Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ quay của Tuabin trong nhà máy thủy điện Hòa Bình

đĩa của nó tạo ra hướng áp lực. Do tính sai áp của thân ngăn kéo chính 8.3 nên tạo ra lực hướng lên phía trên, cân bằng với lực từ phía pittông xéc vô mô tơ phụ 8.2. Kim 8.4 chuyển động lên trên và xuống dưới nhờ tác động của thanh truyền 8.6 sẽ làm cho áp lực trong khoang trên pittông 8.4 thay đổi, phá vỡ cân bằng lực tác động cần pittông, do đó pittông chuyển về hướng tương ứng (Lên trên hoặc xuống dưới) thông qua thanh truyền 8.6 đẩy kim ngăn kéo kích thích 8.4 về vị trí giữa. Thân ngăn kéo chính 8.3 chuyển động cùng với pittông, đẩy dầu áp lực vào một khoang của xéc vô mô tơ máy hướng nước và thông khoang kia với đường dầu cả. Thời gian mở và đóng của xéc vô mô tơ máy hướng nước được điều chỉnh bằng các êcu 8.1, trong đó êcu trên hạn chế hành trình xuống dưới của thân ngăn kéo chính và chỉnh thời gian đóng, còn êcu dưới hạn chế hành trình lên phí trên và chỉnh thời gian mở. 3.3.3: Cơ cấu hạn chế độ mở [MOO] Nhờ có cơ cấu hạn chế độ mở có thể ngừng và khởi động tổ máy điều khiển bằng tay và hạn chế độ mở cánh hướng nước. Cơ cấu có 2 bộ truyền động độc lập, bộ truyền động bằng tay 14.1 và bộ truyền động tự động 14.2. Khi động cơ chay hoặc quay vô lăng thì cần 14.7 sẽ truyền động làm quay trục hạn chế 18. Trục hạn chế quay sẽ tác động lên ngăn kéo chính 8 và sẽ làm cho thân ngăn kéo chuyển động. Do ngăn kéo chuyển động, xéc vô mô tơ máy hướng nước sẽ thay đổi vị trí của mình và thông qua cáp liên lạc ngược 22 làm quay trục liên lạc 19 đẩy thân ngăn kéo về vị trí giữa. Để hạn chế độ mở máy hướng nước, cơ cấu độ mở được đưa về vị trí ứng với độ mở cho phép lớn nhất tuỳ theo điều kiện vận hành. Khi máy hướng nước dịch chuyển về phía mở đạt tới độ mở đó thì liên lạc ngược thông qua trục liên lạc ngược 19 đẩy thân ngăn kéo về phía giữa và máy hướng nước ngừng chuyển động. Động cơ điện 14.2 dừng lại ở vị trí ngoài cùng nhờ các công tắc hành trình đầu cuối: Đóng 14.3, mở 14.4. 3.3.4: Cơ cấu hiệu chỉnh bộ điều chỉnh theo cột nước 15. Độ mở vào tuabin bị hạn chế nhờ cam 15.3, thông qua thanh truyền 18.2 và 18.4 tác động liên tục bộ hạn chế 18, đưa nó về vị trí ứng với độ mở cho phép lớn nhất của máy hướng nước ở cột nước đó. Cam 15.3 được chế tạo phù hợp với đường giới hạn công suất của tổ máy được xác định bởi đặc tính vận hành. 3.3.5: Cơ cấu liên lạc ngược điều chỉnh theo cột nước 17 đảm bảo cắt tín hiệu đến động cơ 15.1 của cơ cấu chỉnh bộ điều chỉnh theo cột nước khi cơ cấu điều chỉnh theo cột nước đạt tới vị trí ứng với cột nước đang làm việc. 3.3.6: Trục bộ hạn chế 18 lùa chon giá trị lớn nhất hạn chế độ mở máy hướng nước trong các giá trị hiện có ở thời điểm đó ở cơ cấu hạn chế độ mở 14 và han chế theo cột nước 15. 3.3.7: Trục liên lạc ngược 19 dùng để truyền tín hiệu liên lạc ngược từ xéc vô mô tơ máy hướng nước. Trục có quả tạ 19.3 để kéo căng dây cáp 22. Để trục không bị quay qúa trong trường hợp đứt dây cáp, người ta lắp chốt hạn chế 20.2 trên bệ máy, ở dưới qủa tạ người ta có lắp bộ phận hình dẻ quạt 19.5 để dây cáp truyền chuyển động của xéc vô mô tơ máy hướng nước đến đồng hồ chỉ độ mở của máy hướng nước 13. Vị trí bộ phận hình dẻ quạt trên quả tạ có thể được điều chỉnh nhờ cam lệch tâm. 3.3.8: Bộ lọc dầu kép 5 dùng để lọc thêm dầu vào các cơ cấu nằm trong tủ điều tốc. Cấu tạo bộ lọc đảm bảo có thể dùng dầu sạch để vệ sinh và rửa phần lưới lọc không làm việc và không phải tháo nó ra khỏi vỏ. Ngoài ra còn các đồng hồ cần thiết để theo dõi sự làm việc của tổ máy và của bộ điều tốc. - Đồng hồ tốc độ điện báo tần số quay của tổ máy - Đồng hồ chỉ độ mở của máy hướng nước và vị trí của bộ hạn chế. - Đồng hồ cân bằng chỉ giá trị và chiều dòng điện điều khiển trong cuộn dây của bộ biến đổi điện thủy lực - Các đèn tín hiệu báo vị trí các chốt vành điều khiển - Áp kế báo áp lực dầu đưa vào bộ biến đổi điện thuỷ lực và các bộ báo cột nước nằm ở trong tủ điều tốc. - Dây cáp phản hồi cơ và tất cả các đường ống dẫn đến tủ điều tốc từ phía dưới. Quá trình hoạt động ở các chế độ khác nhau của tủ điều tốc: * Khởi động tổ máy: Vị trí của các cơ cấu và các bộ phận riêng biệt trước khi khởi động tổ máy như sau : Van 7 trong tủ điều tốc mở, áp lực dầu bằng 18-20kg/cm2. Cần 2.3 của bộ biến đổi điện thuỷ lực nằm ở vị trí Tự động. Cơ cấu hạn chế mở nằm ở vị trí tương ứng với vị trí máy hướng nước đóng hoàn toàn. Kim đỏ của đồng hồ 13 nằm ở chấm đỏ kể từ phía 0 của thang đo. Kim đen chỉ máy hướng nước đóng hoàn toàn. Đèn tín hiệu 12 báo xéc vô mô tơ máy hướng nước đã tháo chốt ( Đèn xanh sáng). Khi phát tín hiệu khởi động, động cơ 14.2 đóng điện đẩy cần 14.7 của bộ hạn chế độ mở lên phía trên. Khi cần bắt đầu chuyển động thì tiếp điểm cuối14.3 tác động và phát tín hiệu điều khiển vào cuộn dây của bộ biến đổi điện thủy lực làm việc nhở tín hiệu của bộ hạn chế điện trên bảng thiết bị điện. Tổ máy bắt đầu quay, khi tần số quay gần bằng tần số quay định mức và máy hướng nước mở đến độ mở không tải thì tiến hành đồng bộ và hoà tổ máy vào lưới. Khi đóng máy ngắt của máy phát thì bộ hạn chế điện được cắt ra. Tổ máy có thể mang tải đến phụ tải cho phép lớn nhất của cột nước đó. * Ngừng máy : Khi phát tín hiệu ngừng tổ máy bình thường thì cơ cấu thay đổi tần số và công suất sẽ giảm bớt phụ tải của tổ máy bằng cách đóng bớt máy hướng nước của tuabin. Khi máy hướng nước đạt tới độ mở không tải thì tổ máy được cắt khỏi lưới nhờ tiếp điểm hành trình của máy chỉ huy, lúc đó động cơ bộ hạn chế độ mở đóng điện làm việc về phía đóng, máy hướng nước đóng hoàn toàn, tổ máy ngừng. Tiếp điểm hành trình tác động cắt điện động cơ. * Tổ máy làm việc dưới tải: Tần số trong lưới điện tăng lên làm cho tần số quay của tổ máy cũng tăng lên. Khi tần số đó vượt quá giá trị số bộ nhạy của bộ điêu tốc thì trên bảng điện sẽ tạo ra tín hiệu tỷ lệ với độ sai lệch tần số và có chiều hướng khôi phục trạng thái cân bằng, nghĩa là có chiều hướng đóng bớt máy hướng nước. * Sa thải phụ tải: Khi máy ngắt của máy phát nhảy, bảng thiết bị điện hình thành tín hiệu “Đi đóng” truyền qua bộ biến đổi thuỷ lực, do đó thân ngăn kéo chính 8.3 chuyển động hết xuống dưới và máy hướng nước đóng lại với tốc độ lớn nhất mà điều kiện đảm bảo điều chỉnh cho phép. * Ngừng sự cố tổ máy. Nếu sau khi máy ngắt của máy phát nhảy mà thân ngăn kéo chính không chuyển động xuống dưới và công tắc hành trình củ mạch bảo vệ chống lồng tốc 21 không nhả ra thì ngăn kéo sự cố sẽ tác động khi tần số quay của tổ máy đạt bằng 115% tốc độ định mức và ngăn kéo sự cố sẽ đóng máy hướng nước không qua ngăn kéo chính của bộ điều tốc. Ngăn kéo sự cố cũng tác động để đóng máy hướng nước khi bất kỳ bảo vệ cơ khí thuỷ lực vào làm việc mà máy hướng nước không đóng lại được bằng ngăn kéo chính của bộ điều tốc. Khi lồng tốc 170% nguyên lý làm việc của ngăn kéo sự cố có bộ truyền động điện tử. Việc ngừng sự cố tổ máy do các nguyên nhân không liên quan tới lồng tốc được thực hiện bằng cách đống điện động cơ của các cơ cấu hạn chế độ mở. Trong trường hợp này máy phát được cắt khỏi lưới điện nhờ công tắc hành trình của máy chỉ huy khi các máy hướng nước đạt tới độ mở không tải. * Điều khiển bằng tay. Để điều khiển bằng tay, cần của bộ biến đổi điện thuỷ lực 2.3 phải đưa về “Bằng tay” lúc đó khoang trên pittông 2.4 củ bộ biến đổi điện thuỷ lực sẽ thông với đường dầu xả và pittông chuyển động lên trên, lại trừ khả năng làm việc tự động của điểu tốc qua bộ biến đổi điện thuỷ lực. Trong trường hợp này phải dung vô lăng của cơ cấu hạn chế độ mở 14.1 để khởi động, ngừng, duy trì tần số quay và thay đổi phụ tải của tổ máy. Khởi động tổ máy ở chế độ điều khiển bằng tay nh­ sau: Quay vô lăng 14.1 để đưa cần bộ hạn chế 14.7 về vị trí độ mở khởi động bằng cách căn cứ vào chỉ số đồng hồ vị trí máy hướng nước 13. Dùng vô lăng 14.1 của cơ cấu hạn chế độ mở 14 chỉnh độ mở không tải phù hợp để đạt tần số quay định mức 100%. Ngừng tổ máy bằng cách quay vô lăng 14.1 về phía đóng. Khi đó tổ máy phải tự động cắt khỏi lưới khi máy hướng nước đạt tới độ mở không tải. * Trình tự chuyển tổ máy từ điều khiển bằng tay ra điều khiển tự động và ngược lại. Khi chuyển từ điều khiển bằng tay sang tự động phải dùng khoá 9 để đưa kim đồng hồ cân bằng 10 đến vạch 1-1.5 về phía “Tăng” sau đó chuyển cần 2.3 về vị trí “Tự động”. Sau khi thực hiện thao tác trên, dung khoá 9 phát tín hiệu “Giảm” cho đến khi kim đồng hồ cân bằng 10 nằm về vạch “0” trên đồng hồ 13. Kim đen chỉ vị trí máy hướng nước cách kim đỏ hạn chế độ mở một Ýt, dùng vô lăng 14.1 để đưa cần 14.7 về vị trí mở hết. Khi chuyển từ điều khiển tự động sang bằng tay thì phải quay vô lăng 14.1 của cơ cấu hạn chế độ mở về phía đóng đến khi nào trên đồng hồ 13 kim đỏ và kim đen trùng nhau, lúc đó trên đồng hồ cân bằng sẽ xuất hiện tín hiệu nhỏ về phía tăng sau đó chuyển cần 2.3 về vị trí “Bằng tay”. Thực hiện nghiêm túc trình tự thao tác ở mục 5.6 khi chuyển từ điều khiển tự động sang điều khiển bằng tay và ngược lại sẽ đảm bảo phụ tải của tổ máy sẽ không thay đổi. Chỉ ở chế độ điều khiển bằng tay hoặc khi máy đã ngừng mới được phép đóng và mở van 7. 3.4. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của ngăn kéo đóng sự cố máy hướng nước. 3.4.1: Tổ máy ngừng sự cố nhờ ngăn kéo sự cố được điều khiển bằng điện thủy lực. Ngăn kéo sự cố gồm có: - Bản thân ngăn kéo sự cố đường kính 150mm. - Ngăn kéo điều khiển cuộn điện từ. - Bộ tiết lưu. 3.4.2: Ngăn kéo sự cố được lắp đặt trên các ống điều khiển, nối ngăn kéo chính của bộ điều tốc với các xéc vô mô tơ máy hướng nước. Đầu nối với ngăn kéo sự cố có các đường ống: Èng áp lực từ MHY. Èng xả dầu về MHY. Èng nối với xécvômôtơ lắp trong ngăn kéo, vào khoang B. - Èng tháo dầu về bơm vét dầu. Khi tổ máy ở chế độ điều khiển bình thường, thân ngăn kéo 1.1 nằm ở vị trí ngoài cùng bên phải và không ngăn cản dòng dầu từ ngăn kéo của bộ điều chỉnh tới xécvômôtơ máy hướng nước. Ngăn kéo sự cố được điều khiển nhờ xécvômôtơ láp ở bên trong. Khi ngăn kéo sự cố phát tín hiệu ngừng tổ máy thì khoang “B” của xécvômôtơ bên trong thông với đường dầu xả, dầu áp lực ở khoang “A” đẩy thân ngăn kéo 1.1 từ vị trí ngoài cùng bên phải sang bên trái. Do đó bịt kín ống điều khiển từ ngăn kéo chính tới các xécvômôtơ. Khoang “A” đóng của xécvômôtơ máy hướng nước thông với đường dầu áp lực, còn khoang “B” mở của xécvômôtơ thông với đường dầu xả. Do đó xécvômôtơ máy hướng nước đóng lại. 3.4.3: Ngăn kéo điều khiển cuộn điện từ: Ngăn kéo điều khiển 3 có cuộn điện từ 2 dùng để điều khiển bằng tay và tự động ngăn kéo sự cố. Khi tổ máy ở chế độ điều khiển bình thường thì cuộn điện từ 2 không có điện, kim 3.1 nằm ở vị trí cuối cùng. Ngăn kéo thông khoang B của xéc vô mô tơ lắp bên trong với áp lực cố định thân ngăn kéo 1.1 ở vị trí ngoài cùng bên phải. Khi cuộn dây điện từ 2 có điện sẽ hút lõi cảm ứng 2.1 cùng cần 3.1 lên trên và chốt lại làm thông khoang “B” của xéc vô mô tơ với đường dầu xả. Khỉ giải trừ liên động, lõi cảm ứng từ 2.1 cùng với kim 3.1 được tháo ra khỏi chốt và được lò xo kéo xuống dưới khoang B của xéc vô mô tơ lắp bên trong được thông với đường áp lực. Ngăn kéo điều khiển 3 có thể được giải trừ liên động bằng nút 2.3 hoặc từ bàn điều khiển từ xa. Ngăn kéo được điều khiển bằng tay bằng cách Ên lên cần 2.2 đến khi lõi điện từ 2.1 cùng kim 3.1 được cố định ở vị trí trên cùng. 3.4.4 Bộ trích lưu: Bộ trích lưu 4 được lắp trên ống xả dầu của ngăn kéo sự cố số 1, nó dùng để xác định thời gian đóng xéc vô mô tơ máy hướng nước bằng ngăn kéo sự cố theo đúng thời gian đảm bảo điều chỉnh. 3.5. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của phần điện của bộ điều tốc (Hình vẽ 3.2. sơ đồ phần điện của bộ điều tốc) Tần số là thông số cần điều chỉnh trong suốt quá trình hoạt động của hệ thống và nhiệm vụ của các bộ điều tốc là điều chỉnh tần số đạt bằng giá trị đặt trong khoảng thời gian ngắn nhất, mà không có dao động lớn gây ảnh hưởng tới chất lượng điện năng của hệ thống. Khi tổ máy chưa hòa vào lưới (tức chưa tham gia vào quá trình phát điện) thì việc điều chỉnh tần số được thực hiện thông qua điều chỉnh tốc độ quay của tuabin. Khi tốc độ của tuabin đạt tốc độ định mức (125vòng/phút) tương ứng với tần số 50hz (có thể sai khác 0.1- 0.15hz), cộng thêm các điều kiện thỏa mãn của điện áp và góc pha giữa tổ máy và lưới(), thì cho phép tổ máy hòa lưới (tức tham gia vào quá trình phát điện). Lúc này vấn đề điều chỉnh tần số không còn là nhiệm vụ của riêng một tổ máy nữa mà là vấn đề chung của toàn hệ thống điện. Do đó việc điều chỉnh tần số thông qua điều chỉnh lượng công suất tác dụng cân bằng với công suất phụ tải (luôn luôn biến đổi). * Khi tổ máy chưa hòa vào lưới điện. Khâu đặt tần số có thể được thực hiện tự động hoặc bằng tay. Dùng khóa H13K6 để tăng tần số khi khóa này đóng và khóa H13K7 để giảm tần số khi khóa này đóng. Thông qua khâu H5 có vai trò giống một khâu tích phân nhiệm vụ là nhớ giá trị tần số và giữ nó không đổi trong một khoảng thời gian đủ dài. Đầu ra H5 ta có giá trị đặt tần số, giá trị đặt này được so sánh với giá trị thực phản hồi từ tổ máy tuabin. Đo tốc độ quay của tuabin dùng một máy phát điều chỉnh gắn đồng trục với trục tuabin có cấu tạo giống hệt máy phát điện chính nhưng nhỏ hơn nhiều và phần kích từ là khối nam châm vĩnh cửu. Đầu ra là điện áp xoay chiều một pha 100-110V ( ) sau khi qua máy biến áp T1 để điện áp phù hợp với khâu biến đổi. Từ biểu thức điện áp ta biết được tần số thực tế của tuabin. Tuy nhiên để so sánh với tần số mẫu ta cần biến đổi thành điện áp một chiều bằng bộ biến đổi tần-áp H6. Điện áp đầu ra có thể được hiệu chỉnh đặc tính quá độ bằng cách thay đổi các khóa chuyển để thay đổi điện dung C của tụ điện từ đó thay đổi được hằng số thời gian của khâu vi phân. Hiệu sai lệch tần số mẫu và tần số thực của tuabin được cho qua khâu tích phân tần số H3A4 . Khâu tích phân này nhằm đảm bảo chất lượng điều khiển, bộ điều khiển sẽ tác động cho tới khi sai lệch bằng 0, điều đó rất quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng điện năng ở trạng thái xác lập. Đầu ra của H3A4 một phần sẽ phản hồi lại qua khâu khuếch đại nối song song khâu vi phân thực có hằng số thời gian có tác dụng ổn định hệ thống và nâng cao đặc tính quá độ. Một phần đưa tín hiệu tới bộ khuếch đại thủy lực H9 để khuếch đại lần một tín hiệu đi điều khiển. Tín hiệu này được khuếch đại lần 2 bằng khâu H9’ trước khi đưa vào ngăn kéo chính. Ngăn kéo chính thực chất nó là một xi lanh thủy lực là khâu trung gian truyền áp lực từ bình dầu áp lực MHY tới các secvomoto cánh hướng nước. Ở đây nó có hai đầu ra tương ứng với việc đóng hay mở cánh hướng nước, ở chế độ mở thì khoang mở sẽ thông với đường dầu áp lực còn khoang đóng thông với đường dầu xả, ở chế độ đóng thì ngược lại. Hàm truyền của nó xấp xỉ là khâu tích phân. Đầu ra ngăn kéo chính một phần phản hồi lại trước H9’ một phần truyền tác động tới xecvomoto để điều khiển cánh hướng nước. Xecvomoto có cấu tạo giống ngăn kéo chính nhưng cơ chế làm việc đơn giản hơn. Khi có lệnh đóng hoặc mở cánh hướng nước từ ngăn kéo chính các secvomoto sẽ làm việc đẩy vào hay kéo ra tương ứng với việc đóng hay mở cánh hướng nước. Hàm truyền của secvomoto cũng là một khâu tích phân. Vị trí của cánh hướng được đo bằng biến áp quay có nguồn nuôi 12V- 400Hz đầu ra là điện áp xoay chiều được biến đổi thành điện áp một chiều qua khâu vi phân thực hằng số thời gian trước khi phản hồi lại trước khối H9. Độ mở cánh hướng nước ảnh hưởng trực tiếp lượng nước vào tuabin, do đó làm thay đổi được tốc độ quay tuabin, nếu cánh hướng mở nhiều thì lượng nước vào tuabin lớn tốc độ quay tuabin tăng và ngược lại nếu cánh hướng mở Ýt thì lượng nước vào tuabin giảm đi nên tốc độ quay của tuabin sẽ giảm. * Khi tổ máy hòa vào lưới (tổ máy mang tải) Khi tốc độ quay của tuabin đạt tốc độ định mức (125 vòng/phút) tương ứng với tần số 50 Hz cùng các điều kiện thỏa mãn về điện áp và pha giữa tổ máy và lưới ta tiến hành hòa lưới tổ máy vào hệ thống, tổ máy bắt đầu phát công suất hữu công. Cùng lúc đó giá trị đặt công suất (đã được trung tâm điều động nhà máy phân phối công suất cho tổ máy sao cho đạt lợi Ých kinh tế nhất) được áp đặt. Giá trị đặt được tạo ra tương tự việc tạo ra giá trị đặt tần số có thể tự động hoặc bằng tay, bằng hai khóa H13K6 để tăng công suất và khóa H13K7 để giảm công suất. Giá trị này cũng được giữ bởi khối tích phân H5A5, tín hiệu này được cộng với tín hiệu phản hồi sau khối tích phân tần số H3A4. Công suất phản hồi có thể được lấy sau máy phát chính qua các bộ biến áp BU và biến dòng BI hoặc thông qua thiết bị IPM, thiết bị này có nhiệm vụ đo và tính toán công suất ra của máy phát từ đó chuyển đổi thành dòng điện tương ứng với công suất tính toán. Dòng này qua các điện trở tạo thành áp đặt vào trước khâu khuếch đại thủy lực H9. Nh­ vậy khi tổ máy hòa lưới việc điều chỉnh tần số được điều khiển thông qua điều chỉnh công suất tác dụng của tổ máy. Ví dụ : Hệ thống đang làm việc ổn định ở tần số 50 Hz đột nhiên có sự mất cân bằng phụ tải, giả sử phụ tải tăng làm cho tần số có xu hướng giảm, khi đó nhiệm vụ của trung tâm điều độ (trung tâm phân phối) công suất sẽ tính toán và đặt cho tổ máy một công suất phát mới (lớn hơn giá trị cũ) nhưng phải đảm bảo tổ máy duy trì được giá trị công suất này, theo đó sẽ tác động vào cánh hướng làm cánh hướng mở to ra, tốc độ tuabin tăng lên do đó có thể khắc phục được sự giảm tần số. Trong trường hợp tổ máy không thể đáp ứng được công suất phụ tải, để bảo vệ tổ máy không bị quá tải gây hư hỏng thì cho phép cắt bớt phụ tải không quan trọng để phục hồi tần số. 3.6. Vấn đề điều chỉnh tần số và công suất tác dụng trong hệ thống điện 3.6.1. Những vấn đề chung Nh­ ta đã biết tần số là chỉ tiêu chung về chất lượng điện năng của toàn hệ thống, vì trong hệ thống điện hợp nhất ở chế độ làm việc bình thường, tần số ở mọi điểm đều giống nhau. Tần số sẽ thay đổi khi xảy ra mất cân bằng giữa tổng công suất tác dụng của các động cơ sơ cấp (tuabin) kéo máy phát điện với phụ tải tác dụng của hệ thống điện . Cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống điện ở chế độ bình thường: Trong đó : : Công suất của tuabin kéo máy phát. : Công suất của phụ tải điện. : Tổn thất công suất tác dụng trong hệ thống điện. Mô men kéo của tuabin. Trong đó : : Hằng số : Lưu lượng nước vào tuabin : Độ chênh áp suất đầu và cuối tuabin. : Hiệu suất tuabin Tần sè f của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ góc của máy phát điện theo quan hệ Trong đó : p – Số đôi cực của máy phát điện n- Số vòng quay của máy phát điện Phụ tải điện của hệ thống tạo nên mômen cản trên trục tuabin. Công suất của từng loại phụ tải điện khác nhau phụ thuộc vào tần số dòng điện theo những quan hệ khác nhau. Chẳng hạn công suất tiêu thụ bởi các đèn sợi nung và các loại phụ tải nhiệt hầu nh­ không phụ thuộc vào tần số, công suât tiêu thụ bởi động cơ của máy móc gia công kim loại phụ thuộc bậc nhất tần số. Công suất của các loại bơm, quạt tùy theo kết cấu, độ nghiêng của cánh có thể phụ thuộc bậc hai, ba vào tần số... Nói chung đối với phụ tải tổng hợp của hệ thống tùy theo tương quan giữa các thành phần phụ tải mà quan hệ giữa công suất tác dụng và tần số sẽ thay đổi. Trong đó : , - Tương ứng là sự thay đổi của tần số và công suất tác dụng. , - Tần số và công suất danh định . Để thấy rõ sự thay đổi tương quan giữa công suất tác dụng và tần số ta khảo sát đường đặc tính tĩnh của tuabin và của phụ tải. Thay đổi tần số (hay tốc độ quay) sẽ làm thay đổi mô men quay của phụ tải. Quan hệ này được biểu diễn bằng đường cong trên hình vẽ đặc trưng cho đặc tính tĩnh của phụ tải. Tần số của hệ thống điện được xác định tại điểm cắt của đặc tính 1 (tuabin) và đặc tính (phụ tải) ở đó mô men kéo của tuabin cân bằng với mô men cản của phụ tải Hình vẽ 3.3 Đường đặc tính tĩnh tuabin (1,2,3) và phụ tải (,,). Khi số lượng phụ tải trong hệ thống điện thay đổi, đặc tính tĩnh của phụ tải sẽ bị dịch chuyển. Chẳng hạn khi đấu thêm phụ tải, đặc tính này sẽ bị dịch chuyển sang bên phải () và sẽ cắt đặc tính tuabin tại điểm , tương ứng với tần số . Khi cắt bớt phụ tải, đặc tính sẽ bị dịch chuyển sang trái () và sẽ cắt đặc tính 1 của tuabin tại , tương ứng với tần số . Nh­ vậy khi phụ tải thay đổi sẽ làm cho tần số thay đổi: Để đảm chất lượng điện năng không cho phép tần số của hệ thống thay đổi nhiều. Vì vậy khi phụ tải thay đổi, để giảm mức thay đổi tần số, bắt buộc phải thay đổi đặc tính tĩnh của tuabin. Chẳng hạn khi phụ tải tăng phải dịch chuyển đặc tính tĩnh của tuabin sang phải (đường 2). Khi Êy điểm cắt nhau giữa đặc tính tuabin (2) và phụ tải () tại tương ứng với tần số >. Tương tự khi phụ tải giảm ta phải dịch chuyển đặc tính tuabin sang trái (3) và điểm cắt nhau giữa đặc tính 3 và tại tương ứng với tần số < . Nhờ sự dịch chuyển đặc tính tuabin mà độ lệch tần số < Tập hợp các điểm , , hình thành đặc tính điều chỉnh của tuabin f(M) hoặc f(P). Đặc tính điều chỉnh của tuabin được đặc trưng bằng hệ số phụ thuộc tương đối (còn được gọi là hệ số tĩnh) Thông thường của đặc tính điều chỉnh tuabin trong hệ thống điện nằm trong giới hạn =0.020.06. Trị số càng bé càng chứng tỏ hệ thống càng khỏe, nghĩa là với một mức biến đổi công suất nh­ nhau, thì mức biến đổi của tần số trong hệ thống có bé hơn sẽ Ýt biến đổi hơn. Điều chỉnh tần số (hay số vòng quay) của tuabin được thực hiện bằng cách thay đổi năng lượng vào tuabin, nó liên quan trực tiếp tới tiêu hao năng lượng, nhiên liệu và là một bài toán tối ưu hóa phức tạp phụ thuộc nhiều yếu tố như đặc tính tiêu hao nhiên liệu của tổ máy, chi phí vận hành của nhà máy điện, tổn thất công suất trên lưới khi thay đổi phương thức huy động công suất của cả nhà máy điện . Nh­ vậy điều chỉnh tần số trong hệ thống điện liên quan hữu cơ với việc điều chỉnh và phân bổ công suất tác dụng giữa các tổ máy và nhà máy điện trong hệ thống điện . Hệ thống điện càng lớn. Yêu cầu về độ chính xác điều chỉnh tần số càng cao, vì độ lệch tần số sẽ ảnh hưởng tới trào lưu công suất giữa nhiều nhà máy điện và giữa các khu vực khác nhau của hệ thống. Do đó trung tâm điều động hệ thống điện xuất phát từ điều kiện vận hành tối ưu của hệ thống từ đó đưa ra phương thức huy động công suất của từng nhà máy điện, công suất trao đổi giữa các đường dây liên lạc cần được khống chế trong các tình huống vận hành khác nhau. 3.6.2. Máy điều chỉnh tốc độ quay của tuabin. Máy điều chỉnh tốc độ quay tuabin có nhiệm vô tù động thay đổi mô men quay của tuabin bằng cách điều tiết lượng nước vào tuabin. Để điều tiết năng lượng nước vào tuabin người ta dùng hệ thống cánh hướng nước. Trong hệ thống điều tốc của nhà máy, các máy điều tốc sơ cấp của tuabin ngoài nhiệm vụ điều chỉnh tần số (tốc độ quay) của tuabin mà còn tham gia vào quá trình phân bổ công suất tác dụng giữa các tổ máy trong hệ thống điện . Máy điều chỉnh tốc độ trong nhà máy được chế tạo theo nguyên lý điều chỉnh gián tiếp thông qua khâu khuếch đại thủy lực có cấu tạo đa dạng và phức tạp, nhưng gồm những phần tử chính sau : Hình vẽ 3.4 Cấu trúc và sơ đồ chức năng máy điều tốc tuabin Trong đó : Phần tử đo lường : Bộ phận để phát hiện độ lệch tần số quay của tổ máy khỏi giá trị đặt, độ lệch tần số của điện áp máy phát điện, gia tốc tuabin hay thông số điều chỉnh khác. Phần tử khuếch đại : Thường là bộ khuếch đại từ hay khuếch đại thủy lực. Cơ cấu thừa hành thủy lực (goi là xecvomoto) : Làm nhiệm vụ tác động trực tiếp vào bộ phận điều tiết để thay đổi năng lượng vào tuabin. Phần tử điều chỉnh : Thực hiện chức năng phản hồi cứng hoặc mềm theo vị trí của cơ cấu thừa hành thủy lực 3 Phần tử đặt (chỉnh định) : Cơ cấu đặt và hiệu chỉnh tốc độ quay Ngoài ra còn có các thiết bị phụ khác nh­ cơ cấu hạn chế độ mở của cánh hướng nước, cơ cấu giới hạn cột nước … Các máy điều tốc tuabin hiện đại được phân thành các loại: kiểu cơ thuỷ lực và điện thuỷ lực. Máy điều tốc kiểu cơ thuỷ lực có phần tử đo lường để phát hiện độ lệch số vòng quay là hệ thống quả văng ly tâm có sơ đồ đơn giản sau: Hình3.5 Sơ đồ nguyên lý máy điều chỉnh tốc độ quay của tuabin kiểu hướng tâm Trong đó : 1- Là phần tử đo lường 3-Cơ cấu thừa hành thủy lực 2- Là phần tử khuếch đại 4-Phần tử hiệu chỉnh 5- Phần tử đặt ( Cơ cấu đặt) Nguyên lý làm việc của bộ điều tốc : Giả sử hệ thống đang làm việc ổn định ở một giá trị tốc độ hệ thống cân bằng khi đó pittông của hộp dầu khuếch đại 2 ở vị trí giữa đóng hoàn toàn hai cửa trên và dưới của pittông 3 (xecvomoto) điểm C phải ở vị trí . Vì lý do nào đó làm tốc độ tuabin thay đổi, chẳng hạn làm giảm, các quả văng ly tâm 1 cụp lại đẩy vòng trượt từ vị trí A0 xuống vị trí A’, điểm B tạm thời không thể di chuyển vì cả cửa trên và cửa dưới của pittông 3 bị đóng kín bằng pittông của hộp dầu khuếch đại 2 nên lực tại điểm B lớn hơn rất nhiều lực tại điểm C. Do đó điểm C phải bị dịch chuyển đến C’ làm cho pittông của hộp dầu khuếch đại 2 di chuyển xuống dưới làm cho các cửa dầu áp lực được mở ra cụ thể cửa dưới thông với đường dầu áp lực và cửa trên thông với đường dầu xả (dầu hồi lưu). Pittông 3 được đẩy lên, tác động vào cơ cấu điều tiết năng lượng(Cánh hướng nước) để tăng lượng nước vào tuabin. Tác động điều chỉnh này làm tăng số vòng quay của tuabin và đưa các điểm A và C từ vị trí A’, C’ dịch chuyển lên phía trên. Việc dịch chuyển lên trên bao nhiêu còn tùy thuộc vào vị trí của pittông 3 tác động vào điểm B thông qua cơ cấu phản hồi 4. Quá trình điều chỉnh sẽ sảy ra cho đến khi điểm C chưa trở về vị trí ban đầu , nghĩa là cho tới khi các cửa dầu của hộp dầu khuếch đại đóng lại hoàn toàn. Để chỉnh định tốc độ quay ta dùng cơ cấu đặt (CCĐ), tác động vào CCĐ bằng tay hay thông qua động cơ điện, có thể dịch chuyển điểm M lên trên điểm N xuống vị trí động thái này làm cho pittông 2 bị đẩy xuống dưới, mở thêm cánh hướng tăng lượng nước vào tuabin, điều này sẽ làm tăng tốc độ quay tuabin (tần số ) nếu máy làm việc riêng lẻ còn nếu máy làm việc song song thì sẽ làm tăng công suất phát của tổ máy trong hệ thống. Tuy nhiên nhược điểm của hệ thống này là ở trạng thái ổn định mới tốc độ (tần số ) của tuabin không trở lại vị trí ban đầu mà giữ ở một giá trị có thể lớn hơn hay nhỏ hơn giá trị ban đầu. Gọi là hệ thống điều tốc với phản hồi cứng. Điều này được khắc phục thay bằng cơ cấu phản hồi mềm (Hình 3.3b) ở dạng một bộ cản dịu thủy lực. Bộ cản dịu là một hộp dầu gồm xilanh và pittông, dầu hai phía của pittông thông với nhau bằng một ống nhỏ có van điều chỉnh, hộp dầu gắn với điểm B qua lò so và hệ thống đòn, như vậy khoảng cách giữa điểm B và pittông 3 có thể thay đổi được (liên hệ mềm) Trong quá trình thay đổi phụ tải của tuabin thoạt đầu bộ cản dịu làm việc như một khâu phản hồi cứng vì pittông trong xi lanh bộ cản dịu không thể chuyển động nhanh được, điều này ngăn được hiện tượng quá điều chỉnh. Sau đó dưới tác động của lò so làm pittông của bộ cản dịu dịch chuyển dần, đẩy dầu từ mặt này của pittông sang mặt kia. Quá trình này chỉ kết thúc khi cả điểm C và điểm B trở về vị trí ban đầu, do đó điểm A còng trở lại vị trí ban đầu tương ứng với giá trị tốc độ quay ban đầu của tuabin. Máy điều tốc tuabin của nhà máy thủy điện Hòa Bình là loại máy kiểu điện – thủy lực : Nguyên lý làm việc của máy điều tốc kiểu điện thủy lực tương đối giống với máy điều tốc kiểu cơ thủy lực chỉ khác là sử dụng sơ đồ điện để thực hiện các khâu đo lường, tiền khuếch đại, hiệu chỉnh và đặt thông số… Cho phép đơn giản phần thuỷ lực của hệ thống và dễ dàng đưa thêm các tín hiệu nh­ phân bố công suất tác dụng tín hiệu hiệu chỉnh tần số…vào hệ thống điều tốc. Tần số của điện áp xoay chiều đầu cực máy phát được đưa vào bộ phận đo lường điện của máy điều tốc. Khi xuất hiện độ lệch tần số thông qua bộ tiền khuếch đại tín hiệu điện được cấp cho cuộn dây quấn xung quanh một lõi bằng nam châm. Dưới tác dụng của lực điện trường cuộn dây sẽ dịch chuyển lên xuống tùy thuộc vào độ lệch hay . Giả sử cuộn dây sẽ chuyển động xuống dưới làm cho điểm dịch chuyển xuống dưới và tạm thời điểm không dịch chuyển. Do đó pittông của hộp dầu khuếch đại dịch xuống dưới làm cửa dưới của xilanh 3 thông với đường dầu áp lực còn cửa trên thông với đường dầu hồi lưu, pittông 3 chuyển động lên trên tác động vào cánh hướng nước làm tăng lượng nước vào bánh xe công tác tuabin, tần số dần được nâng lên. Khi tần số vượt quá giá trị đặt sự điều chỉnh được thực hiện ngược lại. Tùy thuộc vào cơ cấu phản hồi ta cũng có kiểu phản hồi cứng và phản hồi mềm. Nếu là phản hồi cứng thì cơ cấu phản hồi thường là một khâu khuếch đại khi đó ở trạng thái ổn định tần số thực tế sẽ lớn hơn giá trị đặt một lượng đúng bằng lượng phản hồi về. Nếu là khâu phản hồi mềm thì cơ cấu phản hồi thường là khâu vi phân thực có thời gian điều chỉnh đủ dài do đó ban đầu nó cũng làm việc giống khâu phản hồi cứng để giảm độ quá điều chỉnh tần số. Sau thời gian cơ cấu phản hồi mất tác dụng (đầu ra phản hồi bằng 0) khi đó trạng thái xác lập chỉ diễn ra khi tần số đo bằng tần số đặt. Hình3.6 Sơ đồ nguyên lý đơn giản hoá của máy điều tốc tuabin kiểu điện thủy lực. Vì khâu điều tiết năng lượng vào tuabin đòi hỏi công suất lớn (nh­ điều khiển đóng mở cánh hướng nước) nên máy điều chỉnh thường có nhiều hơn một tầng khuếch đại. 3.6.3. Tác động tương hỗ giữa các máy điều tốc tuabin. Khi các máy phát điện làm việc song song trong hệ thống điện chúng có tần số giống nhau và giữa các máy phát có một sự phân bố xác định về công suất tác dụng. Hình 3.7 Phân bố phụ tải giữa các tổ máy làm việc song song khi tần số thay đổi Nếu nh­ khi phụ tải thay đổi một lượng làm cho tần số thay đổi một lượng ( là tần số trước khi phụ tải thay đổi) thì công suất của máy thứ nhất thay đổi một lượng còn máy phát thứ hai thay đổi một lượng với : Từ hình vẽ trên ta thấy máy phát điện nào có đặc tính điều chỉnh f(P) Ýt dốc hơn máy đó sẽ có lượng thay đổi phụ tải nhiều hơn. Phương trình đặc tính điều chỉnh tĩnh có dạng : Do đó khi có n tổ máy làm việc song song ta có hệ phương trình : ……………… Với ràng buộc Từ đây ta tính được lượng công suất thay đổi của tổ máy thứ j là : Nghĩa là phụ tải phân bố giữa các tổ máy tỷ lệ nghịch với hệ số tĩnh của đặc tuyến điều chỉnh. Tổng công suất của các tổ máy phụ thuộc vào tần số. Tuy nhiên bản thân phụ tải cũng phụ thuộc vào tần số, khi tần số thay đổi trong một phạm vi không lớn công suất của phụ tải có thể xem nh­ phụ thuộc tuyến tính vào tần số. Khi các máy điều tốc tuabin có đặc tính phụ thuộc nếu phụ tải tổng tăng làm cho tần số của hệ thống giảm, tần số giảm kéo theo công suất tiêu thụ của phụ tải giảm. 3.6.4. Ảnh hưởng của ngưỡng không nhậy lên tác động tương hỗ của máy điều tốc tuabin. Các máy điều tốc thực tế đều có một ngưỡng không nhạy nhất định chủ yếu do ma sát ở các ổ trục và của bản thân các bộ phận trong cơ cấu điều chỉnh. Vì vậy ở trạng thái cân bằng ban đầu tương ứng với một tốc độ quay nào đó, muốn cho máy điều tốc phản ứng được với độ lệch tốc độ thì phải vượt quá một ngưỡng nhất định gọi là ngưỡng không nhậy của máy điều tốc. Đặc tính điều chỉnh với ngưỡng không nhạy trình bày theo hình vẽ dưới dạng một miền không nhậy. Khi có ngưỡng không nhậy, việc phân bố công suất giữa các tổ máy sẽ tồn tại một khoảng không xác định . , Trong đó: - công suất danh định của tổ máy, MW; - ngưỡng không nhậy theo tần số, %; S – hệ số phụ thuộc, %; Vùng bất định của phụ tải tổ máy do ngưỡng không nhậy của máy điều tốc. Chẳng hạn, khi s = 5%, = 0.25% đối với tổ máy có công suất = 300MW mức bất định của phụ tải sẽ bằng: Ngưỡng không nhậy của đặc tính điều chỉnh làm cho một số tổ máy không tham gia vào điều chỉnh tần số. Để nâng cao chất lượng điều chỉnh tần số cần giảm hệ số phụ thuộc S của đặc tính điều chỉnh tuy nhiên khi hệ số phụ thuộc giảm, mức bất định của phụ tải tăng lên. Vì vậy đối với các máy điều tốc có ngưỡng không nhậy cao bắt buộc phải đặt hệ số phụ thuộc cao. Khi có nhiều tổ máy làm việc song song chế độ cân bằng của từng tổ máy sẽ được thiết lập một cách khác nhau trong giới hạn của ngưỡng không nhậy. Trong số các tổ máy này sẽ có một số tổ máy phản ứng với độ lệch tần số, có nghĩa là nhìn chung toàn hệ thống sẽ không có ngưỡng không nhậy. Tuy nhiên khi độ lệch tần số không vượt quá ngưỡng không nhậy của một số tổ máy, chúng sẽ không phản ứng và không tham gia vào quá trình điều chỉnh tần số, vì thế độ phụ thuộc đẳng trị của đặc tính điều chỉnh sẽ lớn hơn trị số tính được theo biểu thức (3.11). Thực tế điều này có nghĩa là cần phải đưa thên một số hệ số hiệu chỉnh a>1 vào biểu thức (3.11) để tính đến ngưỡng không nhậy của đặc tính điều chỉnh của một tổ máy trong hệ thống. Thường thì trong chế độ sự cố độ lệch tần số vựơt quá ngưỡng không nhậy của tất cả các tổ máy trong hệ thống, còn trong chế độ làm việc bình thường, bé nên chỉ có một số tổ máy có ngưỡng không nhậy hẹp mới có thể phản ứng. Số lượng tổ máy có thể phản ứng theo độ lệch đã cho có thể được xác định theo biểu thức: , Trong đó: n – số lượng các tổ máy được giao nhiệm vụ điều chỉnh tần số của hệ thống. 3.6.5: Phương pháp điều chỉnh tần số và công suất tác dụng trong nhà máy thủy điện Hòa Bình 3.6.5.1. Điều chỉnh bằng một tổ máy với đặc tính điều chỉnh độc lập: Phương pháp này có thể sử dụng để điều chỉnh tần số với đặc tính độc lập trong một hệ thống điện nhỏ làm việc độc lập. Để điều chỉnh tần số người ta tách ra một tổ máy có đặc tính điều chỉnh được đặt ở chế độ độc lập. Tổ máy này sẽ tiếp nhận mọi biến động phụ tải của hệ thống trong giới hạn công suất có thể điều chỉnh được của nó. Phụ tải của tất cả các tổ máy còn lại ở cuối quá trình điều chỉnh sẽ trở về lại trị số trước khi xảy ra biến động (không thay đổi). 3.6.5.2. Phương pháp điều chỉnh theo độ lệch tích phân của tần số. Độ lệch tích phân của tần số được xác định theo biểu thức: Trong đó: - thời điểm ban đầu khi ; - độ lệch tương đối tức thời của tần số; . Độ lệch tích phân của tần số có những đặc điểm sau đây: Đại lượng giống nhau với mọi tổ máy điện làm việc song song trong hệ thống điện nếu nh­ thời điểm bắt đầu đo độ lệch được chọn nh­ nhau; Khi phụ tải của hệ thống thay đổi và tần số lệch khỏi trị số cho trước, đại lượng sẽ biến thiên về cùng một phía với phụ tải tổng của hệ thống. Nếu phụ tải tổng tăng, tần số giảm và sẽ tăng theo thời gian; nếu phụ tải tổng giảm, tần số tăng và giảm. sẽ thay đổi cho đến khi vẫn còn độ lệch về tần số khỏi giá trị cho trước, khi , nghĩa là khi công suất cân bằng, không thay đổi. Những tính chất này của độ lệch tích phân tần số cho phép sử dụng nó nh­ một thông số điều khiển khi xây dựng các hệ thống tự động điều chỉnh tần số và công suất tác dụng trong hệ thống điện. Thật vậy, phụ tải giữa các tổ máy điều chỉnh tần số được phân bố trong quá trình điều khiển bằng cách so sánh phụ tải thực tế của tổ máy với trị số đặt trước . Tác động của hệ thống điều chỉnh mỗi tổ máy được mô tả bằng phương trình: Để đảm bảo điều kiện phân bố tối ưu công suất giữa các tổ máy khi chế độ làm việc của hệ thống thay đổi phải tự thay đổi trị số công suất đặt của tổ máy theo một tiêu chuẩn tối ưu cho trước. Dưới tác động của các tín hiệu và công suất phát của tổ máy sẽ được thay đổi. Trong chế độ xác lập tần số sẽ trở lại trị số danh định, còn phân bố phụ tải sẽ tối ưu nghía là: ; . CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 4.1. Sơ đồ chức năng và sơ đồ khối của bộ điều tốc nhà máy thủy điện Hòa Bình: Hình 4.1 Sơ đồ chức năng Sơ đồ chức năng của bộ điều tốc Hình vẽ trên mô tả sơ đồ chức năng của hệ thống tự động điều chỉnh tần số và công suất hữu công của tổ máy khi phát điện vào hệ thống nhờ bộ điều chỉnh tốc độ )/P 2 I. Máy phát điều chỉnh được lắp đặt trên cùng một trục với máy phát chính. Nó được dùng như một tín hiệu đo tần số quay, truyền vào đầu vào của phần tử cảm biến tần số.Tín hiệu sai lệch tần số quay do phần tử cảm biến phát ra được cộng với giá trị tần số đặt trước của MUY, rồi đưa vào đầu vào của mạch tích phân tần số. Tín hiệu tần số MUY, công suất MUM được cộng lại và truyền vào đầu vào bộ khuếch đại 2 tầng.Sau đầu ra bộ khuếch đại tín hiệu đi vào cuộn dây điều tốc làm chuyển dịch màng rung, thông qua bộ khuếch đại thuỷ lực làm chuyển dịch kim ngăn kéo kích thích, pittông ngăn kéo chính và do đó làm thay đổi phụ tải tổ máy. Tín hiệu từ bộ điều chỉnh nhóm công suất hữu công và điều chỉnh riêng lẻ được truyền tới đầu vào MUM. Bộ điều tốc được điều khiển bằng các khoá SLC nằm trên bảng điện điều tốc (1GCC), ở tủ điều tốc và phòng điều khiển trung tâm (SCC) . Khi máy chạy không tải và cắt máy cắt các khoá (SLC) tự động chuyển đổi từ MUM sang cơ cấu thay đổi tần số MUY, cơ cấu này cho phép thay đổi tần số đều đặn từ 45 đến 55 Hz khi máy chạy không tải. Hình 4.2 Sơ đồ khối Hình vẽ sơ đồ khối: Các thông số điều chỉnh X,Z ứng với tần số f và công suất P được hình thành nhờ các bộ biến đổi tần số đo lường H6 và công suất IPM. Tín hiệu mạch phản hồi bên trong Y theo vị trí trục xecvômôtơ chính và Y2 theo vị trí cần chuyển động của bộ biến đổi điện thuỷ lực (được tạo thành nhờ các bộ biến đổi cảm ứng).Một trong các đặc điểm của bảng điện điều tốc là ở đó không có các thiết bị truyền đông điện cơ để tạo tín hiệu chỉ huy X0 và Z0, ở đây những cơ cấu này được thay bằng các bộ phận ( Bộ tích phân H5 và H5’ ) có thể duy trì trong thời gian dài tín hiệu tích phân không đổi. Các thiết bị phát này được điều khiển nhờ các khoá SLC1 các khóa này lắp ở mặt trước của bảng điện, ở mặt trước tủ điều tốc và trên bàn điều khiển trung tâm (SCC). Khi điều tốc ở vị trí cân bằng tín hiệu đầu ra của bảng điện (Sau bộ khuếch đại H9) bằng không (j=0). Nếu một trong các tín hiệu đầu vào bất kỳ của bảng điện (X,Z,X0,Z0) thay đổi sẽ làm cho dòng điện (j) bị thay đổi tương ứng. Dòng điện đó khi vào cuộn dây điều tốc sẽ làm cho trục điều tốc bị dịch chuyển tương ứng. Do điều tốc nối với ngăn kéo của xecvômôtơ chính (CM) nên xecvômôtơ chính cũng dịch chuyển trục của mình, làm cho độ mở của máy hướng nước của tuabin bị thay đổi tương ứng. Khi đó các tín hiệu phản hồi ngược Y và Y2 khi vào bảng điện sẽ làm cho dòng điện j trở về 0 còn trục của điều tốc và kim ngăn kéo kích thích nối với nó sẽ trở về vị trí ban đầu (giữa). 4.2. Sơ đồ dưới dạng Simulink. Hinh 4.3 Sơ đồ rút gọn Trong đó : Ty : Hằng số thời gian tích phân (0.02s) Bp : Hệ số rơi tốc cố định (0-10% tương ứng 1-10) Bt : Hệ số rơi tốc tạm thời (1-100% tương ứng 0-100) Td : Hằng số thời gian gia tốc (0-20) Tnkc : Hằng số thời gian của ngăn kéo chính (0.02s) Ts : Hằng số thời gian của xecvomoto (0.02s) K : Hệ số khuếch đại tuabin (10) Tt : Hằng số thời gian tuabin (15s) Tp : Hằng số thời gian công suất (0-50s) Tn : Hằng số thời gian (0-1.5s) T : Là kí hiệu của tuabin G : là kí hiệu của máy phát PMG : Là máy phát điều chỉnh IBM : Thiết bị biến đổi công suất thành dòng điện TU, TI : Là biến dòng và biến áp 4.3 Nguyên tắc cơ bản của quá trình điều tốc. Các khái niệm cơ bản của quá trình điều tốc được minh họa rõ nét trong trường hợp tổ máy phát cấp riêng cho một phụ tải cục bộ như hình vẽ sau : Trong đó: PL : Công suất phụ tải Pm : Công suất cơ Pe : Công suất điện Hình 4.4 Máy phát cấp cho phụ tải cô lập Khi phụ tải thay đổi làm cho công suất điện Pe thay đổi, làm mất cân bằng giữa công suất điện Pe và công suất cơ, đây là nguyên nhân làm cho tốc độ thay đổi tăng hay giảm tùy vào Pe nhỏ hơn hay lớn hơn Pm. Nhiệm vụ bộ điều tốc lúc này là dựa vào sai lệch tốc độ thực tế và tốc độ đặt để điều chỉnh cánh hướng nước thay đổi lượng nước vào tuabin và do đó làm thay đổi tốc độ cho tới khi tốc độ tuabin bằng với tốc độ đặt thì bộ điều tốc mới thôi tác động. * Bộ điều tốc đẳng thời. Bộ điều tốc đẳng thời điều chỉnh cánh hướng tuabin đưa tần số về giá trị danh định. Tốc độ roto đo được được so sánh với giá trị đặt . Tín hiệu sai lệch được khuếch đại và tích phân sinh ra tín hiệu điều khiển Dy tác động lên cánh hướng tuabin, sau đây là hệ thống với các thông số được xác định trước. Hình 4.5 Bộ điều tốc đẳng thời Ta thấy khi ta tăng phụ tải công suất điện tăng làm cho tần số suy giảm tại một tốc xác định bởi quán tính roto. Khi tốc độ sụt giảm công suất cơ của tuabin bắt đầu tăng, điều này làm giảm bớt sự giảm tốc độ và sau đó tốc độ có xu hướng tăng khi công suất tuabin vượt quá công suất phụ tải. Cuối cùng tốc độ sẽ quay trở về giá trị đặt của nó và công suất tuabin ở trạng thái ổn định tăng lên một lượng cân bằng với phụ tải bổ xung thêm (xem hình vẽ 4.6). Một bộ điều tốc đẳng thời làm việc thỏa mãn khi máy phát cung cấp cho tải độc lập hay chỉ khi một máy phát trong tổ máy phản ứng với sự thay đổi phụ tải. Đối với chế độc chia sẻ phụ tải công suất giữa các máy phát nối với hệ thống thì quá trình điều chỉnh tốc độ và đặc tính suy giảm tốc độ phải được đề cập tới. Hình 4.6 Đáp ứng của tổ máy phát điện với bộ điều tốc đẳng thời. Ta thấy sau 15s ta tăng phụ tải tốc độ bị sụt xuống khoảng 0.3Hz sau đó trở lại trạng thái xác lập sau 3s * Bộ điều tốc với đặc tính rơi tốc. Khi có nhiều hơn một tổ máy làm việc song song và các tổ máy phải đảm bảo tốc độ giống nhau một cách chính xác. Mặt khác chúng phải cạnh tranh với nhau, mỗi bộ điều tốc sẽ cố gắng điều chỉnh công suất của nó tới một giá trị chính nó thiết lập. Để phân chia phụ tải ổn định giữa hai hay nhiều máy phát vận hành song song, các bộ điều tốc được cung cấp một đặc tính suy giảm tốc độ khi phụ tải được tăng lên. Sự rơi tốc được tạo nên nhờ thêm vòng phản hồi ở trạng thái xác lập như sơ đồ sau : Trong đó hệ số K sẽ quyết định lượng rơi tốc nhiều hay Ýt, K càng lớn thì lượng rơi tốc càng lớn và ngược lại K càng nhỏ thì lượng tơi tốc càng nhỏ. Hình 4.7 Bộ điều tốc với phản hồi trạng thái ổn định Hình 4.8 Đáp ứng của bộ điều tốc đẳng thời với đặc tính rơi tốc Khi chưa có phụ tải tốc độ xác lập ở một giá trị nhỏ hơn giá trị đặt do khâu phản hồi K luôn luôn tác động (nên nó được gọi là hệ số rơi tốc cố định). Khi cho phụ tải tác động tốc độ bị giảm tiếp và giữ nguyên vị trí mới, sở dĩ là như vậy là do khi độ lệch tốc độ tăng (tức tốc độ tua bin giảm so với tốc độ đặt) dẫn đến lượng phản hồi về cũng tăng nên tín hiệu điều khiển tác động để mở thêm cánh hướng nước không được bổ xung. Ngoài ra hệ thống còn cung cấp thêm đặc tính rơi tốc tạm thời(chỉ có tác dụng trong thời gian ngắn) với thời gian quá độ với thời gian điều chỉnh đủ dài. Ta chỉ việc thêm một khâu vi phân thực nối song song với khâu Gain. Nh­ hình vẽ sau : Hình 4.9 Bộ điều tốc với phản hồi trạng thái quá độ và ổn định Hình 4.10 Đáp ứng của bộ điều tốc với phản hồi trạng thái quá độ và ổn định Tương tự trường hợp trên nhưng do có thêm khâu phản hồi ở trạng thái quá độ nên ban đầu khi phụ tải tăng tốc độ giảm mạnh. Sau đó tốc độ tăng lên một chút do khâu vi phân thực không tác động nữa và nó vẫn giữ nguyên ở vị trí mới nhỏ hơn giá trị xác lập ban đầu. Tác dụng của khâu phản hồi tốc độ (hay bù suy giảm hệ số khuếch đại) để làm trễ hoặc giới hạn sự di chuyển của cánh hướng cho tới khi lưu lượng nước và công suất có thời gian bắt kịp. 4.4 Điều khiển công suất phát của tổ máy Ta đã biết rằng khi phụ tải thay đổi do có đặc tính rơi tốc nên tốc độ roto (hay tần số ) sẽ bị giảm và xác lập ở một vị trí mới nhỏ hơn giá trị ban đầu. Khi tốc độ đã xác lập thì lượng công suất phát phải tăng lên cân bằng với công suất phụ tải để khắc phục sự suy giảm tốc độ. Trong trường hợp này để tốc độ roto hay tần số trở lại giá trị ban đầu ta phải điều khiển công suất phát của tổ máy bằng cách thay đổi đầu vào “Giá trị đặt phụ tải”. Xem hình vẽ 4.11 Hình vẽ 4.11 Sơ đồ bộ điều tốc khi có giá trị đặt phụ tải Hình vẽ 4.12 Đáp ứng bộ điều tốc khi có giá trị đặt phụ tải Khi có giá trị đặt phụ tải tại T=15s tần số được tăng lên bằng với giá trị ban đầu, nh­ vậy giá trị đặt phụ tải đã khắc phục được hiện tượng tăng phụ tải do đó khắc phục được sự suy giảm tần số. Nếu tổ máy được cấp cho một phụ tải độc lập, thì sự điều chỉnh của bộ điều tốc sẽ làm thay đổi tốc độ của tổ máy. Tuy nhiên, khi tổ máy được hòa đồng bộ với hệ thống điện, sự điều chỉnh của bộ điều tốc sẽ làm thay đổi công suất phát của tổ máy, điều chỉnh này chỉ ảnh hưởng nhỏ lên tần số hệ thống, tùy thuộc vào quy mô của tổ máy đến sự phát điện toàn hệ thống. 4.5 Sơ đồ điều tốc đầy đủ Tuabin thủy lực là một thiết bị có khối lượng rất lớn đặc biệt là trong một nhà máy thủy điện cỡ lớn nh­ nhà máy thủy điện Hòa Bình. Nên việc làm quay tuabin cung cần một lực tác động (cả động năng và thế năng ) rất lớn của nước vào bánh xe công tác của tuabin. Do đó cũng cần một lực rất lớn để đóng mở cánh hướng nước cho nước vào bánh xe công tác một cách dễ dàng. Để có thể tạo ra được lực lớn ta dùng hệ thống dầu áp lực và các xi lanh thủy lực (còn gọi là các Xecsvomoto), ta chỉ cần một tín hiệu nhỏ để đóng hoặc mở các khoang nối dầu áp lực và đường dầu hồi lưu (dầu xả) ta cũng có thể tạo ra một lực rất lớn nhờ cơ cấu chấp hành xecvomoto tác động vào cánh hướng nước. Ở đây ta dùng hai tầng khuếch đại : Hình4.13 Tầng thứ nhất Hình 4.14 Tầng thứ hai Với hai tầng khuếch đại và tín hiệu phản hồi về ta có thể biết được vị trí của ngăn kéo chính cũng nh­ vị trí của xecvomoto trong quá trình điều khiển. Điều này là quan trọng trong trường hợp phát hiện ra hiện tượng kẹt cánh hướng (vì lý do có những vật cứng mắc vào cánh hướng nước). Ngoài ra hai tầng khuếch đại này còn có tác dụng là khâu bù cho sự rơi tốc đã được xét ở trên. Để nâng cao chất lượng và tính ổn định của hệ thống ta cần bổ xung thêm khâu phản hồi công suất đầu ra của máy phát, Hình 4.15 Sơ đồ rút gọn bộ điều tốc: 4.6. Quá trình mô phỏng bằng mô hình Simulink: 4.6.1 Trường hợp tổ máy chưa hoà lưới: Khi tổ máy chưa hòa lưới tức chưa nối máy phát với hệ thống điện, tổ máy chưa phát công suất hữu công khi đó hệ thống chưa có vòng phản hồi công suất chỉ có vòng phản hồi tốc độ (hay tần số). Do đó nhiệm vụ của bộ điều tốc lúc này là điều chỉnh tốc độ quay (tần số) của tuabin để đạt tốc độ định mức dựa vào sai lệch tốc độ phản hồi. 4.16 Sơ đồ mô phỏng chế độ chưa hòa lưới 4.17 Đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển: Ta thấy khi chưa hoà lưới việc điều chỉnh tốc độ quay bằng với giá trị đặt có thời gian đáp ứng rất nhanh cỡ 5s và không có quá hiệu chỉnh và sai lệch tĩnh bằng 0 4.6.2 Trường hợp cho phụ tải tác động sau 15s , không cho phản hồi công suất và không có giá trị đặt. 4.18 Sơ đồ mô phỏng 4.19 Đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển: Khi cho phụ tải tác động tần số bị giảm xuống gây sai lệch tần số cỡ 48.9-50=1.1 hz. Sau 8s tần số trở lại vị trí ban đầu với sai lệch tĩnh bằng 0, ở đây ta đã thấy rõ vai trò của hai tầng khuếch đại (ngăn kéo chính và secvomoto) trong việc bù độ rơi tốc của bộ điều khiển. 4.6.3 Trường hợp cho phụ tải và vòng phản hồi công suất cùng tác động sau 15s, nhưng không có giá tị đặt phụ tải. 4.20 Sơ đồ mô phỏng 4.21 Đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển Ta thấy rơi tốc lại xuất hiện, tần số giảm xuống và giữ ổn định ở một giá trị mới nhỏ hơn giá trị ban đầu, sở dĩ là do khâu phản hồi công suất làm cho quá trinh tăng độ mở cánh hướng nước bị hạn chế. 4.6.3 Trường hợp cho phụ tải và giá trị đặt phụ tải cùng tác động một lúc, nhưng không có vòng phản hồi công suất. 4.22 Sơ đồ mô phỏng 4.23 Đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển Ban đầu tần số bị giảm do tác động của phụ tải, sau một thời gian tần số tăng lên nhờ khâu đặt tần số . Do không có khâu phản hồi công suất nên tần số sẽ giữ nguyên ở giá trị mới. 4.6.5 Trường hợp cho đồng thời phụ tải, phản hồi công suất, và giá trị đặt phụ tải tác động sau 20s. 4.24 Sơ đồ mô phỏng 4.25 Đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển 4.26 Đáp ứng công suất của hệ thống điều khiển Khi có sự tham gia của cả khâu đặt phụ tải và khâu phản hồi công suất ta thấy khi phụ tải tác động làm cho cánh hướng đóng bớt lại, tần số bị giảm xuống nhưng không giảm nhiều (khoảng 49.8-50=0.2 Hz ) do có khâu đặt phụ tải. Tần số được tăng lên, và tác dụng của khâu phản hồi công suất là đưa tần số trở về vị trí ban đầu với sai lệch tĩnh bằng 0. Sơ đồ trên ta thấy tần số xá lập lại sau 5s. Nh­ vậy ta đã thấy rõ vai trò của điều khiển tần số khi tổ máy chưa hòa lưới và điều khiển cân bằng công suất khi tổ máy hòa lưới. Nó giúp cho tần số không bị giảm quá thấp hay bị tăng quá cao còng nh­ rút ngắn thời gian quá độ với cùng lượng thay đổi phụ tải nh­ nhau. LỜI KẾT . Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường mỗi sinh viên đều trang bị cho mình một kiến thức nhất định, tuy lượng kiến thức này chưa đủ để sinh viên ra trường có thể tiếp cận ngay với công việc thực tế và những công nghệ mới nhưng nó là nền tảng vững chắc, giúp họ tự rèn luyện, thích ứng với môi trường đầy khó khăn, thử thách và đóng góp một phần công sức vào quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Đồ án tốt nghiệp chính là một cơ hội cho sinh viên có thể tự khẳng định mình, được áp dụng những kiến thức đã học vào trong thực tế, tự tìm hiểu sâu về một vấn đề cụ thể và hình dung được công việc của mình sau khi ra trường. Nhờ có sự giúp đỡ của các cô chú trong phân xưởng tự động của nhà máy thủy điện Hòa Bình cùng với sự hướng dẫn nhiệt tình của Thầy giáo TS. Nguyễn Văn Hòa và các thầy cô bộ môn ĐKTĐ đồ án đã hoàn thành. Em đã thu được những kết quả sau : Tìm hiểu về năng lượng điện đặc biệt trong nhà máy thủy điện. Tìm hiểu về các thiết bị chính trong nhà máy thủy điện cũng nh­ phương pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin nước. Phân tích và mô phỏng quá trình điều khiển tần số bằng mô hình Matláb_Simulnk Do thời gian có hạn nên trong phạm vi đồ án em đã nghiên cứu về phương pháp điều khiển tốc độ tuabin kinh điển và phương pháp bù song chưa hiệu quả vì đáp ứng còn chậm. Ngày nay đã một số nhà máy áp dụng phương pháp điều khiển PID và phương pháp điều khiển số cho đáp ứng nhanh và nhiều lợi thế khác. Tuy nhiên do hạn chế về tài liệu, công nghệ và kinh tế nên chúng ta chưa tìm hiểu để phát triển các phương pháp này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Điều khiển tự động cùng tập thể cán bộ nhà máy thủy điện Hòa Bình đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS. Nguyễn Văn Hòa trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Hà nội, ngày........thánh.......năm2006 Sinh viên Nguyễn Ngọc Hoàng