Nghiên cứu, nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc ổn định tần số máy phát thủy điện Bình Điền

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

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

Chuyên ngành

: TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số

: 605260

Ngƣời thực hiện

: NGUYỄN TÂM PHƢƠNG

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

THÁI NGUYÊN-NĂM 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG 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 LƢỢNG
HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT
THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN

Học viên

: Nguyễn Tâm Phƣơng

Lớp

: Cao học K11-TĐH

Cán bộ HDKH

: PGS.TS. Võ Quang Lạp

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Võ Quang Lạp
BAN GIÁM HIỆU

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HỌC VIÊN

Nguyễn Tâm Phƣơng
KHOA SAU ĐẠI HỌC




3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là , Nguyễn Tâm Phƣơng học viên lớp cao học Tự Động Hoá niên khoá
2008-2010 sau hai năm học tập và nghiên cứu, đƣợc sự giúp đỡ của các thầy cô giáo
và đặc biệt là thầy PGS.TS Võ Quang Lạp, thầy giáo hƣớng dẫn tốt nghiệp của tôi,
tôi đã đi đến cuối chặng đƣờng 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".

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự
hƣớng dẫn của PGS.TS Võ Quang Lạp và chỉ tham khảo các tài liệu đã đƣợc liệt
kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dƣới bất kỳ hình thức nào. Nếu
có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Ngƣời cam đoan

Nguyễn Tâm Phƣơng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU
CHƢƠNG 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

1

I.1.1 Tần số trong chất lƣợng điện

2

I.1.2 Điều tốc trong ổn định tần số

7

I.1.3 Phân loại các loại điều tốc

8

I.1.3.1 Trên cơ sở truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cơ
cấu điều chỉnh có thể phân loại

8

I.1.3.2 Trên cơ sở hoạt động của bộ điều chỉnh có thể phân loại

9

I.1.3.3 Dựa trên cơ sở tín hiệu công tác của phần tử điều chỉnh

9

I.1.3.4 Trên cơ sở nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh vòng quay có
thể phân loại
I.1.3.5 Dựa trên cơ sở sử dụng các loại phản hồi khác nhau có thể

phân loại

9

9

I.1.4 Các thông số của bộ điều tốc

10

I.1.5 Giới thiệu một số bộ điều tốc

12

I.1.5.1 Điều tốc cơ khí

12

I.1.5.2 Điều tốc điện

14

I.2 Hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Bình Điền

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15

5
I.2.1 Phần điều khiển

15

I.2.2 Phần động lực

22

I.2.2.1 Hệ thống dầu áp lực

22

I.2.2.2 Cấu trúc phần thủy lực

24

I.2.2.3 Cấu tạo của các loại van

25

CHƢƠNG II
PHÂN TÍCH CÁC PHƢƠNG 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

31

II.2 Hệ điều khiển vector biến tần động cơ không đồng bộ ba pha

32

II.2.1 Mô tả động cơ không đồng bộ ba pha dƣới dạng các đại lƣợng vec
tơ không gian

32

II.2.2 Quy đổi các đại lƣợng điện của động cơ không đồng bộ tƣ̀ hệ véc
34

tơ (a,b,c) về hệ tọa độ cố đị nh trên Stato (,)
II.2.3 Quy đổi các đại lƣợng điện của động cơ không đồng bộ ba pha tƣ̀
hệ tọa độ cố đị nh trên Rotor (x,y) về hệ tọa độ cố đị nh trên Stator (,)

37

II.2.4 Quy đổi các đại lƣợng điện của động cơ không đồng bộ ba pha tƣ̀
hệ tọa độ cố định trên Stator (,) về hệ tọa độ cố đị nh trên Rotor (d,q).
II.2.5 Xây dƣ̣ng mô hì nh toán học cho động cơ không đồng bộ
II.2.6 Cơ sở để đị nh hƣớng tƣ̀ thông trong hệ tọa độ tƣ̣a theo tƣ̀ thông
Rotor (d,q)
II.3 Hệ thống Thyristor – động cơ

39
43
45
48

II.3.1 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn đị nh và đƣờng đặc tí nh tĩ nh

50

II.3.2 Chất lƣợng động của hệ thống điều chỉ nh tốc độ hai mạch vòng kí n

52

II.3.3 Hạn chế quá điều khiển tốc độ quay bằng

56

II.3.4 Hệ thống điều chỉ nh tốc độ nhiều mạch vòng kí n có mạch vòng
trong cài đặt suất biến đổi dòng điện
CHƢƠNG III

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

61
66




6
TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH
TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN
III.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển

67

III.1.1 Hàm truyền của động cơ điện

67

III.1.2 Bộ chỉnh lƣu bán dẫn THYRISTOR

72

III.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc

74

III.1.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện

74

III.1.5 Tổng hợp hệ điều khiển RI, R, R

75

III.2 Mô phỏng hệ truyền động bộ điều tốc khi sử dụng bộ điều khiển PID
III.2.1 Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ điện
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

82
82

85

CHƢƠNG IV
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ

90

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN
IV.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí

90

IV.2 Các bộ điều khiển mờ

92

IV.2.1 Phƣơng pháp tổng hợp kinh điển

92

IV.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh

93

IV.2.3 Bộ điều khiển mờ động

93

IV.3 Bộ điều khiển mờ lai PID

97

IV.3.1 Giới thiệu chung

97

IV.3.2. Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID.

99

IV.3.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí dùng bộ điều khiển mờ lai PD

101

IV.3.4 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ lai song song PD

109

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

113




7
DANH MỤC CÁC HÌ NH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình vẽ

Tên hì nh vẽ

Trang

Hình I.1

Sơ đồ khối của một máy phát nối lƣới độc lập

2

Hình I.2

Đặc tính tần số của lƣới và máy phát

3

Hình I.3

Sơ đồ khối của bộ điều tốc

3

Hình I.4

Sơ đồ bộ điều tốc có phản hồi công suất hay phản hồi vị trí
cánh hƣớng

5

Hình I.5

Đƣờng đặc tính điều chỉnh tần số Turbine - máy phát

6

Hình I.6

Hệ thống điều khiển có máy điều tốc

13

Hình I.7

Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí

14

Hình I.8

Sơ đồ khối hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Bình Điền

16

Hình I.9

Sơ đồ khối trình tự khởi động bộ điều tốc

17

Hình I.10

Sơ đồ trình tự khởi động không tải bộ điều tốc

19

Hình I.11

Sơ đồ thuật toán của bộ điều tốc Bình Điền

20

Hình I.12

Sơ đồ nguyên lý đo lƣờng tần số

22

Hình I.13

Sơ đồ nguyên lý nguồn dầu thủy lực bộ điều tốc

23

Hình I.14

Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển thủy lực

24

Hình I.15

Sơ đồ Secvo điều chỉnh cánh hƣớng

25

Hình I.16

Sơ đồ cấu tạo của van điện từ khiểu bypass

25

Hình II.1

Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thủy điện

31

Hình II.2

Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ

32

Hình II.3

Hình II.4

Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên
35

stator (,)
Hệ tọa độ cố định trên stator (,) và hệ toạ độ cố định trên

36

rotor(x,y)
Hình II.5

Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố định
stator (,) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

37




8

Hình II.6

Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định
stator (,) và hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q).

39

Hình II.7

Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ

44

Hình II.8

Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ

45

Hình II.9
Hình II.10
Hình II.11
Hình II.12
Hình II.13
Hình II.14

Định hƣớng 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
cơ.
Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ
hai mạch vòng kín.
Đƣờng đặc tĩnh tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch
vòng kín.
Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc
độ shai mạch vòng kín.

45

48

49

50

51

53

Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của quá trình khởi động hệ
Hình II.15

thống điều chỉnh tốc độ

53

a) Quá trình khởi động tăng tốc lý tƣởng.
b) Hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín

Hình II.16

Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân

58

Ảnh hƣởng của phản hồi âm vi phân tốc độ quay đối với quá
Hình II.17

trình khởi động.

59

1 – Hệ thống hai mạch vòng kín thông dụng
2 – Hệ thống cài đặt phản hồi âm vi phân
Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng 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 hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




9
Hệ thống điều khiển tốc độ ba mạch vòng có mạch vòng có
Hình II.19

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

63

CD – khâu vi phân dòng điện
Hình II.20
Hình II.21

Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện

63

Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng suất biến đổi
dòng điện

64

Hình III.1

Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ

66

Hình III.2

Mạch điện thay thế của động cơ một chiều.

67

Hình III.3

Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều

69

Hình III.4

Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải

69

Hình III.5

Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá

70

Hình III.6

Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi.

71

Hình III.7
Hình III.8
Hình III.9

Sơ đồ cấu trúc thu gọn:

71

a. Theo tốc độ, b. Theo dòng điện

Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ
chỉnh lƣu
Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lƣu bán dẫn thyristor
a. khi chuẩn xác, b. khi gần đúng.

72

74

Hình III.10

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện

75

Hình III.11

Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện

76

Hình III.12

Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ

77

Hình III.13

Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí

79

Hình III.14

Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí

81

Hình III.15

Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID

85

Hình III.16
Hình III.17

Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau
87

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

89

10
của vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = 4,3 A
Hình IV.1

Quan hệ giƣ̃a  và 

91

Hình IV.2

Hệ điều khiển mờ theo luật I

94

Hình IV.3

Hệ điều khiển mờ theo luật PD

94

Hình IV.4

Hệ điều khiển mờ theo luật PI

95

Hình IV.5

Hệ điều khiển mờ PID

96

Hình IV.6

Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển

98

Hình IV.7

Mô hình bộ điều khiển mờ bù

98

Hình IV.8
Hình IV.9

Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều
khiển PID
Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ

101

Hình IV.10 Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ lai PD
Hình IV.11
Hình IV.12
Hình IV.13

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

Hình IV.14 Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ lai PD
Hình IV.15

Bề mặt đặc trƣng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
lai PD

Hình IV.16 Quan hệ tín hiệu vào ra của bộ mờ lai PD
Hình IV.17
Hình IV.18

Hình IV.19

100

103
104

104

105
105
106
107

Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lƣợng bộ điều khiển PID và bộ
điều khiển mờ lai PD

108

Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau
110

của vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = 0 A
Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau
của vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = 4.3 A

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

112




data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....



data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....