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* 1Sở Công thương tỉnh Hà Giang, 2Trường 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* Thông thường, mỗi nhà máy thuỷ điện đều Với đặc điểm địa lý của miền núi phía Bắc được trang bị hệ thống tự động ổn định tốc độ Việt Nam có nhiều đồi núi và sông hồ, lại có và tự động điều chỉnh điện áp - AVR nhằm đảm bảo chất lượng điện năng [2]-[4]. mưa nhiều nên hàng năm mạng lưới sông suối 3 Hệ thống điều tốc có nhiệm vụ điều chỉnh lưu vận chuyển ra biển hơn 870 tỷ m nước, rất lượng nước đưa vào turbine. Cần nghiên cứu thuận lợi cho việc phát triển các nhà máy thủy sao cho hệ thống luôn ổn định tốc độ tức là ổn điện. Hà Giang là một tỉnh nằm ở địa đầu phía định tần số lưới điện ở tần số công nghiệp Bắc tổ quốc. Do đặc điểm địa hình chia cắt 50Hz với sai số cho phép ±0,2Hz [5], đảm mạnh tạo nên lợi thế về tiềm năng thuỷ điện bảo duy trì công suất cơ khi vận hành hoà vào với qui mô 750MW/68 dự án [1]. lưới điện theo điều độ hệ thống điện (A0). Hình 1 là sơ đồ nghiên cứu của nhà máy thủy XÂY DỰNG MÔ HÌNH NÂNG CAO CHẤT điện Thanh Thuỷ 2, xã Thanh Thuỷ, huyện Vị LƯỢNG ĐIỀU TỐC Xuyên, tỉnh Hà Giang, được sử dụng trong 1. Mô hình hệ thống bài báo này. Kết cấu nhà máy gồm: 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: Hình 1. Sơ đồ nghiên cứu dr 2HTTme Đập tràn tự do Ôphixerop có cửa nhận nước dt (1) 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... * Hình 2. Mô hình turbine - máy phát cấp điện Tel: 0912386547; Email: nguyenhientrung@tnut.edu.vn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 59 Lưu Tùng Giang và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 59 - 65 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: PMPPr 0   TTTTTT  ;    m m00 m e e e      rr0 (2) Hình 4. Mô hình bộ điều tốc: (a) sơ đồ mạch và Với trạng thái tĩnh (xác lập) Tm0 = Te0, từ (1) (b) đáp ứng khi tăng tải và (2) ta có: PPTT    ()    m e0 m e (3) 2. Đáp ứng thời gian của bộ điều chỉnh d tốc độ 2HPP r     0 dt me Bộ điều chỉnh tốc độ được thiết lập để điều chỉnh sự thay đổi vị trí của các cổng cánh dr 1  ( PPMHme   );  2 0 hướng dẫn đến thay đổi áp suất turbine với dt M (4) thời gian ngắn như mong muốn. Công suất Pe điện từ được phát tới phụ tải hỗn Hệ phản hồi tần số ổn định với yêu cầu thời hợp. Có những loại tải không phụ thuộc nhiều gian khởi động trong khi làm việc của hệ vào tần số (tải chiếu sáng và tải nhiệt). Nhưng cũng có loại tải phụ thuộc nhiều vào tần số thống thể hiện ở hình 5, trong đó: (tải động cơ), ta có: TW - hằng số thời gian khởi động (1s) PPD     RP - độ giảm tốc độ trạng thái tĩnh (0,05) e L r (5) TGV - hằng số thời gian của servomotor cổng trong đó: PL là sự thay đổi công suất tải; D là hệ số damping. chính (0,2s) Thay (5) vào (4) sẽ được TR - thời gian thiết lập lại (5s) d RT - độ giảm tốc độ tạm thời (0,4) 2HDPPr       (6) D - hệ số damping (= 2) 0 dt r m L Phương trình chuyển động (6) được minh họa 1/ RP trong hình 3. Turbine r m - 1 sTR Tải đặtTải 1 1 sTW ΔP 1 RT  1 sT 1 s TR 1 sT / 2  2H D GV W 0 + RP r Pm + 1 r - Δω L  PL Ms D PL - ΔP P D e Hình 5. Mô hình điều khiển độ mở cánh hướng a) b) t turbine Hình 3. Hàm truyền công suất (tốc độ) khi tải Trong hình 5 là mô hình hoàn chỉnh được ứng phụ thuộc tần số dụng trong thực tế điều khiển tốc độ, nâng Sai lệch tốc độ ở trạng thái xác lâp Δωr khi tải cao được phản hồi độ lệch tốc độ (góc công thay đổi phụ thuộc vào độ nhạy tần số tải. suất) cho các nhiễu tải khác nhau (ΔPL ). Còn đối với một biến đổi của phụ tải điện 3. Thiết lập sơ đồ khối điều khiển (ΔPL), sai lệch tốc độ cuối cùng là Δωr = ΔP /D (hình 3). Bộ điều tốc đơn giản nhất có Sơ đồ bộ điều tốc điện - thuỷ lực cung cấp với L luật điều khiển PID được thể hiện trong hình thể là một khâu tích phân của biến thiên tốc độ, được thiết kế như hình 4. 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 60 Lưu Tùng Giang và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 59 - 65 sự thay đổi trong van tiết lưu hoặc vị trí cửa Sử dụng phương pháp chỉnh định bộ điều van của cơ cấu truyền động. khiển theo giải thuật Ziegler-Nichols (Z-N). Các hằng số thời gian của các thiết bị truyền Trong phương pháp này, việc tách rời thời động thủy lực được thành lập bởi các đặc gian Ti sẽ được thiết lập đến vô cùng và thời điểm công nghệ của hệ thống van và servo. gian phát sinh Td tới không. Điều đó là để có Mở Rmax Van mở Max được PID ban đầu của hệ thống. Thiết lập 0 ref PID này, sau đó sẽ tiếp tục được tối ưu hóa  G/G + + 1 1    FLC KV 1/s bằng cách sử dụng "Phương pháp suy giảm 1 sT PV 1 sT r GV độ dốc". -  - Cơ cấu Đóng Rmax Van mở Min thừa hành 5. Tham số PID Mở van Mở - thuỷ lực  RP Hệ thống theo khảo sát là dao động và do đó - điều chỉnh theo quy tắc Z-N dựa trên hệ số sTR RT khuếch đại tới hạn Kth và chu kỳ tới hạn Pth : 1 sTR Gc( s ) K p (1  T i ( s )  T d ( s )) Hình 6. Sơ đồ khối bộ điều tốc turbine thuỷ lực (9) trong đó: Từ N-Z phương pháp điều chỉnh tần số theo TPV - thời gian servomotor định hướng (0,05s) quy tắc điều chỉnh với thông số của Kp, Ti và KV - khuếch đại phụ động (=5) Td như bảng 1 với: Kth là hệ số khuếch đại khi Rmax mở - tốc độ mở cửa van tối đa ≈ 0,15pu/s hệ ở trạng thái dao động tới hạn; Tck là chu kỳ Rmax đóng - tốc độ đóng cửa van tối đa ≈ 0,15pu/s dao động. Khi vận hành hệ thống thì đặc tính vận hành Bảng 1 thường xuyên thay đổi, nhờ các thiết bị điều Luật điều K T T khiển có độ bù chuyển tiếp giúp vận hành ổn khiển p i d định. Còn khi lựa chọn tối ưu thì độ giảm tốc P 0,5.Kth ∞ 0 độ tạm thời RT và thời gian thiết lập lại TR có PI 0,4.Kth 0,8.Tck 0 quan hệ với hằng số thời gian khởi động TW PID 0,6.Kth 0,5.Tck 0,125.Tck và hằng số thời gian cơ của turbine - máy phát Xét phương trình đặc trưng của mạch vòng TM=2H như sau [6]: khép kín: T 32 W s6 s  5 s  KP  0 RTTW2,3  (  1,0)0,15 (10) TM (7) Từ tiêu chuẩn ổn định Routh, giá trị của Kp làm cho hệ thống ổn định có thể được xác TTTRWW5,0  (  1,0)0,5 (8) định theo bảng 2. 4. Bộ điều khiển mờ theo luật PID Hệ thống điều khiển theo hình 6 được kiểm Bảng 2 soát bằng một tiêu chí là tối ưu hóa với hệ s3 1 5 điều khiển logic mờ [7] theo thuật toán chỉnh s2 6 Kp định PID, có 3 đầu vào gồm sai lệch e giữa tín s1 (30-Kp)/6 0 hiệu đầu vào và tín hiệu ra, đạo hàm bậc nhất s0 Kp - của e và đạo hàm bậc hai của e. Đầu ra của hệ Thiết lập các tham số điều khiển PID ta thu mờ là đạo hàm du/dt của tín hiệu điều khiển được hàm truyền khép kín của các PID điều u(t) như hình 7. khiển với tất cả các thông số xác định được d e’ là: x dt y Luật Đối 2  hợp I tượng 6,3223(s  1,4235) - e Gsc () thành s (11) Từ hàm truyền đạt trên, ta có thể thấy rằng bộ Hình 7. Hệ điều khiển mờ theo luật PID điều khiển PID đã đạt cực trị tại gốc s=- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 Lưu Tùng Giang và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 59 - 65 1,4235. Sơ đồ khối kiểm soát hệ thống với Quá trình thử tải theo 4 cấp độ khác nhau điều khiển PID như hình 8. (bảng 5 phụ lục) từ mức 0,71MVA đến 7,57 (s) 6,3223s2  17,999s 12,8089 f(s) MVA có tổng thời gian chạy 60s, công suất  + s4 6s 3 5s 2 tham chiếu 0,305pu tương đương 1,73MVA. - Đáp ứng của hệ thống như sau: 1.6 Hình 8. Sơ đồ điều khiển 1.4 1.2 1 Vòng lặp khép kín hệ thống là: 0.8 2 Gsc () 6,3223ss 17,999 12,8089 0.6  4 3 2 0.4 0 10 20 30 40 50 60 Rs() s6 s  11,3223 s  18 s  12,8089 (12) Đáp ứng của hệ thống này có thể thu được Hình 11. Đáp ứng tốc độ (pu) 40 bằng mô phỏng MATLAB [8]. 30 Step Response 1.8 20 1.6 10 1.4 0 1.2 -10 1 -20 0 10 20 30 40 50 60 Amplitude 0.8 0.6 1 0.4 0.8 0.2 0.6 0 0 5 Time (sec) 10 15 Hình 9. Đáp ứng hệ thống thiết kế 0.4 0.2 0 0 10 20 30 40 50 60 Để nâng cao chất lượng hơn nữa, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng bộ điều Hình 12. Đáp ứng góc tải và mô men điện từ (pu) khiển PID số 0.2 12 q q z q z 0.15 Gz() 0 1 2 c 1 0.1 1 z (13) 0.05 0 -0.05 0 10 20 30 40 50 60 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 10 20 30 40 50 60 Hình 10. Tối ưu hoá đáp ứng hệ thống Hình 13. Đáp ứng công suất Q và P (pu) Sau khi thực hiện mô phỏng với việc sử dụng Nhận xét: Tăng phụ tải 0,71MVA ở thời bộ PID số làm chất lượng điều khiển tốt hơn, điểm 5s, hệ thống điều tốc điều chỉnh tần số thời gian đáp ứng ở 2,43s. tăng đến 60Hz. Ở thời điểm 20s, nếu tiếp tục tăng đến 7,57MVA, tần số giảm xuống còn MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRONG 25Hz. Khi duy trì tải ở mức 1,73 MVA tương MATLAB ứng công suất đặt 0,305pu thì hệ thống điều 1. Khi nhà máy vận hành độc lập tốc điều chỉnh về trạng thái duy trì ổn định ở Mô hình mô phỏng nhà máy xây dựng từ thư tần số 49,99 Hz. viện SimPower của Matlab Simulink với các 2. Khi nhà máy hoà với lưới điện vô cùng lớn thông số đã được điều chỉnh lại theo số liệu dùng trong bài báo này (bảng 3, 4 phụ lục). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 62 Lưu Tùng Giang và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 59 - 65 1.1 10 1.08 8 1.06 6 1.04 4 1.02 2 1 0 <Speed 0.98 -2 0.96 -4 0.94 -6 0.92 0 2 4 6 8 10 12 0.9 0 2 4 6 8 10 12 Hình 16. Đáp ứng công suất Q và P Hình 14. Đáp ứng tốc độ Nhận xét: Khi nhà máy hoà vào lưới điện có công suất vô cùng lớn, thì góc tải và mô men 200 điện từ cũng được điều chỉnh theo công suất 150 đặt tham chiếu. Lúc đó sự duy trì của hệ 100 thống điều tốc là duy trì và điều chỉnh công suất cơ trên trục turbine. Tần số luôn duy trì 50 ổn định ở mức f=50Hz được xác lập ở thời 0 gian 2,5s. Góc tải công suất duy trì ở 22,10 và <delta -50 mô men điện từ ở mức 0,9pu. -100 KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này đã chọn ra phương án -150 nâng cao chất lượng điều tốc turbine thuỷ -200 0 2 4 6 8 10 12 điện nhỏ, bằng việc thiết lập hệ thống điều chỉnh phù hợp giữa công suất nguồn sơ cấp 12 và tải của lưới điện; Xây dựng hệ thống điều 10 khiển tốc độ turbine bằng bộ điều tốc với hệ 8 6 điều khiển mờ theo luật PID. 4 Tiến hành xây dựng các mô hình mô phỏng 2 để kiểm tra các tính năng của mô hình đã thiết 0 kế cũng như thử nghiệm các trường hợp hoạt <Te -2 động của hệ thống trong các điều kiện làm -4 việc tiêu biểu. -6 Tuy nhiên do việc tiến hành thí nghiệm trên -8 đối tượng máy phát không ở mô hình thực tế, -10 0 2 4 6 8 10 12 nên việc nghiên cứu mới chỉ dừng ở việc khảo sát dựa trên mô hình được xây dựng từ các Hình 15. Đáp ứng góc tải và mô men điện từ thư viện chuẩn hóa trong Matlab Simulink. 10 Kết quả mô phỏng cho thấy tần số ổn định tốt nhất ở chế độ hoà lưới, còn ở chế độ vận hành 5 với các loại phụ tải độc lập khác nhau thì có sai số là 0,01Hz nằm trong phạm vi cho phép. 0 Như vậy với việc xây dựng mô hình nâng cao -5 chất lượng điều tốc đã giải quyết được các yêu cầu đặt ra. -10 PHỤ LỤC -15 0 2 4 6 8 10 12 Bảng 3. Thông số máy phát điện đồng bộ TT Tên thông số Đơn vị Trị số Công suất định mức 1 MW 8,00 Pđm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 63 Lưu Tùng Giang và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 59 - 65 Điện áp định mức 2 V 13,.800 [1].Qui hoạch thuỷ điện vừa và nhỏ tỉnh Hà Giang Uđm giai đoạn 2005-2010 có xét đến 2015; Viện Năng Dòng điện stato định 3 A 394,23 mức lượng, Hà Nội 2007. 4 Tần số định mức fđm Hz 50,00 [2].Electric Energy and Electric Generators Dòng điện kích từ 5 A 43,48 Published in 2006 by CRC Press Taylor & Francis không tải Group Điện trở mạch stato 6 p.u 0,0001 (p.u) [3].IEEE Working Group on Prime Mover and Các tham số điện Energy Supply Models for System Dynamic 7 kháng dọc trục và Performance Studies; "Hydraulic Turbine and ngang trục Turbine Control Models for Dynamic Studies," Xd p.u 1,1745 ’ Xd p.u 0,2664 IEEE Transactions on Power Systems. Vol.7, ’’ Xd p.u 0,2268 No.1, February, 92, pp. 167-179 X p.u 0,4266 q [4].J.P. Ngoma Cand. Sc.(Eng); P. D. Lezhniuk, Xq'' p.u 0,2187 Xl p.u 0,1620 Dr. Sc. (Eng.), Prof.; A.V. "Nikitorovych, Các hằng số thời gian compensation of reactive power of asynchronous 8 trong quá trình quá generators at small hydro power stations". 2008, độ và siêu quá độ № 2 Td' s 1,010 Td'' s 0,053 [5].Nghị định số 105/2005/NĐ-CP, ngày 17 tháng '' Tqo s 0,100 8 năm 2005 về Quy định chi tiết và hướng dẫn thi Bảng 4. Tham số chính bộ điều tốc hành một số điều của Luật Điện lực [6].P. Kundur, Power System Stability and TT Tên thông số Đơn vị Trị số 1 Độ mở van Control, McGraw-Hill Book, 1994 Gmin (pu) 0,01 [7].Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2002); Gmax (pu) 0,98 Lý thuyết điều khiển mờ; Nhà xuất bản Khoa học Vg (pu) -0,10 min và Kỹ thuật, Vhmax (pu) 0,10 2 Tham số đặc tính [8].Nguyễn Phùng Quang (2006); Matlab & Rp 0,05 Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động; Nhà K 1,16 p xuất bản Khoa học & kỹ thuật, Ki 0,11 Kd [9].Lưu Tùng Giang (2010); Nâng cao chất lượng Td s 0,01 điều tốc turbin thuỷ điện nhỏ; Luận văn Thạc sỹ 3 Thông số turbine kỹ thuật. Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - beta 0,00 ĐH Thái Nguyên, TW s 2,67 Bảng 5. Thời gian vận hành với các loại phụ tải Thời gian Công suất Tỷ lệ % STT vận hành vận hành phụ tải (s) (MVA) % 1 5 0,71 8,84 2 20 7,57 94,58 3 40 0,71 8,84 4 50 1,73 21,69 TÀI LIỆU THAM KHẢO Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 64 Lưu Tùng Giang và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 59 - 65 SUMMARY RESEARCH ON IMPROVING THE QUALITY OF A SMALL HYDROPOWER TURBINE SPEED CONTROL IN MOUNTAINOUS REGIONS IN VIETNAM Luu Tung Giang1, Nguyen Hien Trung2* 1Department of Industry and Trade of Ha Giang Province, 2College of Technology - TNU This paper analyses and presents the speed control system of a small hydropower turbine with the view of optimization. The high performance process of non-linear movement control with the set of speed adjustment under the small control system of PID law is implemented. The control sets for the adjusted system of speed and the generators have achieved good results with the experimental model. The model results show that the features are completely satisfied compared with the quality standards that are set, corresponding to different levels of load, the load angle and the electromagnetic torque also change in order to maintain energy levels for download under installed capacity, meet the demands of frequency,ensure smaller bias with frequency deviation allowed. Key words: Speed control system, water flow, optimization, power quality * Tel: 0912386547; email: nguyenhientrung@tnut.edu.vn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 65