lời Mở đầu
Chúng ta đợc biết rằng: Có thể sử dụng nhiều nguồn năng lợng khác
nhau để phát điện. Trong đó năng lợng truyền thống nh: Than, dầu, khí đốt,
hạt nhân, thuỷ năng đợc coi là các dạng năng lợng cơ bản, còn năng lợng
mặt trời, năng lợng gió, năng lợng thuỷ chiều và năng lợng thuỷ chiều cực
nhỏ là những dạng năng lợng mới. Với các nhà máy nhiệt điện, ngời ta sử
dụng nhiên liệu là than đá, dầu hơi đốt.
Nhà máy thuỷ điện lợi dụng năng lợng dòng chảy (bao gồm cả động
năng và thế năng). Ngời ta còn xây dựng nhà máy điện bằng cách khai thác
năng lợng nguyên tử, năng lợng mặt trời
ở nớc ta có 3 nguồn năng lợng chính đã đợc khai thác là than, dầu
khí, và năng lợng các lòng sông, suối lớn. Còn các nguồn năng lợng khác
nh: Năng lợng hạt nhân, gió, thuỷ chiều, sóng biển, mặt trời đang đợc
nghiên cứu sử dụng.
Trong các nhà máy điện kể trên, thì phổ biến nhất là nhà máy thuỷ
điện và nhiệt điện. Mỗi loại có những u điểm và nhợc điểm riêng.
Nhà máy thuỷ điện gồm hàng loạt các u điểm sau :
- Hiệu suất nhà máy thuỷ điện có thể đạt đợc rất cao so với nhà máy
nhiệt điện.
- Thiết bị đơn giản, dễ tự động hoá và có khả năng điều khiển từ xa.
- ít sự cố và cần ít ngời vận hành.
- Có khả năng làm việc ở phần tải thay đổi.
- Thời gian mở máy và dừng máy ngắn.
- Không làm ô nhiễm môi trờng.
Mặt khác, nếu khai thác thuỷ năng tổng hợp, kết hợp với tới tiêu, giao
thông và phát điện thì giá thành điện sẽ giảm xuống, giải quyết vấn đề triệt
để của thuỷ lợi và môi trờng sinh thái của một vùng rộng lớn quanh đó.
Vốn đầu t xây dừng nhà máy thuỷ điện đòi hỏi lớn hơn so với xây
dựng nhà máy nhiệt điện. Nhng giá thành 1 KWh của thuỷ điện rẻ hơn



lới điện và phân bố công suất của tổ máy sao cho chi phí vận hành là nhỏ
nhất. Do vậy sau khi tìm hiểu về nhà máy thủy điện, đợc sự giúp đỡ tận tình
của thầy giáo TS. Nguyễn Văn Hòa và các thầy cô trong bộ môn Điều
Khiển Tự Động, cùng với sự chỉ bảo dẫn dắt của các cô chú trong nhà máy
thủy điện Hòa Bình, chúng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp:
Nghiên cứu phơng pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin trong nhà
máy thủy điện Hòa Bình .
Bản đồ án này gồm các chơng:
Ch ơng 1 : Tổng quát chung nhà máy thuỷ điện.
Ch ơng 2 : Kết cấu của các thành phần cơ khí trong nhà máy thủy điện Hòa
Bình
Ch ơng 3 : Hệ thống điều khiển tốc độ quay của Tuabin (Bộ điều tốc).
Ch ơng 4 : Mô phỏng quá trình điều khiển tần số của bộ điều tốc bằng
Matlab.
Để hoàn thành tốt đồ án này, trớc hết chúng em xin chân thành cảm
ơn tất cả các thầy cô giáo trong bộ môn Điều Khiển Tự Động Trờng Đại
Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo hành trang kiến thức nhất định và tạo mọi
điều kiện trong học tập và nghiên cứu tại trờng. Đặc biệt chân thành cảm ơn
thầy giáo TS.Nguyễn Văn Hòa đã nhận hớng dẫn và giúp đỡ chúng em
trong suốt quá trình thực hiện nhiệm vụ của đồ án và chúng em cũng xin
chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các cô chú, các kỹ s tại Phân x ởng Tự
động - Nhà máy thủy điện Hòa Bình.
chơng 1: tổng quát chung nhà máy thuỷ điện.
1.1. Tổng quan về năng lợng điện và vai trò của nhà máy thủy
điện.
Năng lợng điện hay còn gọi là điện năng, là dạng năng lợng thứ cấp
đợc tạo ra từ nhiều nguồn năng lợng thứ cấp khác nhau nh nhiệt năng (dầu,
khí đốt, than, năng lợng phóng xạ, năng lợng mặt trời ), thủy năng (sông,
suối, sóng biển, thủy chiều ), năng l ợng gió Đây là loại năng l ợng đóng


Thuỷ điện Thác Bà bị bom đạn tàn phá nặng nề, sau này đã khôi phục
đợc xong cả 3 tổ máy 3x36=108 MW, ở miền Nam có thuỷ điện Đa Nhim,
kiểu kênh dẫn, lợi dụng độ chênh mực nớc giữa hai con sông, công
suất 160 MW.
Hiện nay, trữ năng lý thuyết của thuỷ điện trên cả nớc ớc tính 270-
300 tỷ KWh/năm, với công suất khoảng 32.10
6
KW. Nhng trữ năng thuỷ
điện kỹ thuật (tiềm năng kinh tế) chỉ có khoảng 80 tỷ KWh, Với công suất
lắp máy 17.438 MW. Tiềm năng kinh tế kỹ thuật thuỷ điện nhỏ khoảng 60
tỷ KWh/năm, với công suất lý thuyết 10.000 MW.
Miền bắc nớc ta có 1069 con sông lớn nhỏ, công suất thuỷ năng ớc l-
ợng
6
13, 68.10 KW
với trữ lợng điện hàng năm trên 120 tỷ KWh, khả năng
xây dựng thuỷ điện ở các con sông chính sau :
- Sông Cả khoảng 34 vạn KW
- Sông Đà khoảng 254 vạn KW
- Sông Mã khoảng 25 vạn KW
- Sông Thao khoảng 52 vạn KW
- Sông Thái Bình khoảng 3,2 vạn KW
- Các hệ thống Nông Giang khoảng 3 vạn KW
Theo tính toán nếu xây dựng thuỷ điện đợc 4,8 triệu KW thuỷ điện
thì hàng năm sẽ thu đợc độ
9
20.10 KWh
, tiết kiệm đợc khoảng
6

lực đầu tiên và các bộ điều khiển kích từ. Phần động lực đầu tiên bao gồm
tuabin và hệ thống thủy lực, do vậy các bộ điều khiển động lực đầu tiên
liên quan tới việc điều chỉnh tốc độ và điều khiển các biến số của hệ thống
cung cấp năng lợng. Chức năng của điều khiển kích từ là điều chỉnh điện
áp máy phát và công suất phản kháng. Công suất phát mong muốn của các
tổ máy phát đơn lẻ đợc xác định bởi các quá trình điều khiển phát điện của
hệ thống.
Mục đích đầu tiên của điều khiển phát điện hệ thống là cân bằng
tổng công suất phát của hệ thống với phụ tải hệ thống và các tổn thất, vì vậy
tần số và công suất trao đổi với các hệ xung quanh đợc duy trì.
Điều khiển truyền tải bao gồm các thiết bị điều khiển điện áp và công
suất, nh các bộ bù phản kháng tĩnh, các bộ bù đồng bộ, các cuộn cảm và
điện dung chuyển mạch. Điều khiển các máy biến áp dịch pha và truyền tải
dòng một chiều điện áp cao (HVDC)
Các quá trình điều khiển đã mô tả ở trên góp phần cho sự thỏa mãn
vận hành của hệ thống bằng cách duy trì điện áp và tần số hệ thống và các
biến hệ thống khác trong giới hạn cho phép của chúng.
Các đối tợng điều khiển phụ thuộc vào trạng thái vận hành của hệ
thống. Với các trạng thái bình thờng, đối tợng điều khiển vận hành có hiệu
quả khi tần số và điện áp điều khiển gần với giá trị danh định.
1.3. Sơ đồ tổng quan về nhà máy thủy điện:.
1.3.1. Nguyên lý chung:
Nớc trên sông, suối chảy từ nguồn ra biển, đi từ cao đến thấp mang
theo nó một năng lợng, năng lợng này gọi là thuỷ năng.
Để xác định năng lợng đó ta chia dòng chảy trên sông thành đoạn
ngắn có chiều dài là l, đợc giới hạn bởi các tiết diện I-I và II-II:

Hình 1.2 Sơ đồ xác định năng lợng dòng chảy trên đoạn sông
Theo phơng trình Becnuli ta có năng lợng riêng tại từng mặt cắt:
2

chảy trên đoạn sông có chiều dài l và đợc gọi là cột áp của đoạn sông, ký
hiệu là H.
2 2
- -
1 2 1 1 2 2
-
2
I II
P P a V a V
H E E Z Z
I II
g g
= = + +
Nếu một đoạn sông có cột áp H, lu lợng Q thì năng lợng dòng chảy
trên đoạn sông đó là:
QHdt
t

=

Hay
HW

=
Trong đó: W thể tích nớc đoạn sông.

Công suất nớc của dòng chảy trên đoạn sông là:
N QH

=

Tổ máy
Tuabin
+ Tuabin, cánh hớng
+ Bộ điều tốc
Máy phát
+ Máy phát
+ Hệ thống kích từ.
Hạ lu
1. Kênh xả
2. Các cửa
van hạ lu

Hình 1.4 Sơ đồ bố trí các thiết bị trong nhà máy thủy điện
1. Cửa nhận nớc 3. Bình tạo áp lực
2. Hầm dẫn 4. Nhà van
5. ống áp lực 9. Hệ thống dầu áp lực và bộ
điều tốc
6. Tuabin 10. Hệ thống nớc làm mát
7. Máy phát 11. ống xả
8. Hệ thống kích thích máy phát 12. Cửa hạ lu
Trong thực tế có 3 phơng pháp tập trung năng lợng của dòng nớc t-
ơng ứng với ba sơ đồ nhà máy thủy điện: Nhà máy thủy điện kiểu lòng
sông, nhà máy thuỷ điện đờng dẫn và nhà máy thuỷ điện kiểu tổng hơp.
1.3.2.1. Nhà máy thuỷ điện kiểu lòng sông (hay sau đập).
Để tập trung năng lợng ngời ta dùng đập cột áp H là độ chênh mực n-
ớc trớc và sau đập (tơng ứng thợng lu và hạ lu). Đập có hồ chứa nớc lớn để
điều tiết lu lợng dòng sông.
Nhà máy thờng đặt sau đập đối với cột nớc lớn, hoặc là một bộ phận
của đập đối với cột nớc nhỏ. Các trạm thuỷ điện với phơng pháp tập trung
năng lợng bằng đập gọi là nhà máy kiểu lòng sông hay sau đập. Nó áp dụng

Nhà máy thủy điện Hoà Bình (H = 88m, N = 220MW, 8 tổ máy) và
Trị An (H = 50 m, N = 100MW, 3 tổ máy) là trạm kiểu tổng hợp.

1.4. Tuabin nớc trong nhà máy thủy điện .
Tuabin nớc là một trong các thiết bị quan trọng nhất của nhà máy
thủy điện, nhiệm vụ chính là chuyển đổi thủy năng thành cơ năng làm quay
rôto máy phát và sinh ra điện năng.
1.4.1 Sự ra đời của tuabin thủy lực.
Tuabin nớc là loại máy thuỷ lực đầu tiên loài ngời dùng để sử dụng
nguồn năng lợng thiên nhiên để phục vụ đời sống và sản xuất, trớc tiên là
trong công việc lấy nớc và chế biến lơng thực.
Tuabin nớc đầu tiên là những bánh xe nớc đơn giản sử dụng động
năng của dòng chảy. Cho tới nay lịch sử cha xác định đợc ai là ngời đầu
tiên phát minh ra bánh xe nớc. Ngời ta biết rằng hàng nghìn năm trớc công
nguyên ở Ai Cập, ấn Độ và Trung Quốc đã sử dụng bánh xe nớc dới dạng
thiết bị biến đổi năng lợng. Đến nay ở nớc ta bánh xe nớc vẫn còn đợc sử
dụng trên các suối vùng núi và trung du.
Hình 1.8 Bánh xe nớc
Tại Pháp từ thế kỷ IV đã có máy xay xát chạy bằng năng lợng của n-
ớc. Tuy nhiên mãi đến thế kỷ thứ XVI với sự phát triển của chủ nghĩa t bản
thì việc sử dụng năng lợng nớc mới có những cải tiến lớn. Nhng từ bánh xe
nớc tới tuabin nớc loài ngời phải trải qua tìm kiếm nghiên cứu lâu dài.
Năm 1934 kỹ s ngời Pháp là Fuaray đã chế tạo thành công tuabin nớc
đầu tiên.

Hình 1.9 Tuabin nớc
Sau đó ít năm, năm 1937 ngời thợ mộc Nga- Xaphon cũng chế tạo
tuabin nớc kiểu li tâm. Năm 1838 Hopd (Mỹ) đã cải tạo tuabin li tâm trên
thành tuabin hớng tâm.
Năm 1847-1849 một kỹ s mỹ là Dran Franxic đã cải tiến tuabin

H Z Z
g



= + +
Thế năng Động năng
Vậy năng lợng riêng gồm hai phần : động năng và thế năng.
Tùy thuộc vào dạng năng lợng này mà chia tuabin nớc thành hai hệ
khác nhau: tuabin xung lực và tuabin phản lực.
Trong tuabin xung lực, chỉ có phần động năng của dòng chảy tác
dụng lên bánh xe công tác còn phần thế năng bằng không. Hệ tuabin này

phát ra công suất nhờ động năng của dòng chất lỏng, còn áp suất ở cửa vào
và cửa ra của tuabin là áp suất khí trời.
Tuabin phản lực là loại tuabin làm việc nhờ cả hai phần thế năng và
động năng, mà chủ yếu là thế năng của dòng chảy. Trong hệ tuabin này, áp
suất ở cửa vào luôn lớn hơn ở cửa ra. Dòng chảy qua tuabin là dòng liên tục
điền đầy toàn bộ máng dẫn cánh. Trong vùng bánh xe công tác tuabin, dòng
chảy biến đổi cả động năng và thế năng. Trong đó vận tốc dòng chảy qua
tuabin tăng dần, áp suất giảm dần. Máng dẫn của cánh hình côn nên gây ra
độ chênh áp mặt cánh, từ đó tạo ra momen quay.
Tuabin phản lực và xung lực có tính năng và phạm vi sử dụng khác
nhau. Tuabin phản lực dùng cho trạm có cột nớc thấp, lu lợng lớn còn
tuabin xung lực dùng cho trạm có cột nớc cao, lu lợng nhỏ.
1.4.2.1 Tuabin phản lực:
Tuabin phản lực là hệ tuabin đợc sử dụng rộng rãi nhất, bao gồm
phạm vi cột nớc từ 1,5m đến 600m.
Tùy thuộc vào hớng dòng chảy của dòng nớc đi qua cánh bánh xe
công tác mà chia tuabin phản lực thành nhiều loại: tuabin hớng trục, tuabin

Cùn dùng tuabin tâm trục cỡ nhỏ.

Hình 1.12 Tuabin tâm trục
c. Tuabin hớng chéo:
Tuabin hớng chéo kết hợp u điểm của cả hai loại tuabin tâm trục và
hớng trục cánh điều chỉnh
Dòng chảy qua vùng bánh xe công tác của tuabin này có hớng tạo với
trục quay một góc nào đó (thờng 45-60 độ). Bầu cánh là hình nón. Bầu cánh
chứa toàn bộ cơ cấu điều chỉnh cánh nh bầu cánh của tuabin hớng trục cánh
điều chỉnh.
Loại tuabin này làm việc trong phạm vi cột nớc H = 30-150m. Nó có thể
điều chỉnh cánh nên phạm vi điều chỉnh công suất có hiệu suất cao tơng đối
rộng so với tuabin tâm trục.
Hình 1.13 Tuabin hớng chéo
1.4.2.2 Tuabin xung lực (xung kích):
a. Tuabin gáo ( còn gọi là tuabin Pelton) hình vẽ 1.5/7 thanh
1.9:
Trong đó : 1- ống dẫn 2- Mũi phun 3- Hớng tia nớc
4- Cánh gáo 5- Trục 6- Vở tuabin
Tuabin gáo là loại tuabin xung lực đợc sử dụng nhiều nhất. Phần dẫn
dòng của nó gồm bánh công tác và vòi phun. Bánh công tác gồm nhiều
cánh hình gáo đợc gắn chặt lên bánh công tác.
Bánh công tác gắn liền trên trục tuabin, trục này nối với trục máy phát.
Thông thờng tuabin gáo đặt ngang, chỉ có một số tuabin cỡ lớn có tổ máy
đặt đứng.

Vòi phun gồm có ống hình côn nối với ống dẫn, trong ống hình côn có
kim điều chỉnh lu lợng ra của vòi phun. ở đây dòng chảy theo ống dẫn vào
vòi phun, từ đó dòng chảy ra khỏi vòi phun với vận tốc đủ lớn tác dụng vào
các cánh gáo và tạo thành momen quay.

biến đổi năng lợng có hiệu quả tốt.
Các bộ phận phụ của phần dẫn dòng gồm có: các van điều chỉnh lu l-
ợng dòng chảy, van đóng nhanh khi có sự cố, lới chắn rác
Nếu tuabin làm việc đồng bộ với máy phát điện thì một bộ phận quan
trọng giúp cho sự đồng bộ này là máy điều tốc.
Trong các trạm thuỷ điện còn có các thiết bị phụ trợ khác nh: các tổ
máy bơm, các tổ máy nén khí, thiết bị nâng hạ, hệ thống điệnở đây ta chỉ
xét bộ phận chính của phần dẫn dòng tuabin.
chơng 2 : Tổng quát chung nhà máy thuỷ điện Hoà
bình
2.1.Đờng năng lợng của nhà máy thuỷ điện Hoà Bình: Thủy năng -
Cơ năng - Điện năng:
Nhà máy thủy điện Hoà Bình đợc thiết kế theo phơng pháp nhà máy
thủy điện kiểu tổng hợp. Năng lợng nớc đợc tập trung là nhờ đập và cả đờng
dẫn.
Cột áp của trạm gồm 2 phần: một phần do đập tạo nên, phần còn lại
do đờng dẫn tạo nên. Kiểu thiết kế này áp dụng cho các đoạn sông mà ở
trên sông có độ dốc nhỏ thì xây đập ngăn nớc và hồ chứa, còn ở phía dới có
độ dốc lớn thì xây đờng dẫn.
Nớc đợc tập trung trên hồ chứa nhờ đập sau đó đợc chảy qua các đ-
ờng dẫn tới tuabin. Nhà máy thuỷ điện Hoà Bình có 8 tổ máy tơng ứng với
8 đờng dẫn và 8 tuabin. Nớc chảy tới tuabin qua đờng dẫn rồi tới buồng
xoắn.
Buồng xoắn sẽ thay đổi dòng chảy từ hớng tâm sang hớng trục qua
cánh hớng nớc tới bánh xe công tác. Nớc chảy làm bánh xe công tác quay
và kéo theo rôto của máy phát điện quay. Rô to quay làm bộ phận máy phát
hoạt động và phát ra điện. Tuyến năng lợng của nhà máy đợc thể hiện rất rõ