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
ω
ω
Ψ
+ = − + Ψ
Ψ
+ = − − Ψ
d
d S d r q
q
q S q r d
d
i R u
dt
d
i R u
dt
(2.18)
Hệ phương trình phần rotor:
Ψ
= −
Ψ
= −
Ψ
− = −
D
D D
Q
Q Q
f
f f f
d
I R
dt
d
I R
dt
d
I R U
dt
(2.19)
Thành phần zero được xác định như sau :
0 0
0 0s s
d di
R i u L
dt dt
Ψ
+ = − = −
σ
(2.20)
Trong đó:
0
3
a b c
i i i
i
+ +
=
( )
( )
( )
( )
( )
σ
σ
σ
σ
σ
Ψ = + + +
Ψ = + +
Ψ = + + +
Ψ = + + +
Ψ = + +
d s d dm d D f
q s q qm d Q
f f q dm d D f
D D D dm d D f
Q s Q qm d Q
L i L i I I
L i L i I
L i L i I I
L I L i I I
L I L i I
(2.21)
Phương trình chuyển động:
3
( )
2
ω
= + Ψ − Ψ
r
c d q q d
dJ
T p i i
p dt
(2.25)
Biểu diễn các đại lượng vector trong hệ phương trình (2.32),(2.33)
trên hình 2-4:
9
Ψ = Ψ + Ψ
= +
= +
so
do do
so
do do
so
do do
j
i i ji
u u ju
(2.34)
Phương trình (2.18) biểu diễn dưới dạng vector:
so
so so
s r
u R i j= − − Ψ
ω
(2.35)
2.1.3. Mô hình mạch thay thế tương đương
Thay thế đạo hàm d/dt bởi toán tử laplace . Phương trình (2.27) trở
thành:
0 0 0 0
; ( )
; ( )
( )
σ
σ
σ
σ
σ
ω
Ψ = +Ψ Ψ = + +
Ψ = + Ψ Ψ = +
Ψ = + Ψ
Ψ = + Ψ
Ψ = + Ψ
+ = −
d s d dm dm dm d D f
q s q qm qm qm d Q
f f q dm
D D D dm
Q s Q qm
b
L i L i I I
L i L i I
L i
L I
L I
s
R L i u
(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
( )
dQaqqqDadktaddd
b
d
Riixixixixixpu
−−+++−=
ω
1
( )
qDadktadddQaqqq
b
q
Riixixixixixpu
−++−+−=
ω
1
( )
ktktktktDadktktdad
b
kt
iRixixixixpu ++++−=
ω
1
(2.39)
( )
DDDDktktdad
b
iRixixixp +++−=
ω
1
0
( )
QQQQqtaq
b
iRixixp ++−=
ω
1
0
10
Trong đó:
R, R
kt
, R
D
, R
Q
: Điện trở thuần cuộn phần ứng và cuộn kích từ, các cuộn
ổn định trục dọc và trục ngang
i
d
, i
q
: Dòng điện trục d, trục q của phần ứng
i
kt
, i
D
, i
Q
: Dòng cuộn kích từ, cuộn ổn định trục dọc và trục ngang
x
d
, x
q
, x
ad
: Trở kháng trục dọc ,trục ngang và tương hỗ
b. Mô hình bộ điều chỉnh điện áp
( ) ( )
KDktU
I
dIUqUqIUdU
IU
IU
kt
KEixIKxUKIKxUK
xx
x
u
∆−
−++−
+
=
2
1
2
2
22
1
β
β
(2.40)
( )
N
UU
Tp
K
E −
+
=∆
1
(2.41)
c. Mô hình bộ điều tốc hoạt động gián tiếp có van tiết lưu
epM
m
dt
ds
T
−=
µ
ηµ
µ
=+
p
p
C
dt
d
T
( )
0
01
2
2
2
=++−+++ ss
dt
d
T
dt
d
T
pp
p
T
p
i
ξµδδµ
µµ
(2.42)
pK
dt
d
T
µξ
ξ
=+
d. Phương trình cân bằng chuyển động hệ thống
EDM
MM
dt
d
T −=
ω
(2.43)
e. Phương trình tải trạm điện
qptpt
dptpt
dptptdpt
Ix
dt
dIx
IrU
−+−=
.
ω
11
qdtpt
qptpt
qptptqpt
Ix
dt
dIx
IrU −+−= .
ω
(2.44)
{
( )
( )
( )
}
qrrqsrsdrrqrqssrsdssrdsrds
iLMiMiMRMiiLLiRLuLapi
+−−+++−=
ωωω
{ ( ) ( ) ( ) }
drrdsrsqrrdrdssrsqssrqsrqs
iLMiMiMRMiiLLiRLuLapi
+−−+++−=
ωωω
(2.45)
{
( )
( )
( )
}
qrrqssrsdrsrqrqsssdssdsdr
iLMiLiLRMiiLMiMRuMapi
+−+−+−+−=
ωωω
{ ( ) ( ) ( ) }
drrdssrsqrsrdrdsssqssqsqr
iLMiLiLRMiiLMiMRuMapi
+−−−+++−=
ωωω
( )
cdsqrqsdrr
MIIiIMJp =−−
2
3
ω
2.3. Mô hình toán hệ thống tự động điều chỉnh điện áp của máy phát
Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp xây dựng có sơ đồ như [18] hình
2.6
( ) ( )
KDktU
I
qIUdbaqIUdba
IU
IU
kt
KEixIKxUKIKxUK
xx
x
u .
1
2
1
2
2
22
∆−
−++−
+
=
β
β
2.4. Phân tích hệ thống điều chỉnh công suất và điện áp trong mát
phát thuỷ điện
2.4.1. Điều chỉnh sông suất tác dụng P
Trường hợp máy phát điện làm việc trong hệ thống điện có công suất
vô cùng lớn với u, f = const. Đặc tính góc công suất tác dụng: Là quan
hệ P = f (
)
θ
khi E
0
= const; u = const, trong đó
θ
là góc tải giữa các
véc tơ suất điện động E
0
và điện áp U. Công suất của máy đồng bộ ở
đầu cực máy:
P = mU I cos ϕ
Đối với máy cực lồi và với rư = 0 vì trị số rư rất nhỏ so với các điện
kháng đồng bộ ( X
db
, X
d
, X
q
) thì có.
12
d
d
UE
I
×
−
=
θ
cos
0
(2.71)
sin
q
q
U
I
θ
=
×
(2.72)
Và
θϕ
−Ψ=
(2.73)
Do đó:
P = m U I cos
ϕ
(2.74)
P = m U I cos (
)
ψ θ
−
(2.75a)
P = m U ( I cos
)sinsincos
θψθψ
I+
(2.75b)
P = m U (
)sincos
θθ
dq
II +
(2.75c)
2 2
0
sin cos sin sin cos
q d d
mE U
mU mU
P
θ θ θ θ θ
= + −
× × ×
(2.75d)
2
1 1
sin sin 2
2
o
d q d
mUE
mU
P
θ θ
= + −
÷
÷
× × ×
(2.75e)
P= P
e
+ P
u
(2.75f)
Trong hệ đơn vị tương đối có:
θθ
2sin
11
2
sin
**
2
*
*
*0
×
−
×
+
×
=
dqd
x
U
UE
P
(2.75)
13
Từ biểu thức (2.75f) cho thấy công suất tác dụng của máy cực lồi
gồm hai thành phần: Thành phần P
e
tỷ lệ với sin
θ
và phụ thuộc vào E0
( hoặc it) và thành phần Pu tỷ lệ với sin 2θ và không phụ thuộc vào E
0
( hoặc i
t
)
Như vậy muốn điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát thì phải
thay đổi góc
θ
, nghĩa là giao điểm A bằng cách thay đổi công suất cơ
trên trục máy.
Áp dụng điều kiện này với biểu thức (2.75) của máy phát cực lồi thì có
thể suy ra được góc
θ
m xác định bởi:
2 2
8
4
A B A
Cos m
B
θ
+ −
=
(2.76)
Trong đó:
0
d
mE U
A
X
=
(2.77)
2
1 1
q d
B mU
X X
= −
÷
÷
(2.78)
Và
2
0
1 1
sin sin2
2
m
d q d
mUE
mU
P m m
X X X
θ θ
= + −
÷
÷
(2.79)
Công suất chỉnh bộ máy phát cực lồi
2
0
1 1
cos cos2
cb
d q d
mUE
P mU
X X X
θ θ
= + −
÷
÷
(2.80)
2.4.2. Điều chỉnh công suất phản kháng Q
Khi điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ làm
việc trong lưới đện vô cùng lớn (u = const; f = const) khi công suất tác
dụng của máy phát được giữ không đổi bỏ qua tổn hao trên dây quấn
phần ứng (r
ư
= 0). Trong trường hợp này, đồ thị vectơ suất điện động có
dạng sau :
14
0
1
sin
d
mUE
P P const
X
θ
= ≈ =
(2.81)
Với mỗi trị số của p = const, thay đổi Q và vẽ đồ thị vecto 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 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. 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.
15
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 tạp (Nếu dùng động cơ sơ cấp 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 T
e
nhỏ do đó khả năng đáp ứng của hệ thống rất
nhanh tạo điều kiện để 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 vành góp chổi than như đầu ra của
AVR
3.2.2. Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp tự động AVR
* Mô hình của bộ AVR trong thực tế
a. Thuyết minh sơ đồ khối của bộ AVR
* Khối điều khiển
* Khối giới hạn
* Khối tạo điện áp đặt
b.Thiết kế khối điều khiển chính (Controler)
* Sơ đồ bộ điều khiển
- Tín hiệu điện áp đặt U
ref
được tạo ra bởi khối đặt điện áp (SETPOIN)
16
- Tín hiệu điện áp đầu cực máy phát U
s
được lấy về từ khối tính
toán(CALCULATE)
- Tín hiệu giới hạn U
OEL
và U
UEL
được lấy từ khối giới hạn (LIMITER)
- Tín hiệu ra V
f
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 giúp chình quá trình chuyển đổi chế độ làm việc từ từ
không gây biến động mạnh.
* Mô hình bộ biến đổi bộ chỉnh lưu
Hàm truyền bộ chỉnh lưu:
W
CL
=
110*4
1
1
1
3
+
=
+
−
p
pT
c
(3.1)
* Bộ điều khiển chính PI
Hàm truyền bộ PI:
( )
P
Ki
PI s K
s
= +
(3.2)
Tiến hành chọn tham số theo phương pháp Ziegler Nichols 1
+ Cho tác động tín hiệu vào là xung step
+ Xác định tín hiệu ra có dạng gần với khâu quán tính bậc 1 có trễ
.
( )
1
s
DT
K e
W s
Ts
τ
−
=
+
(3.3)
+ Xác định các tham số T và τ bằng cách kẻ tiếp tuyến tại điểm uốn
- Tính toán các tham số của bộ PI theo công thức:
K
p
= 0,9T/(Kτ) (3.4)
T
I
= 10τ/3->K
I
=3/(10τ) (3.5)
- Các tham số thực nghiệm
17
K =1, T = 6s, τ = 0,2s
- Từ đó ta tính được
K
p
= 0.9*6/0.2 = 27
K
I
= 3/(10*0.2) = 1.5
* Khâu lựa chọn giá trị cao và thấp
- Lựa chọn giá trị thấp (LV Gate): Khâu này có tác dụng so sánh hai
giá trị đầu vào và đầu ra giá trị nhỏ nhất.
- Lựa chọn giá trị cao (HV Gate): Khâu này có tác dụng so sánh hai
giá trị đầu vào và đưa ra đầu ra giá trị lớn nhất.
c.Thiết kế khối chuyển đổi và tính toán (Caculate)
* Sơ đồ khối tính toán
* Khâu tính toán sin – cos
* Khâu chuyển đổi điện áp dòng điện abc2dq
Khâu này có tác dụng chuyển đổi các giá trị điện áp trong hệ trục ba
pha sang hệ vuông góc d,q theo phép biến đổi Park
( )
0
2 2 2
sin sin sin
3 3 3
2 2 2
cos cos cos
3 3 3
1
3
d A B C
q A B C
A B C
U U U U
U U U U
U U U U
π π
γ γ γ
π π
γ γ γ
= + − + +
÷ ÷
= + − + +
÷ ÷
= + +
(3.6)
Tương tự ta có phép biển đổi đối với dòng điện stator
2 2 2
sin sin sin
3 3 3
d A B C
I I I I
π
γ γ γ
= + − + +
÷ ÷
2 2 2
cos cos cos
3 3 3
q A B C
I I I I
π π
γ γ γ
= + − + +
÷ ÷
( 3.7)
( )
0
1
3
A B C
I I I I= + +
Sau khi đã tính được U
dq
, I
dq
ta sẽ tính được:
18
2 2
t d q
U U U
= +
(3.8)
2 2
t d q
I I I= +
(3.9)
* Khâu tính toán công suất phản kháng, công suất tác dụng
P = U
d
I
d
+ U
q
I
q
Q = U
q
I
d
– U
d
I
q
d.Thiết kế khối giới hạn (Limiter)
* Vai trò của các giới hạn
Công suất phát ra của máy phát là:
S = UI
*
= P + jQ (3.10)
S
2
= (UI)
2
= P
2
+ Q
2
(3.11)
*
*
0
s
E U
I
jX
δ
θ
∠ − ∠
=
÷
(3.12)
*
*
0
0
s
E U
S P jQ UI U
jX
δ
θ
∠ − ∠
= + = = ∠
÷
( )
*
cos 0 sin
0
s
E U jE
U
jX
δ δ
θ θ
− ∠ +
= ∠
=
2
sin cos
s s
E UE U
j
X X
δ δ
θ θ
−
+
2 2
2
2
s s
UE
U
P Q const
X X
δ
+ + = =
÷ ÷
* Khâu giới hạn tần số điện áp (V/f limiter)
Ta có đường đặc tính giới hạn tần số điện áp như sau:
Để giải quyết được yêu cầu trên thì bộ giới hạn V/f được thiết kế như
sau:
Phương trình của đường thẳng giới hạn:
( )
* _U f K f U fn K= + −
(3.13)
Trong đó: K : Hệ số góc của đường đặc tính V/f
19
U_fn : Điện áp ứng với tần số định mức
Utmax : Điện áp đặt lớn nhất
Các tham số thực tế: K = 09; U_fn = 1.1; Utmax = 1.1;
* Khâu giới hạn thiếu kích thích (UEL Limiter)
Sau đây là thiết kế chi tiết của khối giới hạn UEL
* Khâu giới hạn quá kích thích (OEL Limiter)
e. Thiết kế bộ đặt điện áp (Setpoin)
* Sơ đồ khối điện áp đặt
Để giải quyết được các yêu cầu đó khối đặt điện áp được thiết kế như
sau:
* Khâu tự động điều chỉnh công suất phản kháng (AQR)
Các tham số:
T
q
= 0,2: Hệ số lọc công suất phản kháng
K
q
= 0,01: Hệ số khuyêch đại
3.3.Xây dựng hệ thống ổn định công suất PSSs
Hệ thống ổn định điện PSS (Power System Stabilizers) làm giảm dao
động của roto máy phát bằng cách thêm tín hiệu ổn định phụ trợ (s),
chống lại sự thay đổi góc công suất. Tín hiệu đầu vào là tín hiệu tốc độ
và công suất điện qua bộ tích phân kết hợp với quán tính roto. PSS là
chức năng phụ của AVR, nó được lắp đặt để chống lại sự dao động của
hệ thống. Các bộ AVR có độ nhạy cao sẽ làm giảm kích từ quá thấp khi
điện áp lưới tăng cao, do đó làm mất sự ổn định của ngẫu lực và máy
phát có thể mất đồng bộ tiến tới dao động.
PSS cần thiết để góp phần vào việc giảm dao động của roto trên phạm
vi tần số chứ không phải duy nhất một tần số.
Lượng từ thông Ψ
f
(∆Ψ
f
, ∆δ, ∆ω
r
). Sau khi tuyến tính hóa:
1 2e f
T K K
δ ψ
∆ = ∆ + ∆
(3.15)
( )
3
4
3
1
f f
K
V K
sT
ψ δ
∆ = ∆ − ∆
+
(3.16)
20
Trong đó:
∆T
e
: Mô men SG có độ lệch nhỏ
∆δ: Góc độ lệch điện áp nhỏ
∆ψ
f
: Độ lệch SG liên kết thông lượng nhỏ
3 2 2 3 4
1
3 3
1 1
e f
K K K K K
T K V
sT sT
δ δ
∆ = ∆ + ∆ − ∆
+ +
(3.17)
3.4. Kết luận chương III
Chương 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KÍCH TỪ
4.1.Giới thiệu phần mềm mô phỏng
4.1.1. Mục đích của mô phỏng
Tiến hành mô phỏng theo 2 mô hình:
- Mô hình máy phát với phụ tải độc lập
- Mô hình máy phát hòa đồng bộ với lưới điện
4.1.2. Các tham số của máy phát
*Tham số máy phát
Công suất định mức P
đm
: 200
MVA
Điện áp định mức U
đm
:
13800V
Dòng điện stato định mức: 8370A
Tần số định mức f
đm
: 50Hz
Dòng điện kích từ không tải: 1087A
Điện trở mạch stato (P.u) : 0,00285p.u
Các tham số điện kháng dọc trục và ngang trục
X
d
= 1.305p.u; X
d
’
= 0.296p.u; X
d
’’
= 0.252p.u
X
q
= 0.474 p.u; X
q
’
= 0.243p.u; X
q
’’
= 0.18 p.u
Các hằng số thời gian trong quá trình quá độ và siêu quá độ
T
d
= 1.01 s ; T
d
’
= 0.053 s ; T
q0
’’
= 0.1s
21
*Tham số kích từ
Hệ số khuyếch đại bộ điều khiển chính K
A
= 300
Tham só xác lập kiểu điều chỉnh K
E
= 1.0
Hằng số thời gian bên trong của bộ điều chỉnh T
C
= 0
Hằng số đặc trưng cho bộ chỉnh lưu Xex
≈ 0.2 =
K
c
K
d
= 0.4
T
B
= 0
T
F
= 1.0 s
K
F
= 0.03
V
rmax
= 7.0
V
rmin
= 6.5
V
amax
=12.0
V
amin
= -12.0
T
E
=0.8
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 phát trong hệ đơn vị tương đối (P.u) đây là mô
hình chuẩn hóa có sẵn trong Matlab Simulink các tham số được nêu ở
mục (4.1.2)
- Mô hình bộ điều tốc tuabin
Đây là mô hình có sẵn trong Matlab Simulink. Trong đó bộ điều khiển
chính là một bộ PID với tham số đặt đầu vào là công suất tác dụng và
tốc độ quay của tuabin. Tín hiệu ra là công suất cơ để làm quay roto của
máy phát điện.
-Mô hình bộ điều chỉnh kích từ với bộ AVR
Đây là mô hình chính được thiết kế trong đồ án này.Cấu trúc của bộ
AVR đựơc trình bày ở phần trên. Trong phần mô phỏng này chỉ tiến
hành kiểm tra và hiệu chỉnh các tham số của bộ AVR.
- Mô hình bộ đo lường các tham số (Measure)
- Mô hình tải
- Khối hiển thị tham số
4.3. Kết quả mô phỏng hệ thống
4.3.1. Mô phỏng máy phát làm việc với phụ tải độc lập
22
* Đặc tính hệ kích từ máy phát với tải biến thiên
Qua quá trình lấy kết quả khảo sát tại thời điểm biến thiên lúc không
tải và khi có tải ta thấy:
- Tại thời điểm: P = 0,02 MW dùng thử nghiệm chạy không tải
- Tại thời điểm: t = 4s tải là 50MW/ 25 MVAR
- Tại thời điểm: t = 5s tải là 45MW/ 35MVAR
4.3.2.Mô phỏng khi máy phát hoà vào lưới điện hệ thống
Để tiến hành mô phỏng quá trình chuyển chế độ hoạt động ta cho máy
phát hoà đồng bộ với lưới theo phương pháp tự hoà đồng bộ trong chế
độ hoạt động AVR rồi tiến hành đóng phụ tải vào lưới điện đạt đến mức
độ làm việc ổn định. Quan sát ta thu được điện áp đầu cực máy phát và
dòng điện kích từ.
4.3.2.1 Mô hình mô phỏng
4.3.2.2.Đáp ứng của hệ thống khi hoà lưới
Qua quá trình lấy kết quả khảo sát tại thời điểm máy phát hoà đồng bộ
với lưới trong các trường hợp:
- Máy phát hòa đồng bộ không có PSS
- Máy phát hòa đồng bộ khi có PSS với đầu vào ∆ω
- Máy phát hòa đồng bộ khi có PSS với đầu vào ∆P
Tại thời điểm đóng tải: t = 10s tải là 200MW/ 100MVAR
* Kết quả mô phỏng
Power Syst em Stabilizer (PSS)
(generic model)
1
VS
Wash-outSensor
K
Overall
Gain
Limiter
T2n.s+1
T2d.s+1
Lead-lag #2
T1n.s+1
T1d.s+1
Lead-lag #1
1
In
4.4. Kết luận chương 4
Như vậy sau khi đã thiết kế xong chương III. Để kiểm chứng tính
đúng đắn của thiết kế trong chương 4 này ta đã tiến hành mô phỏng hệ
23
