Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều tốc Turbine thủy điện nhỏ ở các tỉnh miền núi phía Bắc Việt Nam

Bài báo này phân tích và trình bày hệ thống điều chỉnh tốc độ turbine thuỷ điện nhỏ theo quan điểm tối ưu hóa. Thiết lập quá trình điều khiển chuyển động phi tuyến với bộ điều tốc thực hiện theo hệ điều khiển mờ theo luật PID. Bộ điều khiển cho hệ thống điều tốc và máy phát đã đạt được kết quả tốt với việc thử nghiệm trên mô hình.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều tốc Turbine thủy điện nhỏ ở các tỉnh miền núi phía Bắc Việt Nam Lưu Tùng Giang và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 59 - 65 NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC TURBINE THỦY ĐIỆN NHỎ Ở CÁC TỈNH MIỀN NÚI PHÍA BẮC VIỆT NAM Lưu Tùng Giang1, Nguyễn Hiền Trung2* 1 2 Sở Công thương tỉnh Hà Giang, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Bài báo này phân tích và trình bày hệ thống điều chỉnh tốc độ turbine thuỷ điện nhỏ theo quan điểm tối ưu hóa. Thiết lập quá trình điều khiển chuyển động phi tuyến với bộ điều tốc thực hiện theo hệ điều khiển mờ theo luật PID. Bộ điều khiển cho hệ thống điều tốc và máy phát đã đạt được kết quả tốt với việc thử nghiệm trên mô hình. Kết quả mô phỏng cho thấy tần số ổn định tốt nhất ở chế độ hoà lưới, còn ở chế độ vận hành với các loại phụ tải độc lập khác nhau cũng hoàn toàn thoả mãn so với chỉ tiêu chất lượng đặt ra: góc tải và mô men điện từ cũng thay đổi nhằm duy trì nguồn năng lượng cấp cho tải theo công suất đặt; đáp ứng tần số đảm bảo độ sai lệch nhỏ hơn với sai lệch tần số cho phép. Từ khóa: Hệ thống điều tốc, lưu lượng nước, tối ưu hóa, chất lượng điện năng MỞ ĐẦU* Với đặc điểm địa lý của miền núi phía Bắc Việt Nam có nhiều đồi núi và sông hồ, lại có mưa nhiều nên hàng năm mạng lưới sông suối vận chuyển ra biển hơn 870 tỷ m3 nước, rất thuận lợi cho việc phát triển các nhà máy thủy điện. Hà Giang là một tỉnh nằm ở địa đầu phía Bắc tổ quốc. Do đặc điểm địa hình chia cắt mạnh tạo nên lợi thế về tiềm năng thuỷ điện với qui mô 750MW/68 dự án [1]. Hình 1 là sơ đồ nghiên cứu của nhà máy thủy điện Thanh Thuỷ 2, xã Thanh Thuỷ, huyện Vị Xuyên, tỉnh Hà Giang, được sử dụng trong bài báo này. Kết cấu nhà máy gồm: Hình 1. Sơ đồ nghiên cứu Đập tràn tự do Ôphixerop có cửa nhận nước kiểu chiaron; Ống áp lực bằng thép D1400 dày 14-20mm; Turbine Francis trục ngang HLD45-WJ-82; Máy phát đồng bộ có công suất 8MW (bảng 3); Hệ thống điều chỉnh kích từ; Hệ thống đường dây truyền tải và các thiết bị trợ động khác; Hệ thống bảo vệ, an toàn... * Tel: 0912386547; Email: nguyenhientrung@tnut.edu.vn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Thông thường, mỗi nhà máy thuỷ điện đều được trang bị hệ thống tự động ổn định tốc độ và tự động điều chỉnh điện áp - AVR nhằm đảm bảo chất lượng điện năng [2]-[4]. Hệ thống điều tốc có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng nước đưa vào turbine. Cần nghiên cứu sao cho hệ thống luôn ổn định tốc độ tức là ổn định tần số lưới điện ở tần số công nghiệp 50Hz với sai số cho phép ±0,2Hz [5], đảm bảo duy trì công suất cơ khi vận hành hoà vào lưới điện theo điều độ hệ thống điện (A0). XÂY DỰNG MÔ HÌNH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC 1. Mô hình hệ thống Cơ sở nghiên cứu về điều chỉnh tốc độ tự động đối với thuỷ điện nhỏ được minh hoạ trong trường hợp tổ máy phát cấp riêng cho phụ tải cục bộ như hình 2. Khi phụ tải thay đổi làm cho Pe thay đổi, gây nên mất cân bằng giữa Pe và Pm, đây là nguyên nhân làm cho tốc độ tăng hay giảm. Từ hình 2 khi máy phát nối cứng trục với turbine và phụ tải được mô tả bằng phương trình chuyển động: dr 2H  Tm  Te dt (1) Hình 2. Mô hình turbine - máy phát cấp điện 59 http://www.lrc-tnu.edu.vn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Với trạng thái tĩnh (xác lập) Tm0 = Te0, từ (1) và (2) ta có: Pm  Pe  0 (Tm  Te ) (3) d r  2 H 0  Pm  Pe dt d r 1   (Pm  Pe ); M  2 H 0 dt M (4) Công suất Pe điện từ được phát tới phụ tải hỗn hợp. Có những loại tải không phụ thuộc nhiều vào tần số (tải chiếu sáng và tải nhiệt). Nhưng cũng có loại tải phụ thuộc nhiều vào tần số (tải động cơ), ta có: Pe  PL  Dr (5) trong đó: PL là sự thay đổi công suất tải; D là hệ số damping. Thay (5) vào (4) sẽ được d r (6) 2 H 0  Dr  Pm  PL dt Phương trình chuyển động (6) được minh họa trong hình 3. -  1 Ms  D r + PL Turbine  1 1  sTGV PL D Pe a) 1/ R P b) t Hình 3. Hàm truyền công suất (tốc độ) khi tải phụ thuộc tần số Sai lệch tốc độ ở trạng thái xác lâp Δωr khi tải thay đổi phụ thuộc vào độ nhạy tần số tải. Còn đối với một biến đổi của phụ tải điện (ΔPL), sai lệch tốc độ cuối cùng là Δωr = ΔPL/D (hình 3). Bộ điều tốc đơn giản nhất có thể là một khâu tích phân của biến thiên tốc độ, được thiết kế như hình 4. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1  sTR R 1  s T TR RP 1  sTW 1  sTW / 2  - 1 2H0  D ΔPL Pm + 2. Đáp ứng thời gian của bộ điều chỉnh tốc độ Bộ điều chỉnh tốc độ được thiết lập để điều chỉnh sự thay đổi vị trí của các cổng cánh hướng dẫn đến thay đổi áp suất turbine với thời gian ngắn như mong muốn. Hệ phản hồi tần số ổn định với yêu cầu thời gian khởi động trong khi làm việc của hệ thống thể hiện ở hình 5, trong đó: TW - hằng số thời gian khởi động (1s) RP - độ giảm tốc độ trạng thái tĩnh (0,05) TGV - hằng số thời gian của servomotor cổng chính (0,2s) TR - thời gian thiết lập lại (5s) RT - độ giảm tốc độ tạm thời (0,4) D - hệ số damping (= 2) Tải đặt r Hình 4. Mô hình bộ điều tốc: (a) sơ đồ mạch và (b) đáp ứng khi tăng tải Δωr cho phụ tải trong đó: Tm - mô men turbine (p.u); Te - mô men điện (p.u); H - hằng số quán tính (s). Ta có thể sử dụng công suất thay cho mô men trong phương trình chuyển động. Với những sai lệch nhỏ: P  r M  P0  P Tm  Tm 0  Tm ;Te  Te 0  Te r  0  r (2) 83(07): 59 - 65 ΔPm Lưu Tùng Giang và đtg Hình 5. Mô hình điều khiển độ mở cánh hướng turbine Trong hình 5 là mô hình hoàn chỉnh được ứng dụng trong thực tế điều khiển tốc độ, nâng cao được phản hồi độ lệch tốc độ (góc công suất) cho các nhiễu tải khác nhau (ΔPL ). 3. Thiết lập sơ đồ khối điều khiển Sơ đồ bộ điều tốc điện - thuỷ lực cung cấp với luật điều khiển PID được thể hiện trong hình 6. Độ sai lệch tốc độ được xử lý thông qua hệ thống PID thành một tín hiệu lệnh để các van thủy lực và cơ cấu trợ động (servo) điều chỉnh 60 http://www.lrc-tnu.edu.vn Lưu Tùng Giang và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ sự thay đổi trong van tiết lưu hoặc vị trí cửa ...