Luận văn thạc sĩ hay nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động ổn định tần số máy phát điện diesel

Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động ổn định tần số máy phát điện diesel, góp phần cải thiện hiệu suất và độ tin cậy.

• Tác giả: Hoàng Huy Bình
• Người hướng dẫn: PGS. Võ Quang Lạp
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động ổn định tần số máy phát điện diesel
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN DIESEL
• 1.1. Ý nghĩa của việc ổn định tần số
• 1.2. Các phương pháp ổn định tần số máy phát điện
• 1.3. Hệ điều tốc ổn định tần số máy phát diezen
• 1.3.1. Các thông số đặc trưng của bộ điều tốc
• 2. CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT TÍNH TOÁN VÀ TỔNG HỢP HỆ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN DIESEL VỚI MẠCH VÒNG PHẢN HỒI VỊ TRỊ TUYẾN TÍNH DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nâng cao chất lượng hệ điều khiển tần số máy phát điện diesel

Hệ điều khiển tần số trong máy phát điện diesel đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định và hiệu suất của hệ thống điện. Việc nâng cao chất lượng hệ điều khiển không chỉ giúp cải thiện hiệu suất năng lượng mà còn giảm thiểu chi phí vận hành. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào các phương pháp và công nghệ hiện đại nhằm tối ưu hóa hệ điều khiển tần số, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của máy phát điện diesel.

1.1. Ý nghĩa của việc nâng cao chất lượng hệ điều khiển

Nâng cao chất lượng hệ điều khiển tần số giúp đảm bảo sự ổn định của điện áp và tần số trong hệ thống điện. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất của máy phát điện mà còn tác động đến toàn bộ hệ thống điện quốc gia.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ điều khiển

Chất lượng hệ điều khiển tần số phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thiết kế bộ điều tốc, công nghệ điều khiển, và khả năng phản ứng của hệ thống với các biến động tải. Việc phân tích các yếu tố này là cần thiết để tìm ra giải pháp tối ưu.

II. Vấn đề và thách thức trong hệ điều khiển tần số máy phát điện diesel

Hệ điều khiển tần số máy phát điện diesel thường gặp phải nhiều thách thức như sự biến động của tải, độ trễ trong phản ứng của hệ thống, và các yếu tố môi trường. Những vấn đề này có thể dẫn đến sự không ổn định trong hoạt động của máy phát điện, gây ra thiệt hại về kinh tế và hiệu suất.

2.1. Biến động tải và ảnh hưởng đến tần số

Sự thay đổi đột ngột của tải có thể làm giảm tần số của máy phát điện, dẫn đến tình trạng không ổn định. Việc dự đoán và điều chỉnh kịp thời là rất quan trọng để duy trì tần số ổn định.

2.2. Độ trễ trong phản ứng của hệ thống

Độ trễ trong hệ thống điều khiển có thể làm giảm khả năng phản ứng nhanh với các biến động, dẫn đến sự gia tăng rủi ro trong việc duy trì tần số ổn định. Cần có các giải pháp cải tiến để giảm thiểu độ trễ này.

III. Phương pháp nâng cao hiệu suất hệ điều khiển tần số máy phát điện diesel

Để nâng cao hiệu suất của hệ điều khiển tần số, có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau như sử dụng công nghệ điều khiển mờ, điều khiển tự động, và tối ưu hóa các thông số của bộ điều tốc. Những phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.

3.1. Công nghệ điều khiển mờ trong hệ điều khiển

Công nghệ điều khiển mờ cho phép hệ thống điều chỉnh một cách linh hoạt và chính xác hơn, giúp cải thiện khả năng phản ứng với các biến động tải và duy trì tần số ổn định.

3.2. Tối ưu hóa bộ điều tốc để nâng cao hiệu suất

Việc tối ưu hóa các thông số của bộ điều tốc có thể giúp cải thiện khả năng duy trì tần số ổn định, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của máy phát điện diesel.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu trong hệ điều khiển tần số

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp nâng cao chất lượng hệ điều khiển tần số đã mang lại nhiều kết quả tích cực. Các ứng dụng thực tiễn cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong hiệu suất và độ ổn định của máy phát điện diesel.

4.1. Kết quả từ các dự án thực tế

Các dự án thực tế đã chứng minh rằng việc áp dụng công nghệ điều khiển mờ và tối ưu hóa bộ điều tốc đã giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và nâng cao hiệu suất hoạt động của máy phát điện.

4.2. Tác động đến hiệu suất năng lượng

Việc nâng cao chất lượng hệ điều khiển không chỉ cải thiện hiệu suất của máy phát điện mà còn góp phần vào việc giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì, từ đó mang lại lợi ích kinh tế lớn.

V. Kết luận và tương lai của hệ điều khiển tần số máy phát điện diesel

Kết luận cho thấy rằng việc nâng cao chất lượng hệ điều khiển tần số máy phát điện diesel là một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điện. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến và ứng dụng mới.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ điều khiển

Công nghệ điều khiển sẽ tiếp tục phát triển với sự xuất hiện của các giải pháp thông minh và tự động hóa, giúp nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng hệ điều khiển, từ đó góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống cung cấp điện hiện đại, việc duy trì tần số danh định ở mức 50 Hz với độ lệch cho phép không vượt quá 0.2 Hz là một tiêu chuẩn kỹ thuật cốt lõi nhằm đảm bảo chất lượng điện năng và an toàn cho các thiết bị phụ tải. Các tổ máy phát điện diesel đóng vai trò đặc biệt thiết yếu trong việc cung cấp nguồn điện độc lập tại các khu vực vùng sâu vùng xa cũng như nguồn điện dự phòng khẩn cấp tại các cơ sở trọng yếu. Tuy nhiên, khi phụ tải biến động đột ngột, công suất cơ học của động cơ diesel bị mất cân bằng so với công suất điện từ, dẫn đến sự dao động mạnh về tốc độ quay và tần số phát điện. Hệ thống điều tốc truyền thống sử dụng bộ điều khiển tuyến tính thường bộc lộ nhiều hạn chế do tính chất phi tuyến sâu sắc của quá trình cháy, ma sát cơ khí của thanh răng cấp nhiên liệu và sự trôi dạt tham số quán tính trong suốt quá trình vận hành.

Mục tiêu trọng tâm của công trình nghiên cứu là khảo sát, tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động bám vị trí thanh răng nhiên liệu sử dụng bộ biến đổi xung điện áp một chiều kết hợp động cơ servo DC công suất 0.7 kW, đồng thời ứng dụng cấu trúc điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song nhằm nâng cao tính ổn định của tần số máy phát. Nghiên cứu được triển khai thực hiện và bảo vệ thành công vào năm 2020 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, gắn liền với bối cảnh vận hành thực tế tại Công ty Điện lực Sơn La. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài được khẳng định qua việc triệt tiêu độ quá điều chỉnh 9% của hệ PID truyền thống, rút ngắn thời gian xác lập dưới 0.2 giây, qua đó giúp giảm mức tiêu hao nhiên liệu diesel từ 3% đến 5% và đảm bảo độ ổn định tần số lưới điện cục bộ luôn duy trì trong ngưỡng an toàn tiêu chuẩn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết điều khiển tự động và kỹ thuật điện hiện đại:

1. Lý thuyết tổng hợp hệ thống truyền động nhiều mạch vòng kín theo tiêu chuẩn tối ưu kỹ thuật: Áp dụng phương pháp tối ưu Module và tối ưu đối xứng để thiết kế mạch vòng điều chỉnh dòng điện phần ứng, mạch vòng tốc độ góc và mạch vòng điều khiển vị trí góc quay thanh răng cơ cấu cấp dầu diesel.
2. Lý thuyết điều khiển mờ thích nghi: Kết hợp hệ logic mờ Mamdani với cơ chế thích nghi tham số nhằm bù trừ các thành phần phi tuyến của đối tượng điều khiển mà không đòi hỏi mô hình toán học phải hoàn toàn chính xác tuyệt đối.
3. Lý thuyết ổn định Lyapunov và thuật toán Gradient: Cung cấp nền tảng toán học để chứng minh tính ổn định tiệm cận của hệ thống điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song, bảo đảm sai lệch giữa đối tượng và mô hình chuẩn luôn hội tụ về 0.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt được chuẩn hóa bao gồm: điều chỉnh tần số sơ cấp thông qua lượng nhiên liệu cấp cho buồng đốt; hệ truyền động điều chế độ rộng xung một chiều; độ sai lệch tĩnh; độ rộng vùng không nhạy của cơ cấu điều tốc; và bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp giải tích giải thuật toán học với mô hình hóa số trị trên môi trường MATLAB/Simulink. Dữ liệu tham số động cơ được thu thập từ đối tượng thực nghiệm là động cơ điện một chiều kích từ độc lập với các thông số định mức chuẩn: công suất 0.7 kW, điện áp 220 V, dòng điện phần ứng 4.3 A, tốc độ định mức 1500 vòng/phút, điện trở phần ứng 6.7 Ohm, điện cảm phần ứng 0.1944 H, cùng hệ thống cảm biến có hằng số thời gian dòng điện 0.0025 giây, hằng số thời gian bộ biến đổi PWM 0.0033 giây và hằng số thời gian cảm biến vị trí 0.3 giây.

Phương pháp chọn mẫu trong nghiên cứu là phương pháp chọn mẫu kỹ thuật có chủ đích, tập trung vào tập dữ liệu gồm 100 chu kỳ mô phỏng phản ứng quá độ dưới các kịch bản thay đổi bước nhảy tín hiệu đặt vị trí từ 0 V đến 6 V và các mức nhiễu loạn phụ tải giả lập từ 0% đến 100% công suất định mức. Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng số kết hợp hàm truyền toán học là nhằm đánh giá chính xác các đáp ứng động học tức thời, phân tích miền tần số và miền thời gian của các biến trạng thái mà không gây nguy cơ hư hỏng cơ học cho tổ máy phát điện thực tế trong quá trình thử nghiệm ban đầu. Toàn bộ quy trình khảo sát, mô hình hóa và kiểm chứng thuật toán được tiến hành liên tục từ tháng 01/2020 đến tháng 10/2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát và mô phỏng thực nghiệm mang lại 4 phát hiện quan trọng:

1. Hệ thống điều khiển vị trí tuyến tính dùng bộ điều khiển PID kinh điển tuy đạt được trạng thái ổn định với thời gian quá độ khoảng 0.4 giây, nhưng tồn tại độ quá điều chỉnh lên tới 9% và xuất hiện 2 chu kỳ dao động trước khi đạt điểm cân bằng.
2. Động lực học của động cơ diesel có sự biến thiên tham số rất lớn; hằng số thời gian quán tính và hệ số chỉnh định của động cơ thay đổi trên 15% khi phụ tải chuyển dịch giữa chế độ không tải và đầy tải, khiến chất lượng bám vị trí của bộ điều khiển PID bị suy giảm rõ rệt.
3. Bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song giúp triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng quá điều chỉnh, đưa độ quá điều chỉnh từ 9% về xấp xỉ 0%, đồng thời rút ngắn thời gian quá độ xuống còn 0.18 giây, tương đương mức giảm hơn 55% thời gian xác lập so với hệ PID truyền thống.
4. Sai lệch tốc độ và sai lệch vị trí tĩnh của hệ mờ thích nghi được giữ ở mức dưới 0.5%, thể hiện khả năng chống nhiễu phụ tải vượt trội và đảm bảo tần số máy phát luôn bám sát giá trị chuẩn ngay cả khi chịu tác động đột ngột từ tải điện cực đại.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội của cấu trúc mờ thích nghi bắt nguồn từ cơ chế tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra và hệ số tích phân sai lệch đầu vào dựa trên luật cập nhật thích nghi Lyapunov. Khi xuất hiện sai lệch lớn trong giai đoạn khởi động hoặc đổi tải, bộ mờ thích nghi tăng cường lực điều khiển tức thời để kéo góc quay thanh răng về điểm đặt; khi sai lệch tiệm cận 0, hệ thống tự động giảm độ lợi nhằm ngăn chặn hiện tượng vọt lố. Điều này giải quyết triệt để nhược điểm cố hữu của bộ điều khiển PID với thông số cố định, vốn không thể đáp ứng đồng thời cả hai tiêu chí tác động nhanh và không quá điều chỉnh trong các hệ thống có độ trễ quán tính nhiệt và ma sát cơ học phức tạp.

So với các nghiên cứu trước đây vốn chỉ dừng lại ở việc áp dụng bộ điều khiển mờ tĩnh đơn thuần với độ cải thiện đáp ứng khoảng 20%, giải pháp mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song trong luận văn này đã nâng cao hiệu suất bám quỹ đạo lên hơn 40%. Trên phương diện biểu diễn kỹ thuật, các kết quả này được minh chứng sinh động thông qua các đồ thị đáp ứng quá độ thời gian của tốc độ góc, dòng điện phần ứng và chuyển vị thanh răng, kết hợp cùng bảng đối chuẩn định lượng các chỉ tiêu chất lượng động học giữa hai phương pháp điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển hóa kết quả nghiên cứu vào thực tiễn vận hành và chế tạo, 4 giải pháp cụ thể được đề xuất:

1. Tích hợp thuật toán điều khiển mờ thích nghi vào bộ điều tốc số: Triển khai lập trình mã nguồn điều khiển trên các chip vi xử lý chuyên dụng DSP hoặc FPGA với mục tiêu giảm chu kỳ tính toán vòng lặp xuống dưới 1 mili giây, bảo đảm tần số máy phát diesel ổn định trong biên độ sai số cộng trừ 0.1 Hz; thời gian hoàn thành trong vòng 6 đến 12 tháng do các kỹ sư tự động hóa tại các đơn vị nghiên cứu phát triển thiết bị điện thực hiện.
2. Chuẩn hóa quy trình hiệu chuẩn định kỳ cơ cấu chấp hành PWM và bơm cao áp: Áp dụng phương pháp đo đạc tự động để kiểm soát khe hở cơ khí và lực ma sát thanh răng, đặt mục tiêu thu hẹp độ rộng vùng không nhạy dưới mức 1.5%, giúp kéo dài tuổi thọ cụm van cấp dầu thêm 25%; thực hiện định kỳ 6 tháng một lần do đội ngũ kỹ thuật tại các công ty điện lực địa phương đảm trách.
3. Xây dựng hệ thống giám sát số liệu trực tuyến SCADA kết hợp cảm biến vị trí độ chính xác cao: Lắp đặt cảm biến vị trí số có độ trễ truyền thông dưới 5 mili giây nhằm theo dõi liên tục độ mở van dầu, hướng tới mục tiêu tối ưu hóa suất tiêu hao nhiên liệu diesel từ 3% đến 5%; lộ trình triển khai từ năm 2021 đến năm 2023 dưới sự quản lý của Trung tâm điều độ hệ thống điện.
4. Mở rộng thử nghiệm thực tế trên các tổ máy diesel công suất từ 250 kVA đến 1000 kVA: Đánh giá độ ổn định của hệ thống trong chế độ hòa lưới song song và vận hành độc lập, hướng tới mục tiêu đạt tỷ lệ hòa đồng bộ thành công 99.8%; kế hoạch thực hiện trong 18 tháng do các viện nghiên cứu năng lượng phối hợp cùng các trường đại học kỹ thuật tiến hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

1. Kỹ sư vận hành và điều độ hệ thống điện tại các công ty điện lực: Tài liệu cung cấp cơ sở kỹ thuật chiêm nghiệm để phân tích nguyên nhân sự cố sụt tần số, hướng dẫn căn chỉnh các tham số vòng điều tốc máy phát diesel trong các tình huống vận hành cấp điện độc lập hoặc khẩn cấp.
2. Chuyên gia thiết kế và nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động: Tiếp cận phương pháp tổng hợp toán học chi tiết về bộ biến đổi PWM-Đ kết hợp lý thuyết mờ thích nghi Lyapunov, có thể tái sử dụng mô hình Simulink để phát triển các thuật toán điều khiển thích nghi cho nhiều cơ cấu chấp hành công nghiệp khác.
3. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa: Luận văn là một tài liệu tham khảo học thuật chuẩn mực về quy trình thiết kế hệ truyền động điện từ tổng hợp hàm truyền tuyến tính đến ứng dụng thuật toán điều khiển phi tuyến hiện đại.
4. Các doanh nghiệp sản xuất và tích hợp tủ điều khiển máy phát điện: Nắm bắt giải pháp công nghệ nâng cấp từ bộ điều tốc cơ khí - thủy lực cũ sang hệ điều tốc điện tử số thông minh, nâng cao chất lượng sản phẩm và năng lực cạnh tranh trên thị trường thiết bị nguồn điện dự phòng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao việc ổn định tần số trong máy phát điện diesel lại mang tính chất sống còn đối với hệ thống điện? Tần số thể hiện trực tiếp sự cân bằng giữa công suất cơ của động cơ sơ cấp và công suất tiêu thụ của phụ tải. Khi tần số giảm lệch quá mức chuẩn 50 Hz, tốc độ các động cơ trong hệ thống suy giảm, gây nóng thiết bị, giảm hiệu suất sản xuất và có thể dẫn đến việc rơ-le sa thải phụ tải tác động làm mất điện diện rộng.

2. Ưu điểm nổi bật của hệ truyền động xung áp PWM kết hợp động cơ DC trong bộ điều tốc là gì? Hệ truyền động PWM-Động cơ một chiều mang lại dải điều chỉnh tốc độ rộng, phản ứng đóng cắt xung nhanh với tần số chuyển mạch cao, hằng số thời gian trễ nhỏ chỉ 0.0033 giây và khả năng đảo chiều linh hoạt, giúp điều khiển chính xác vị trí thanh răng cấp nhiên liệu mà không bị trễ như cơ cấu thủy lực.

3. Hạn chế cốt lõi của bộ điều khiển PID kinh điển khi áp dụng cho máy phát diesel là gì? Bộ điều khiển PID sử dụng các hệ số cố định nên chỉ đạt chất lượng tối ưu tại một điểm làm việc tĩnh nhất định. Khi phụ tải biến động mạnh làm các tham số của động cơ diesel thay đổi trên 15%, hệ PID dễ gây ra độ quá điều chỉnh 9% và kéo dài thời gian dao động quá độ.

4. Cấu trúc mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song giải quyết vấn đề phi tuyến như thế nào? Hệ thống sử dụng một mô hình mẫu toán học lý tưởng làm chuẩn song song với đối tượng thực. Khi xuất hiện sai lệch giữa đáp ứng thực tế và mô hình mẫu, thuật toán thích nghi dựa trên hàm Lyapunov sẽ tự động tính toán để hiệu chỉnh độ lợi của bộ điều khiển mờ, triệt tiêu sai số tức thời.

5. Giải pháp điều khiển trong luận văn có khả thi để triển khai trên phần cứng thực tế không? Hoàn toàn khả thi vì thuật toán mờ thích nghi đã được tối ưu hóa cấu trúc suy luận, hoàn toàn có thể nhúng vào các vi điều khiển công nghiệp 32-bit hoặc chip DSP với thời gian xử lý chu kỳ dưới 1 mili giây, đáp ứng hoàn hảo yêu cầu điều khiển thời gian thực của máy phát điện.

Kết luận

• Thiết lập thành công mô hình toán học toàn diện mô tả động lực học của máy phát điện diesel và cơ cấu chấp hành chuyển động vị trí van dầu sử dụng hệ biến đổi PWM kết hợp động cơ DC 0.7 kW.
• Hoàn thành quy trình tính toán và tổng hợp tối ưu các mạch vòng dòng điện, tốc độ và vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu Module và tối ưu đối xứng cho bộ điều khiển tuyến tính.
• Ứng dụng thành công lý thuyết điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov, giải quyết triệt để thách thức do tính phi tuyến và sự trôi dạt tham số của động cơ gây ra.
• Chứng minh tính ưu việt vượt trội qua mô phỏng: triệt tiêu hoàn toàn độ quá điều chỉnh 9%, rút ngắn hơn 55% thời gian quá độ xuống còn 0.18 giây và duy trì sai số xác lập dưới mức 0.5%.
• Cung cấp luận cứ khoa học vững chắc và giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao nhằm nâng cao chất lượng điện năng cho các hệ thống máy phát điện diesel độc lập và hòa lưới phân phối.

Đóng góp lớn nhất của công trình là đã kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết điều khiển kinh điển và hiện đại để giải quyết một bài toán kỹ thuật bức thiết trong ngành điện lực. Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới, lộ trình tiếp theo cần tập trung vào việc thử nghiệm thuật toán trên mô hình phần cứng trong vòng lặp trước khi thương mại hóa đại trà. Các đơn vị quản lý vận hành nguồn điện và các nhà chế tạo thiết bị tự động hóa được khuyến khích áp dụng ngay giải pháp điều khiển mờ thích nghi này nhằm tối ưu hóa hiệu quả vận hành và bảo vệ hệ thống điện bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN DIESEL 1. Ý nghĩa của việc ổn định tần số Tần số thể hiện công suất tác dụng của máy phát điện. Khi tần số giảm công suất cơ không đảm bảo. Cụ thể khi tần số giảm không đủ điều kiện để hòa vào lưới điện.

Nếu phụ tải là động cơ điện xoay chiều khi tần số giảm thì tốc độ của động cơ cũng giảm. Từ những nhận xét trên ta thấy nếu tần số không đảm bảo sẽ dẫn đến sự gia tăng chi phí vốn đầu tư, chi phí vận hành, giảm năng suất và hiệu quả làm việc của các thiết bị điện… Sự giảm tần số không chỉ gây thiệt hại cho bản thân hệ thống điện mà cho tất cả các ngành kinh tế khác. Vì vậy khi thiết kế vận hành cần xem xét tới các biện pháp đảm bảo và nâng cao chất lượng tần số. Do đó để giải quyết điện áp và tần số chúng ta nghiên cứu các hệ thống tự động ổn định tần số 1.2 Các phương pháp ổn định tần số máy phát điện Như 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 máy phát điện. Cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống điện ở chế độ bình thường, xét đối với phát chạy thủy điện: PT  Ppt   (1-1) Trong đó: PT : Công suất của tuabin kéo máy phát. Ppt : Công suất của phụ tải điện.  : Tổn thất công suất tác dụng.

Mô men kéo của tuabin. MT   (1-2) LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trong đó:  : Hằng số Q : Lưu lượng nước vào tuabin H : Độ chênh áp suất đầu và cuối tuabin.  : Hiệu suất tuabin Để ổn định tần số máy phát điện có hai phương pháp ổn định thứ cấp và ổn định sơ cấp sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu lần lượt từng phương pháp. Ổn định tần số thứ cấp Điều chỉnh thứ cấp là quá trình tăng công suất máy phát điều tần để đưa tần số về trị số định mức. Tăng công suất máy phát bằng cách tăng tốc độ cho diesel.

Nhờ cơ cấu đo lường khá chính xác độ lệch tần số khỏi giá trị định mức và phát tín hiệu điều khiển. Sau đây chúng ta xét một cơ cấu đo lường đơn giản nhất phản ứng theo độ lệch tức thời của tần số. Sơ đồ mạch bao gồm điện trở tác dụng và điện kháng hoặc điện dung nối song song. Khi tần số hệ thống bằng định mức thì dòng I 1 và I2 bằng nhau.

Khi tần số giảm thấp hoặc tăng cao sẽ làm thay đổi X L hoặc XC và dòng I1 và I2 sẽ khác nhau. Tùy thuộc vào giá trị và dấu của độ lệch tần số mà góc pha của dòng điện ở đầu ra của mạch sẽ bị thay đổi, nhờ bộ tự động điều chỉnh tần số thứ cấp có thể phản ứng để đưa ra tác động điều chỉnh phù hợp. - Sơ đồ bộ điều tần thứ cấp  U,f Udf BĐ/Cf TB F Uphf CCĐ Hình 1-1: Sơ đồ khối bộ điều tần thứ cấp BĐ/Cf: Bộ điều chỉnh tần số TB: diesel máy phát F : Máy phát LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CCĐ: Cơ cấu đo tần số * R3 * L I1 R1 UR UL U1 +Ecc U R2 * Uf U2 U1 U2 R -Ecc I2 a) b) Hình 1-2: Sơ đồ cơ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b) Sơ đồ cơ cấu đo tần số được thể hiện trên hình 1-2. Các tham số L và R của bộ lọc tần BLT được chọn sao cho U 1 = U2 và U1 +U2 = UR + UL, ở chế độ làm việc bình thường với tần số định mức U thì UR = UL.

Khi đó điện áp đầu ra hai bộ chỉnh lưu CL1 và CL2 bằng nhau do đó đầu ra khuếch đại thuật toán bằng 0. Giá trị đưa vào bộ điều chỉnh tần số bằng giá trị đặt. Khi tần số lệch khỏi giá trị chuẩn thì khi đó U L = jω.IL sẽ lớn hơn hoặc nhỏ hơn UR = R.IR tuỳ thuộc vào tần số tăng hay giảm, làm cho giá trị ra khuếch đại thuật toán Ur ≠ 0. Khi đó tín hiệu vào bộ điều chỉnh tần số không phải là gía trị đặt nữa mà bằng giá trị đặt cộng hoặc trừ đi 1 lượng U r, dẫn đến bộ điều chỉnh sẽ tác động vào tuabin làm tần số trở về giá trị chuẩn.

Ổn định tần số sơ cấp Điều chỉnh sơ cấp: là quá trình điều chỉnh tốc độ quay diesel bằng thay đổi lượng dầu vào diesel… Nhiệm vụ chính của bộ điều tốc là giữa cho tốc độ quay của rotor – máy phát là không đổi khi có sự thay đổi của phụ tải. Tần số f của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ góc  của máy phát điện theo quan hệ  p.n f   2 60 (1-3) Trong đó: p - Số đôi cực của máy phát điện n - Số vòng quay của máy phát điện LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 như không phụ thuộc vào tần số, công suất 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. P P * P kf   dd f * f f dd (1-4) Trong đó : f , P : Tương ứng là sự thay đổi của tần số và công suất tác dụng. f dd , Pdd :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 M  P. của ' phụ tải. Quan hệ này được biểu diễn bằng đường cong 1 trên hình vẽ đặc trưng cho đặc tính tĩnh của phụ tải. Tần số của hệ thống điện được xác định tại điểm cắt O1 của ' đặc tính 1 (tuabin) và đặc tính 1 (phụ tải) ở đó mô men kéo của tuabin cân bằng với mô men cản của phụ tải M 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Hình 1-3: Đường đặc tính tĩnh tuabin (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3).

' Khi số lượng phụ tải trong hệ thống điện thay đổi, đặc tính tĩnh của phụ tải 1 sẽ bị dịch chuyển. Chẳng hạn khi đấu thêm phụ tải, đặc tính này sẽ bị dịch chuyển sang bên phải ( 2 ) và sẽ cắt đặc tính tuabin tại điểm O3 , tương ứng với tần số f3. Khi cắt ' ' bớt phụ tải, đặc tính 1 sẽ bị dịch chuyển sang trái ( 3 ) và sẽ cắt đặc tính 1 của tuabin ' tại O2 , tương ứng với tần số f 2. Như vậy khi phụ tải thay đổi sẽ làm cho tần số thay đổi: f  f 2  f 3 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 ấy điểm cắt nhau giữa đặc tính tuabin (2) và phụ tải ( 2' ) tại O4 tương ứng với tần số f 4 > f 3. 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 3 tại O5 tương ứng ' với tần số f5 < f 2.

Nhờ sự dịch chuyển đặc tính tuabin mà độ lệch tần số f  f 5  f 4 ' < f  f 2  f 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Tập hợp các điểm O5 , O1 , O4 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) f f * f S *   *   dd P P Pdd (1-5) * Thông thường S của đặc tính điều chỉnh tuabin trong hệ thống điện nằm trong * giới hạn S =0. Trị số càng bé càng chứng tỏ hệ thống càng khỏe, nghĩa là với một mức biến đổi công suất như nhau, thì mức biến đổi của tần số trong hệ thống có S * bé hơn sẽ ít biến đổi hơn. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 Hệ điều tốc ổn định tần số máy phát diezen 1.1 Các thông số đặc trưng của bộ điều tốc Bộ điều tốc có tác dụng giữ cho vòng quay không thay đổi hay thay đổi do tác động của con người, không phụ thuộc vào tải.

Đặc tính của bộ điều tốc được đăc trưng bởi một số thông số chủ yếu sau: Độ sai lệch Độ sai lệch δ trong quá trình điều chỉnh vòng quay là tỷ số độ chênh lệch giữa vòng quay động cơ khi tăng từ không đến toàn tải với vòng quay trung bình: nkt −n H δ= n tb (1-6) Trong đó: nkt: vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ không tải, v/ph nH: vòng quay ứn với động cơ làm việc ở chế độ định mức, v/ph nkt + n H ntb = 2 vòng quay trung bình, v/ph δ là mức độ sai số tĩnh của bộ điều tốc, nó đặc trưng cho khả năng duy trì vòng quay ban đầu, δ càng nhỏ chất lượng bộ điều tốc càng cao, tuy nhiên khi đó thời gian điều chỉnh tăng lên. Trong trường hợp đường đặc tính điều tốc vuông góc với trục hoành (δ=0) gọi là đặc tính siêu tĩnh hay phi tĩnh. Trong trường hợp đường đặc tính điều tốc có độ dốc (δ > 0) gọi là đặc tính tĩnh.