Bài tập dài mô hình hóa nhà máy thủy điện đơn giản bằng MATLABSIMULINK

TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG
------------------

ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH HÓAVÀ MÔ PHỎNG NHÀ MÁY THỦY
ĐIỆN ĐƠN GIẢN. THIẾT KẾ BỘ ỔN ĐỊNH CHO HỆ THỐNG

GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN : TS.NGUYỄN NGỌC KHOÁT
SINH VIÊN THỰC HIỆN : NGUYỄN MINH TIẾN
NGUYỄN TRỌNG THÀNH
ĐẶNG VĂN THẮNG
VÕ ANH THẮNG
NGUYỄN VĂN TUẤN
PHAN ANH TÚ
LỚP

: Đ7 - CNTĐ1

Hà Nội, Tháng 5 – 2016


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 4
CHƢƠNG 1: NHU CẦU VÀ LỢI ÍCH CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ..........................5
CHƢƠNG 2: TUABIN THỦY LỰC ....................................................................................7
2.1: Mô hình toán học của hệ thống bộ điều chỉnh tuabin .................................................8
2.2: Mô hình hóa các bộ điều khiển ......................................................................................9

2.3: Mô hình hóa các hệ thống servo thủy điện ...................................................................9
2.3.1: Nguyên tắc hoạt động của động cơ servo .................................................................10
2.3.2: Mô hình toán học của động cơ servo ........................................................................11
2.4: Giới thiệu về tuabin thủy lực .......................................................................................12
2.4.1: Tuabin xung kích .......................................................................................................12
2.4.2: Tuabin phản lực .........................................................................................................13
2.4.3: Năng lƣợng và hiệu suất của tuabin .........................................................................13
2.5: Mô hình hóa các tua bin thủy lực ................................................................................14
2.6: Mô hình MATLAB / Simulink của bộ điều chỉnh tuabin thủy lực ..........................16
CHƢƠNG 3: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ ................................................................................17
3.1: Máy phát điện đồng bộ .................................................................................................17
3.2: Mô hình máy phát điện đồng bộ ..................................................................................17
2.3: Đầu vào và đầu ra của các khối ...................................................................................18
2.4: Thông số của máy đồng bộ trong MATLAB / Simulink ...........................................19
CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN..........................................................21
4.1: Hoạt động của nhà máy thủy điện nhỏ .......................................................................22
4.2: Mô hình MATLAB / Simulink của nhà máy thủy điện .............................................23
4.3: Đƣa thông số vào mô hình ............................................................................................23
CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT .....................................................................26
5.1: Kết quả mô phỏng .........................................................................................................26
5.2: Kết luận ..........................................................................................................................29

2


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

MỤC LỤC CÁC BẢNG

Tên bảng

Trang

Bảng 3.1: Các tín hiệu bộ tách kênh tại đầu cuối 'm' của một máy phát điện

19

Bảng 4.1: Bảng thông số khối HTG

23

Bảng 4.2: Thông số khối Excitation System (Hệ thống kích từ)

24

Bảng 4.3: Thông số Máy phát điện (200MVA, 13.8kV)

24

Bảng 4.4: Thông số máy biến áp

25

3


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

LỜI MỞ ĐẦU
Mô hình hóa và mô phỏng là một phương pháp nghiên cứu khóa học được ứng dụng
rất rộng rãi: Từ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đến vận hành các hệ thống. Ngày nay nhờ có sự
trợ giúp của các máy tính có tốc độ tính toán cao và bộ nhớ lớn mà phương pháp mô hình
hóa được phát triển mạnh mẽ, đưa lại hiệu quả to lớn trong nghiên cứu khoa học và thực
tiễn sản xuất. Mô hình hóa và mô phỏng được ứng dụng không những vào lĩnh vực khoa
học công nghệ mà còn ứng dụng có hiệu quả vào nhiều lĩnh vực khác nhau như quân sự,
kinh tế và xã hội...
Chính vì lý do này nên chúng em chọn đề tài “ Mô hình hóa, mô phỏng và điều
khiển một hệ thống điện (thủy điện - hydro turbine) đơn giản. Thiết kế bộ ổn định (power
system stabilizer) cho hệ thống điện này. Kiểm chứng hiệu quả của phương pháp nghiên
cứu sử dụng MATLAB/Simulink ” làm đề tài nghiên cứu bài tập dài của chúng em.
Mô hình hóa và mô phỏng là một lĩnh vực rất rộng và đang phát triển. Do thời gian
có hạn nên bài tập dài của chúng em vẫn có sự thiếu sót mong
Dù đã rất cố gắng và nỗ lực để thực hiện đề tài này, nhưng do kiến thức và thời gian
có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế, vì vậy chúng em rất mong nhận
được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô cùng các bạn.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Trọng Thành làm chƣơng 1
Võ Anh Thắng làm từ 2.1 đến 2.4
Phan Anh Tú làm làm 2.4 đến 2.6
Nguyễn Minh Tiến làm chƣơng 3
Nguyễn Văn Tuấn làm chƣơng 4
Đặng Văn Thắng làm chƣơng 5

4


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

CHƢƠNG 1: NHU CẦU VÀ LỢI ÍCH CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
Nhu cầu năng lượng đã tăng lên đáng kể trong thế kỷ vừa qua và dự kiến sẽ tăng
trưởng nhanh hơn và đáng kể trong tương lai gần. Trên cơ sở hạn chế và bổ sung các nguồn
năng lượng được phân loại thành hai loại: Nguồn năng lượng không thể tái tạo và nguồn
năng lượng tái tạo được.
Các nguồn năng lượng không tái tạo là một nguồn tài nguyên thiên nhiên mà không
thể sản xuất được và tồn tại của nó có giới hạn, nơi mà các nguồn năng lượng tái tạo là một
nguồn tài nguyên thiên nhiên có thể được bổ sung một cách tự nhiên.
Ví dụ về các nguồn năng lượng không tái tạo được là dầu mỏ, khí tự nhiên, than,
uranium, propan,…và ví dụ về các nguồn năng lượng tái tạo là sinh học, năng lượng mặt
trời, thủy điện, địa nhiệt, năng lượng thủy triều…Năng lượng không thể tái tạo là nguồn
năng lượng chính cho sản xuất điện. Trong đó 32% tổng lượng nhiên liệu hóa thạch toàn
cầu được dùng để sản xuất điện và 40% sản lượng điện sản xuất trên toàn thế giới bởi các
nhà máy điện dùng than và 20% do các nhà máy điện dùng khí đốt. Ngày nay, chúng ta
không thể tưởng tượng một cuộc sống mà không sử dụng các nhiên liệu hóa thạch. Do tiêu
thụ nhiên liệu hóa thạch, môi trường ngày càng bị ô nhiễm và thậm chí nó ảnh hưởng đến
sức khỏe con người trực tiếp do hít vào khói thải. Sự phát xạ hạt bụi sau khi đốt gây ra bệnh
ung thư phổi và ung thư bàng quang. Ô nhiễm không khí đã trở thành một vấn đề nghiêm
trọng ở nhiều nước đang phát triển. Sử dụng các nguồn năng lượng xanh giảm tỷ lệ của sự
nóng lên toàn cầu. Gió, mặt trời, thủy điện, sóng biển, địa nhiệt và thủy triều là một số trong
những hình thức của các nguồn năng lượng tái tạo.
Ở việt nam về cơ cấu tiêu thụ điện, công nghiệp tiếp tục là ngành chiếm tỉ trọng tiêu
thụ điện năng nhiều nhất với tốc độ tăng từ 47.4% lên đến 52% tổng sản lượng tiêu thụ điện
tương ứng trong năm 2006 và 2010. Tiêu thụ điện hộ gia đình chiếm tỉ trọng lớn thứ hai
nhưng có xu hướng giảm nhẹ do tốc độ công nghiệp hoá nhanh của Việt Nam, từ 42.9%
năm 2006 thành 38.2% năm 2010. Phần còn lại dịch vụ, nông nghiệp và các ngành khác
chiếm khoảng 10% tổng sản lượng tiêu thụ điện năng. Để có thể đáp ứng được nhu cầu điện

năng, Chính phủ Việt Nam đã đề ra mục tiêu cụ thể về sản xuất và nhập khẩu cho ngành
điện. Trong Tổng sơ đồ VII cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030 các mục tiêu bao gồm:
1) Sản xuất và nhập khẩu tổng cộng 194 - 210 tỉ kWh đến năm 2015, 330 - 362 tỉ kWh năm
2020, và 695 - 834 tỉ kWh năm 2030.
5


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

2) Ưu tiên sản xuất điện từ nguồn năng lượng tái tạo bằng cách tăng tỷ lệ điện năng sản xuất
từ nguồn năng lượng này từ mức 3.5% năm 2010 lên 4.5% tổng điện năng sản xuất vào năm
2020 và 6% vào năm 2030.
3) Giảm hệ số đàn hồi điện/GDP từ bình quân 2.0 hiện nay xuống còn bằng 1.5 năm 2015
và 1.0 năm 2020.
4) Đẩy nhanh chương trình điện khí hoá nông thôn miền núi đảm bảo đến năm 2020 hầu hết
số hộ dân nông thôn có điện.
Các chiến lược được áp dụng để đạt các mục tiêu nói trên cũng đã được đề ra bao gồm:
1) Đa dạng hoá các nguồn sản xuất điện nội địa bao gồm các nguồn điện truyền thống (như
than và ga) và các nguồn mới (như Năng lượng tái tạo và điện nguyên tử).
2) Phát triển cân đối công suất nguồn trên từng miền: Bắc Trung và Nam, đảm bảo độ tin
cậy cung cấp điện trên từng hệ thống điện miền nhằm giảm tổn thất truyền tải, chia sẻ công
suất nguồn dự trữ và khai thác hiệu quả các nhà máy thuỷ điện trong các mùa.
3) Phát triển nguồn điện mới đi đôi với đổi mới công nghệ các nhà máy đang vận hành.
4) Đa dạng hoá các hình thức đầu tư phát triển nguồn điện nhằm tăng cường cạnh tranh
nâng cao hiệu quả kinh tế;
Cơ cấu các nguồn điện cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030 đã được đề ra trong
đó nguồn nhiên liệu quan trọng nhất vẫn là than và nhiệt điện. Điện nguyên tử và năng
lượng tái tạo chiếm tỉ trọng tương đối cao vào giai đoạn 2010-2020 và sẽ dần trở nên tương

đối quan trọng trong giai đoạn 2020-2030. Thuỷ điện vẫn duy trì thị phần không đổi trong
giai đoạn 2010-2020 và 2020-2030 vì thuỷ điện gần như đã được khai thác hết trên toàn
quốc. Việt nam là một nước đang phát triển nên nhu cầu năng lượng rất cao. Việc thiết kế và
xây dựng nhà máy thủy điện với những cải tiến về công nghệ giúp năng suất sản xuất điện
năng tăng cao và ổn định hơn là một việc cần thiết hiện nay song song với việc thiết kế và
xây dựng các nguồn năng lượng sạch.

6


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

CHƢƠNG 2: TUABIN THỦY LỰC
Nhà máy thủy điện là nguồn năng lượng trong hệ thống điện. Nó có hai phần chính,
thứ nhất là các phần cơ khí của nhà máy bao gồm tuabin thuỷ lực, đường ống áp lực, điều
khiển, động cơ servo thủy lực, van điều khiển,...Phần thứ hai của nhà máy là phần điện mà
chủ yếu bao gồm máy phát và tải. Các hình thức kết hợp của tua bin thủy lực, điều khiển và
hệ thống servo thủy điện được biết bộ điều chỉnh tuabin thủy điện.
Chức năng của một bộ điều chỉnh tuabin thuỷ điện là kiểm soát tốc độ của tuabin qua
tín hiệu phản hồi của tốc độ. Các tần số được tạo ra tỷ lệ thuận với tốc độ quay của tuabin.
Vì vậy, để duy trì tần số được tạo ra liên tục ở 50Hz thì tốc độ phải được luân chuyển liên
tục. Tuabin được nối với trục của máy phát điện, các dữ liệu về tốc độ phát được cảm nhận
bởi máy đo tốc độ và gửi trở lại bộ điều chỉnh tuabin. Bộ điều chỉnh tuabin so sánh với giá
trị thực tế và tham khảo các tín hiệu tốc độ và điều chỉnh lưu lượng nước để duy trì tốc độ ở
mức độ chính xác. Sự thay đổi trong tốc độ của tuabin có thể kéo hệ thống hướng tới sự bất
ổn. Bộ điều chỉnh tương đối nhỏ về kích thước nhưng nhanh hơn để đáp ứng với các lỗi về
tốc độ. Sự biến động của tốc độ của máy phát điện đối với tốc độ đồng bộ được gọi là sự
dao động. Hiện tượng này về cơ bản xảy ra do thiếu sự kiểm soát của bộ điều chỉnh.

Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng của một nhà máy điện thủy điện
Hình 2.1 cho thấy một sơ đồ khối hoàn toàn của nhà máy thủy điện. Nước được lưu
trữ tại hồ chứa. Năng lượng của nước được chuyển thành động năng khi nó được xả ra khỏi
hồ chứa và đi qua các đường ống áp lực. Động năng này được chuyển đổi thành năng lượng
cơ học cho phép nước rơi trên cánh quạt của tuabin. Bên cạnh đó trục của máy phát điện
được nối với trục của tuabin khi tuabin quay làm quay máy phát điện tạo ra điện năng, máy
phát điện sản xuất năng lượng điện bằng cách chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng
lượng điện. Các hệ thống điều chỉnh tốc độ tuabin điều chỉnh tốc độ máy phát điện dựa trên
7


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

các tín hiệu phản hồi độ lệch tần số của hệ thống với các thiết lập ban đầu. Điều này đảm
bảo phát điện tại tần số đồng bộ.
2.1: Mô hình toán học của hệ thống bộ điều chỉnh tuabin
Do sự thay đổi của tải trong thời gian vận hành nên tần số được tạo ra các hệ thống
dao động. Bộ điều chỉnh tuabin được sử dụng để duy trì tốc độ của tuabin liên tục do đó tần
số và điện năng hoạt động phải đáp ứng khi tải thay đổi. Bộ điều chỉnh tuabin quy định đầu
vào là nước sẽ đi vào tua bin, sau đó làm quay máy phát điện để sản xuất điện. Phần này thể
hiện chi tiết các mô hình cơ học của hệ thống điều khiển tuabin thủy lực. Một mô hình toán
học của một hệ thống thủy lực bao gồm cả các tuabin đường ống áp lực và hệ thống điều
khiển được giới thiệu ở đây. Để điều chỉnh việc mở cửa của các cửa van, động cơ servo điều
khiển van. Các động cơ servo được kích hoạt bởi các tín hiệu được tạo ra từ bộ điều chỉnh
tuabin.
(2.1)
Trong đó:

- q: per-unit turbine flow.
-

: Áp lực tĩnh của cột nước.

-

: per-unit conduit head losses.

- h: Chiều dài đoạn ống dẫn.
- A: Diện tích mặt cắt ngang của đường ống áp lực.
- g: Gia tốc trọng trường.
Các đặc trưng của dòng chảy và mômen xoắn của tuabin được cho trong phương trình 2.2
và 2.3.
Q = Q(H, x, y)

(2.2)
(2.3)

Với Q là tốc độ dòng chảy,

là mômen xoắn tuabin, y là chiều cao mở cửa xả và x là tốc

độ của tuabin. Khi các thông số của tuabin khác nhau trong phạm vi nhỏ thì hoạt động ổn
định, hai chức năng trên cho lưu lượng nước và mômen xoắn có thể được tuyến tính
(phương trình 2.4 và 2.5) như:
(2.4)
(2.5)

8

Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

, đạo hàm riêng của mômen xoắn.
, đạo hàm riêng của mô-men xoắn tới tốc độ của tuabin.
, đạo hàm riêng của mô-men xoắn cho áp suất tuabin nước.
, đạo hàm riêng của dòng chảy mở van.
, đạo hàm riêng của dòng chảy với tốc độ của tuabin.
, đạo hàm riêng của dòng chảy với van của tuabin.
2.2: Mô hình hóa các bộ điều khiển
Ở đây bộ điều khiển PID được sử dụng như là bộ điều khiển. Các lỗi về tốc độ được
xem như là đầu vào cho bộ điều khiển và bộ điều khiển PID nhằm giảm sự khác biệt giữa
tốc độ thực tế và tốc độ mong muốn bằng cách điều chỉnh các hằng số của bộ điều khiển.
Tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi
là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D.
Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PID:
∫

(2.6)

Lấy biến đổi Laplace trên cả hai vế của phương trình 2.6, ta có:
(2.7)
Hàm truyền của bộ điều khiển PID là:
(2.8)
2.3: Mô hình hóa các hệ thống servo thủy điện
Trong mô hình bộ điều chỉnh tuabin động cơ servo được sử dụng để kiểm soát các
cửa van theo tín hiệu của bộ điều khiển. Bộ điều khiển vô hiệu hóa các lỗi trong tín hiệu tốc

độ bằng cách gửi một tín hiệu tới động cơ servo để điều khiển đóng mở van. Vì vậy, động
cơ servo làm việc ở đây như là một thiết bị truyền động và được kích hoạt bằng cách nhận
các tín hiệu báo lỗi. Bộ điều khiển xử lý dữ liệu sai số, vị trí góc đến cơ cấu chấp hành để
điều khiển các van làm tăng hoặc giảm việc mở van tạo ra sự ổn định hệ thống bằng cách
duy trì tốc độ yêu cầu. Bằng cách thu thập các tín hiệu vị trí góc, động cơ servo điều chỉnh
van dẫn đến điều chỉnh lưu lượng nước như vậy mà tốc độ đạt giá trị yêu cầu hoặc giá trị
đồng bộ.
9


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

Hình 2.2: Mô hình phi tuyến của tua bin thủy lực
2.3.1: Nguyên tắc hoạt động của động cơ servo
Các hoạt động cơ bản của động cơ servo là tương tự như của động cơ cảm ứng với
một số sự điều chỉnh. Có hai cuộn dây đặt trên stator được gọi là cuộn điều khiển và cuộn
pha chuẩn. Các điện áp áp dụng cho các đoạn

và

là 90° khi ra khỏi đoạn đó thì độ lớn

điện áp không đồng đều. Do đoạn này làm thay đổi từ trường quay được sinh ra trong stator.
Sự thay đổi pha giữa điện áp trên cuộn điều khiển

và cuộn pha chuẩn

quyết định chiều

quay của động cơ. Các từ thông xoay của rotor tuân theo luật cảm ứng điện từ của Faraday.
Khi dây dẫn rotor ngắn mạch trong một vòng kín và các sức điện động cảm ứng
trong dây dẫn gây ra dòng điện trong các dây dẫn của rotor. Theo định luật Faraday`s quy
tắc bàn tay trái, khi một điện cảm chịu ảnh hưởng của từ thông, nó chịu một lực. Các lực
này gây ra một mômen xoắn đều và động cơ bắt đầu quay. Đối với một động cơ servo,
mômen xoắn có đặc điểm tốc độ tuyến tính. Tốc độ của động cơ tỷ lệ với kích thước của
cánh quạt, nếu muốn tăng tốc thì phải giảm kích thước cánh quạt đồng thời tăng số cánh
quạt lên. Để có thể tăng gia tốc, kích thước của rotor phải nhỏ. Việc xây dựng rotor thường
là lồng sóc hoặc loại dây quấn. Đường kính của rotor phải nhỏ để làm giảm quán tính để có
thể tăng tốc nhanh.
Rotor bắt đầu chuyển động, khi nó nhận được một tín hiệu báo 'lỗi'. Động cơ sẽ quay
theo hướng ngược lại khiến các tín hiệu gây lỗi bị giảm. Các động cơ ngừng quay khi tín
hiệu sai số gần bằng không. Các đầu ra mômen xoắn của động cơ tỷ lệ với điện áp điều
khiển và hướng của mômen xoắn được xác định bởi sự phân cực của điện áp điều khiển.
Trên thực tế trong một động cơ servo các điện áp không bằng nhau về độ lớn. Điện áp tham
chiếu được giữ không đổi và điện áp pha điều khiển được kích thích bởi những tín hiệu lỗi.
10


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

Công suất đầu ra cơ học của động cơ ac servo thay đổi từ 2 watt đến vài trăm watt. Đặc
trưng của các mômen xoắn của động cơ là tốc độ và tín hiệu lỗi.
̇

(2.9)

Các mômen xoắn của động cơ có thể thay đổi bằng cách thay đổi độ lớn của bằng việc thay
đổi điện áp. Tương tự như vậy, hướng quay có thể được thay đổi bằng cách thay đổi phân
cực của điện áp điều khiển.
2.3.2: Mô hình toán học của động cơ servo
̇ )) của động cơ servo được mở rộng bằng định thức

Các mômen xoắn (

Taylor`s như trong phương trình 2.10.
(

)
̇

̇

̇

(2.10)

Bằng cách bỏ qua các điều kiện bậc cao hơn và điều kiện ban đầu, phương trình 2.10 có thể
được viết lại như sau :
̇
và

Với
̈

Mà

̇

̇

(2.12)

Trong đó : J và B là hệ số ma sát và mômen của quán tính tương ứng.
(

̇ )
̈

̇

(2.13)

Lấy biến đổi Laplace của cả hai bên, ta có :
(2.14)
và

là mômen và hằng số thời gian tương ứng.

Ở đây, động cơ servo điều khiển vị trí mở van thay đổi với tốc độ trục của máy phát điện để
duy trì tốc độ không đổi / tần số. Ở đây, sự thay đổi về tốc độ của máy phát điện hoạt động
như các tín hiệu điều khiển.
Phương trình 2.14 là hàm chuyển đổi cần thiết để phát triển các sơ đồ khối hoàn chỉnh của
hệ thống servo thủy điện (Hình 2.3).

11

Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

Hình 2.3: Mô hình hệ thống servo thủy điện
2.4: Giới thiệu về tuabin thủy lực
Tuabin thủy lực chuyển đổi năng lượng cơ năng có trong nước. Trên thực tế các nước
được lưu trữ tại đập nước sau đó được xả qua các đường ống dẫn nước và tới tuabin. Động
năng của nước truyền tới một lực đẩy cho các cánh của tuabin để tạo ra một mômen xoắn
trên trục. Các trục được nối với các máy phát điện đồng bộ để các năng lượng quay ở trục
được chuyển đổi thành năng lượng điện.
Các loại tuabin chủ yếu là:
- Tuabin xung kích.
- Tuabin phản lực.
2.4.1: Tuabin xung kích
Trong tuabin xung năng lượng thủy lực của nước được chuyển đổi thành năng lượng
động học bằng một vòi phun. Nước thông qua vòi phun, phun vào cánh quạt của tuabin.
Dưới tốc độ chảy nhanh làm quay cánh quạt dẫn đến quay trục tuabin. Có thể thay đổi
hướng dựa vào hướng của vòi phun. Một tuabin xung kích luôn chạy dưới áp suất khí
quyển. Pelton wheel, Turgo Impulse wheel, Girad Turbine, Banki Turbine…là các loại
tuabin xung kích.

Hình 2.4: Tuabin xung kích (loại Pelton wheel )
12


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

2.4.2: Tuabin phản lực
Tuabin phản lực tương đối chậm hơn so với tuabin xung kích. Do đầu tuabin thấp,
chỉ có động năng của dòng nước là không đủ để xoay tuabin nhưng có nhiều cửa van quanh
tuabin nên áp lực nước lớn làm xoay tuabin. Do đó áp suất trong bánh công tác giảm trong
quá trình này. Do tốc độ dòng chảy cao, nó là rất khó khăn để đóng cửa van trong trường
hợp khẩn cấp. Vì vậy, điều chỉnh áp lực hoặc van cứu trợ được sử dụng để bỏ qua một phần
nước trong trường hợp turbine xoắn ốc trực tiếp đến cuộc đua đuôi trong đóng nhanh cửa
van. Van cứu trợ này bảo vệ hệ thống từ các hiện tượng va chạm thủy lực trong đường ống
áp lực.

Hình 2.5: Tuabin phản lực
2.4.3: Năng lƣợng và hiệu suất của tuabin
Khoảng cách thẳng đứng giữa lối vào đường ống áp lực và mức độ xả từ tuabin được
gọi là cột nước. Năng lượng quay bởi các tuabin tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy, áp suất và
hiệu suất. Năng lượng được tạo ra là tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy của chất lỏng Q. Do
đó bằng cách kiểm soát tốc độ dòng chảy sử dụng cửa van, năng lượng tạo ra được kiểm
13


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

soát. Hiệu suất tuabin phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy chất lỏng làm việc và các đặc tính
của tuabin. Hiệu suất tuabin được định nghĩa là tỷ số công suất sinh ra bởi các tuabin (năng
lượng cơ học truyền qua trục tuabin) với công suất hấp thụ (năng lượng thủy lực tương
đương với việc xả đo dưới của van).
2.5: Mô hình hóa các tua bin thủy lực
Phần này nói đến các phương trình mô tả sự thay đổi trong dòng lưu động và phát

triển năng lượng cơ học liên quan đến tốc độ tuabin, độ mở van và tốc độ chuyển động của
lưỡi tuabin thuỷ điện. Các Francis được sử dụng nhiều ứng dụng trong ngành thủy lực bởi vì
nó thực hiện hoạt động với hiệu suất tương đối cao nhất. Vì vậy mà tuabin Francis được sử
dụng trong mô hình sẽ làm giảm áp lực của nước trong thời gian chảy qua tuabin. Công suất
đầu ra của tuabin là áp suất qua tuabin giảm. Năng suất quay của tuabin thay đổi tỉ lệ với tốc
độ của dòng chảy, do đó hệ thống hoạt động hoặc đạt trạng thái ổn định khi lưu lượng nước
chảy qua đường ống liên tục.
Các phương trình liên quan đến đặc tính quá độ của các tuabin thủy lực được dựa trên giả
định sau đây :
- Các lưỡi của turbine thủy lực được coi như tham số tạo ra ma sát cản nhưng được bỏ qua.
- Bỏ qua áp lực nước va đập lên thành ống.
- Nước được coi là không nén.
- Thay đổi trực tiếp tốc độ của nước trong đường ống áp lực dựa vào cửa van.
- Sản lượng điện của tuabin tạo ra tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy.
Phương trình 2.15 và 2.16 [35] đại diện cho tốc độ dòng chảy và sức mạnh cơ khí phát triển
tại các trục tương ứng trong việc mở cửa các điều khoản của hệ thống và người đứng đầu
mạng.
√

(2.15)

Với Q là tốc độ dòng chảy đơn vị m3/s, G là độ mở van đơn vị rad, H là độ cao cột nước đơn
vị m.
(2.16)
là bộ khuếch đại của tuabin,

,

̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅

là tỷ lệ không tải, ̅̅̅̅̅

̅̅̅̅̅ có đầy đủ

tải và không có cửa nạp pu.
Phương trình 2.15 được sửa đổi để mô tả chuyển động của nước trong đường ống áp lực.
√

(2.17)
14


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

Với U là vận tốc của các nước trong đường ống áp lực và

là hằng số tỷ lệ thuận.

Khi vận tốc của nước trong các đường ống áp lực được xác định, các mối quan hệ của tốc
độ dòng chảy, áp suất có thể thành lập được 2.18 và 2.20.
(2.18)
Sự tăng vận tốc của chất lỏng trong đường ống áp lực được mô tả bởi phương trình 2.19.
(2.19)
là gia tốc trọng lực do, L là chiều dài của đường ống áp lực.

Với

Bình phương hóa phương trình 2.17 ta được

̅

̅

( ̅)

(2.20)

̅

(2.21)

̅ ̅̅̅̅

là thời gian nước bắt đầu chảy đến tải.

Với

và

là tốc độ dòng nước định

mức và áp suất tương ứng.
Năng lượng cơ học đầu ra được cho bởi
(2.22)
Với

là tổn thất điện năng cố định trong tuabin do ma sát.
(2.23)

Và

là viết tắt của tốc độ không tải.
Các đặc tính thủy lực và đầu ra năng lượng cơ học của tuabin được mô phỏng ở đây.

Các đặc tính phi tuyến của tuabin thủy lực bị bỏ qua trong mô hình này. Sơ đồ khối hoàn
chỉnh các mô hình tuabin thủy điện được thể hiện trong hình 2.7 (động cơ servo thủy điện)
đầu ra của bộ truyền động là việc mở van và điều khiển các van để duy trì một tốc độ không
đổi bằng cách quy định với tỷ lệ của dòng nước. Hàm chuyền được biểu diễn bởi phương
trình 2.21 trong đó Q là tỷ lệ lưu lượng và H là áp suất lưới.
được chọn là đầu vào và tốc độ dòng chảy là tín hiệu đầu ra của hàm truyền.
đã được giả định một hàm truyền tĩnh với trị số chuẩn của 1pu. Sử dụng một khối tổng kết
các tín hiệu

là thu được. Theo phương trình 2.21

được nhân với tín hiệu

và tích hợp để có được tốc độ dòng chảy Q. Thực tế để tìm ra tốc độ dòng chảy
nước lưu lượng không tải Q được khử sử bởi một bộ cộng. Sử dụng Q và tín hiệu 1/G và
một khối kết quả, một tín hiệu mới Q/G được tạo ra, căn bậc 2 của trong đó cung cấp cho
15


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

các giá trị thực tế của áp suất, H theo phương trình 2.15. Bỏ qua ma sát của turbine trong
mô hình này. Phương trình 2.16 thiết lập mối quan hệ giữa toàn bộ điện năng của tuabin, tốc

độ dòng chảy của nước trong thực tế và áp suất của nước.

Hình 2.6: Mô hình tóm tắt của tuabin thủy lực dƣới Matlab / Simulink
2.6: Mô hình MATLAB / Simulink của bộ điều chỉnh tuabin thủy lực
Bộ điều chỉnh turbine thủy điện là một phần quan trọng của nhà máy thuỷ điện. Về
cơ bản nó được sử dụng cho hai mục đích - trước hết, nó phát triển năng lượng cơ học tại
các trục của máy phát điện được đưa vào máy phát điện để sản xuất điện. Và thứ hai, nó
điều khiển sự thay đổi tốc độ của máy phát điện như vậy mà các tần số được tạo ra vẫn
không đổi. Bộ điều khiển PID, hệ thống servo thủy điện và tua bin thủy lực là các thành
phần chính của bộ điều chỉnh tuabin thủy điện. Sự hình thành các mô hình và các khối toán
học đã được thực hiện trong phần trước của chương này. Những mô hình của các thành
phần được kết nối sao cho các tần số được tạo ra vẫn không đổi. Sơ đồ khối của bộ điều
chỉnh tuabin thủy điện được thể hiện trong hình 2.7. Yếu tố đầu tiên của bộ điều chỉnh là bộ
điều khiển PID. Các lỗi về tốc độ và độ lệch của điện áp được chọn làm đầu vào cho bộ điều
khiển, tạo ra các tín hiệu tại đầu vào của động cơ servo thủy điện. Đẩy nhanh các phản ứng
của động cơ servo bằng cách kiểm soát các van theo tín hiệu đầu vào của động cơ servo.
Các van được sử dụng để kiểm soát tốc độ dòng chảy như vậy mà các tần số được tạo ra của
hệ thống vẫn không đổi.

Hình 2.7: Mô hình tóm tắt bộ điều chỉnh tuabin thủy lực
16


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

CHƢƠNG 3: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Các mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ được giới thiệu trong chương này.
Sự ổn định của một hệ thống chủ yếu phụ thuộc vào hiệu suất của máy phát điện đồng bộ.

Sự thay đổi của tải hoặc tần số của máy điện đồng bộ kéo sự mất ổn định của hệ thống.
3.1: Máy phát điện đồng bộ
Máy phát điện đồng bộ là trung tâm năng lượng điện của hệ thống điện. Các nghiên
cứu về lí thuyết và các đặc tính của các động cơ đồng bộ định nghĩa sự ổn định của hệ thống
điện. Các máy điện đồng bộ được chia thành hai loại: Máy phát điện tốc độ cao được gọi là
máy phát điện tuabin thường được điều khiển bằng khí, dầu, hơi nước…và máy phát điện
tốc độ thấp nhờ hệ thống thủy lực. Các mạch phần ứng của máy phát điện đồng bộ được đặt
trên stator, cuộn dây kích từ và cuộn dây giảm chấn được đặt trên roto cùng trục d và trục q.
Các cuộn dây phần ứng cung cấp dòng điện tải và là nguồn cung cấp điện cho hệ thống. Các
cuộn cản dịu của rotor được sử dụng chủ yếu để ngăn chặn hiện tượng dao động.
3.2: Mô hình máy phát điện đồng bộ
Mô hình toán học của một máy điện đồng bộ sử dụng phương trình của Park cho các điện
động lực học.
Phương trình 3.1 đến 3.4 được sử dụng ở đây để mô hình điện động lực học của máy phát
điện đồng bộ.
..................................................................(3.1)
...................................................................(3.2)
.......................................................................(3.3)
......................................................................(3.4)
Trong đó:
- trục d thời gian mạch mở liên tục trong chế độ tiền quá độ.
- trục q thời gian mạch mở liên tục trong chế độ tiền quá độ.
- trục d thời gian mạch mở liên tục trong chế độ quá độ.
- trục q thời gian mạch mở liên tục trong chế độ quá độ.
- trục d của điện kháng quá độ.
- trục q của điện kháng quá độ.
17


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

- trục d của điện kháng tiền quá độ.
- trục q của điện kháng tiền quá độ.
- trục d điện kháng đồng bộ.
- trục q điện kháng đồng bộ.
- Điện áp của cuộn dây kích từ.
- trục d gây ra điện áp ở chế độ quá độ.
- trục q gây ra điện áp ở chế độ quá độ.
- trục q gây ra điện áp ở chế độ tiền quá độ.
- trục d gây ra điện áp ở chế độ tiền quá độ.
Trên cơ sở các phương trình tổng quát, các mô hình máy đồng bộ được mô phỏng
trong phần mềm MATLAB / Simulink. Mô hình này là có sẵn như là một khối duy nhất
(Hình 3.2) với thiết bị đầu cuối khác nhau trong thư viện MATLAB / Simulink. Khối này
được sử dụng như một máy phát điện cho cả thủy điện.

Hình 3.1: Mô hình máy phát điện
2.3: Đầu vào và đầu ra của các khối
Các đầu vào đầu tiên cho khối này là năng lượng cơ học Pm áp dụng tại các trục
động cơ. Một số hằng số dương không đổi được lựa chọn cho đầu vào này để động cơ hoạt
động như một máy phát điện. Sản lượng điện của tuabin được chọn là đầu vào cho động cơ.
Đầu vào thứ hai của khối này là điện áp kích. Điện áp này được cung cấp từ một khối kích
từ được sử dụng trong mô hình này. Các thiết bị đầu ra của động cơ được chỉ định bởi một
chữ cái 'm'. Nó là một vector chứa các thông tin của 22 tín hiệu đầu ra (Bảng 3.1) từ khối
giao diện. Các tín hiệu này có thể được bộ tách kênh bằng cách sử dụng bộ chọn bus có sẵn
18


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

2.4: Thông số của máy đồng bộ trong MATLAB / Simulink
Cài đặt thông số là lựa chọn đầu tiên xuất hiện trong hộp thoại của khối máy đồng
bộ. Mô hình Preset cung cấp một tập hợp các giá trị xác định các thông số điện và cơ khí
cho các loại máy đồng bộ (kVA, đường dây điện áp (V), tần số (Hz) và tốc độ). Nhưng
trong mô hình này, không lựa chọn được thông số phù hợp với các thống số máy phát điện.
Vì vậy, công suất kVA đã định trước, dòng điện áp, giá trị tần số của máy phát điện sử dụng
ở đây được nhập sử dụng thông số đã chọn.
Bảng 3.1: Các tín hiệu bộ tách kênh tại đầu cuối 'm' của một máy phát điện
Thứ tự

Định nghĩa

Đơn vị

1

Cường độ dòng điện stator là a

A hoặc pu

2

Cường độ dòng điện stator là b

A hoặc pu

3

Cường độ dòng điện stator là c

A hoặc pu

4

Cường độ dòng điện stator là q

A hoặc pu

5

Cường độ dòng điện stator là d

A hoặc pu

6

Dòng điện hiện tại (nếu có) d

A hoặc pu

7

Cường độ dòng điện cuộn cản dịu

A hoặc pu

8

Cường độ dòng điện cuộn cản dịu

A hoặc pu

9

Cường độ dòng điện cuộn cản dịu

A hoặc pu

10

Dòng thông nhau

V.s hoặc pu

11

Dòng thông nhau

V.s hoặc pu

12

Điện áp stator là

V hoặc pu

13

Điện áp stator là

Rad

14

góc rotor lệch theta (d)

Rad/s

15

Tốc độ rotor

VA hoặc pu

16

Công suất

Pu

17

Độ sai lệch tốc độ rotor dw

Rad

18

Góc cơ học rotor theta

N.m hoặc pu

29

Góc tải delta

N.m hoặc pu

20

Công suất hữu công đầu ra

Rad

21

Công suất vô công đầu ra

Rad

19


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

Đầu vào cơ học dường như là lựa chọn thứ hai. Năng lượng cơ học

hoặc tốc độ

rotor w có thể được lựa chọn để thay thế hệ số tải của đầu vào cơ học. Năng lượng cơ học
được lựa chọn ở đây để chỉ định một đầu vào năng lượng cơ học đơn vị W hoặc pu. Khi
tốc độ là dương máy sẽ hoạt động ở chế độ khởi động. Lựa chọn thứ ba là loại Rotor, cho
phép chọn kiểu cánh quạt cho dù đó là loại hình trụ hoặc loại lồi. Sự lựa chọn này ảnh
hưởng đến số lượng các mạch rotor trong trục d (cuộn dây giảm chấn). Trong tài liệu này
các rotor cực lồi đã được chọn cho máy phát thủy điện.

20


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
Thông thường các nhà máy thủy điện nhỏ có công suất dưới 100 kW. Thời gian xây
dựng của các nhà máy này là ít hơn nhiều so với các nhà máy thủy điện lớn. Nhà máy thủy
điện nhỏ vận hàng rất đơn giản, đáng tin cậy, bảo trì tối thiểu và yêu cầu ít thời gian để xây
dựng. Chi phí thiết bị cao là những trở ngại chính trong việc phát triển các nhà máy điện
như vậy. Nhưng bây giờ các thành phần thiết bị cần thiết cho một nhà máy thủy điện nhỏ có
sẵn trên thị trường. Ngày nay, phải mất khoảng 2-5 năm để hoàn thành các dự án thủy điện
nhỏ. Khi nhà máy được xây dựng, nhà máy có thể cung cấp điện hơn 50 năm mà chưa cần
bảo trì.
Hai phương án khác nhau được áp dụng để phát triển một nhà máy thủy điện nhỏ.
Trong các loại sông của nhà máy thủy điện nhỏ chỉ sử dụng nước có sẵn trong dòng chảy tự
nhiên của sông. Sức mạnh tạo ra biến động theo sự biến đổi của dòng chảy. Do biến động

của năng lượng, nhà máy này không thể sử dụng như là nguồn độc lập về điện. Nhà máy
này luôn cần bổ sung nước để đáp ứng nhu cầu của nó. Nó có thể sử dụng chuyển hướng
dòng chảy của dòng sông tạo ra một con đập nhỏ trên sông.
Dựa vào việc xây dựng một con đập trên sông, nước sẽ được chuyển hướng về phía
nhà máy thủy điện bằng cách sử dụng các kênh dẫn nước. Một đường ống chịu áp lực được
nối kênh, nước được chảy qua đường ống áp lực và được đưa vào tuabin. Sau khi sử dụng
thế năng của nước để làm quay tuabin nó được thải ra sông thông qua một đường ống chịu
áp lực khác. Để kiểm soát dòng chảy của nước trong kênh một van được gắn ở đầu ống để
kiểm soát nước.

21


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

Hình 4.1: Mô hình chung của một nhà máy thủy điện
4.1: Hoạt động của nhà máy thủy điện nhỏ
Nhà máy thủy điện thường nằm ở các khu vực đồi núi cao, nơi mà đập nước có thể
được xây dựng một cách dễ dàng và hồ chứa lớn có thể trữ được nhiều nước. Nhà máy thủy
điện sử dụng năng lượng động năng của nước. Nước được trữ lại trong đập, khi xả nước từ
trên cao tạo ra động năng thông qua các đường ống dẫn. Khi nước đi qua các đường ống áp
lực chảy vào các cánh turbine hoặc đi qua các cánh quạt, động năng của các nước chuyển
đổi thành năng lượng quay. Động năng này làm quay tuabin, tuabin quay làm quay máy
phát điện. Điện năng, P được khai triển trong phương trình 4.1:
(4.1)
Trong đó:
Q là lưu lượng (m3/s).
H là the head (m)

22


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

4.2: Mô hình MATLAB / Simulink của nhà máy thủy điện

Hình 4.2: Mô hình MATLAB/Simulink của một nhà máy thủy điện
4.3: Đƣa thông số vào mô hình
Bảng 4.1: Bảng thông số khối HTG
Servo-motor

[ 10/3 0.07 ]

[ Ka() Ta(sec) ]
Gate opening limits
[ gmin,gmax(pu) vgmin,vgmax(pu/s) ]
Permanent droop and regulator

[ 0.01 0.97518 -0.1 0.1 ]

[ 0.05 1.163 0.105 0 0.01 ]

[ Rp() Kp() Ki() Kd() Td(s) ]
Hydraulic turbine

[ 0 2.67 ]

[ beta() Tw(sec) ]
Droop reference
(0=power error, 1=gate opening)
Initial mechanical power (pu)

0
1

23


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

Bảng 4.2: Thông số khối Excitation System (Hệ thống kích từ)
Low-pass filter time constant

20e-3

Tr(s)
Regulator gain and time constant

[ 300, 0.001 ]

[ Ka() Ta(s) ]
Exciter

[ 1, 0 ]

[ Ke() Te() ]
Transient gain reduction

[ 0, 0 ]

[ Tb(s) Tc(s) ]
Damping filter gain and time constant

[ 0.001, 0.1 ]

[ Kf() Tf(s) ]
Regulator output limits and gain

[ -11.5, 11.5, 0 ]

[ Efmin, Efmax (pu), Kp() ]
Initial values of terminal voltage and field voltage
[ Vt0 (pu) Vf0 (pu) ]

[ 1,1.0 ]

Bảng 4.3: Thông số Máy phát điện (200MVA, 13.8kV)
Nominal power, line-to-line voltage, frequency
[ Pn(VA) Vn(Vrms) fn(Hz) ]
Reactances
[ Xd Xd Xd

Xq Xq

[ 200E6 13800 60 ]

[1.305, 0.296, 0.252, 0.474, 0.243, 0.18]

Xl ] (pu)

d axis time constants

Short-circuit

q axis time constants

Open-circuit

Time constants [ Td Td

Tqo

] (s)

[ 1.01, 0.053, 0.1 ]

Stator resistance Rs (pu)

2.8544e-3

Inertia coeficient, friction factor, pole pairs
[ H(s) F(pu) p() ]

[ 3.2 0 2 ]

Initial conditions
[ dw(%) th(deg) ia,ib,ic(pu) pha,phb,phc(deg)
Vf(pu) ]

24

[000000001]


Bài tập dài nhà máy điện

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Khoát

Bảng 4.4: Thông số máy biến áp
Nominal power and frequency

[ 210e6 60 ]

[ Pn(VA) , fn(Hz) ]
Winding 1 parameters

[ 13.8e3 0.0027 0.08 ]

[ V1 Ph-Ph(Vrms) , R1(pu) , L1(pu) ]
Winding 2 parameters

[ 230e3 0.0027 0.08 ]

[ V2 Ph-Ph(Vrms) , R2(pu) , L2(pu) ]

Magnetization resistance Rm (pu)

500

Magnetization inductance Lm (pu)

500

Saturation characteristic

[ 0,0 ; 0.005,1.2 ; 1.0,1.4 ]

[ i1 , phi1 ; i2 , phi2 ; … ] (pu)
Initial fluxes

[ 0.8 , -0.8 , 0.7 ]

[ phi0A , phi0B , phi0C ] (pu)

25