Nghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbinemáy phát thủy điện

Nghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbinemáy phát thủy điệnNghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbinemáy phát thủy điệnNghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbinemáy phát thủy điệnNghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbinemáy phát thủy điệnNghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbinemáy phát thủy điệnNghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbinemáy phát thủy điệnNghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbinemáy phát thủy điệnNghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbinemáy phát thủy điệnNghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbinemáy phát thủy điệnNghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbinemáy phát thủy điệnNghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbinemáy phát thủy điệnNghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbinemáy phát thủy điện

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ĐỒ THỊ 5

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 12

1.1 Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc turbine thủy lực 12

1.1.1 Bộ điều tốc có đặc tính điều chỉnh không đổi 13

1.1.2 Bộ điều tốc với đặc tính điều chỉnh có độ dốc 13

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 14

1.2.1 Các nghiên cứu trong nước 15

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 15

1.3 Nội dung nghiên cứu 18

1.4 Phương pháp nghiên cứu 18

1.5 Cấu trúc của luận án 19

1.6 Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG 20

2.1 Giới thiệu 20

2.2 Mô hình hệ thống thủy lực-turbine 20

2.2.1 Turbine thủy lực 20

2.2.2 Mô hình tuyến tính hóa 24

2.2.3 Mô hình phi tuyến có xét đến tổn thất của cột nước 29

2.3 Mô hình động học của máy phát và hệ thống điện 33

2.3.1 Mô hình động học của máy phát làm việc với tải độc lập 33

2.3.2 Mô hình động học của máy phát làm việc có nối lưới 36

2.4 Kết luận chương 2 37

CHƯƠNG 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 38

3.1 Bộ điều khiển PID 38

3.1.1 Các thành phần của bộ điều khiển PID 38

3.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển PID ở chế độ làm việc với tải độc lập 39

3.2 Mô phỏng và kết quả 46

3.2.1 Thông số mô phỏng 46

3.2.2 Mô phỏng trường hợp máy phát làm việc với tải độc lập (mạch vòng điều khiển tốc độ (tần số)) 47

3.2.3 Mô phỏng trường hợp máy phát làm việc có nối lưới (mạch vòng điều khiển công suất) 52

3.3 Giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống 57

3.3.1 Mục tiêu giải pháp 57

3.3.2 Cơ sở lý thuyết 57

3.3.3 Mạng nơron thích nghi dựa trên hệ thống suy luận mờ (ANFIS) 63

3.3.4 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho bộ điều tốc turbine thủy lực 67

3.3.5 Nhận dạng mô hình turbine thủy lực 67

3.3.6 Bài toán điều khiển 72

3.3.7 Mô phỏng và kết quả khi sử dụng bộ điều khiển PID nơron (NNC) 74

3.4 Kết luận chương 3 89

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THỬ NGHIỆM 90

4.1 Thiết lập mô hình hệ thống hardware-in-the-loop (HIL) 90

4.1.1 Mô hình mô phỏng HIL 90

4.1.2 Xây dựng mô hình hệ thống mô phỏng HIL 90

4.1.3 Các đặc trưng của Realtime Windows Target 91

4.2 Sử dụng card NI PCI MIO 16E-1 trao đổi dữ liệu với thiết bị ngoài 92

4.3 Thiết kế bộ điều tốc điện-thủy lực 93

4.3.1 Hệ thống mạch lực điều khiển servo motor 93

4.3.2 Bộ vi xử lý 96

4.3.3 Nguyên lý làm việc 98

4.3.4 Mô phỏng hệ thống servo motor trên hệ điều hành thời gian thực 100

4.3.5 Kết quả thực nghiệm 100

4.4 Kết luận chương 4 110

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 111

5.1 Kết quả 111

5.2 Bàn luận 111

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 117

PHỤ LỤC 118

Phụ lục 1 Biểu thức tính các thông số đầu ra của ANFIS 118

Phụ lục 2 Chương trình nhận dạng và điều khiển trong Matlab 121

Phụ lục 3 Chương trình điều khiển mạch vòng vị trí cánh hướng 124

DANH M Ụ C CÁC KÝ HI Ệ U VÀ CH Ữ VI Ế T T Ắ T

Thông

số

Giải thích

A p Tiết diện ngang của đường ống áp lực [m2]

L p Chiều dài đường ống áp lực [m]

T Hằng số thời gian khởi động của nước với tải bất kỳ [s]

T wp Hằng số thời gian khởi động của nước với tải định mức trong đường ống áp

lực [s]

T p Hằng số thời gian của van phụ và secvomoto

T g Hằng số thời gian của van chính

f lp Hệ số giảm cột áp trong [pu] (p1: đường ống áp lực

∆ Sai lệch tốc độ roto [pu]

NNC Neural Network Controller

ANFIS Adaptive Network Fuzzy Inference System

DANH M Ụ C CÁC B Ả NG

Bảng 3.1 Thông số cơ bản của nhà máy thủy điện RyNinh [3] 46 Bảng 3.2 Thông số chất lượng điều khiển mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID 52 Bảng 3.3 Thông số chất lượng điều khiển của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều khiển PI 57 Bảng 3.4 Tóm tắt hai quá trình trong phương pháp học hybrid cho ANFIS 63 Bảng 3.5 So sánh ANFIS với các mô hình GMDH và Fuzzy trong mô hình hóa hàm phi tuyến [21] 66 Bảng 3.6 So sánh mô hình ANFIS với mô hình NN trong nhận dạng trực tiếp đối tượng [21] 66 Bảng 3.7 Thông số chất lượng của bộ điều khiển PID và NNC trong mạch vòng tốc độ 81 Bảng 3.8 Thông số chất lượng điều khiển của bộ PI và bộ NNC trong chế độ nối lưới 87 Bảng 4.1 Thông số chất lượng điều khiển thực nghiệm của bộ điều khiển PID và NNC trong chế độ máy phát làm việc với tải độc lập (PL =0,8(pu)) 105 Bảng 4.2 Thông số chất lượng điều khiển thực nghiệm của bộ điều khiển PI và NNC trong chế độ máy phát nối lưới (PL =0,8(pu)) 110

DANH M Ụ C CÁC HÌNH Ả NH ĐỒ TH Ị

Hình 1.1 Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc turbine thủy lực 12

Hình 1.2 Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc có độ dốc cố định 13

Hình 1.3 Đặc tính điều chỉnh hai tổ máy làm việc song song 14

Hình 2.1 Sơ đồ các khối chức năng trong nhà máy thủy điện 20

Hình 2.2 Turbine thủy lực Kaplan 21

Hình 2.3 Đường đặc tính công tác của turbine thủy lực 22

Hình 2.4 Đặc tính vòng quay của turbine thủy lực 23

Hình 2.5 Đặc tính cột nước của turbine thủy lực 23

Hình 2.6 Đặc tính tải của turbine Francis 24

Hình 2.7 Đặc tính tải của turbine Pump 24

Hình 2.8 Mô hình đơn giản của nhà máy thủy điện 25

Hình 2.9 Đáp ứng của turbine (TB) thủy lực tuyến tính khi đóng mở cánh hướng đột ngột .28

Hình 2.10 Đáp ứng công suất của TB thủy lực tuyến tính khi đóng mở cánh hướng không đột ngột 29

Hình 2.11 Đáp ứng công suất của TB thủy lực tuyến tính khi thông số Tw thay đổi 29

Hình 2.12 Quan hệ giữa độ mở lý tưởng (α) và độ mở thực (α)[32] 31

Hình 2.13 Mô hình hệ thống turbine thủy lực phi tuyến có tính tổn thất của cột nước [32] .32

Hình 2.14 Đáp ứng công suất của turbine thủy lực phi tuyến khi đóng mở cánh hướng 32

Hình 2.15 Sơ đồ mô hình hóa máy phát điện làm việc với tải độc lập [27] 33

Hình 2.16 Mô hình động học của máy phát điện làm việc với tải độc lập 35

Hình 2.17 Sơ đồ máy phát nối với hệ thống điện 36

Hình 2.18 Mô hình động học của máy phát điện làm việc ở chế độ nối lưới 37

Hình 3.1 Sơ đồ mạch vòng điều khiển tốc độ máy phát [3] 39

Hình 3.2 Sơ đồ mạch vòng điều khiển vị trí cánh hướng [3] 40

Hình 3.3 Cấu trúc mạch vòng tốc độ với turbine tuyến tính 42

Hình 3.4 Mạch vòng điều khiển công suất [3] 44

Hình 3.5 Sơ đồ mạch vòng điều khiển máy phát làm việc với tải độc lập 48

Hình 3.6 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ với mô hình turbine tuyến tính khi sử dụng bộ điều khiển PID tại điểm làm việc (V0,α0,H0) 49

Hình 3.7 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ với mô hình turbine phi tuyến khi sử dụng PID tại điểm làm việc (V0,α0,H0) 49

Hình 3.8 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID trong T/H 1 50

Hình 3.9 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID trong T/H 2 51

Hình 3.10 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID trong T/H 3 51

Hình 3.11 Sơ đồ thay thế tương đương máy phát điện nối với hệ thống 52

Hình 3.12 Sơ đồ mạch vòng điều khiển máy phát khi nối lưới 53

Hình 3.13 Đáp ứng của mạch vòng công suất với mô hình turbine tuyến tính khi sử dụng bộ điều khiển PI trong trường hợp chiều cao cột áp định mức 54

Hình 3.14 Đáp ứng của mạch vòng công suất với mô hình turbine phi tuyến khi sử dụng bộ điều khiển PI trong trường hợp chiều cao cột áp định mức 54

Hình 3.15 Đáp ứng của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều khiển PI trong T/H1 55

Hình 3.16 Đáp ứng của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều khiển PI trong T/H2 56

Hình 3.17 Đáp ứng của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều khiển PI trong T/H3 56 Hình 3.18 Cấu trúc tổng quát của một nơron 58

Hình 3.19 Cấu trúc mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp 58

Hình 3.20 Mô hình hệ thống suy luận mờ của Tagaki, Sugeno biểu diễn R1, R2 [21] 64

Hình 3.21 Cấu trúc ANFIS tương ứng với mô hình mờ Tagaki, Sugeno biểu diễn R1, R2 64

Hình 3.22 Cấu trúc mạch vòng điều khiển khi sử dụng bộ điều khiển NNC 67

Hình 3.23 Sơ đồ tổng quát mô hình nhận dạng [2] 68

Hình 3.24 Cấu trúc bộ nhận dạng ANFIS 4-4-4-4-1 68

Hình 3.25 Cấu trúc bộ điều khiển PID nơron (NNC) 72

Hình 3.26 Đầu ra của đối tượng và đầu ra của mô hình ANFIS nhận dạng 74

Hình 3.27 Sai lệch giữa đầu ra của đối tượng và đầu ra của ANFIS trong quá trình nhận dạng 75

Hình 3.28 Thay đổi giá trị tâm hàm liên thuộc của ANFIS trong quá trình nhận dạng 75

Hình 3.29 Thay đổi giá trị độ rộng hàm liên thuộc của ANFIS trong quá trình nhận dạng76 Hình 3.30 Thay đổi giá trị các thông số đầu ra của ANFIS trong quá trình nhận dạng 76

Hình 3.31 Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ máy phát khi sử dụng bộ điều khiển NNC 77

Hình 3.32 Sơ đồ mô phỏng mạch vòng điều khiển tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển NNC .77

Hình 3.33 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong T/H1 78

Hình 3.34 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI, KD của bộ điều khiển NNC trong T/H1.78 Hình 3.35 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng NNC trong T/H2 79

Hình 3.36 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI, KD của bộ điều khiển NNC trong T/H2.79 Hình 3.37 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong T/H3 80

Hình 3.38 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI, KD của bộ điều khiển NNC trong T/H3.80 Hình 3.39 So sánh đáp ứng tốc độ của hệ thống làm việc trong T/H1 khi sử dụng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển NNC 81

Hình 3.40 So sánh đáp ứng tốc độ của hệ thống làm việc trong T/H 2 khi sử dụng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển NNC 82

Hình 3.41 So sánh đáp ứng tốc độ của hệ thống làm việc trong T/H 3 khi sử dụng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển NNC 82

Hình 3.42 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều khiển NNC

83

Hình 3.43 Sơ đồ mô phỏng mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều khiển NNC 83

Hình 3.44 Đáp ứng của mạch vòng công suất với khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong T/H1 84

Hình 3.45 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI của bộ điều khiển NNC trong T/H1 84

Hình 3.46 Đáp ứng của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong T/H2 .85

Hình 3.47 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI của bộ điều khiển NNC trong T/H2 85

Hình 3.48 Đáp ứng của mạch vòng công suất với khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong T/H3 86

Hình 3.49 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI của bộ điều khiển NNC trong T/H3 86

Hình 3.50 So sánh đáp ứng công suất của hệ thống làm việc trong T/H 1 khi sử dụng bộ điều khiển PI và bộ điều khiển NNC 87

Hình 3.51 So sánh đáp ứng công suất của hệ thống làm việc trong T/H 2 khi sử dụng bộ điều khiển PI và bộ điều khiển NNC 88

Hình 3.52 So sánh đáp ứng công suất của hệ thống làm việc trong T/H 3 khi sử dụng bộ điều khiển PI và bộ điều khiển NNC 88

Hình 4.1 Mô hình tổng quan hệ thống mô phỏng HIL 90

Hình 4.2 Sơ đồ khối của Card NI PCI MIO 16E-1 92

Hình 4.3 Sơ đồ các chân của Card NI PCI MIO 16E-1 93

Hình 4.4 Sơ đồ mạch hệ thống dầu thủy lực [3] 94

Hình 4.5 Các thành phần chính của hệ thống dầu thủy lực 94

Hình 4.6 Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển hệ thống bơm dầu thủy lực 95

Hình 4.7 Mạch điều khiển bơm dầu tự động và điều khiển van thủy lực 96

Hình 4.8 Sơ đồ chân tín hiệu của Card Arduino Uno 97

Hình 4.9 Lưu đồ thuật toán điều khiển mạch vòng vị trí cánh hướng 98

Hình 4.10 Bộ điều khiển mạch vòng vị trí cánh hướng 98

Hình 4.11 Servo motor và cảm biến vị trí 99

Hình 4.12 Đáp ứng bước nhảy của bộ điều khiển vị trí trong hệ thời gian thực 100

Hình 4.13 Mô hình mô phỏng thực nghiệm HIL khi sử dụng PID trong trường hợp máy phát làm việc với tải độc lập 101

Hình 4.14 Mô hình mô phỏng thực nghiệm HIL khi sử dụng NNC trong trường hợp máy phát làm việc với tải độc lập 102

Hình 4.15 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID trong T/H1 102

Hình 4.16 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong trường hợp chiều cao cột áp ổn định, công suất tải thay đổi 103

Hình 4.17 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID trong T/H2 103 Hình 4.18 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong T/H2 104 Hình 4.19 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID trong T/H3 104 Hình 4.20 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong T/H3 105 Hình 4.21 Mô hình mô phỏng thực nghiệm HILsử dụng bộ điều khiển PI trong trường hợp máy phát nối lưới 106 Hình 4.22 Mô hình mô phỏng thực nghiệm HILsử dụng bộ điều khiển NNC trong trường hợp máy phát nối lưới 106 Hình 4.23 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều khiển PI trong T/H1 107 Hình 4.24 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong T/H1 107 Hình 4.25 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều khiển PI trong T/H2 108 Hình 4.26 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong T/H2 108 Hình 4.27 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều khiển PI trong T/H3 109 Hình 4.28 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong T/H3 109

M Ở ĐẦ U

1 Lý do chọ n đề tài

Thủy điện là nguồn điện có được từ quá trình biến đổi năng lượng của nước (thủy năng) ở dạng thế năng và động năng thành cơ năng làm quay turbine-máy phát tạo ra điện năng Trong các trạm thủy điện, bộ điều tốc là một trong những thành phần quan trọng, nó

có chức năng chính là điều chỉnh năng lượng đầu vào để giữ cho tốc độ quay của turbine (hay tần số lưới điện) ổn định:

- Trong chế độ tổ máy vận hành độc lập hoặc tham gia điều tần (chế độ Speed), bộ điều tốc có nhiệm vụ: Điều chỉnh công suất phát (có giám sát tần số) cân bằng với công suất tải (hoặc công suất yêu cầu trong phạm vi thay đổi công suất của máy phát) để đưa tần

số (tốc độ quay roto máy phát) về định mức khi có sự thay đổi của biến đầu vào (chiều cao cột áp) và biến đầu ra (công suất tải)

- Trong chế độ tổ máy vận hành bám lưới (Power control), theo lệnh tăng hoặc giảm công suất phát vào lưới, bộ điều tốc có nhiệm vụ điều chỉnh công suất phát để đáp ứng công suất yêu cầu (không giám sát tần số)

Về công suất nhà máy phân chia theo công suất lắp đặt, cách phân loại này phụthuộc từng quốc gia Ở Việt Nam sự phân loại theo tiêu chuẩn TCVN-5090 gồm:

- Nhà máy thuỷ điện lớn: P ≥ 1000MW

- Nhà máy thuỷ điện vừa: 15MW < P < 1000MW

- Nhà máy thuỷ điện nhỏ: P≤ 15MW

Các nhà máy thủy điện lớn và vừa, thường có hồ chứa nước với dung lượng đủ lớn, điều này đảm bảo cho chiều cao cột áp ít có sự thay đổi trong quá trình làm việc của hệ thống Vì vậy, trong các nhà máy thủy điện này, hiện nay đang sử dụng bộ điều tốc với thuật toán điều chỉnh PID vẫn đảm bảo được chất lượng điều khiển theo yêu cầu

Các nhà máy thủy điện nhỏ (đặc biệt ở miền Trung Tây Nguyên), có đặc điểm khác với nhà máy thủy điện trung bình và nhà máy thủy điện lớn là: hồ chứa thường có dung lượng nhỏ hoặc không có hồ chứa (sử dụng thượng lưu làm hồ chứa); thường được xây dựng trên những con sông có độ dốc lòng sông lớn, lòng sông hẹp; lưu lượng nước thay đổi rất nhanh trong mùa mưa bão Với những đặc điểm này sẽ dẫn đến chiều cao cột

áp thay đổi nhanh Trong điều kiện làm việc có chiều cao cột áp không ổn định cộng với nhu cầu điện năng (phụ tải của các máy phát điện) luôn thay đổi trong phạm vi rộng, thì bộ điều tốc với thuật toán điều khiển PID (có các tham số cố định) sẽ rất khó khăn trong việc điều chỉnh giữ cân bằng giữa năng lượng đầu vào và đầu ra của hệ thống, làm cho đáp ứng

có dao động lớn (hoặc có trường hợp mất ổn định)

Xuất phát từ những đặc điểm trên, tôi chọn đối tượng nghiên cứu cho đề tài của mình là nhà máy thủy điện nhỏ, không có hồ chứa nước lớn (hoặc sử dụng thượng lưu làm

hồ chứa) nhằm giải quyết khó khăn mà bộ điều tốc của những nhà máy này đang gặp phải Bài toán nghiên cứu đặt ra là cần thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho bộ bộ điều tốc để

quyết tốt hai vấn đề là nhiễu cột áp đầu vào và nhiễu tải đầu ra, để cải thiện và nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống

Hiện nay, có nhiều phương pháp và sơ đồ điều khiển thích nghi khác nhau, tôi chọn phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp để nghiên cứu và áp dụng cho hệ thống này Trong đó, bộ điều khiển lựa chọn là một nơron tuyến tính có cấu trúc theo nguyên tắc của

bộ điều khiển PID (PI); mô hình của đối tượng (gồm cả nhiễu đầu vào và đầu ra) sẽ được nhận dạng trực tiếp (on-line) bằng mạng ANFIS (Adaptive Network Base Fuzzy Inference System), trên cơ sở đó thông số của bộ điều khiển PID (PI) sẽ được điều chỉnh thích nghi trong quá trình làm việc của hệ thống

Với các lý do trên, tôi đã chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu ứng dụng mạng

mờ nơ-ron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbine-máy phát thủy điện”

2 M ụ c đ ích c ủ a đề tài

Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho bộ điều tốc turbine-máy phát thủy lực, nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cho nhà máy thủy điện có các thông số đầu vào và đầu ra thay đổi trong phạm vi rộng

3 Đố i t ượ ng và ph ạ m vi nghiên c ứ u

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài là: Nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số (chiều cao cột áp, công suất phụ tải điện) đến sự ổn định của hệ thống turbine-máy phát thủy lực Trên cơ sở đó thiết kế bộ điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng điều khiển cho nhà máy thủy điện có công suất nhỏ, làm việc trong các trường hợp chiều cao cột áp

và công suất khác nhau ở hai chế độ máy phát vận hành với tải độc lập (mạch vòng điều khiển tốc độ (tần số)) và máy phát vận hành có hòa lưới (mạch vòng điều khiển công suất)

4 Ý ngh ĩ a khoa h ọ c và th ự c ti ễ n

- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu áp dụng lý thuyết điều khiển thông minh với những công cụ như lý thuyết mờ, mạng nơron, kết hợp giữa lý thuyết mờ và mạng nơron vào việc thiết kế bộ điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng điều khiển cho đối tượng phi tuyến và có các thông số bất định

- Ý nghĩa thực tiễn: Do nhu cầu về điện ngày càng tăng trong xu hướng Công nghiệp hóa ở Việt Nam, và nâng cao khả năng đáp ứng nhanh cùng với đó là giảm chi phí cho việc truyền tải điện năng đến những vùng cách xa các nhà máy điện có công suất lớn, nên trong những năm gần đây, việc phát triển thủy điện, đặc biệt là thủy điện có công suất nhỏ đang bùng nổ với số lượng lớn trên nhiều vùng miền trong cả nước Việc thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa trên các công cụ nói trên để giải quyết được hai vấn đề lớn của

hệ thống thủy điện là nhiễu cột áp đầu vào và nhiễu tải đầu ra, nhằm nâng cao chất lượng cung cấp điện năng từ đó góp phần tăng hiệu suất làm việc của các thiết bị điện là cần thiết trong thực tế

5 Các k ế t qu ả m ớ i đạ t đượ c

Đề tài nghiên cứu có tính kế thừa, tham khảo kết quả của các công trình nghiên cứu của các Nhà Khoa học trong và ngoài nước đã công bố và đạt được các kết quả cụ thể sau:

- Xây dựng mô hình hoàn chỉnh hệ thống thủy lực-turbine trong hệ thủy điện, đây là hệ

có tính phi tuyến cao và về bản chất là hệ pha không cực tiểu (đáp ứng ngược với chiều tác động của tín hiệu điều khiển)

- Xây dựng và tính toán tham số của bộ điều khiển tuyến tính từ mô hình trên, ứng dụng với các chế độ vận hành của hệ turbine-máy phát thủy điện: bao gồm bộ điều khiển PID (cho mạch vòng điều khiển tốc độ) và bộ điều khiển PI (cho mạch vòng điều khiển công suất) nhằm đáp ứng yêu cầu chất lượng điều khiển đặt ra trong hệ thống điều tốc

- Mô phỏng và chỉ ra sự sai lệch của hệ thống khi các tham số đầu vào (chiều cao cột áp) và đầu ra (phụ tải điện) thay đổi trong phạm vi rộng Về bản chất hệ thống PID truyền thống sẽ dao động mạnh và trong một vài trường hợp sẽ gây ra quá điều chỉnh lớn, thậm chí có trường hợp mất ổn định

- Sử dụng ANFIS (Adaptive Neural Base Fuzzy Inference System) nhận dạng trực tiếp

hệ thống kết hợp với một nơron có cấu trúc của bộ điều khiển PID hoặc PI, nhằm tạo ra công cụ mạnh trong việc thiết kế bộ điều khiển thích nghi áp dụng cho các đối tượng phi tuyến có tham số bất định và đặc tính thay đổi Theo đó, các thông số của bộ điều khiển sẽ được cập nhật theo thuật toán huấn luyện trực tuyến mạng nơron nhân tạo

- Xây dựng hoàn chỉnh bộ điều tốc điện-thủy lực, với cấu tạo đơn giản, luôn phát huy được những ưu điểm của phần điện (tác động nhanh, chính xác) và phần thủy lực (có thể tạo ra được lực đóng cắt lớn, bền vững và an toàn trong vận hành)

- Xây dựng mô hình thực nghiệm HIL (Hardware-In-The-Loop), trong đó sử dụng card điều khiển NI PCI MIO 16E-1 làm trung tâm Nhờ phương pháp này, người dùng có thể dễ dàng mô phỏng các mô hình thủy điện khác nhau, đưa ra các kịch bản sai hỏng khác nhau,

và thuận tiện cho việc đánh giá tính ưu việt của bộ điều khiển mới

1 CH ƯƠ NG 1: T Ổ NG QUAN

1.1 Đặ c tính đ i ề u ch ỉ nh c ủ a b ộ đ i ề u t ố c turbine th ủ y l ự c

Đối với lưới điện hiện đại, yêu cầu tần số điện không đổi (50Hz), hay nói chính xác hơn, phạm vi biến đổi rất nhỏ, dưới 1% Vì vậy nó đòi hỏi tốc độ quay của turbine (máy phát) không được thay đổi Song khi phụ tải thay đổi, mô men quay (tương ứng công suất phát của turbine) và mô men cản (tương ứng với công suất phụ tải) sẽ mất cân bằng làm tốc độ quay của turbine thay đổi Muốn tốc độ quay của turbine không đổi phải tạo nên cân bằng mới giữa mô men quay và mô men cản

Để thay đổi công suất trên trục turbine, người ta thường thay đổi lưu lượng qua turbine bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng dòng của turbine phản kích hay thay đổi độ

mở vòi phun của turbine xung kích Việc tăng hay giảm độ mở turbine có thể được thao tác bằng tay khi yêu cầu chính xác tần số không cao, lực đóng mở không lớn Để đảm bảo chất lượng điện (điện áp và tần số) cũng như đảm bảo yêu cầu dừng máy cấp tốc, người ta phải tiến hành thao tác điều chỉnh turbine một cách tự động, tức là bộ phận điều chỉnh lưu lượng qua turbine phải được thao tác bằng động cơ sevor có lực thao tác lớn nhờ áp lực dầu từ các ống dẫn dầu áp lực Hệ thống dầu áp lực này được điều khiển, khống chế từ thiết bị điều tốc Ba bộ phận này hợp lại thành hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ quay của turbine, hay còn gọi là bộ điều tốc

Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc thể hiện mối quan hệ giữa công suất tác dụng (mô men) và tốc độ quay của turbine Giả thiết họ đường đặc tính tĩnh của turbine và họ đặc tính tĩnh của phụ tải được xác định như trên hình 1.1

Hình 1.1 Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc turbine thủy lực

Trong đó: 1, 2, 3, là họ đường đặc tính hở tĩnh của bộ điều tốc (tương ứng với các độ mở cánh hướngα α α1, 2, 3); 1’, 2’, 3’ là họ đường đặc tính tĩnh của phụ tải; K là đường đặc tính điều chỉnh hệ kín của bộ điều tốc turbine thủy lực

Quá trình điều chỉnh như sau: Khi công suất phụ tải trong hệ thống điện thay đổi, đặc tính tĩnh của phụ tải sẽ dịch chuyển Nếu công suất phụ tải tăng, đặc tính sẽ dịch chuyển đến

đường 2 và sẽ cắt 1 tại 02 (Pm2,ω2) Nếu công suất phụ tải giảm, đặc tính tải sẽ chuyển đến đường 3’

<∆ω = ω3 – ω2 Tập hợp các điểm 05, 01, 04 tạo thành đặc tính điều chỉnh (K) của turbine Điều chỉnh tần số (hay số vòng quay) của turbine được thực hiện bằng cách thay đổi năng lượng vào turbine, nó liên quan trực tiếp tới tiêu hao năng lượng, hiệu suất từng tổ máy và liên quan chặt chẽ với điều chỉnh và phân phối công suất tác dụng giữa các tổ máy phát và giữa các nhà máy điện Có thể chia thành hai bộ điều tốc điển hình là bộ điều tốc có đặc tính điều chỉnh không đổi và bộ điều tốc với đặc tính điều chỉnh có độ dốc

1.1.1 B ộ đ i ề u t ố c có đặ c tính đ i ề u ch ỉ nh không đổ i

Bộ điều tốc có đặc tính điều chỉnh không đổi có đặc điểm là luôn giữ được tần số (số vòng quay của turbine) cố định với mọi mức công suất trong giới hạn cho phép của máy phát và chỉ dùng trong trường hợp một tổ máy làm việc với tải độc lập hoặc tổ máy làm nhiệm vụ điều tần Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc loại này được minh họa như hình vẽ 1.2a

a) Đặc tính điều chỉnh không đổi b) Đặc tính điều chỉnh có độ dốc

Hình 1.2 Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc có độ dốc cố định

1.1.2 B ộ đ i ề u t ố c v ớ i đặ c tính đ i ề u ch ỉ nh có độ d ố c

Bộ điều tốc với đặc tính điều chỉnh có độ dốc có thể sử dụng khi có từ hai máy phát điện trở lên và có đặc điểm là điều chỉnh tần số có độ lệch xác định Dạng đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc này như hình 1.2b

Trong đó: ωNL: Tốc độ khi không tải; ωFL: Tốc độ khi đầy tải; ω®m: Tốc độ định mức;

∆ω: Biến thiên tốc độ; ∆P : Biến thiên công suất

Tỉ số giữa biến thiên tốc độ và biên thiên công suất được gọi là độ dốc của đặc tính điều chỉnh (β):

Hiện nay, phần lớn các tổ máy trong các trạm thủy điện thường làm việc song song trong một hệ thống lưới điện chung Sự làm việc song song của các tổ máy phải đảm bảo điều kiện về dòng điện, định áp theo quy định, khi thay đổi độ mở cánh hướng sẽ không làm thay đổi số vòng quay của nó mà chỉ phân bố lại công suất giữa các tổ máy Mỗi bộ điều tốc đều có đường đặc tính điều chỉnh với độ dốc cho phép từ 2% đến 6% (trừ tổ máy tham gia điều tần có β =0)

Xét trường hợp hai tổ máy làm việc song song, đặc tính điều chỉnh có độ dốc như nhau, cùng kiểu turbine, khi đó công suất nhận của biểu đồ phụ tải sẽ được chia đều cho hai tổ máy Đặc tính điều chỉnh trong trường hợp này như hình 1.3a

a, Đặc tính điều chỉnh có cùng độ dốc b, Đặc tính điều chỉnh khác độ dốc

Hình 1.3 Đặc tính điều chỉnh hai tổ máy làm việc song song

Nếu hai tổ máy làm việc song song mà độ dốc của đặc tính điều chỉnh khác nhau (β ≠ β1 2) thì phần phụ tải ∆P1 (của tổ máy 1) và ∆P2 (của tổ máy 2) sẽ khác nhau và được xác định theo biểu thức (1.3):

ax

1.2 Tình hình nghiên c ứ u trong và ngoài n ướ c

Công nghệ sản xuất thủy điện đã xuất hiện trên thế giới từ những năm đầu của thế

kỷ 20 Có thể khẳng định rằng hệ thống điều tốc cho turbine-máy phát thủy điện là một trong những hệ thống cổ điển và có sự phát triển không ngừng cả về số lượng và chất

lượng Với chức năng và nhiệm vụ quan trọng, bộ điều tốc turbin-máy phát của nhà máy thủy điện luôn được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu

1.2.1 Các nghiên c ứ u trong n ướ c

Hiện nay, trong nước cũng đã có những công trình nghiên cứu về hệ điều tốc turbine thủy lực, nhưng chưa được công bố đầy đủ Rất nhiều công trình chuyển giao công nghệ và có xu hướng thiên về lắp đặt chỉnh định hệ thống

Nguyễn Hồng Quang [3] đã nghiên cứu thành công bộ điều khiển nhúng áp dụng cho hệ điều tốc turbine - máy phát thủy điện có công suất vừa và nhỏ Theo đó, nhóm thực hiện đề tài đã thiết kế, chế tạo bộ điều khiển PID số đảm bảo hoạt động tin cậy và có độ chính xác cao trong các trường hợp hệ thống có các thông số ổn định hoặc biến động nhỏ

Các tác giả Đoàn Quang Vinh, Đặng Trung Thi [4] đã nghiên cứu bộ điều khiển PID có chỉnh định mờ áp dụng cho hệ thống turbine-máy phát vận hành với tải độc lập Với những ưu điểm của điều khiển mờ, phương pháp điều khiển này đã khắc phục được hạn chế của điều khiển PID kinh điển-đó là khả năng bền vững trước sự thay đổi của các tham số của hệ thống trong quá trình mô hình hóa cũng như trong quá trình vận hành Tuy nhiên, trong nghiên cứu này chỉ nghiên cứu với mô hình là tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc với sự thay đổi nhỏ của phụ tải và chưa xét đến trường hợp có nhiễu đầu vào là chiều cao cột áp

1.2.2 Tình hình nghiên c ứ u ngoài n ướ c

Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về bộ điều khiển cho bộ điều tốc turbine-máy phát thủy điện Các công trình nghiên cứu này đều nhằm mục đích cải thiện và nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống

Thuật toán điều khiển PI, PID truyền thống vẫn đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu cải tiến, phát triển bằng các công cụ khác nhau để tối ưu hóa thông số của các bộ điều khiển này

Các dạng mô hình của turbine thủy lực tuyến tính và phi tuyến không có tháp điều

áp được giới thiệu trong công trình nghiên cứu của Gagan Singh và D.S Chauhan [13] Theo đó, nhóm tác giả đã xác định mô hình tuyến tính hóa cho mỗi thành phần của hệ thống thủy lực Từ đó thiết kế bộ điều khiển PID số cho các mạch vòng điều khiển tần số

và công suất của hệ thống Ưu điểm của phương pháp này là đã tách mô hình toán của hệ thống thành các mô hình đơn giản để điều khiển đảm bảo được tính ổn định cao Tuy nhiên, trong bài báo này các tác giả mới chỉ dừng lại ở mô hình tuyến tính hóa và phạm vi thay đổi công suất nhỏ (10%)

Thiết kế bộ điều khiển có bộ bù nhiễu tải cũng được nhiều tác giả đề cập, trong đó phải kể đến S Hagihara [28] đã thiết kế bộ điều khiển ổn định PID cho hệ thống turbine-máy phát thủy lực có kết hợp sử dụng bù tĩnh Phương pháp thiết kế dựa theo tiêu chuẩn ổn định của Routh-Hurwitz Kết quả đạt được của nghiên cứu này là xác định được quỹ tích các nghiệm của phương trình đặc tính làm cho hệ thống ổn định bền vững hơn

Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của lý thuyết điều khiển thông minh cùng với sự hỗ trợ tích cực của máy tính và các công cụ như: mạng nơron nhân tạo,

hệ thống suy diễn mờ, sự kết hợp giữa mạng nơron và hệ mờ, thông số của bộ điều khiển

PI, PID đã được tối ưu hóa bằng các phương pháp thông minh khác nhau nhằm đem lại chất lượng điều khiển tốt hơn, cụ thể:

Yamamoto T, Kanedam M, Oki T, Watanbe E, Tanaka K [33], Cheng Y-C, Ye

Lu-Q, Chuang Fu, Cai W-Y [7], đã nghiên cứu bộ điều khiển PID thông minh, dựa trên khả năng học của mạng nơron nhân tạo để nhận dạng và tối ưu thông số của bộ điều khiển Còn trong nghiên cứu của Zhang [34], đã thiết kế bộ điều khiển mờ thông minh để cải thiện chất lượng của bộ điều khiển PID ứng dụng cho bộ điều tốc của nhà máy thủy điện có công suất trung bình và lớn vận hành ở chế độ nối lưới

Để khắc phục khó khăn khi điều khiển hệ có đặc điểm pha không cực tiểu, Iwan Setiawan, Ardyono Priyadi, Mauridhi Hery Purnomo [17], đã nghiên cứu thành công bộ

điều khiển thích nghi bằng cách sử dụng mạng nơron nhận dạng sự thay đổi của phụ tải điện của hệ turbine-máy phát thủy điện để điều chỉnh thông số của bộ điều khiển Kết quả đạt được của công trình nghiên cứu này là cho đáp ứng tần số nhanh theo sự thay đổi của

tải và đã khắc phục một phần đáp ứng của khâu pha không cực tiểu trong trường hợp phụ tải điện thay đổi đột ngột

Trên cơ sở đặc tính tốc độ của turbine đồi, J Fraile-Ardanuy, J R Wilhelmi, J Fraile-Mora, J I Pérez và I Sarasúa [18], đã sử dụng mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp ANN (Artificial Neural Netwok) có cấu trúc 2-5-1 (với đầu vào là lưu lượng nước và góc

mở cánh hướng, đầu ra là tốc độ tối ưu) để học hàm nội suy tối ưu tốc độ từ đường cong tốc độ của turbine này Từ đó thiết kế bộ điều khiển tốc độ hệ turbine-máy phát thủy điện

có công suất nhỏ vận hành độc lập Kết quả đạt được của công trình nghiên cứu này là đáp ứng tốc độ ổn định nhanh về giá trị đặt chỉ sau vài giây

Với đặc điểm là xử lý và tính toán song song, mạng nơron nhân tạo ngày càng được ứng dụng nhiều trong điều khiển các đối tượng có tính phức tạp Các tác giả Lie Jasa, Ardyono Priyadi, Mauridhi Hery Purnomo [24], đã sử dụng mạng nơron có cấu trúc tương ứng bộ điều khiển PID, trọng số của mạng được điều chỉnh theo thuật toán Brandt-Lin để thiết

kế bộ điều khiển cho bộ điều tốc của tổ máy có công suất nhỏ vận hành độc lập Kết quả

mô phỏng cho thấy đáp ứng tần số không dao động, lượng quá điều chỉnh nhỏ hơn so với khi sử dụng bộ điều khiển PID thường và hệ thống ổn định sau 35s khi tải thay đổi 3%

Các phương pháp điều khiển như điều khiển trượt, điều khiển biến, điều khiển dự báo, sử dụng thuật toán di truyền …vv cũng đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu ứng dụng trong bộ điều tốc của nhà máy thủy điện:

Dianwei Qian và các cộng sự [11], đã đưa ra một nghiên cứu về mô hình và các vấn

đề điều khiển hệ turbine thủy lực trong nhà máy thủy điện sử dụng turbine Francis Nhóm tác giả đã trình bày một phương pháp tiếp cận mới về việc thiết kế bộ điều khiển cho bộ điều tốc turbine thủy lực, đó là bộ điều khiển trượt SMC (Sliding Mode Control) Luật điều

khiển của SMC gồm hai thành phần: Luật chuyển mạch điều khiển và luật điều khiển tương đương sử dụng thuật toán di truyền để tìm thông số tối ưu cho bề mặt trượt Kết quả

mô phỏng cho thấy bộ điều khiển SMC có khả năng ổn định hệ thống trong trường hợp có nhiễu phụ tải đầu ra và có tính khả thi cao

Ilyas Eker và các cộng sự [16] trình bày bộ điều khiển nhiều tầng đa biến, bộ điều khiển đã được các tác giả chứng minh là tốt hơn so với các bộ điều khiển PI hay PID thông thường Tuy nhiên, bộ điều khiển này được thiết kế với mô hình hệ thống thủy lực turbine turbine tuyến tính, hơn nữa bộ điều khiển đa tầng thường phức tạp nên khó thực hiện trong thực tế Orelind [26], giới thiệu bộ điều khiển kỹ thuật số cho hệ thống thủy điện Thông số tối ưu của bộ điều khiển được tính từ các điểm vận hành khác nhau bằng cách giảm thiểu hàm mục tiêu bậc hai Sau đó, các hệ số của bộ điều khiển được xác định dựa vào độ mở cánh hướng và giá trị sai lệch về tốc độ

Arnautovic, Skataric [19], đã trình bày một phương pháp thiết kế bộ điều khiển cho nhà máy thủy điện với loại turbine Kaplan Các tác giả đã đề xuất phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn trên đường đặc tính làm việc của turbine để tính toán bộ điều khiển

Batlle và các cộng sự [5], đề xuất thiết kế các bộ điều khiển bằng cách sử dụng các kỹ thuật dựa trên hàm Lyapunov cho mô hình phi tuyến của nhà máy thủy điện không có tác dụng của tháp điều áp trong trường hợp cột nước trong đường ống áp lực không đàn hồi

Dewi Jones và Sa’ad Mansoor [9] đề xuất bộ điều khiển dự báo căn cứ vào sai lệch tần số và công suất cơ của turbine Các tác giả đã chứng minh rằng điều khiển dự báo đạt được sự cải thiện đáng kể trong việc điều khiển công suất của nhà máy thủy điện với các trường hợp hằng số thời gian khởi tạo của nước (Tw) trong đường ống áp lực thay đổi và

mô hình hệ thống turbine thủy lực có dạng tuyến tính

Chen Jian, Liang Gui-shu, Dong Qing [6], giới thiệu về bộ điều khiển bền vững kết hợp với bù để điều khiển tốc độ turbine máy phát thủy lực khi hằng số thời gian khởi tạo của nước (Tw) trong đường dẫn thay đổi trong khoảng [0.9s÷1.1 ]s Kết quả của công trình nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng tín hiệu bù vào bộ điều khiển turbine máy phát thủy lực thì đặc tính tốc độ, công suất của turbine ổn định hơn

Dhaliwal [10], đã sử dụng phương pháp không gian trạng thái để nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số vi phân đến sự làm việc ổn định của tổ máy làm việc độc lập Các tác giả

đã kết luận rằng nếu tăng hệ số vi phân cao có thể sẽ làm cho hệ thống mất ổn định

Trong nghiên cứu của Clifton và các đồng nghiệp [8], đã trình bày phương pháp mô hình hóa tối ưu bộ điều tốc, theo đó các tác giả chỉ ra rằng có thể nâng cao hiệu suất của turbine thủy lực bằng cách sử dụng mô hình bộ điều tốc bậc cao

Lansberry JE, Wozniak L [23], đã sử dụng thuật toán di truyền (GA) để tối ưu hóa

bộ điều tốc turbine thủy lực Thuật toán tự chỉnh thích nghi được xây dựng dựa trên sự thay đổi của hằng số thời gian Tw và phụ tải điện

Qua nghiên cứu các tài liệu cũng như tìm hiểu về các công trình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước có liên quan cho thấy, các công trình nghiên cứu này đều nhằm

nâng cao độ chính xác, thông minh hóa của bộ điều khiển Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu chỉ giới thiệu chủ yếu về bộ điều tốc trong chế độ hoạt động độc lập (không nối lưới) với bộ điều khiển tần số được thiết kế từ các mô hình tuyến tính hóa của hệ thống thủy lực, mỗi công trình nghiên cứu đều có ưu điểm và hạn chế trong các ứng dụng, đó là chưa đề cập hết các yếu tố ngẫu nhiên của tải hay biến động của cột nước ở những nhà máy thủy điện công suất nhỏ không có hồ chứa lớn

Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơ-ron để xây dựng thuật toán điều khiển

hệ điều tốc turbine-máy phát thủy điện” sẽ nghiên cứu kết hợp bộ nhận dạng ANFIS và bộ điều khiển PID thích nghi một nơ-ron nhằm tạo ra một công cụ hữu ích trong việc thiết kế

bộ điều khiển áp dụng cho đối tượng là mô hình turbine thủy lực phi tuyến có tham số thay đổi (như chiều cao cột áp, phụ tải điện) Mô hình của đối tượng sẽ được nhận dạng bằng một bộ nhận dạng ANFIS, từ đó độ nhạy đáp ứng của đối tượng đối với tín hiệu điều khiển (còn gọi là thông tin Jacobian) sẽ được ước lượng thông qua bộ nhận dạng ANFIS Thông tin Jacobian là cơ sở để tính toán các gradient của giải thuật cập nhật trực tuyến bộ trọng số của một nơron tuyến tính, cấu hình theo nguyên tắc của bộ điều khiển PID Tức là, thông

số của bộ điều khiển PID sẽ được điều chỉnh thích nghi trong quá trình điều khiển

- Tiếp theo nghiên cứu ứng dụng mạng nơron và mạng nơron có cấu trúc dựa trên hệ thống suy luận mờ ANFIS (Adaptive Network Fuzzy Inference System), thiết kế bộ điều khiển PID, PI thích nghi đảm bảo có các thông số tự động cập nhật giá trị theo sự thay đổi các tham số đầu vào và đầu ra của hệ thống

- Thiết kế, lắp đặt bộ điều tốc điện-thủy lực thực tế để phục vụ cho việc thực nghiệm trong phòng thí nghiệm

- Xây dựng mô hình mô phỏng thực nghiệm HIL (Hardware-In-The-Loop) để kiểm định các thuật toán điều khiển và kết quả mô phỏng của hệ thống trong miền thời gian thực

1.5 C ấ u trúc c ủ a lu ậ n án

Nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong các chương:

Chương 1 Tổng quan: Phân tích đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc trong các chế

độ vận hành khác nhau, đánh giá tóm tắt về các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, những vấn đề còn tồn tại và hướng giải quyết của luận án

Chương 2 Mô hình động học hệ thống thủy lực: Nội dung chủ yếu nghiên cứu về

mô hình toán của các thành phần trong hệ thống thủy lực, trên cơ sở đó xây dựng mô hình của đối tượng Mô hình hệ thống được xác định dưới hai dạng đó là: mô hình tuyến tính hóa (sử dụng để tính toán thông số bộ điều khiển) và mô hình phi tuyến có tính đến tổn thất cột áp (sử dụng trong quá trình phân tích và đánh giá chất lượng hệ thống trong chương 3) Chương 3 Bộ điều khiển PID và nâng cao chất lượng hệ thống: Trước hết sử dụng

mô hình turbine thủy lực tuyến tính hóa để xây dựng cấu trúc và tổng hợp bộ điều khiển PID,

PI cho các mạch vòng điều khiển trong các chế độ vận hành khác nhau Phân tích đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống thông qua việc mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink Sau đó ứng dụng ANFIS và mạng nơron để thiết kế bộ điều khiển thích nghi NNC Mô phỏng, so sánh chất lượng điều khiển giữa bộ điều khiển PID, PI và bộ điều khiển NNC Chương 4 Xây dựng mô hình mô phỏng thực nghiệm: Để có cơ sở kết luận tính ưu việt của bộ điều khiển NNC, nội dung chương 4 đề cập đến việc xây dựng, lắp đặt bộ điều tốc điện-thủy lực thực tế, xây dựng mô hình mô phỏng thực nghiệm HIL trong hệ thời gian thực có sự kết hợp giữa mô hình hệ thống được xây dựng trong máy tính với thiết bị thực thông qua card đa năng NI PCI MIO 16E-1

Chương 5 Kết quả và bàn luận: Trình bày tóm tắt các kết quả trong quá trình nghiên cứu, đánh giá, bàn luận về các kết quả đạt được

1.6 K ế t lu ậ n ch ươ ng 1

- Bộ điều chỉnh turbine (bộ điều tốc) có 3 chế độ vận hành cơ bản: chế độ vận hành độc lập; chế độ vận hành song song (có bám lưới) và chế độ điều tần (chỉ áp dụng cho những trạm thủy điện có hồ chứa dung tích đủ lớn) Đặc tính điều chỉnh và nhiệm vụ của

bộ điều tốc trong các chế độ vận hành là khác nhau

- Hiện nay, trong nước cũng như nước ngoài đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về bộ điều tốc cho các nhà máy thủy điện với các bộ điều khiển khác nhau như: PID

số, điều khiển dự báo, điều khiển trượt, điều khiển thích nghi…vv, nhằm phát triển và nâng cao chất lượng của các bộ điều khiển Tuy nhiên, với mỗi công trình nghiên cứu vẫn còn các vấn đề mở cần được phát triển tiếp theo

2 CH ƯƠ NG 2: MÔ HÌNH H Ệ TH Ố NG

2.1 Gi ớ i thi ệ u

Trong các nhà máy thủy điện, về cơ bản gồm ba tuyến chính như: Tuyến thượng lưu, tuyến năng lượng và tuyến hạ lưu Trong đó, tuyến năng lượng có vai trò quan trọng trong việc biến đổi thủy năng thành điện năng và điều khiển đảm bảo chất lượng điện năng theo yêu cầu Để có cơ sở tính toán thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống, việc đầu tiên ta phải xác định được mô hình hệ thống thủy lực-turbine (gồm đường ống và turbine) và sau

đó là mô hình động học của máy phát và hệ thống điện trong các chế độ vận hành Các khối chức năng chính của nhà máy thủy điện như hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ các khối chức năng trong nhà máy thủy điện

Trong đó: Nước từ hồ chứa thượng lưu được dẫn vào hệ thống đường ống, tại đây nước được gia tốc tới vận tốc lớn Qua hệ thống cánh hướng, nước được dẫn vào turbine thuỷ lực làm quay turbine, đồng thời làm quay roto của máy phát điện (thông thường trục của turbine được nối cứng với trục máy phát điện) Từ đầu cực máy phát, dòng điện được tăng

áp qua máy biến áp lực và dẫn lên trạm phân phối cho các phụ tải hoặc hòa vào lưới điện quốc gia (Hệ thống điện) Bộ điều tốc là một trong những thành phần quan trọng nhất trong nhà máy thủy điện, nó có nhiệm vụ điều khiển lưu lượng nước vào turbine qua hệ thống cánh hướng để giữ ổn định tần số (chế độ vận hành không nối lưới) hoặc công suất (chế độ vận hành có nối lưới) theo yêu cầu

2.2 Mô hình h ệ th ố ng th ủ y l ự c-turbine

Mô hình hệ thống thủy lực-turbine sẽ được xây dựng dưới hai dạng: Dạng mô hình tuyến tính và dạng mô hình phi tuyến, dựa trên mối quan hệ giữa các thành phần trong đường ống như vận tốc nước, chiều cao cột áp, lưu lượng với công suất phát của turbine

2.2.1 Turbine th ủ y l ự c

Như đã trình bày ở trên, turbine thủy lực là một trong những thiết bị chính trong nhà máy thủy điện, turbine làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng của dòng nước (thủy năng) thành cơ năng làm quay turbine và máy phát điện Tuỳ thuộc dạng năng lượng dòng chảy

qua bánh xe công tác của turbine, người ta chia turbine thủy lực thành hai loại, đó là: turbine xung lực và turbine phản lực

Trong turbine xung lực chỉ có thành phần động năng của dòng chảy tác dụng lên bánh xe công tác còn thế năng bằng không Hệ turbine này phát ra công suất nhờ động năng của dòng chảy, áp suất cửa ra và cửa vào của turbine bằng áp suất khí quyển Các loại turbine xung lực hiện nay gồm: turbine gáo, turbine tia nghiêng, turbine tác dụng kép

Khác với turbine xung lực, turbine phản lực làm việc với tác dụng của cả hai thành phần động năng và thế năng của dòng chảy, áp suất tại cửa vào lớn, áp suất ở cửa ra nhỏ Các loại turbine phản lực phổ biến hiện nay gồm: turbine tâm trục, turbine hướng trục cánh quay, turbine cánh chéo, turbine cánh kép

Hiện nay ở Việt Nam, phần lớn các nhà máy thủy điện đều sử dụng loại turbine phản lực trục đứng do nó phù hợp với dải cột nước có độ cao từ 40m đến 600m Hình ảnh của turbine Kaplan thuộc loại turbine phản lực hướng trục cánh quay, trục đứng được minh họa như hình 2.2

Hình 2.2 Turbine thủy lực Kaplan

Cánh hướng có chức năng điều chỉnh lượng nước vào turbine, cánh hướng có thể quay quanh trục để thay đổi độ mở của bộ phận hướng nước;

Bánh xe công tác là bộ phận quan trọng nhất làm biến đổi thuỷ năng thành cơ năng làm quay trục roto turbine, trục roto turbine được nối cứng với trục roto của máy phát điện

Tổn thất thủy lực bao gồm tổn thất do hiện tượng va đập thủy lực ở mép vào bánh

xe công tác; tổn thất do ma sát thủy lực trong đường ống dẫn nước; tổn thất động năng ở cửa ra của ống thoát nước

Tổn thất cơ khí là tổn thất năng lượng do ma sát cơ khí ở các ổ trượt, ổ đỡ, trong các đệm chống thấm giữa các bộ phận chuyển động và bộ phận không chuyển động của turbine

Theo [27], công suất của turbine thủy lực được xác định theo (2.1)

Q : là lưu lượng dòng nước qua turbine (m3/s)

ρlà trọng lượng riêng của nước (kg/m3)

- Trên hai đường đặc tính lưu lượng và độ mở (Hình 2.3 b,c): Ta thấy hiệu suất và công suất tác dụng bằng 0 ứng với lưu lượng và độ mở luôn nhỏ hơn 100%

b Đường đặc tính tốc độ: Biểu thị mối quan hệ giữa , ,η Q P theo ω ở điều kiện cột nước

và độ mở là hằng số, được minh họa trên hình 2.4

Hình 2.4 Đặc tính vòng quay của turbine thủy lực

Trên đường đặc tính tốc độ ta thấy, hiệu xuất cao nhất không trùng với lưu lượng và công suất lớn nhất, khi tốc độ tăng thì các thông số sẽ thay đổi

c Đặc tính cột nước: Biểu thị mối quan hệ giữa P theo H ở điều kiện tốc độ và độ mở là

hằng số, được minh họa trên hình 2.5

Hình 2.5 Đặc tính cột nước của turbine thủy lực

Cột nước của turbine luôn thay đổi trong quá trình vận hành, trên đồ thị hình 2.5 ta thấy, ứng với công suất bằng 0 thì cần có một cột áp nào đó đặc trưng cho tổn thất thủy lực ở chế độ không tải Nhìn chung, khi chiều cao cột nước tăng thì công suất của turbine tăng và ngược lại khi cột nước giảm thì công suất giảm (cùng độ mở cánh hướng

d Đặc tính tải của turbine Francis và turbine Pump

Đặc tính tải của turbine thủy lực được xây dựng dựa trên quan hệ giữa công suất kéo (P m ), lưu lượng nước ( Q ) với tốc độ của turbine (ω) tại một giá trị cụ thể của độ mở cánh hướng Theo [31], ta có:

a Đặc tính P m =f(ω) b Đặc tính Q=f(ω)

Hình 2.6 Đặc tính tải của turbine Francis

a Đặc tính P m =f(ω) b Đặc tính Q=f(ω)

Hình 2.7 Đặc tính tải của turbine Pump

Như vậy, đặc tính tải của turbine thủy lực có dạng phi tuyến, ở vùng làm việc với tốc độ cao thì tính phi tuyến càng mạnh Công suất của turbine phụ thuộc vào độ mở cánh hướng Đặc tính của turbine loại Francis cứng hơn đặc tính của turbine Pump

2.2.2 Mô hình tuy ế n tính hóa

Để dễ dàng cho việc tổng hợp bộ điều khiển, ta sẽ xây dựng mô hình tuyến tính hóa của hệ thống thủy lực-turbine Mô hình được xây dựng ở điều khiện cột áp tĩnh và dựa trên một số giả thiết sau:

- Bỏ qua trở kháng thủy lực trong đường ống;

- Thành ống không đàn hồi, nước không nén được;

- Vận tốc của nước trong đường ống tỉ lệ với độ mở cánh hướng và căn bậc hai chiều cao cột áp;

- Công suất turbine tỉ lệ với chiều cao cột nước và lưu lượng dòng chảy;

- Hệ thống thủy lực của nhà máy gồm các thành phần như hình 2.8

Hình 2.8 Mô hình đơn giản của nhà máy thủy điện

Trong đó:

H : Chiều cao cột áp từ mặt thoáng hồ chứa tới turbine (m);

V : Vận tốc dòng nước trong đường ống áp lực (m/s);

L : Chiều dài ống dẫn nước (m)

Với những giả thiết trên, mô hình của hệ thống thủy lực-turbine được xây dựng dựa trên 3 phương trình cơ bản sau [27]:

- Phương trình vận tốc nước trong đường ống áp lực:

P : Công suất cơ của turbine (W); K : Hệ số tỉ lệ p

Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc và chia cả 2 vế cho P0m =K V H p .0 0, ta được:

- Phương trình gia tốc của cột nước:

Theo tính chất của định luật 2 Newton, gia tốc cột nước do thay đổi chiều cao cột áp tại turbine được xác định là:

.L A d V A .a g H dt

Trong đó:

L : Chiều dài đường ống (m);

A : Tiết diện đường ống (m2);

ρ: Khối lượng riêng của nước (Kg/m3);

Aρa ∆H: Thay đổi áp lực tại turbine;

Chia 2 vế của (2.12) cho A .ρa H V g 0 0, ta được:

0 0

w

g

V d V

0

g

L V T

cao cột áp là H Giá trị T0 w thường nằm trong khoảng 0.2 đến 6s [25]

Từ các phương trình (2.6) và (2.13) ta có quan hệ giữa sự thay đổi vận tốc với thay đổi góc

mở cánh hướng như biểu thức (2.15):

Công thức (2.17) thể hiện hàm truyền đạt của turbine thủy lực lý tưởng

Trong thực tế, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến công suất cơ của turbine như chiều cao cột

áp, sai lệch tốc độ, độ mở cánh hướng nước Để tổng quát hơn, ta xây dựng hàm truyền đạt của turbine không lý tưởng dạng tuyến tính

Đặc tính của turbine thủy lực không lý tưởng có được bằng biểu diễn sự thay đổi vận tốc

và công suất của turbine theo các biểu thức:

Các hệ số b b b11, 13, 21,b tương ứng là đạo hàm riêng của vận tốc nước, công suất turbine 23

theo cột áp và vị trí cánh hướng Các hệ số này phụ thuộc vào công suất tải và các điểm

làm việc khác nhau, theo [27] các hệ số b ij sau khi được tuyến tính hóa là:

1.5 0

Kết hợp các phương trình (2.6), (2.10), (2.20) và (2.21), ta xác định được hàm truyền của

hệ thống thủy lực-turbine tuyến tính không lý tưởng như (2.22):

- Đặc tính đặc biệt của hệ thống thủy lực-turbine tuyến tính:

Qua phân tích ở trên ta thấy, hàm truyền đạt của hệ thống thủy lực-turbine tuyến tính

∆α đều có dạng là một hệ pha không cực tiểu

Đặc điểm của nó là trong khoảng thời gian nhỏ ngay sau khi bị kích thích, hệ có đáp ứng

ngược với hướng của tín hiệu kích thích đầu vào 1(t)

Xét hàm truyền hệ thống thủy lực-turbine tuyến tính dạng w

Khi thay đổi độ mở cánh hướng đột ngột theo tín hiệu bước nhảy từ 0% lên 100% thì công

suất cơ của turbine thủy lực tại thời điểm ban đầu: w

w

11

1 0.5

m s

Mô phỏng đáp ứng của turbine thủy lực tuyến tính với trường hợp đóng mở cánh hướng nước đột ngột với Tw=1s (tại 2s mở cánh hướng đột ngột và tại 6s đóng cánh hướng đột ngột)

Hình 2.9 Đáp ứng của turbine (TB) thủy lực tuyến tính khi đóng mở cánh hướng đột ngột

Nhận xét:

- Khi thay đổi độ mở cánh hướng nước đột ngột, vận tốc của nước thay đổi từ từ do quán tính của nước Trong khi đó, như đã phân tích ở trên thì áp lực và công suất của turbine thay đổi đột ngột theo chiều ngược với độ mở của cánh hướng, sau đó áp lực và công suất turbine mới thay đổi theo chiều cùng với tín hiệu độ mở và dần tới giá trị xác lập

- Khi độ mở cánh hướng thay đổi từ từ thì công suất của turbine không bị thay đổi đột ngột

mà đáp ứng có dạng như sau:

Hình 2.10 Đáp ứng công suất của TB thủy lực tuyến tính khi đóng mở cánh hướng không đột ngột

- Thời gian khởi tạo của nước trong đường ống (Tw- phụ thuộc vào chiều cao cột nước) có ảnh hưởng mạnh tới đáp ứng của turbine thủy lực Mô phỏng đáp ứng công suất của turbine thủy lực tuyến tính trong các trường hợp Tw =0, 5svà Tw =2scó dạng như sau:

Hình 2.11 Đáp ứng công suất của TB thủy lực tuyến tính khi thông số T w thay đổi

Qua kết quả mô phỏng cho thấy: Khi T có giá trị nhỏ (trường hợp chiều cao cột áp lớn) wthì đáp ứng công suất của turbine nhanh hơn, còn khi T có giá trị lớn (trường hợp chiều wcao cột áp nhỏ) thì đáp ứng công suất của turbine chậm hơn

2.2.3 Mô hình phi tuy ế n có xét đế n t ổ n th ấ t c ủ a c ộ t n ướ c

Giả thiết đường ống dẫn nước tuyệt đối cứng (thành đường ống không đàn hồi), nước không nén được, theo [32] hệ phương trình thủy động học cơ bản là:

H : Giá trị ban đầu của cột áp (m);

P : Công suất turbine (W);

Q : Lưu lượng dòng chảy (m3/s) ;

A : Tiết diện ngang đường ống (m2);

L : Chiều dài đường ống (m);

g

L V T

Với V NLlà vận tốc của nước khi không tải

Thay (2.37) vào (2.36) sau đó biểu diễn trong hệ đơn vị tương đối, ta có :

=

α ) đến khi mở hoàn toàn (tương ứng là α=1(pu)) Quan hệ giữa góc mở lý tưởng α

và góc mở thực α được biểu diễn như hình 2.12

Hình 2.12 Quan hệ giữa độ mở lý tưởng (α) và độ mở thực (α)[32]

Từ các định nghĩa trên ta có:

t A

V : Vận tốc không tải (pu)

Mô phỏng đáp ứng công suất của mô hình turbine thủy lực phi tuyến có tổn thất cột nước, khi độ mở cánh hướng thay đổi từ từ có dạng như sau:

Hình 2.14 Đáp ứng công suất của turbine thủy lực phi tuyến khi đóng mở cánh hướng

Nhận xét:

- Đáp ứng công suất của mô hình turbine phi tuyến có dạng gần giống với đáp ứng công suất của mô hình turbine tuyến tính, chỉ khác cơ bản là khi cánh hướng mở 100%, với mô hình turbine thủy lực tuyến tính hóa có đáp ứng công suất đạt 100%, với mô hình turbine thủy lực phi tuyến đáp ứng công suất không có được điều này là do có tổn thất cột áp trong đường ống và turbine

2.3 Mô hình độ ng h ọ c c ủ a máy phát và h ệ th ố ng đ i ệ n

2.3.1 Mô hình độ ng h ọ c c ủ a máy phát làm vi ệ c v ớ i t ả i độ c l ậ p

Ở chế độ làm việc với tải độc lập, mọi sự thay đổi của tải đều ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ của máy phát (tần số điện áp của máy phát) Sơ đồ máy phát làm việc với tải độc lập được minh họa như hình 2.15

Hình 2.15 Sơ đồ mô hình hóa máy phát điện làm việc với tải độc lập [27]

P : Công suất phụ tải điện (W)

Khi công suất tải (P L) thay đổi, ngay lập tức sẽ làm cho mô men điện từ (M e) của máy phát thay đổi Đó là nguyên nhân làm cho mất cân bằng giữa mô men kéo của turbine (M m) và

mô men điện từ (M e), do đó tốc độ quay của roto máy phát sẽ thay đổi theo phương trình chuyển động quay của roto máy phát:

Để thuận lợi cho việc tính toán, người ta thường sử dụng hằng số động năng I (inertia

constant) thay cho mô men quán tính J

I được định nghĩa bằng động năng ở tốc độ định mức chia cho công suất cơ bản (VA):

2

2 as

1.2

2

d I

d dt

là tốc độ dao động góc lệch tương đối của máy phát trong quá trình quá độ

(1-2 chu kỳ/giây), thực tế giá trị này khá nhỏ so với ωdm(tương ứng với 50 chu kỳ/giây) Như vậy, sau khi biến đổi (nhân 2 vế của phương trình (2.44) với ω®m) ta có phương trình:

as dm

2

d I

r m e M

Trong thực tế, phụ tải của hệ thống điện có thể coi là tập hợp các thiết bị điện Trong đó có những phụ tải hầu như không thay đổi công suất theo tần số như chiếu sáng, phát nhiệt và có những phụ tải với công suất mang đặc tính phụ thuộc vào tần số như động

cơ, quạt, máy bơm v.v Khi có thay đổi phụ tải ta có thể biểu diễn theo biểu thức sau:

D∆ω là thành phần tải thay đổi theo tần số;

D là hằng số đặc tính tải theo tần số, biểu diễn phần trăm tải thay đổi theo phần trăm tần số

thay đổi Thông thường giá trị của D là từ 1÷2%

Sơ đồ biểu diễn (2.54) được minh họa như hình 2.16

Hình 2.16 Mô hình động học của máy phát điện làm việc với tải độc lập

2.3.2 Mô hình độ ng h ọ c c ủ a máy phát làm vi ệ c có n ố i l ướ i

Xét trường hợp 1 tổ máy được nối với hệ thống điện qua đường dây truyền tải (đường dây dài) có mô hình như sơ đồ hình 2.17a

Hình 2.17 Sơ đồ máy phát nối với hệ thống điện

Với điều kiện điện áp tại thanh cái (U t) có giá trị không đổi khi máy phát ở trạng thái quá

độ và giả thiết bỏ qua điện trở cuộn dây máy phát, cuộn dây máy biến áp và bỏ qua điện trở đường dây, ta có sơ đồ thay thế tương đương như hình 2.17b

xỉ bằng nhau Theo [27] công suất điện từ (P e) bằng công suất đầu cực máy phát (P) được

xác định trong hệ tương đối theo biểu thức sau:

'

sin

B e

B S

Thay ∆P etrong (2.56) vào (2.51) ta có:

a, Mô hình hóa máy phát

nối với hệ thống điện

b, Sơ đồ thay thế tương đương máy phát

nối với hệ thống điện

Sơ đồ biểu diễn dạng hàm truyền của (2.57) được minh họa như hình 2.18

Hình 2.18 Mô hình động học của máy phát điện làm việc ở chế độ nối lưới

hệ thống thủy lực-turbine phi tuyến được xây dựng trên cơ sở các mối quan giữa các đại lượng trong hệ thống có xét đến tổn thất cột áp tại turbine

Mô hình động học máy phát và hệ thống điện được xây dựng ở hai chế độ vận hành khác nhau của hệ thống với các giả thiết bỏ qua điện trở trong các cuộn dây, điện kháng quá độ dọc trục và ngang trục bằng nhau

Khi tính toán thiết kế bộ điều khiển trong nội dung tiếp theo của luận án (chương 3)

ta sẽ sử dụng mô hình turbine tuyến tính dạng 23 w

việc tính thông số bộ điều khiển, vừa mang tính khái quát tại các điểm vận hành khác nhau của hệ thống Yêu cầu của bộ điều khiển đặt ra là hạn chế được độ sụt ban đầu của công suất khi độ mở cánh hướng tăng để nâng cao chất lượng điều khiển

3 CH ƯƠ NG 3: B Ộ Đ I Ề U KHI Ể N PID VÀ GI Ả I PHÁP

3.1 B ộ đ i ề u khi ể n PID

3.1.1 Các thành ph ầ n c ủ a b ộ đ i ề u khi ể n PID

Một trong những bộ điều khiển được sử dụng phổ biến nhất trong các nhà máy thủy điện là loại PID, trong đó PID là viết tắt của Proportional-Integral-Derivative (tỉ lệ-tích phân-vi phân) Nó có thể được thực hiện bằng cơ khí, điện-khí nén, điện-thủy lực hoặc sử dụng các thiết bị có sự trợ giúp của máy tính rất thuận lợi cho việc cấu hình và điều chỉnh trong quá trình làm việc Các thông số của bộ điều khiển PID có thể được điều chỉnh riêng biệt để đáp ứng các yêu cầu của nhà máy

Thành phần tỉ lệ của bộ điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch trong

hệ thống, đó là ( )u t =K e t P ( ) Thông thường, với tín hiệu đặt bước nhảy khi giá trị K nhỏ P

làm cho đáp ứng ổn định nhưng sai lệch tĩnh lớn Khi giá trị của K lớn sẽ làm giảm sai P

lệch tĩnh và thời gian đáp ứng nhưng lại làm tăng lượng quá điều chỉnh hoặc nếu K quá P

lớn có thể làm hệ thống mất ổn định Do đó, hệ số K thường được điều chỉnh tăng để P

giảm sai lệch tĩnh nhưng phải đảm bảo đáp ứng có lượng quá điều chỉnh nằm trong giới hạn cho phép

Cách phổ biến nhất để làm giảm sai lệch tĩnh là kết hợp thành phần tỉ lệ với thành phần tích phân trong bộ điều khiển Thành phần tích phân tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ thuận với tích phân của sai lệch, đó là ( )u t =K I∫e t dt( ) , trong đó K là hệ số tích phân I

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và triệt tiêu sai lệch tĩnh Tuy nhiên, vì đầu ra khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vượt qua giá trị đặt Nếu hệ số tích phân

I

K lớn sẽ làm tăng số lần dao động của đáp ứng

Thành phần vi phân tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tốc độ biến thiên của sai

lệch, đó là u t( ) K D de t( )

dt

= , trong đó K là hệ số vi phân D

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển để làm giảm biên

độ quá điều chỉnh được tạo ra bởi thành phần tích phân và làm tăng độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và hệ số K đủ lớn D

Hàm truyền bộ điều khiển PID có dạng như (3.1) [22]:

3.1.2 T ổ ng h ợ p b ộ đ i ề u khi ể n PID ở ch ế độ làm vi ệ c v ớ i t ả i độ c l ậ p

Nhiệm vụ của bộ điều tốc trong chế độ vận hành này là điều chỉnh công suất đầu vào sao cho tốc độ quay của máy phát bằng tốc độ đặt (tốc độ định mức) trong khoảng thời gian ngắn nhất mà không có dao động lớn gây ảnh hưởng tới chất lượng điện năng của hệ thống

Mạch vòng điều khiển hệ thống trong chế độ vận hành này được gọi là mạch vòng điều khiển tốc độ Cấu trúc của mạch vòng điều khiển tốc độ như hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ mạch vòng điều khiển tốc độ máy phát [3]

lệch giữa tín hiệu ra sau bộ điều khiển tốc độ (u) với tín hiệu phản hồi từ cảm biến đo vị trí

cánh hướng (αph) Cấu trúc mạch vòng điều khiển vị trí cánh hướng cơ bản (không có khâu khuếch đại thủy lực) như hình 3.2

Hình 3.2 Sơ đồ mạch vòng điều khiển vị trí cánh hướng [3]

Trong đó: e vt = −u αph: Tín hiệu sai lệch giữa vị trí đặt và vị trí thực

u : Tín hiệu ra của bộ điều khiển vị trí vt

- Van điện-thủy lực là phần tử điều khiển điện-thủy lực với đặc tính điều khiển có độ chính xác cao, thời gian tác động ngắn do đó mà có thể thực hiện điều khiển được nhanh vị trí, vận tốc hoặc tải trọng theo yêu cầu của thiết bị Mô hình động học của van có thể xấp xỉ về một khâu quán tính bậc nhất với đầu vào uvt là điện áp điều khiển; đầu ra F là lưu lượng dầu qua van:

( )( )

Trong đó: K v là hệ số tỉ lệ, T v là hằng số thời gian của van (s)

- Servomotor sử dụng xilanh loại 1 cần trục, tác dụng hai chiều dùng để đóng/mở cánh hướng, có bộ giảm chấn ở cuối hành trình Để đơn giản, ta có thể xem hàm truyền của servo có dạng một khâu tích phân với đầu vào là lưu lượng dầu sau khi ra khỏi van thủy lực (F) và đầu ra là độ dịch chuyển của cánh hướng α như sau:

er

( )( )( )

Trong đó: K g là hệ số tỉ lệ, T g là hằng số thời gian của servo (s)

- Khâu phản hồi vị trí của cánh hướng được sử dụng là một cảm biến vị trí, hàm truyền của cảm biến vị trí có thể được xấp xỉ về khâu quán tính bậc nhất:

( )

1

vt cbvitri

Trong đó: K vt là hệ số tỉ lệ, T vt là hằng số thời gian của cảm biến vị trí (s)

Theo [3], sau khi tổng hợp được thông số bộ điều khiển, mạch vòng vị trí được rút gọn và xấp xỉ về khâu quán tính bậc nhất có dạng như sau:

.( )