Tài liệu ứng dụng điều khiển học lặp cho hệ thống avr máy phát đồng bộ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- HUỲNH THÀNH TÀI HUỲNH THÀNH TÀI C C CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA R L T. ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO HỆ THỐNG AVR MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOÁ K37 Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH THÀNH TÀI ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO HỆ THỐNG AVR MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ C C Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 8520216 R L T. DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học TS. TRƢƠNG THỊ BÍCH THANH Đà Nẵng – Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN - Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. - Ngoài các thông tin sử dụng và trích dẫn trong các tài liệu tham khảo, các nghiên cứu khoa học khác nêu trong luận văn này là trung thực và chƣa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Tác giả luận văn C C DU R L T. Huỳnh Thành Tài TRANG TÓM TẮT ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO HỆ THỐNG AVR MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ Học viên : Huỳnh Thành Tài Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động Mã số : 8520216 Khóa : K37 Trƣờng Đại Học Bách Khoa - ĐHĐN Tóm tắt : Luận văn này trình bày tổng quan về hệ thống kích từ, thành lập phƣơng trình toán học và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống điều chỉnh điện áp tự động AVR của máy phát điện. Luận văn sử dụng thuật toán điều khiển học lặp (ILC) làm bộ điều khiển và đảm bảo giữ sai số điện áp càng thấp càng tốt. Ba thuật toán của ILC đƣợc thảo luận: học tập kiểu P, học tập kiểu PD và thiết kế tối ƣu tuyến tính bậc hai (LQ), và đƣợc mô phỏng trên phần mềm Matlab. Kết quả mô phỏng sẽ đƣợc phân tích trong luận văn với sự thay đổi các tham số điều khiển nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển. C C R L T. Từ khóa – Điều khiển học lặp, máy phát đồng bộ, điều khiển tối ƣu tuyến tính bậc hai, điều chỉnh điện áp tự động, điều khiển PID DU APPLICATION OF LEARNING CONTROL FOR SYNCHRONOUS GENERATOR ARV SYSTEM Abstract - This thesis presents an overview of the excitation system, establishes mathematical equations and designs the control of the AVR Automatic voltage regulator system of electric generators (Electric genetator). It uses iterative learning control (ILC) as the controller to regulate the voltage error as low as possible. Three algorithms of ILC are discussed: P-type (proportional-type learning) PD-(proportional -derivative) and P-quadratic LQ design. They will be simulated in Matlab. The simulation results will be analized in changing controller parameters in order to improve system performance. Keywords - Iterative learning control, synchronous generator, linear quadratic optimal control, automatic voltage regulation, PID control, MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 I. Đặt vấn đề .................................................................................................................1 II. Mục tiêu của đề tài: .................................................................................................1 III Các nội dung nghiên cứu: ....................................................................................... 2 C C IV Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................ 2 R L T. CHƢƠNG 1- TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN ....................... 3 1.1 Tổng quan về hệ thống kích từ ...............................................................................3 DU 1.2 Các loại hệ thống kích từ ....................................................................................... 5 1.2.1. Hệ thống kích từ một chiều: ...........................................................................5 1.2.2. Hệ thống kích từ xoay chiều: ..........................................................................6 1.2.3. Hệ thống kích từ tĩnh. ..................................................................................... 9 1.3 Chức năng điều khiển và bảo vệ [3,8] .................................................................12 1.3.1 Bộ điều chỉnh AC và DC ...............................................................................12 1.3.2 Mạch ổn định HTKT ..................................................................................... 13 1.3.3 Bộ bù phụ tải (bộ tạo đặc tuyến) ....................................................................14 1.4 Các bộ hạn chế và bảo vệ [3,8] ............................................................................14 1.4.1 Giới hạn khả năng phát công suất phản kháng ..............................................14 1.4.2 Bộ giới hạn thiếu kích từ ...............................................................................15 1.4.3 Bộ giới hạn quá kích từ .................................................................................. 16 1.4.4. Mạch diệt từ: .................................................................................................17 1.4.5 Các bộ hạn chế và bảo vệ: .............................................................................18 1.5 Kết luận ................................................................................................................18 CHƢƠNG 2 ................................................................................................................... 19 MÔ HÌNH HOÁ CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG KÍCH TỪ ........................... 19 2.1 Mô hình hóa máy phát điện đồng bộ [5,8] ........................................................... 19 2.1.1 Giới thiệu chung máy phát điện .....................................................................19 2.1.2 Các phƣơng trình điện áp viết trong hệ tọa độ abc ........................................20 2.1.3 Các phƣơng trình điện áp viết trong hệ tọa độ dq .........................................23 2.1.4 Mô hình d-q trong hệ tƣơng đối (P.U) .......................................................... 28 2.1.5 Trạng thái xác lập trên mô hình d-q............................................................... 29 2.1.6 Mô hình mạch thay thế tƣơng đƣơng máy phát đồng bộ ............................... 30 2.1.7 Các thông số vận hành của máy phát điện đồng bộ.......................................31 2.2 Mô hình hóa dòng kích từ [5,9,13] ......................................................................33 2.3 Mô hình hóa bộ đo lƣờng [5,9,13] .......................................................................34 2.4 Kết luận: ...............................................................................................................35 Chƣơng 3 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ....................................................................36 C C 3.1 Phân tích tính ổn đinh của hệ thống rời rạc [1, 15] ..........................................36 R L T. 3.1.1 Tính ổn định ...................................................................................................36 3.1.2 Tính điều khiển đƣợc và quan sát đƣợc ......................................................... 36 DU 3.1.3 Phân tích chất lƣợng hệ thống trong quá trình quá độ ...................................37 3.2. Bộ điều khiển PID [1,15] .................................................................................... 38 3.2.1 Nguyên lý làm việc ....................................................................................... 38 3.2.2. Các phƣơng pháp xác định tham số PID ..................................................... 41 3.3. Thuật toán điều khiển học lặp .............................................................................42 3.3.1. Mô tả vấn đề[10,13] ...................................................................................... 42 3.3.2 Kiểm soát học lặp LTI [10,11,12] .................................................................46 3.4 Thiết kế [10,13] ....................................................................................................48 3.4.1. Thiết kế kiểu P-PD........................................................................................ 48 3.4.2. Thiết kế tối ƣu LQ ........................................................................................ 50 3.5 Kết luận ................................................................................................................51 Chƣơng 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ..............................................................................52 4.1. Đối tƣợng điều khiển........................................................................................... 52 4.2 Phân tích hệ không liên tục [1,15] .......................................................................53 4.2.1 Tính ổn định ...................................................................................................53 4.2.2 Tính điều khiển đƣợc và quan sát đƣợc ......................................................... 54 4.2.3 Phân tích chất lƣợng hệ thống trong quá trình quá độ ...................................54 4.3 Tính chọn bộ điều khiển....................................................................................... 56 4.3.1 Bộ điều khiển PID ......................................................................................... 56 4.3.2 Thuật toán học lặp ILC .................................................................................. 57 4.4 Kết quả mô phỏng ................................................................................................ 58 4.4.1 Mô phỏng thuật toán học lặp với ILC ........................................................... 58 4.3.2 Áp dụng thuật toán học lặp cho đối tƣợng..................................................... 64 4.4 Phân tích và đánh giá ............................................................................................... 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 71 PHỤC LỤC C C DU R L T. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT HTKT HTD AVR Automatic voltage Regulator Hệ thống kích từ Hệ thống điện Tự động điều chỉnh điện áp AC DC ZOH Alternating Current Direct Current Zero order hold Xoay chiều Một chiều Lƣu giữ bậc không BGH Bộ giới hạn Sđđ Suất điện động SG PID Synchronizing generator Proportional- Integral- Derivative Máy phát đồng bộ Tỷ lệ-tích phân-vi phân P PD LTI SISO ILC Proportional Proportional- Derivative Linear, Time-Invariant Single Input Single Output Interative learning control Tỷ lệ Tỷ lệ-vi phân tuyến tính bất biến Đầu vào-đầu ra đơn Điều khiển học lặp C C BIBO LQ Bounded Input Bounded Output linear quadratic Đầu vào-đầu ra bị chặn Tuyến tính bậc 2 DU R L T. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1: Đƣờng cong đi qua các điểm sau: ..................................................................... 16 Bảng 1. 2: Giới hạn V/Hz đặc trƣng cho máy phát ............................................................ 18 Bảng 2. 1:Bảng ma trận điện cảm máy phát ....................................................................... 23 Bảng 2. 2: Bảng thông số máy phát đồng bộ...................................................................... 33 Bảng 3. 1: Đặc tính của các thành phần P,I,D .................................................................... 39 Bảng 4.1: So sánh các chỉ tiêu đánh giá các phƣơng pháp điều khiển ............................... 65 Bảng 4. 2 So sánh đáp ứng khi điều khiển và của đối tƣợng ............................................. 69 C C DU R L T. DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Đƣờng cong điện áp V và đƣờng cong kết hợp cho máy phát tại điện áp phần ứng định mức. ....................................................................................................................... 3 Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống kích từ máy phát .................................................................. 5 Hình 1.3: Hệ thống kích từ một chiều với hệ thống khuếch đại quay. ................................. 6 Hình 1.4: Hệ thống kích từ chỉnh lƣu máy phát xoay chiều................................................. 7 Hình 1.5: Hệ thống kích từ chỉnh lƣu có điều khiển đƣợc cung cấp bởi máy phát xoay chiều...................................................................................................................................... 8 Hình 1.6: Hệ thống kích từ không chổi than ........................................................................ 9 Hình 1.7: Hệ thống kích từ chỉnh lƣu có điều khiển nguồn áp .......................................... 10 Hình 1.8: Hệ thống kích từ chỉnh lƣu nguồn kết hợp ......................................................... 10 Hình 1.9: Hệ thống kích từ tổng hợp có điều khiển ........................................................... 12 Hình 1.10: Mạch bảo vệ và điều khiển hệ thống kích từ .................................................... 12 Hình 1.11: Bộ ổn định hệ thống kích từ có bộ bù hồi tiếp ................................................. 13 Hình 1.12: Đặc tính điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát [3,8] ........................................ 14 Hình 1.13: Sự phối hợp giữa phần tử thiếu, mất kích từ và giới hạn ổn định .................... 15 Hình 1.14: Sự kết hợp của giới hạn quá kích từ với khả năng chịu nhiệt .......................... 16 C C R L T. DU Hình 1.15:Mạch diệt từ dùng bộ dập từ trƣờng .................................................................. 17 Hình 1.16:Mạch diệt từ dùn g điện trở biến đổi ............................................................................................................... 17 Hình 2.1: Sơ đồ bố trí các cuộn dây stator và rotor của máy điện đồng bộ ....................... 20 Hình 2.2: Mô hình d-q của máy phát đồng bộ.................................................................... 24 Hình 2.3: Điện cảm trên mô hình d-q ................................................................................. 26 Hình 2.4: Đồ thị vector của máy phát đồng bộ .................................................................. 29 Hình 2.5: Sơ đồ mạch điện tƣơng đƣơng của máy phát điện đồng bộ ............................... 31 Hình 2.6: Mô hình bộ chỉnh lƣu thyristor........................................................................... 33 Hình 2.7: Mô hình bộ đo lƣờng .......................................................................................... 34 Hình 3.1: Sơ đồ cơ cấu lấy mẫu đặt trƣớc khâu so sánh .................................................... 37 Hình 3.2: Sơ đồ trên miền Z ............................................................................................... 37 Hình 3.3: Sơ đồ bộ điều khiển PID .................................................................................... 39 Hình 3.4: Minh họa ảnh hƣởng của các khâu P, I, D ......................................................... 40 Hình 3.5: Hình của một hệ thống ILC bậc nhất. ................................................................ 43 Hình 4. 1 Hàm truyền của hệ thống .................................................................................... 52 Hình 4. 2: Điểm gán cực trên vòng tròn đơn vị .................................................................. 53 Hình 4. 3: Kiểm tra đáp ứng của đối tƣợng ........................................................................ 56 Hình 4. 4. Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID ........................................................ 56 Hình 4. 5. Đáp ứng đầu ra bộ điều khiển PID .................................................................... 56 Hình 4. 6: Đáp ứng của thuật toán học lặp kiểu P .............................................................. 59 Hình 4. 7: Đáp ứng của thuật toán học lặp kiểu P khi thay đổi R ...................................... 60 Hình 4.8: Đáp ứng của thuật toán học lặp kiểu PD ............................................................ 61 Hình 4.9: Đáp ứng đầu ra của hệ thống điều khiển ILC kiểu PD khi tăng D .................... 62 Hình 4. 10: Đáp ứng đầu ra của hệ thống điều khiển ILC kiểu PD giảm D ...................... 62 Hình 4.11: Đáp ứng thuật toán ILC kiểu PD khi có nhiễu ................................................. 63 Hình 4.12: Đáp ứng của thuật toán ILC_LQ. ..................................................................... 63 Hình 4.13: Đáp ứng thuật toán ILC-LQ với các giá trị q,r khác nhau có nhiễu d và r ..... 64 Hình 4.14: Các đáp ứng đầu ra khác nhau .......................................................................... 66 Hình 4.15. Thuật toán ILC_LQ áp dụng khi nhiễu d=5% .................................................. 67 Hình 4.16: Hình mô phỏng tín hiệu bộ điều khiển LQ khi nhiễu 10% .............................. 68 Hình 4.17: Đáp ứng hệ thống khi thay đổi giá trị tham chiếu ............................................ 68 C C DU R L T. 1 MỞ ĐẦU “ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO HỆ THỐNG AVR MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ” I. Đặt vấn đề PID là bộ điều khiển phổ biến nhất trong công nghiệp tuy nhiên trong một số trƣờng hợp bộ điều khiển này có quá trình quá độ làm ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng quá trình điều khiển, đồng thời đối với các nhiễu tức thời thì không loại bỏ đƣợc. Khi mô hình không chắc chắn, hoặc có sự thay đổi các tham số của mô hình, hoặc các yêu cầu điều khiển thay đổi thì các tham số của bộ điều khiển phải đƣợc xác định lại từ đầu. Đây là những nhƣợc điểm cần cải tiến của bộ điều khiển PID. Ý tƣởng về thuật toán điều khiển học lặp (ILC) lần đầu tiên đƣợc giới thiệu vào giữa những năm 80 thế kỷ trƣớc, nó sử dụng tín hiệu điều khiển lặp và tín hiệu sai lệch trƣớc đó và nhằm tạo tín hiệu điều khiển tốt hơn cho lần lặp tiếp theo và nó duy trì cho sai lệch của lần lặp tiếp theo càng thấp càng tốt trong toàn bộ thời gian làm việc. Có thể chỉ ra rằng nếu một số điều kiện nhất định đƣợc đáp ứng, sau vài lần lặp, sai lệch theo dõi trong mọi thời điểm sẽ có xu hƣớng bằng không. Đây là một sự khác biệt cơ bản giữa thuật toán này và các bộ điều khiển thông thƣờng nhƣ bộ điều khiển PID. C C R L T. DU Tuy nhiên, trong ILC, nếu chúng ta có một mô hình chính xác của đối tƣợng, chúng ta có thể thiết kế thuật toán sao cho sai số sẽ bằng 0 ngay từ đầu. Các ƣu điểm của hệ thống ILC nhƣ: Kiểm soát học lặp là một phƣơng pháp bằng cách sử dụng các dữ liệu trƣớc đó, tín hiệu sai lệch để tạo ra tín hiệu điều khiển sau tốt hơn, tăng chất lƣợng, độ mạnh của thuật toán điều khiển, sai lệch điều khiển giảm (trong thực tế số lần lặp không quá lớn 3-10 lần). Khi lƣới điện bị thay đổi điện áp cần phải điều chỉnh điện áp nhanh và chính xác vì vậy đáp ứng nhanh và chính xác của hệ thống tự động điều chỉnh điện áp (AVR) trong nhà máy điện góp phần rất lớn vào việc ổn định điện áp đảm bảo tiêu chuẩn của hệ thống. Ngoài ra, thuật toán học lặp là thuật toán điều khiển thông minh, có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tế ở nhiều chuyên ngành khác nhau, đáp ứng đƣợc nhu cầu phát triển về công nghệ cho đời sống. Từ các yếu tố trên tôi thấy cần thiết phải nghiên cứu đƣa ra giải pháp nâng cao chất lƣợng điều khiển của hệ thống AVR bằng phƣơng pháp điều khiển học lặp. II. Mục tiêu của đề tài: - Sử dụng mô hình toán học của hệ thống tự động điều chỉnh điện áp AVR để xây dựng bộ điều khiển cho máy phát đồng bộ; 2 - Đề xuất đƣợc thuật toán điều khiển là thuật toán điều khiển học lặp để đƣợc tín hiệu đầu ra bám theo công suất, điện áp đúng yêu cầu với chất lƣợng điều khiển; - Thể hiện kết quả trên phần mềm Matlab. III Các nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu đối tƣợng hệ thống kích thích máy phát điện đồng bộ; - Nghiên cứu mô hình các hàm truyền, mô phỏng hệ thống AVR; - Tìm hiểu phƣơng pháp điều khiển sử dụng thuật toán học lặp; - Ứng dụng thuật toán học lặp kiểu để điều khiển đối tƣợng AVR; - Thể hiện kết quả trên Matlab. IV Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống máy phát đồng bộ và hệ thống kích thích; - Tìm hiểu về lý thuyết điều khiển học lặp theo phƣơng pháp tối ƣu; - Tìm hiểu về phƣơng pháp điều khiển PID; - Sử dụng công cụ Matlab để hiển thị kết quả , đánh giá và rút ra kết luận. C C DU R L T. 3 CHƢƠNG 1- TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN 1.1 Tổng quan về hệ thống kích từ Chức năng của hệ thống kích từ (HTKT) là cung cấp dòng điện một chiều cho cuộn dây tạo từ trƣờng của máy điện đồng bộ. HTKT đƣợc bảo vệ và điều khiển nhằm đáp ứng công suất kháng cho hệ thống thông qua sự điều khiển điện áp bằng cách điều khiển dòng kích từ. Chức năng điều khiển bao gồm việc điều chỉnh điện áp, phân bổ công suất và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Chức năng bảo vệ là đảm bảo đƣợc khả năng của máy điện đồng bộ, HTKT và các thiết bị khác không đƣợc vƣợt quá giới hạn. Các yêu cầu cơ bản là HTKT cung cấp và điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát đồng bộ để duy trì điện áp ở đầu ra cũng nhƣ giữ cho điện áp ở đầu ra biến thiên trong phạm vi “cho phép liên tục” của máy phát. Các yêu cầu này có thể hình dung từ đƣờng cong điện áp của máy phát đƣợc trình bày ở hình 1.1[3,8]. C C R L T. DU Hình 1. 1: Đường cong điện áp V và đường cong kết hợp cho máy phát tại điện áp phần ứng định mức. Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên của nhiệt độ, hƣ hỏng thiết bị, quá tải định mức khẩn cấp… cần đƣợc quản lý công suất định mức trong trạng thái xác lập. Thông thƣờng định mức bộ kích từ biến thiên 2 2,5kW/MVA của định mức máy phát. Ngoài ra, HTKT phải có khả năng đáp ứng quá độ bất ổn định với từ trƣờng cƣỡng bức phù hợp với máy phát một cách tức thời và ngắn hạn. Khả năng máy phát ở 4 đây xem nhƣ đƣợc giới hạn bởi các yếu tố: hƣ hỏng cách điện roto ở điện áp kích từ cao, nóng roto ở dòng điện kích từ lớn, nóng stator do dòng tải của phần ứng lớn, lõi bị nóng trong suốt thời gian vận hành ở trạng thái thiếu kích từ và sinh nhiệt do mật độ từ trƣờng cao(V/hz). Giới hạn nhiệt có đặc tính độc lập với thời gian, khả năng quá tải ngắn hạn của máy phát có thể mở rộng từ 15 60 giây. Để đảm bảo sự sử dụng tốt nhất của HTKT, cần biết đầy đủ các khả năng đáp ứng của máy phát ngắn hạn miễn không vƣợt quá giới hạn cho phép. HTKT sẽ giúp cho việc điều khiển điện áp có hiệu quả và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Nó sẽ có khả năng đáp ứng của độ bất ổn định một cách nhanh chống để nâng cao quá độ ổn định và điều chỉnh từ trƣờng của máy phát để nâng cao độ ổn định tĩnh. Về phƣơng diện lịch sử, vai trò và công nghệ HTKT ngày càng đƣợc nâng cao, phát triển liên tục. Và sự phát triển sau cùng là ứng dụng kỹ thuật số trong quá trình C C điều khiển. Thyristor đƣợc dùng cho các mạch công suất. Chức năng bảo vệ, điều khiển, lý luận thực hiện bằng các tín hiệu số. Kỹ thuật này đƣợc ứng dụng nhiều ngày nay vì rẻ tiền, tin cậy và tính linh động cao và dễ dàng thực hiện các công nghệ điều khiển phức tạp và giao tiếp với các chức năng điều khiển, bảo vệ của máy phát. R L T. DU Sơ đồ khối chức năng tiêu biểu của hệ thống điều khiển kích từ cho máy phát đồng bộ lớn cho ở ( hình 1.2) [3]. Hệ thống này có các bộ phận chính nhƣ sau: - Bộ kích từ: Cung cấp dòng một chiều cho cuộn dây tạo từ trƣờng của máy điện đồng bộ, tạo nên công suất của hệ thống. - Bộ điều chỉnh điện áp : ( AVR) Xử lý và khuyếch đại tín hiệu điều khiển đầu vào là điện áp đầu cực máy phát để tạo ra cách thức thích hợp nhằm điều khiển bộ kích từ. Nó bao gồm cả việc điều chỉnh và chức năng ổn định hệ thống kích từ (Mạng hồi tiếp hoặc bộ bù sớm –Trễ pha ). - Bộ cảm biến điện áp ra và bù tải: Cảm nhận điện áp ra đầu cực máy phát, Chỉnh lƣu và lọc nó thành điện một chiều, so sánh nó với một trị số tham chiếu (trị số đặt) là điện áp đầu ra máy phát mong muốn. Ngoài ra bộ phận bù tải có thể đƣợc cung cấp (do sụt áp trên đƣờng dây hoặc do công suất phản kháng) nếu muốn giữ điện áp không đổi tại các điểm xa đầu cực máy phát ( VD: qua máy biến áp tăng). Bộ này còn đƣợc gọi là bộ tạo đặc tuyến điều chỉnh. - Bộ ổn định hệ thống công suất: 5 Cung cấp thêm một tín hiệu ngõ vào để hạn chế dao động công suất của hệ thống. Những tín hiệu ở ngõ vào thƣờng dùng là độ lệch tốc độ rôto, sự tăng công suất và độ lệch tần số. - Bộ hạn chế và bảo vệ: Phần này bao gồm một hệ thống điều khiển và bảo vệ rộng nhằm đảm bảo khả năng của bộ kích từ và máy phát đồng bộ không vƣợt quá giới hạn. Thƣờng sử dụng bộ hạn dòng kích từ, bộ hạn chế kích từ cực đại, bộ hạn áp đầu cực, bộ điều chỉnh và bảo vệ V/Hz và bộ hạn chế thiếu kích từ. Những mạch này thƣờng riêng biệt, các tín hiệu ở ngõ ra của chúng có thể đƣa vào hệ thống kích từ bằng một ngõ nhập tổng hay là một cổng nhập. C C R L T. DU Hình 1. 2: Sơ đồ khối hệ thống kích từ máy phát 1.2 Các loại hệ thống kích từ Qua nhiều năm phát triển hệ thống kích từ có nhiều dạng, chúng có thể đƣợc chia thành ba loại cơ bản dựa trên nguồn năng lƣợng mà bộ kích từ sử dụng; - Hệ thống kích từ một chiều - Hệ thống kích từ xoay chiều - Hệ thống kích từ tĩnh 1.2.1. Hệ thống kích từ một chiều: Hệ thống kích từ loại này sử dụng máy phát một chiều nhƣ nguồn năng lƣợng kích từ và cung cấp dòng điện cho rotor của máy điện đồng bộ thông qua các vòng trƣợt. Máy kích từ một chiều có thể đƣợc kéo nhờ một động cơ hoặc gắn vào trục của máy phát. Nó có thể tự kích hoặc là kích từ độc lập. Khi kích từ độc lập, từ trƣờng của bộ kích từ đƣợc cấp bởi bộ kích từ nhỏ nhƣ là máy phát nam châm vĩnh cửu. Hệ thống kích từ một chiều là hệ thống ra đời sớm nhất, khoảng từ năm 1920÷1960.Vào giữa những năm 1960 chúng không còn đƣợc lƣu tâm nữa mà đƣợc thay thế bằng các máy kích từ xoay chiều. Hệ thống kích từ một chiều dần dần biến mất, một số hệ thống cũ hơn đƣợc thay thế bằng một hệ thống kích từ xoay chiều hoặc hệ thống kích từ tĩnh. Trong vài trƣờng 6 hợp các bộ điều chỉnh điện áp độc lập đƣợc thay thế bằng các bộ điều chỉnh điện tử bán dẫn hiện đại, vài hệ thống kích từ một chiều vẫn còn hoạt động do chúng vẫn còn yêu cầu làm mô hình trong nghiên cứu tính ổn định. Hình 1.3 [3,6,8] biểu diễn sơ đồ đơn giản của hệ thống kích từ một chiều với bộ khuếch đại quay. Nó bao gồm một máy điện một chiều (DC) để cung cấp dòng một chiều cho cuộn kích từ máy phát chính thông qua các vòng trƣợt. Từ trƣờng máy kích từ DC đƣợc điều khiển bằng bộ khuếch đại điện cơ. Bộ khuếch đại điện cơ là một loại đặc biệt của bộ khuếch đại quay. Nó là một máy điện một chiều chế tạo đặc biệt có hai bộ chổi than đặt lệch nhau góc 90o về điện, một bộ trên trục d, một bộ trên trục q. C C R L T. DU Hình 1. 3: Hệ thống kích từ một chiều với hệ thống khuếch đại quay. Việc điều khiển từ trƣờng cuộn dây đƣợc định vị trên trục d. Một cuộn bù mắc nối tiếp với phụ tải trên trục d sinh ra từ trƣờng bằng và ngƣợc chiều với dòng điện phần ứng trên trục d do đó loại bỏ đƣợc phản hồi âm do sự phản ứng lại của dòng điện phần ứng. Bộ chổi than trên trục q bị ngắn mạch, công suất điều khiển từ trƣờng rất nhỏ đƣợc yêu cầu để tạo ra dòng điện lớn ở phần ứng trên trục q. Dòng điện trên trục q tạo ra theo nguyên tắc từ trƣờng, năng lƣợng đƣợc yêu cầu để duy trì dòng điện trên trục q đƣợc cung cấp từ động cơ kéo bộ khuếch đại điện cơ. Kết quả là tạo một thiết bị khuếch đại công suất từ 10.000÷100.000 lần và hằng số thời gian nằm trong khoảng (0,02÷0,25) giây. 1.2.2. Hệ thống kích từ xoay chiều: Hệ thống kích từ này sử dụng máy phát xoay chiều nhƣ là nguồn năng lƣợng kích từ của máy phát chính. Thƣờng máy kích từ có cùng trục với trục Turbine, máy phát. Điện áp xoay chiều ở ngõ ra của bộ kích từ đƣợc chỉnh lƣu có điều khiển (SCR) hoặc không có điều khiển (diode) để tạo ra dòng một chiều cần cho từ trƣờng của máy phát. Bộ chỉnh lƣu có thể là tĩnh hoặc là quay. 7 a. Hệ thống chỉnh lưu tĩnh: Với hệ thống chỉnh lƣu tĩnh, ngõ ra một chiều cấp cho từ trƣờng cuộn dây của máy phát chính thông qua các vòng trƣợt. Khi chỉnh lƣu không có điều khiển đƣợc sử dụng, bộ điều chỉnh sẽ điều khiển từ trƣờng của bộ kích từ xoay chiều, nhƣ thế nó sẽ điều khiển tiếp điện áp ngõ ra của bộ kích từ. Sơ đồ đơn tuyến đơn giản của hệ thống kích từ chỉnh lƣu máy phát xoay chiều có điều khiển từ trƣờng đƣợc trình bày nhƣ hình 1.4 [3,6,8]. Bộ kích từ máy phát xoay chiều đƣợc kéo nhờ rotor của máy phát chính. Bộ kích từ này là tự kích với năng lƣợng từ trƣờng đƣợc cung cấp từ bộ chỉnh lƣu Thyristor. Năng lƣợng của bộ điều chỉnh điện áp đƣợc cấp từ điện áp ngõ ra của bộ kích từ. C C R L T. DU Hình 1. 4: Hệ thống kích từ chỉnh lưu máy phát xoay chiều Khi bộ chỉnh lƣu điều khiển Thyristor đƣợc sử dụng, bộ điều chỉnh điều khiển trực tiếp điện áp một chiều ở ngõ ra của bộ kích từ. Hình 1.5 [3,6,7,8] biểu diễn sơ đồ hệ thống chỉnh lƣu có điều khiển. Bộ chỉnh lƣu điện áp điều khiển việc dẫn của thyristo. Bộ kích từ của máy phát xoay chiều là tự kích và sử dụng điều chỉnh điện áp tĩnh độc lập để duy trì điện áp ở ngõ ra. Vì thyristor điều khiển trực tiếp ngõ xuất của bộ kích từ nên hệ thống này cho đáp ứng nhanh ngay từ đầu (thời gian đáp ứng nhỏ). Ở hình 1.4 và hình 1.5 có hai kiểu điều chỉnh độc lập: 1. Bộ điều chỉnh xoay chiều tự động duy trì điện áp đầu cực máy phát chính bằng với điện áp ra mong muốn 2. Bộ điều chỉnh một chiều duy trì điện áp kích từ máy phát là hằng số, xác định bằng điện áp chuẩn DC. 8 Bộ điều chỉnh một chiều hay bộ điều khiển bằng tay đƣợc sử dụng khi bộ điều khiển xoay chiều bị hƣ hoặc cần ngƣng làm việc. Tín hiệu đƣa vào bộ điều khiển xoay chiều có ngõ bị nhập phụ nhằm cung cấp thêm chức năng điều khiển và bảo vệ. C C Hình 1. 5: Hệ thống kích từ chỉnh lưu có điều khiển được cung cấp bởi máy phát xoay chiều b. Hệ thống chỉnh lưu quay: (Hệ thống chỉnh lưu không chổi than) R L T. DU Với bộ chỉnh lƣu quay, các vòng trƣợt và chổi than đƣợc bỏ, điện áp một chiều ở ngõ ra trực tiếp cấp cho từ trƣờng máy phát chính nhƣ ở hình 1.6 [3,8]. Phần ứng của bộ kích từ xoay chiều và chỉnh lƣu diode quay kích từ máy phát chính. Một bộ kích từ xoay chiều phụ, có một rotor nam châm vĩnh cửu quay với phần ứng của bộ kích từ và Diode chỉnh lƣu. Ngõ ra chỉnh lƣu của Stator bộ kích từ nhỏ cung cấp năng lƣợng từ trƣờng tĩnh của bộ kích từ xoay chiều. Bộ điều chỉnh điện áp điều khiển từ trƣờng của bộ kích từ xoay chiều, điều khiển trở lại của máy phát chính. Một hệ thống nhƣ vậy đƣợc gọi là một hệ thống kích từ không có chổi than. Nó đƣợc phát triển để tránh việc sử dụng các chổi than khi các dòng dòng điện kích từ lớn cho các máy phát rất lớn (VD: Công suất từ trƣờng cấp cho máy phát 600M W là trên 1MW ). Tuy nhiên với chổi than và các vòng trƣợt hiện đại, bảo hành tốt, vấn đề cung cấp dòng kích từ lớn không là quan trọng. Hệ thống kích từ xoay chiều có và không có chổi than đều hoạt động tốt nhƣ nhau. Hiệu suất đáp ứng ban đầu của các kích thích dùng chổi than không cho phép trực tiếp đo lƣờng dòng và áp từ trƣờng của máy phát. Điều khiển bằng tay điện áp của máy phát chính đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi trị số đặt nhập một chiều cho mạch cổng của Thyristor. 9 C C Hình 1. 6: Hệ thống kích từ không chổi than 1.2.3. Hệ thống kích từ tĩnh. Tất cả các phần tử trong hệ thống này đều đứng yên. Các bộ chỉnh lƣu tĩnh, đƣợc điều khiển hoặc không điều khiển, cung cấp dòng kích từ trực tiếp cho từ trƣờng máy R L T. DU phát chính nhờ các vòng trƣợt. Năng lƣợng cấp cho bộ chỉnh lƣu đƣợc lấy từ máy phát chính (hoặc ở các trạm phụ) qua máy biến áp giảm áp xuống cấp thích hợp, đôi khi lấy từ cuộn phụ trong máy phát. Hệ thống kích từ tĩnh thƣờng có ba kiểu sử dụng rộng rãi: a. Hệ thống chỉnh lưu có điều khiển nguồn áp: Trong hệ thống này năng lƣợng kích từ đƣợc cung cấp nhờ một máy biến áp lấy điện từ đầu cực máy phát hoặc các trạm phụ, nó đƣợc điều chỉnh bởi bộ chỉnh lƣu có điều khiển hình 1.7 [3,8]. Hệ thống này vốn có hằng số thời gian rất nhỏ. Điện áp ra cực đại của bộ kích từ phụ thuộc vào điện áp xoay chiều ở ngõ vào.Vì vậy khi hệ thống bị sự cố sẽ làm cho điện áp đầu cực máy phát giảm xuống và dẫn đến điện áp cực đại ở đầu ra bộ kích từ có thể bị giảm theo hạn chế này của hệ thống kích từ, đƣợc bù bằng đáp ứng gần nhƣ tức thời và khả năng thay đổi từ trƣờng cƣỡng bức cao. Ngoài ra nó có thể bảo trì dễ dàng và rẻ tiền. Đối với máy phát nối với hệ thống công suất lớn thì hệ thống kích từ làm việc tốt.