều tốc hoạt động trực tiếp
- Bộ điều tốc hoạt động gián tiếp

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

20
Nếu khớp trượt của bộ điều chỉnh nối trực tiếp với cơ cấu điều chỉnh của đối
tượng thì bộ điều tốc loại này là bộ điều tốc hoạt động trực tiếp. Còn bộ điều tốc
được trang bị thêm động cơ trợ động nối giữa khớp trượt của bộ điều chỉnh và cơ
cấu điều chỉnh của đối tượng gọi là bộ điều tốc hoạt động gián tiếp.
I.1.3.2 Trên cơ sở hoạt động của bộ điều chỉnh có thể phân loại:
- Bộ điều tốc một chế độ
- Bộ điều tốc hai chế độ
- Bộ điều tốc nhiều chế độ
- Bộ điều tốc giới hạn
I.1.3.3 Dựa trên cơ sở tín hiệu cơng tác của phần tử điều chỉnh
Trên thực tế có thể các bộ điều tốc được chế tạo dựa trên ứng dụng các tín
hiệu cơng tác khác nhau: chẳng hạn bộ điều tốc đó có thể sử dụng tín hiệu thủy lực,
cơ học hoặc điện để truyền các thông tin. Do vậy, dựa trên các loại tín hiệu cơng tác
khác nhau có thể phân loại:

- Bộ điều tốc cơ học
- Bộ điều tốc khí nén
- Bộ điều tốc thủy lực
- Bộ điều tốc điện tử
I.1.3.4 Trên cơ sở nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh vịng quay có thể
phân loại thành:
- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý độ lệch
- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý bù nhiễu
- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý kết hợp
I.1.3.5 Dựa trên cơ sở sử dụng các loại phản hồi khác nhau có thể phân
loại:
- Bộ điều tốc có liên hệ ngược cứng
- Bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm
- Bộ điều tốc có liên hệ ngược tổng hợp

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

21
I.1.4 Các thơng số của bộ điều tốc
Bộ điều tốc có tác dụng giữ cho vịng quay khơng thay đổi hay thay đổi do
tác động của con người, không phụ thuộc vào tải. Đặc tính của bộ điều tốc được đặc
trưng bởi một số thông số chủ yếu sau:
Độ sai lệch

Độ sai lệch δ trong q trình điều chỉnh vịng quay là tỷ số độ chênh giữa
vòng quay động cơ khi tăng từ khơng đến tồn tải với vịng quay trung bình:
δ=

Trong đó:

nkt − nH
ntb

- nkt: vịng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ không tải, v/ph
- nH: vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ định mức, v/ph

- ntb =

nkt + n H
vòng quay trung bình, v/ph
2

δ là mức độ sai số tĩnh của bộ điều tốc, nó đặc trưng cho khả năng duy trì
vịng quay ban đầu, δ càng nhỏ chất lượng bộ điều tốc càng cao, tuy nhiên khi đó
thời gian điều chỉnh tăng lên. Trong trường hợp đường đặc tính điều tốc vng góc
với trục hồnh (δ = 0) gọi là đặc tính siêu tĩnh hay phi tĩnh (đặc tính isodrom).
Trong trường hợp đường đặc tính điều tốc có độ dốc (δ > 0) gọi là đặc tính tĩnh.
Độ rộng vùng khơng nhạy
Nếu có lực ma sát, khi vận tốc góc động cơ thay đổi rất ít cũng làm dịch
chuyển các có cấu bộ điều tốc. Thực tế do ảnh hưởng lực ma sát trong các cơ cấu
của bộ điều tốc và cơ cấu điều khiển thủy lực nên khi vận tốc góc thay đổi nhỏ, bộ
điều tốc khơng có phản ứng gì. Giới hạn thay đổi vận tốc góc tương ứng vùng
khơng có phản ứng gọi là khi vực khơng nhạy. Chiều rộng khu vực không nhạy thể
hiện bằng độ nhạy của bộ điều tốc εkn:

ε kn =

'
''
ω cb − ω cb
ω cb

; ε cb

'
''
ω cb + ω cb
=
2

Trong đó, ω’cb, ω’’cb giá trị vận tốc góc tại các điểm biên của khu vực khơng
nhạy khi tăng và giảm vịng quay động cơ

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

22
Trong các bộ điều tốc hiện đại lực ma sát khô rất nhỏ. Trong điều kiện làm
việc độc lập, độ không nhạy ảnh hưởng không nhiều tới chất lượng làm việc của

động cơ. Khi làm việc song song, chỉ cần có độ khơng nhạy nhỏ cũng có thể gây ra
độ sai lệch lớn về cơng suất giữa các động cơ vì chế độ cân bằng của hệ thống điều
chỉnh có thể được xác lập ở bất kỳ chế độ phụ tải nào trong khu vực không nhạy của
động cơ
Độ không nhạy của bộ điều tốc tăng lên phụ thuộc vào thời gian khai thác
động cơ và bảo dưỡng. Với các động cơ làm việc song song mặc dù động cơ còn
mới, bộ điều tốc giống nhau nhưng vùng không nhạy không hoàn toàn giống nhau
nên khi hiệu chỉnh cần phải xem xét cẩn thận.
Độ thay đổi vòng quay lớn nhất ϕ là tỉ số giữa biên độ dao động vòng quay lớn nhất
(vận tốc góc lớn nhất) trong thời gian chuyển tiếp với vòng quay định mức:
ϕ=

∆ω dd ∆ndd
=
ωH
nH

∆ndd(∆ωdd) biên độ dao động vịng quay (vận tốc góc) lớn nhất trong q
trình chuyển tiếp
Giá trị độ thay đổi vịng quay tương đối lớn nhất ϕ phụ thuộc vào chất lượng
bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định
Độ khơng ổn định vịng quay tương đối
Độ khơng ổn định vịng quay tương đối Ψ là tỉ số giữa biên độ vòng quay khi
động cơ làm việc ứng với chế độ ổn định với vòng quay ổn định tương đối (định
mức, không tải v.v..)
Ψ=

∆ω S
∆ω S
hay Ψ = ω

ωH
kt

Trong đó:
∆ωs: Biên độ dao động vận tốc góc ứng với chế độ ổn định
ωH,ωkt: vận tốc góc ứng với chế độ ổn định (Chế độ định mức và không tải)
Thời gian điều chỉnh

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

23
Thời gian điều chỉnh tct là thời gian tính từ lúc bắt đầu thay đổi tải tới lúc
biên độ dao động vịng quay nằm trong giới hạn khơng ổn định cho phép. Thời gian
tct cũng phụ thuộc vào loại và chất lượng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ
thay đổi tải theo quy định
I.1.5 Giới thiệu một số bộ điều tốc
I.1.5.1 Điều tốc cơ khí
Các phần chính của máy điều tốc bao gồm phần dẫn động và phần điều
chỉnh. Phần dẫn động được cấu tạo bởi các bộ phận cơ khí và các thiết bị điều khiển
như bộ chuyển đổi, van khởi động/dừng, van điều khiển, pít-tơng điều khiển và van
phân phối... Phần dẫn động điều khiển về cơ khí góc mở của cánh hướng bằng cách
điều chỉnh lượng dầu áp lực vào servomotor, nó đóng mở cánh hướng của tua bin
theo tín hiệu điều khiển từ phần điều chỉnh. Phần điều chỉnh được cấu tạo bởi các

bộ phận điện và điện tử như các bản mạch và hệ thống dây nối. Phần điều chỉnh
nhận tín hiệu đo tốc độ quay của tua bin và góc mở của cánh hướng..., dựa vào các
tín hiệu đó, nó phát ra tín hiệu điện tử tác động điều khiển chính xác và đưa tới phần
dẫn động.
Hình I.6 minh họa sơ đồ khối của hệ thống điều khiển hoàn chỉnh cùng đối
tượng chấp hành chịu tác động điều khiển từ máy điều tốc. Có hai loại phản hồi,
phản hồi cứng và phản hồi mềm. Cơ cấu phản hồi mềm chủ yếu làm việc trong quá
trình vận hành ổn định trước khi máy phát chuyển sang chế độ làm việc song song.
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 khơi
phục tần số của hệ thống.
Hình I.7 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. Khi servomotor đóng lại, điểm tựa
phản hồi của đòn nối được nâng lên theo cơ cấu cam, địn nối chuyển động từ vị trí
được vẽ bằng đường nét chấm gạch tới vị trí được vẽ bằng nét đứt. Tốc độ quay sau
đó giảm xuống và địn nối trở lại vị trí được vẽ bằng nét liền.

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chun ngành tự động hóa

24

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

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chun ngành tự động hóa

25

Hình I.7: Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí
I.1.5.2 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.
I.2 Hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Bình Điền
Hệ thơng điều tốc của nhà máy thủy điện Bình Điền được chia làm hai phần
rõ rệt là phần động lực và phần điều khiển

CBHDKH: PGS.TS. Võ Quang Lạp

HVTH: Nguyễn Tâm Phương