Luận văn: Nghiên cứu bộ điều khiển turbine nước nhỏ ổn định tần số điện

Bộ điều khiển tốc độ turbine nước nhỏ giúp ổn định tần số hiệu quả, tối ưu vận hành hệ thống thủy điện quy mô nhỏ với độ chính xác cao.

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Đức
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Phương Mai
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Bộ Điều Khiển Tốc Độ Turbine Nước Loại Nhỏ Nhằm Ổn Định Tần Số Của Dòng Điện Đầu Ra
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và ý nghĩa bộ điều khiển tốc độ turbine nước nhỏ

Bộ điều khiển tốc độ turbine nước nhỏ là một hệ thống quan trọng trong các nhà máy thủy điện quy mô nhỏ, đặc biệt là các công trình thủy điện gia đình. Vai trò chính của bộ điều khiển này là ổn định tần số của dòng điện đầu ra, đảm bảo chất lượng điện cung cấp cho người tiêu dùng. Với nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, các turbine thủy điện nhỏ đóng vai trò ngày càng quan trọng. Bộ điều khiển tốc độ hoạt động bằng cách điều chỉnh lượng nước vào turbine nước, từ đó kiểm soát tốc độ quay của máy phát điện. Điều này giúp duy trì tần số ổn định (50Hz hoặc 60Hz), đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điện và nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng tái tạo.

1.1. Cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển

Bộ điều khiển tốc độ turbine nước bao gồm ba thành phần chính: cơ cấu điều khiển, cơ cấu khuếch đại lực và hệ thống van điều chỉnh nước. Các bộ điều khiển hiện đại sử dụng công nghệ thủy lực điện tử - số thay thế cho hệ thống cơ - thủy lực cũ. Cấu trúc này cho phép điều chỉnh chính xác dòng chảy nước, tối ưu hóa hiệu suất của turbine.

1.2. Tính tất yếu của việc ổn định tần số

Việc ổn định tần số là tất yếu trong các hệ thống điện. Với turbine thủy điện công suất lớn, ngoài việc ổn định điện áp, việc duy trì tần số ổn định của dòng điện phát ra là bắt buộc. Bộ điều tốc turbine đảm nhiệm nhiệm vụ này, giúp máy phát điện hoạt động ổn định.

II. Nguyên lý điều khiển và các phương pháp điều tốc turbine nước

Các nguyên lý điều khiển tốc độ turbine nước được chia thành hai loại chính: điều khiển trực tiếp sử dụng luật P (Proportional) và điều khiển gián tiếp sử dụng luật PI (Proportional Integral). Trong các ứng dụng hiện đại, bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi để điều khiển van cánh hướng nước vào turbine. Luật điều khiển PID kết hợp ba thành phần: tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D), giúp hệ thống phản ứng nhanh chóng và chính xác với các thay đổi tải. Phương pháp điều khiển van cánh bướm là một trong những kỹ thuật phổ biến, cho phép điều chỉnh mượt mà dòng nước vào turbine mà không cần hệ thống trợ lực phức tạp.

2.1. Luật điều khiển P và PI

Luật điều khiển P sử dụng tín hiệu sai lệch tức thời để điều khiển van. Luật PI kết hợp phản ứng tức thời với tích luỹ sai lệch theo thời gian, giúp loại bỏ sai lệch xác lập. Đối với turbine nước nhỏ, luật PI thường đủ hiệu quả.

2.2. Bộ điều khiển PID số và ứng dụng

Bộ điều khiển PID số được lập trình trên vi điều khiển (như ATMEGA8) để điều khiển chính xác van không trục. Bộ này nhận tín hiệu tốc độ từ Encoder, so sánh với tần số mục tiêu, rồi phát ra lệnh điều khiển van. Phương pháp này giúp ổn định tần số hiệu quả.

III. Cơ cấu điều khiển van không trục cho turbine nước nhỏ

Van không trục là một cải tiến quan trọng trong thiết kế bộ điều tốc turbine nước nhỏ. Khác với các van cánh hướng truyền thống tiêu thụ lớn dầu áp lực và cần khuếch đại lực phức tạp, van không trục có cấu trúc đơn giản hơn, dễ lắp đặt và tiết kiệm chi phí. Cơ cấu này đặc biệt phù hợp cho các turbine quy mô gia đình nơi không thể trang bị các hệ thống khuếch đại lực đắt tiền. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc thay đổi hướng cánh hoặc lượng nước vào, điều khiển bởi một bộ điều khiển điện tử nhẹ gọn. Thiết kế hợp lý giữa mạch PID và van điều khiển tạo ra một giải pháp tối ưu cho điều khiển tốc độ turbine nhỏ.

3.1. Đặc điểm kết cấu của van không trục

Van không trục có cấu trúc nhỏ gọn, không yêu cầu hệ thống trợ lực bên ngoài. Các cánh điều hướng nước được thiết kế để tối ưu hóa dòng chảy, giảm tổn thất năng lượng. Chi phí sản xuất thấp hơn so với van truyền thống.

3.2. Cơ cấu ghép nối với bộ điều khiển PID

Cơ cấu ghép nối hợp lý giữa bộ PID số và van không trục tạo ra một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh. Encoder đo tốc độ quay turbine, gửi dữ liệu đến vi điều khiển, vi điều khiển tính toán và phát lệnh đến van. Quá trình này lặp lại liên tục để duy trì ổn định tần số.

IV. Ứng dụng và kết quả thực nghiệm bộ điều khiển turbine nước nhỏ

Bộ điều khiển tốc độ turbine nước nhỏ ổn định tần số đã được xây dựng và thử nghiệm thành công trên các mô hình thủy điện siêu nhỏ. Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển có khả năng ổn định tần số trong khoảng cho phép, đáp ứng nhanh chóng với các thay đổi tải. Phần mềm giám sát được phát triển giúp theo dõi tốc độ turbine, áp lực nước và các thông số khác. Hệ thống này có thể ứng dụng cho các nhà máy thủy điện gia đình, cung cấp điện ổn định cho hộ tiêu dùng độc lập. Đóng góp mới của nghiên cứu bao gồm: cấu trúc điều khiển dựa van không trục, phương pháp nhận dạng đối tượng đơn giản, và phần mềm giám sát toàn diện.

4.1. Kết quả thử nghiệm và hiệu suất hoạt động

Các thử nghiệm cho thấy bộ điều khiển PID có thể điều chỉnh tốc độ turbine với sai số tần số dưới 2% khi thay đổi tải. Đáp ứng quá độ nhanh, không có dao động lớn. Hiệu suất hoạt động đạt yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điện.

4.2. Ứng dụng thực tế và triển vọng phát triển

Bộ điều khiển có thể được lắp đặt cho các turbine nước nhỏ ở những vùng có sông, suối. Giải pháp này tiết kiệm chi phí, phù hợp cho việc phát triển năng lượng tái tạo ở cộng đồng. Triển vọng: cải tiến van điều khiển, ứng dụng AI/Machine Learning.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU - 1 1. Lư do lựa chọn để tải. Mục tiêu để tài 2 Phương pháp nghiên cứu. HH ri woe Đôi lượng và pha vi nghién eu.

Diém ca ban và đóng góp mới của để tải. 3 CHUONG 1 TONG QUAN CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIÊU TỐC TURBINE NUGC 4 1. Ý nghĩa, vai trở việc diễu chính tân số của máy phát điện[17]. Tính tất yếu của việc điều chỉnh tần số.2 Bản chất và ý nghĩa điều chỉnh tần số trong hệ thống điện 1.13 _ Tân số của máy phát và phương trình đông học của Turì 1.4 Đặc tính điều chỉnh của turbine.15 - Quá trình thay đổi công suất đặt của tổ máy trang nhà máy điện.2 Téng quan chung về kỹ thuật điều khiển động nước vào turbime 16 1.

kigu van lưỡi gầ. 1,22 Kiếu thủng chụp. Kiểu cánh hướng nước. Diễu khiển đòng chảy bằng van cánh bướm.

Nguyên lý điều tốc Lurbile HƯỚC. Nguyên lý điều khiển trực tiếp - luật điều khiển P{Progortional). Nguyên lý điều khiến gián tiếp - luật điều khiến Pl(Proportional Intergral).CÁC PHÂN TỬ CƠ SỞ 1SỮDUNGP8 THIẾT KÉ BỘ BIÊU TÓC - - - - 38 2.1 Đo tắc độ quay sử dụng Eneoder 29 2.2 Lập trình bộ điều khiển trên niên vì điều khiến - 29 2 2. Van diễu khiển không tục.

PHƯƠNG ÁN ĐIRU KHIỂN VAN KHÔNG TRỤC - 32 2.1 Các phương án chế tạo cơ cấu điều khiển van không trụ 2.5 Cơ sở lý thuyết tổng hợp bộ điều khiển. Nhận dạng đối tượng. Thuật toán điều khiến PID. Tính toán tham số của bộ điều chỉnh bền vững tối ưu[2][13|.4 Thực thi bộ PID số[?].6 Kết luận CHƯƠNG 3.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIÊM VÀ CHẾ TẠO BỘ DIỀU TOC TURBINE - $6 3.1 Tổ chức và thiết kế các hân tử cơ bản của hệ thống thí í nghiêm [1 4].11 Cơ cấu phản hồi tốc độ Turblne.12 Thiết kế cơ cấu điều khiến van không trục. Bộ điều khiển ATMEGA8.2 Phin mém giám sát hệ thông. Quả trình thữ nghiêm và kết quả nghiên cứu thực nghiệm bộ điểu tốc Turbime 68 3. Mô tả mồ hình thủy điện siêu nhỏ.2 Lắp đất mô hình thí nghiệm.3 - Quá trình thử nghiệm bộ điều tốc trên cơ só van trượt bám - mô hình thủy điệ thực nghiệm 76 3⁄4 Kết hiện 93 KÉT LUẬN VÀ ĐÊ XUẤT.- TAI LIEU THAM KHẢO Thụ lục 1: Code lập trình phần mềm nhập tham số điều khiển.

- 99 Phy luc 2: Code lp trinh vé dé thi giam sát hệ thông, Phy luc 3: Code lập trình vi diễu khiển. Lý do lựa chọn đề tài Với nhụ cầu về điện nắng ngày cảng tầng, số lượng các nhà máy thủy diễn nhỗ, đặc biệt là cáo công trình thủy điện gia đỉnh ở nước ta hiện nay đang tăng nhanh. Tuy thiên, trong các công trình thủy điện qui mô hộ gia đình chỉ lắp đặt mạch không chế điện áp ma không trang, bị cơ cấu ổn dịnh tân số của dòng, diện phát ra, do dó khả năng sử dung rat hạn chế. Ôi với các turbime thủy điện công suất lớn, ngoài việc én định điện áp thí việc ấn định tân số nguằn điện phát ra la tật yêu và việc đó do bộ điều tốc turbine đăm nhiệm.

Câu tạo cơ bán của bộ điều tốc turbine bao gồm: cơ cầu điều khiển, cơ cầu khuếch. đại lực và hệ thông cảnh hướng (van cảnh hướng) điều chỉnh nước. Co cầu điều khiến trước dây có cầu tạo kiểu cơ — thủy lực, nay dã thay thể bằng cơ cầu thủy lực điện tử - số. Nhung trong bộ điều tốc turbme vẫn tổn tại một cơ cầu khuếch đại dùng dầu áp htc cao dé điều khiển hệ thống van cánh hướng, Cáo van cảnh hướng dang sử dụng hiện nay có nhược điểm cơ bản lẻ tiêu thụ lớn.

1rắng lượng phụ trợ và cân trang bị kèm theo co câu khuếch đại lực phức tap và đất tiền. Do vậy, các bộ diễu tốc nói trên có thẻ lắp đặt cho các loại turbine thủy diện công suất lớn nhưng là tốn kém đổi với các tưrbine loại nhỏ, đặc biệt bất khá thí đối với tưbme qui mô hộ gia đình Do đó cân nghiên cứu thiết kế bộ điều tốc có thé img, dung cho turbine loai nhỏ. Điểm cơ bản và đóng góp mới của đề lài * _ Dễ xuất cầu trúc điều khiến trbine đựa trên van không trục. Ứng dụng cho bé diéu téc turbine khang cầu tang bị hệ thống trợ lực bên ngoài.

œ Thiết kẻ cơ cấu ghép nổi hợp lý giữa mạch điểu khiến PID và van điểu khiển. « Dé xual ding Encoder có sẵn trên thị trường làm bộ cảm biển đo tốc độ quay turbine. «Để xuất phương pháp nhận đạng đối Lượng theo đáp ứng quả độ với tính toán đơn giản, mô hình phù hợp thực tế + Xây dựng phần mềm giảm sát điều khiến hệ thống turbine máy phát như là một tô máy nhát điện cung cấp cho hộ tiêu thụ độc lập.22, Đề thị dáp ứng quá dộ của mô hình Turbine. Sơ đỗ hệ thống điều khiển - 83 Hình 3.

Đỗ thị dáp ứng của dầu ra bộ diểu khiển.25, Sơ để các bước thí nghiệm đáp ứng của hệ thống. Phan mém data collect trên máy tính cai đất các thông số điều khiến Tĩnh 3. Đả thị đáp ứng tắc độ trrbine khi thay đổi tai. Đả thị đáp ứng tốc độ rbine khi thay đổi lượng nước vào, 90 Hình 3.

Đỗ thị tốc độ turbine khi chạy én dụnh. Cơ câu diễu khién van kiéu rong roc. So đỏ thí nghiệm nhận dạng đổi tượng trang hệ thống hỏ. Đặc tính quá độ thực nghiệm.

Sơ để bộ điều khiển PH2 tổng hợp liên tục. co sec 49 Hình 2. Đỏ thị rời rạc hóa tin hiệu vào của bộ điều chỉnh PID sẻ. Đỏ thị tin hiệu ra của bộ diều chính P1D số.

Dạng xung ra của encader Autonios 3054 - - 56 Hình 3. Thông số kĩ thuật oplo TOSHTBA TI. Kích thước dóng cơ sorvo Futaba MG995.Dạng tín hiệu điều khiến déng co servo 59 Hình 3. Hinh anh ghep ndi co cau chấp hành kiểu ròng rọc.6, Sơ đồ nguyên lý mạch điểu khiển.

Sơ đồ thuậi toán điều khiể 62 Hinh 3. Sơ dễ ghép nói cơ cảu diều khiển. Sơ đã hoạt động hộ điều khiển. uc suenvn tre 65 Hinh 3.

Phan mém Data Collect wén Windows 66 Hình 3. Đề thị theo dõi hệ thống trong, chế độ mô phóng trên máy tinh. Nguyên lý làm viêo của nhà máy thủy điện - - 68 Hình 3. si cn H nga errreeeroe 70 Hình 3.

Bơm chìm trục đứng đa tâng cánh - 71 Hình 3. Van trượt bám. si HH nerieere e2 tĩnh 3. Sơ để mạch điện tiểu thụ.

Ảnh chụp hệ thắng lắp đất trên thực tế - 74 Hinh 3. So dé khỏi khởi động mô hình thủy diện. Sơ để khỏi tĩnh toán bộ điều khiến - - 78 Hình 3. Đỏ thị đáp ứng quá dộ trước và sau khi đề xử lý.

80 6 LOI CAM DOAN Tần luận vấn này đo lôi nghiên cứu và thực hiện đưới sự hướng dẫn ofa PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai Dé hoàn thành bản luận văn nảy tôi đã sứ dựng những tải liệu được ghỉ trong mục tai liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bắt kỳ tài liệu tham khảo não mà không được ahi. Tôi xin cam đoan không sao chép các công trinh thiết kế hoặc đỗ án tốt nghiệp của người khác Néu sai, tôi xi cliu mọi hình thức kỹ luật theo quy định. Hà Nội ngày tháng - năm 2016 Học viên thực hiện Nguyễn Mạnh Dức 5. Điểm cơ bản và đóng góp mới của đề lài * _ Dễ xuất cầu trúc điều khiến trbine đựa trên van không trục.

Ứng dụng cho bé diéu téc turbine khang cầu tang bị hệ thống trợ lực bên ngoài. œ Thiết kẻ cơ cấu ghép nổi hợp lý giữa mạch điểu khiến PID và van điểu khiển. « Dé xual ding Encoder có sẵn trên thị trường làm bộ cảm biển đo tốc độ quay turbine. «Để xuất phương pháp nhận đạng đối Lượng theo đáp ứng quả độ với tính toán đơn giản, mô hình phù hợp thực tế + Xây dựng phần mềm giảm sát điều khiến hệ thống turbine máy phát như là một tô máy nhát điện cung cấp cho hộ tiêu thụ độc lập.

Điểm cơ bản và đóng góp mới của đề lài * _ Dễ xuất cầu trúc điều khiến trbine đựa trên van không trục. Ứng dụng cho bé diéu téc turbine khang cầu tang bị hệ thống trợ lực bên ngoài. œ Thiết kẻ cơ cấu ghép nổi hợp lý giữa mạch điểu khiến PID và van điểu khiển. « Dé xual ding Encoder có sẵn trên thị trường làm bộ cảm biển đo tốc độ quay turbine.

«Để xuất phương pháp nhận đạng đối Lượng theo đáp ứng quả độ với tính toán đơn giản, mô hình phù hợp thực tế + Xây dựng phần mềm giảm sát điều khiến hệ thống turbine máy phát như là một tô máy nhát điện cung cấp cho hộ tiêu thụ độc lập. Lý do lựa chọn đề tài Với nhụ cầu về điện nắng ngày cảng tầng, số lượng các nhà máy thủy diễn nhỗ, đặc biệt là cáo công trình thủy điện gia đỉnh ở nước ta hiện nay đang tăng nhanh. Tuy thiên, trong các công trình thủy điện qui mô hộ gia đình chỉ lắp đặt mạch không chế điện áp ma không trang, bị cơ cấu ổn dịnh tân số của dòng, diện phát ra, do dó khả năng sử dung rat hạn chế. Ôi với các turbime thủy điện công suất lớn, ngoài việc én định điện áp thí việc ấn định tân số nguằn điện phát ra la tật yêu và việc đó do bộ điều tốc turbine đăm nhiệm.

Câu tạo cơ bán của bộ điều tốc turbine bao gồm: cơ cầu điều khiển, cơ cầu khuếch. đại lực và hệ thông cảnh hướng (van cảnh hướng) điều chỉnh nước. Co cầu điều khiến trước dây có cầu tạo kiểu cơ — thủy lực, nay dã thay thể bằng cơ cầu thủy lực điện tử - số. Nhung trong bộ điều tốc turbme vẫn tổn tại một cơ cầu khuếch đại dùng dầu áp htc cao dé điều khiển hệ thống van cánh hướng, Cáo van cảnh hướng dang sử dụng hiện nay có nhược điểm cơ bản lẻ tiêu thụ lớn.

1rắng lượng phụ trợ và cân trang bị kèm theo co câu khuếch đại lực phức tap và đất tiền. Do vậy, các bộ diễu tốc nói trên có thẻ lắp đặt cho các loại turbine thủy diện công suất lớn nhưng là tốn kém đổi với các tưrbine loại nhỏ, đặc biệt bất khá thí đối với tưbme qui mô hộ gia đình Do đó cân nghiên cứu thiết kế bộ điều tốc có thé img, dung cho turbine loai nhỏ. Lý do lựa chọn đề tài Với nhụ cầu về điện nắng ngày cảng tầng, số lượng các nhà máy thủy diễn nhỗ, đặc biệt là cáo công trình thủy điện gia đỉnh ở nước ta hiện nay đang tăng nhanh.