Xây dựng mô hình máy phát – turbine nhiệt điện trong Matlab phục vụ nghiên cứu cộng hưởng tần số dưới đồng bộ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Xây dựng mô hình máy phát – turbine nhiệt điện trong Matlab phục vụ nghiên cứu cộng hưởng tần số dưới đồng bộ giới thiệu cơ sở lý thuyết và phương pháp xây dựng mô hình hệ máy phát – turbine nhiệt điện trong MATLAB phục vụ nghiên cứu về hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Xây dựng mô hình máy phát – turbine nhiệt điện trong Matlab phục vụ nghiên cứu cộng hưởng tần số dưới đồng bộ

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(114).2017-Quyển 1 61 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY PHÁT – TURBINE NHIỆT ĐIỆN TRONG MATLAB PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI ĐỒNG BỘ MODELING AND SIMULATION OF THERMAL TURBINE – GENERATORS IN MATLAB ENVIROMENT FOR SUBSYNCHRONOUS RESONANCE ANALYSIS Trương Ngọc Minh, Lê Đức Tùng, Nguyễn Hoàng Việt, Nguyễn Thành Đức, Lê Gia Thi Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; minh.truongngoc@hust.edu.vn, tung.leduc1@hust.edu.vn, viet.nguyenhoang1@hust.edu.vn, nguyenthanhduc1994@gmail.com, giathi95@gmail.com Tóm tắt - Bài báo giới thiệu cơ sở lý thuyết và phương pháp xây Abstract - This paper presents the problem of modeling dựng mô hình hệ máy phát – turbine nhiệt điện trong MATLAB synchronous generators, turbine-generator mechanical system in phục vụ nghiên cứu về hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng highly versatile MATLAB software for analysis of Subsynchronous bộ (SSR). Mô hình sử dụng hệ toạ độ dq0 nhằm loại bỏ sự phụ Resonance (SSR) in power systems. The proposed model uses the thuộc của thành phần tự cảm và hỗ cảm vào vị trí của rotor biểu d–q model to eliminate the dependence of inductances on rotor diễn trong hệ tọa độ pha abc. Hơn nữa, mô hình có thể mở rộng position. Moreover, the model can be applied for all types of multi- với số lượng khối tuỳ ý trên trục tuabin. Sơ đồ chuẩn IEEE First mass turbines. In this paper, the IEEE First Benchmark system for Benchmark System được sử dụng để mô phỏng. Các dao động do Subsynchronous resonance is simulated for comparison. The SSR giữa tuabin với máy phát và giữa các khối của tuabin được oscillations due to SSR are easily observed between turbine- quan sát trực quan dễ dàng. Các kết quả mô phỏng đã khẳng định generators and between various turbine shafts. Simulation results sự tương đồng của mô hình xây dựng trong MATLAB so với kết also confirm the validity of the proposed model compared to the quả mô hình trong phần mềm EMTP đã được công bố. model developed in EMTP software. Từ khóa - cộng hưởng tần số dưới đồng bộ; máy phát điện đồng bộ; Key words - SSR; synchronous generators, dq model; turbine – mô hình dq; hệ cơ turbine – máy phát điện; tụ bù dọc đường dây. generator mechanical system; series compensation. 1. Đặt vấn đề các nhà máy nhiệt điện hiện đại có số khối của trục tuabin Sự cố cộng hưởng tần số dưới đồng bộ SSR xảy ra tại – máy phát lớn hơn 4. nhà máy nhiệt điện Mohave - Mỹ vào năm 1970 và 1971 Vì vậy, bài báo này giới thiệu cách thức xây dựng mô hình đã gây hư hỏng nghiêm trọng trục turbine - máy phát của hệ tuabin - máy phát nhiệt điện đồng bộ 3 pha (MFĐ) đầy đủ nhà máy [1]. Nguyên nhân của sự cố được xác định là do trong môi trường MATLAB cho các nghiên cứu về hiện tượng tụ bù dọc trên đường dây truyền tải nối nhà máy với hệ SSR. Nội dung bài báo gồm 3 phần chính. Đầu tiên, tác giả trình thống điện Mỹ. Như đã biết, bù dọc đường dây là biện pháp bày về cơ sở lý thuyết, mô hình toán học biểu diễn hệ máy phát kỹ thuật nhằm tăng khả năng tải của đường dây truyền tải – turbine nhiệt điện đồng bộ 3 pha ở Mục 2. Dựa trên các điện xoay chiều, điều khiển phân bố công suất giữa các phương trình vi phân toán học ở Mục 2, mô hình đầy đủ mô đường dây làm việc song song với nhau và nâng cao ổn phỏng máy phát hoàn trong môi trường MATLAB được trình định động của hệ thống [2]. Sau sự cố xảy ra tại nhà máy bày ở Mục 3. Mục 4 là các kết quả mô phỏng kiểm chứng và Mohave, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để phân khẳng định tính đúng đắn của mô hình được xây dựng với sơ tích SSR, nghiên cứu quan hệ và ảnh hưởng giữa tụ bù dọc đồ chuẩn First Benchmark (FBM). Các kết luận liên quan đến đường dây với các momen tương tác xoắn của turbine - nội dung của bài báo sẽ được trình bày trong Mục 5. máy phát ở các nhà máy nhiệt điện, cũng như các biện pháp hạn chế SSR. 2. Mô hình toán học biểu diễn máy phát nhiệt điện đồng bộ 3 pha Hiện nay, các phương pháp thường dùng để mô phỏng và nghiên cứu hiện tượng SSR là phân tích trị riêng, phân Xét MFĐ đồng bộ 3 pha như Hình 1, nếu sử dụng hệ tích momen quá độ và quét tần số. Trong đó, phương pháp tọa độ pha thì các phương trình vi phân toán học biểu diễn trị riêng có ưu điểm so với các phương pháp còn lại là xác máy phát phải được xây dựng cho từng pha. định chính xác các tần số có thể gây cộng hưởng và dễ dàng đánh giá được mức độ nguy hiểm của các mode cộng hưởng trên hệ turbine – máy phát. Để có thể sử dụng phương pháp trị riêng khi nghiên cứu hiện tượng SSR, việc xây dựng mô hình hệ máy phát nhiệt điện đồng bộ - tuabin là vô cùng quan trọng. Phần mềm EMTP đã xây dựng một hệ turbine – máy phát phục vụ nghiên cứu SSR nhưng mô hình không chỉ rõ tần số cộng hưởng tương ứng với từng mode dao động. Một mô hình hệ tuabin – máy phát đơn giản gồm 4 khối cũng đã được xây dựng trong MATLAB. Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình này là tính chính xác còn thấp và không phù hợp với Hình 1. Sơ đồ thay thế của máy phát đồng bộ
62 Trương Ngọc Minh, Lê Đức Tùng, Nguyễn Hoàng Việt, Nguyễn Thành Đức, Lê Gia Thi Định nghĩa các thông số chính: d r  e  / b  a, b, c : các pha a, b, c  2H dt f ,g : cuộn kích từ trên trục d và trục q Trong đó: kd , kq : cuộn cản dọc trục và ngang trục xls , xlf : điện kháng rò của stator và cuộn kích từ  : góc lệch giữa rotor và stator  md ,  mq : từ thông từ hóa trên trục d và trục q r , e : tốc độ góc của rotor và tốc độ điện Tdamp : momen cản vd , vq : điện áp trên trục d và trục q b : tốc độ góc cơ bản, rad/s id , iq : dòng điện trên trục d và trục q 2.2. Hệ phương trình hệ turbine - máy phát d , q : từ thông trên trục d và trục q Khác với các máy phát thủy điện, trục turbine của máy phát nhiệt điện có cấu tạo đặc trưng riêng bao gồm nhiều Tmech , Tem : mô-men cơ và mô-men điện khối khác nhau. Mỗi khối đều có hình dáng, nhận năng lượng sơ cấp và tốc độ quay khác nhau được ghép nối thông Vì vậy, với các nghiên cứu về quá trình quá độ của qua các khớp trục, tạo thành một hệ cơ thống nhất. MFĐ thì mô hình biểu diễn trong hệ tọa độ pha rất phức tạp, do thành phần tự cảm và hỗ cảm của các cuộn dây đều thay đổi theo tốc độ và vị trí của rotor [2]. Để loại bỏ sự phụ thuộc của thành phần tự cảm và hỗ cảm vào vị trí của rotor và giảm khối lượng tính toán, nhóm tác giả sử dụng hệ dq, trong đó các trục d(trục dọc) nằm ở chính giữa tâm dọc theo cực từ và trục q (trục ngang) Hình 2. Cấu trúc cơ khí của hệ trục turbine 6 khối lệch pha và vượt trước trục d một góc 90°.Việc chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ dq0 được thực hiện bằng Trong đó: phép biến đổi Park [2]. H là hằng số quán tính của mỗi khối.  1 1 1    K là hệ số cứng của khớp trục giữa 2 khối.  3 3 3   2 2  2  2  2   D Là độ cản cơ của mỗi khối. P cos  cos     cos      3   3  (1)   3 3 3   i là góc quay của khối thứ i.  2 2  2  2  2   sin  sin     sin      3 3  3  3  3  Hệ phương trình chuyển động quay của trục turbine – máy phát gồm 6 khối được biểu diễn như sau: Ví dụ: vqd0  P(r ).vabc • Khối HP: 2.1. Hệ phương trình vi phân mô tả máy phát điện d  1  2 H1  THP  K12  2  1   D1  1  Mô hình máy phát đồng bộ khi biểu diễn trong hệ tọa dt độ dq0 bao gồm các phương trình vi phân miêu tả các đại d  1    1  0 lượng điện áp, dòng điện, từ thông… như sau: dt Hệ phương trình điện áp của máy phát: • Khối IP: d q d vq  rs .iq   d r d  2  dt dt 2H 2  TIP  K12  2  1   K 23  3   2   D2  2  (2) dt d d d r d  2  vd  rs .id   q dt dt   2  0 dt Hệ phương trình dòng điện của máy phát: (5)  q  mq iq  • Khối 𝐿𝑃𝐴 : xls d  3   d  md 2H3  TLPA  K 23  3   2   K 34  4   3   D3  3  id  (3) dt xls d  3    3  0  'f  md dt i 'f  xlf' • Khối 𝐿𝑃𝐵 : Phương trình momen của Rotor: 2H 4 ( d Dw 4 ) =T ( ) ( ) ( + K 34 d 4 - d 3 - K 45 d 5 - d 4 - D4 Dw 4 ) LPB d (r / b ) dt Tem ( pu )  Tmech ( pu )  Tdamp ( pu )  2H dt (4) ( ) = ( Dw )w d d4 dt 4 0
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(114).2017-Quyển 1 63 • Khối GEN: Khối VIPQ có nhiệm vụ tính toán các tín hiệu điện áp, dòng điện và công suất đầu ra của máy phát từ tín hiệu dòng 2H5 ( d Dw 5 ) = K (d ) ( ) ( - d 4 - K56 d 6 - d 5 - Te - D5 Dw 5 ) điện và điện áp trong hệ quy chiếu qd0. dt   P  Real  vq  jvd  iq  jid  *  vq iq  vd id 45 5 ( ) = ( Dw )w d d5 {( )} (6) dt 5 0 )( Q = Imag vq - jvd iq - jid * = vqid - vd iq • Khối EXC: 2H 6 ( d Dw 6 ) =T ( ) ( + K56 d 6 - d 5 - D6 Dw 6 ) EXC dt ( ) = ( Dw )w d d6 dt 6 0 Cần phải lưu ý rằng hệ phương trình vi phân (5) có thể mở rộng với một hệ thống trục turbine gồm n khối bất kỳ. Hình 5. Cấu tạo khối VIPQ 3. Mô hình máy hệ turbine máy phát trong môi trường MATLAB 4. Kết quả mô phỏng sơ đồ chuẩn FBM Trên cơ sở các phương trình vi phân trong Mục 2, một mô hình mô phỏng MFĐ đã được xây dựng trong MATLAB/Simulink như Hình 3. Hình 6. Sơ đồ chuẩn First Benchmark. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng máy phát, hệ thống có thông số được đưa ra trong mô hình chuẩn First Benchmark của IEEE [4] và thực hiện mô phỏng nhằm: - Kiểm chứng tính chính xác của mô hình máy phát đã xây dựng; - Ứng dụng mô hình máy phát đồng bộ đã xây dựng vào phân tích, đánh giá hiện tượng SSR. 4.1. Chế độ làm việc của MFĐ Kịch bản mô phỏng: - Chế độ xác lập; - Tăng sức điện động ngang trục máy phát thêm Hình 3. Sơ đồ mô phỏng máy phát đồng bộ 3 pha 10% tại thời điểm 5 giây. Ở đây, khối abc2qd0 thực hiện phép biến đổi Park để Kết quả mô phỏng: chuyển đổi các thông số từ hệ abc sang hệ dq0. qd_gen là khối máy phát biểu diễn các phương trình vi phân của máy 1.1 Dien ap stator may phat phát (2), (3), (4) và phương trình chuyển động quay của |Vt| 1 trục turbine (5). 0.9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Cong suat tac dung 1.02 Pgen 1 0.98 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Cong suat phan khang 0.2 Qgen 0 -0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Goc cong suat Delta 1 0.8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Hình 7. Kết quả mô phỏng chế độ xác lập Ở chế độ xác lập, sau 5 giây, các tín hiệu ổn định không thay đổi. Hình 4. Cấu tạo khối qd_gen
64 Trương Ngọc Minh, Lê Đức Tùng, Nguyễn Hoàng Việt, Nguyễn Thành Đức, Lê Gia Thi Dien ap stator may phat sự cố ngắn mạch xảy ra trên đường dây và gây ra hiện |Vt| 1.1 tượng SSR nguy hiểm cho turbine - máy phát. Kết quả mô phỏng: 1 0.9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Cong suat tac dung 1.02 Capacitor phase a voltage 2 Pgen 1 0 -2 0.98 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Generator phase a current Cong suat phan khang 5 0.2 0 Qgen 0 -5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Generator electrical torque -0.2 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Goc cong suat 0 -5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Delta 1 Shaft torque, LPA-LPB 5 0.8 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Shaft torque, GEN-EXC 2 Hình 8. Kết quả mô phỏng kịch bản tăng sức điện động 0 ngang trục -2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Khi điện áp đầu cực máy phát được giữ không đổi, việc tăng sức điện động ngang trục kéo theo dòng kích từ tăng, Hình 10. Kết quả tiến hành mô phỏng thực tế làm công suất phản khảng tăng theo. Tuy nhiên, do công suất tác dụng của máy phát là không đổi, nên công suất Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình mô phỏng thực tế phản kháng tăng, dẫn đến góc công suất giảm. Các thông bằng MATLAB cho kết quả hoàn toàn tương đồng với kết số còn lại hầu như không thay đổi. quả đưa ra của IEEE mô phỏng trên phần mềm EMTP [4]. Như vậy, mô hình mô phỏng đã xây dựng trong bài báo là 4.2. Mô phỏng hiện tượng SSR chính xác và có thể sử dụng trong các vấn đề nghiên cứu Sử dụng mô hình hệ tuabin - máy phát đã xây dựng, sơ sâu hơn về SSR. đồ chuẩn FBM được xây dựng trong Matlab như Hình 9. 5. Kết luận Bài báo đã trình bày cơ sở lý thuyết cũng như cách thức xây dựng một mô hình hệ máy phát – turbine nhiệt điện gồm 6 khối phục vụ nghiên cứu hiện tượng SSR. Ưu điểm của mô hình này là có thể mở rộng tuỳ ý số khối của hệ máy phát – turbine. Kết quả mô phỏng đã khẳng định tính đúng đắn của mô hình xây dựng. Trên cơ sở kết quả bước đầu này, nhóm tác giả sẽ thực hiện tiếp các nghiên cứu phân tích và các biện pháp hạn chế hiện tượng SSR. Hình 9. Mô hình First Benchmark trên MATLAB TÀI LIỆU THAM KHẢO Khối gen biểu diễn máy phát nhiệt điện đồng bộ 3 pha. Tại mỗi nút, tín hiệu dòng điện được đưa vào khối [1] D.N.Walker, C.E Bowler, R.L Jackson and D.A Hodges, “Results of Shuntcap để tính toán tín hiệu điện áp ở vị trí đó. Khối subsynchronous resonance test at Mohave”, IEEE Transactions on PAS, Sept/Oct (1975) 1878- 1889. Series RL được dùng để thay thế cho điện trở, điện kháng [2] P. Kundur, Power System Stability and Control, Mc Graw Hill, Inc., của máy biến áp và đường dây. Cuối cùng, khối Cap chính 1994. là mô hình mô phỏng tụ bù dọc trên đường dây truyền tải. [3] C. M. Ong, Dynamic Simulations of Electric Machinery: Using Giá trị dung lượng bù có thể thay đổi tuỳ ý. Matlab/Simulink, New Jersey, Prentice Hall, 1998. Kịch bản mô phỏng: Nhà máy phát công suất vào hệ [4] 1994 IEEE, “First Benchmark Model for computer simulation of Subsynchronous Resonance”, IEEE Transactions on Power thống qua máy biến áp tăng áp và đường dây truyền tải có Apparatus and Systems, Vol, PAS-96, Sept/Oct 1977. lắp đặt tụ bù dọc. Nút hệ thống được thay thế bằng một nút [5] P. M. Anderson, “Subsynchronous Resonance in Power Systems”, vô cùng lớn có điện áp bằng 1 pu. Tại thời điểm 0,2 giây, Wiley-IEEE Press, 1999.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(114).2017-Quyển 1 65 PHỤ LỤC LPA 0,85867 LPA-LPB 52,038 1. Thông số sơ đồ lưới chuẩn First Benchmark [4] LPB 0,884215 Tất cả các thông số đều được cho ở hệ đơn vị cơ bản máy phát với Scb =892MVA, U cb  500kV LPB-GEN 70,858 GEN 0,868495 1.1. Thông số lưới hệ thống GEN-EXC 2,822 Bảng 1. Thông số hệ thống điện trong sơ đồ FBM EXC 0,0342165 Thành phần Thành phần thứ Thông số thứ tự thuận tự không 2. Kết quả mô phỏng hiện tượng SSR của IEEE bằng RDZ 0,02 0,5 phần mềm EMTP X BA 0,14 0,14 X DZ 0,5 1,56 X HT 0,06 0,06 XC 0,35 0,35 1.2. Thông số máy phát điện Bảng 2. Thông số máy phát trong sơ đồ FBM xd  1, 79 pu ' Tdo  4,3 s xd'  0,169 pu " Tdo  0,032 s xd" 0,135 pu ' Tqo  0,85 s xq  1, 71 pu " Tdo  0, 05 s xq'  0, 228 pu Rl  0 xq"  0, 2 pu xL  0,13 pu 1.3. Thông số trục turbine máy phát Bảng 3. Thông số trục turbine - máy phát trong sơ đồ FBM K (pu) Khối Trục H (s) (Torque/rad) HP 0,092897 HP-IP 19,303 IP 0,155589 IP-LPA 34,929 Hình 11. Kết quả mô phỏng của IEEE bằng EMTP (BBT nhận bài: 09/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 19/05/2017)