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

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 điện

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn 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

- Các nhà máy thủy điện làm việc trong điều kiện có chiều cao cột áp không ổn định cộng với nhu cầu điện năng (phụ tải của các máy phát điện) 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)

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài của là nhà máy thủy điện nhỏ, không có hồ chứa nước lớn (sử dụng thượng lưu làm hồ chứa nước) Với mục tiêu là thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho bộ điều tốc turbine thủy lực trong nhà máy thủy điện này nhằm giải quyết tốt hai vấn đề của hệ thống thủy điện là nhiễu cột áp đầu vào và nhiễu tải đầu ra, để cải thiện và nâng cao chất lượng điều khiển 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 Mục đích của đề tài

Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho bộ điều tốc 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

turbine-vi rộng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

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 trong 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 vận hành độc lập và chế độ bám lưới

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Phát triển, cập nhật và ứng dụng được công cụ lý thuyết điều khiển hiện đại vào một đối tượng phức tạp

Đề tài nghiên cứu có tính thực tiễn cao xuất phát từ yêu cầu thực tế về việc cần nâng cao chất lượng điện của nhà máy thủy điện

nhỏ, góp phần ổn định và nâng cao năng suất và hiệu quả làm việc của các thiết bị điện

5 Tính mới của đề tài

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 dự kiến các kết quả mới sẽ đạt được là:

- Phân tích ảnh hưởng của các biến đầu vào (chiều cao cột áp) và biến đầu ra (công suất phụ tải) đến đáp ứng của hệ thống turbine-máy phát thủy điện

- Ứng dụng lý thuyết và các công cụ điều khiển thông minh thiết kế

bộ điều khiển thích nghi cho bộ điều tốc turbine thủy lực

- Thiết kế, lắp đặt bộ điều tốc điện-thủy lực thực tế, đảm bảo yêu cầu tác động nhanh, chính xác, vận hành đơn giản, an toàn và có độ tin cây cao

- Xây dựng mô hình thực nghiệm HIL (Hardware-In-The-Loop), trong đó có sự trợ giúp của máy tính, các công cụ phần mềm và card thu thập dữ liệu đa năng NI PCI MIO 16E-1 để trao đổi dữ liệu giữa máy tính và thiết bị thực Việc thiết kế mô hình, kiểm tra, khảo sát hệ thống với các trường hợp rủi ro xảy ra sẽ được thực hiện dễ dàng với

độ an toàn cao, không sợ hư hỏng thiết bị do sử dụng mô hình trên máy tính

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc

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 Bộ điều tốc có đặc tính điều chỉnh không đổi

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

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

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 Khi làm việc ở chế độ song song, tổ máy nào có đặc tính điều chỉnh turbine ít dốc hơn thì sẽ nhận nhiều công suất hơn và ngược lại

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Các công trình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước đều nhằm nâng cao độ chính xác, thông minh hóa của bộ điều khiển Tuy vậy, mỗi 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… Tất cả 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 Hầu hết các tài liệu trong nước và nước ngoài đều đề cấp đến việc sử dụng bộ điều khiển PID truyền thống

1.3 Nội dung nghiên cứu

- Phân tích xây dựng mô hình toán của đối tượng là hệ thống thủy lực-turbine-máy phát công suất nhỏ, có xét đến tổn thất cột áp trong đường ống

- Tổng hợp bộ điều khiển PID, PI cho mạch vòng điều khiển tốc độ và mạch vòng điều khiển công suất khi hệ thống vận hành ở các chế độ và các điều kiện làm việc khác nhau Mô phỏng, đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống trong các trường hợp đó

- 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 The-Loop) để kiểm định các thuật toán điều khiển và kết quả mô phỏng của hệ thống trong miền thời gian thực

(Hardware-In-1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp thực nghiệm trên mô hình thực

- Sử dụng các công cụ hỗ trợ như: mô hình toán học, lý thuyết điều khiển hệ thống, phân tích và thiết kế hệ thống bằng phần mềm trên máy tính, các mô hình vật lý và bán vật lý với các phần mềm vi

xử lý để phân tích đánh giá và so sánh các kết quả đạt được giữa lý thuyết và thực nghiệm

1.5 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung của luận án được trình bày trong 5 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

Chương 3 Bộ điều khiển PID và giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống: 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: 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

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Giới thiệu

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

Tuỳ thuộc dạng năng lượng dòng chảy qua bánh xe công tác của turbine, người ta chia turbine thủy lực thành nhiều loại khác nhau Luận án sử dụng loại turbine Francis để khảo sát và nghiên cứu vì loại turbine này hiện nay rất phổ biến vì nó sử dụng được trong dải chiều cao cột áp rộng

2.2.2 Mô hình tuyến tính hóa

- Mô hình tuyến tính hóa lý tưởng:

w

w

1( )

1 0.5

m

TB

T s P

Hình 2.13 Mô hình hệ thống turbine thủy lực phi tuyến có tính tổn

thất của cột nước

Trong đó: V : Vận tốc của nước (pu); α : Góc mở cánh hướng

(%); H : Cột áp thủy lực tại cánh hướng (pu); H lp = f V p 2: Tổn thất cột áp tại turbine (pu);H0: Giá trị ban đầu của cột áp (pu); A t: Hệ số turbine; P m: Công suất cơ của turbine (pu); V NL: Vận tốc không tải (pu)

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

Mô hình động học của máy phát và hệ thống điện được xác định từ phương trình chuyển động quay của hệ turbine-máy phát và ở hai chế

3.1.1 Các thành phần của bộ điều khiển PID

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

3.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển PID, PI

-Bộ điều khiển sử dụng trong mạch vòng tốc độ là bộ điều khiển PID -Bộ điều khiển sử dụng trong mạch vòng điều khiển công suất sử dụng bộ điều khiển PI, kết hợp với khâu feedfoward (Kpp)

Hình 2.16 Mô hình máy phát

điện làm việc với tải độc lập Hình 2.17 Mô hình máy phát điện làm việc bám lưới

- Thông số của bộ điều khiển PID và PI trong các mạch vòng điều khiển được xác định theo phương pháp gán điểm cực (phụ lục 1, 2)

a, Hệ thống có các thông số ổn định

+ Đáp ứng của mạch vòng tốc độ:

Hình 3.7 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng PID tại điểm

làm việc (V0,α0,H0)+ Đáp ứng của mạch vòng điều khiển công suất

Hình 3.14 Đáp ứng của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều

khiển PI tại điểm làm việc (V0,α0,H0)

Kết quả mô phỏng cho thấy, trong điều kiện hệ thống có thông số ổn định, bộ điều khiển PID, PI có các thông số được xác định tại một điểm làm việc (V0,α0,H0)đảm bảo được yêu cầu điều khiển của hệ thống (thời gian đáp ứng nhanh, không dao động, không quá điều chỉnh, sai lệch tĩnh bằng 0)

b, Hệ thống có các thông số thay đổi trong quá trình làm việc

- Đáp ứng của mạch vòng công suất:

Hình 3.15 Đáp ứng của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều

khiển PI trong T/H1

+ Trường hợp 2 (T/H2): Công suất tải (hoặc giá trị đặt công suất) thay đổi, chiều cao cột áp tăng

- Đáp ứng mạch vòng tốc độ

Hình 3.9 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển

PID trong T/H 2

- Đáp ứng của mạch vòng công suất:

Hình 3.16 Đáp ứng của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều

khiển PI trong T/H2

+ Trường hợp 3 (T/H): Công suất tải (hoặc giá trị đặt công suất) thay đổi, chiều cao cột áp giảm

- Đáp ứng của mạch vòng tốc độ:

Hình 3.10 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển

PID trong T/H 3

- Đáp ứng của mạch vòng công suất

Hình 3.17 Đáp ứng của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều

khiển PI trong T/H3 Nhận xét:

Qua các kết quả mô phỏng các mạch vòng điều khiển khi sử dụng bộ điều khiển PID, PI cho hệ thống turbine thủy lực, có thể khẳng định

rằng: Khi hệ thống có các thông số đầu vào và đầu ra ổn định thì bộ

điều khiển PID, PI hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu về chất lượng Nhưng trong các trường hợp hệ thống có chiều cao cột áp và công suất phụ tải điện thay đổi trong phạm vi rộng (20%) thì với bộ điều khiển PID, PI (có các thông số cố định) đáp ứng của hệ thống dao động mạnh, có trường hợp mất ổn định

3.3 Giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống

3.3.1 Mục tiêu cần đạt

Nghiên cứu ứng dụng mạng nơron thích nghi kết hợp với ANFIS (Adaptive Network Fuzzy Inference System) nhận dạng trực tiếp hệ thống turbine thủy lực phi tuyến để thiết kế bộ điều khiển nơron thích nghi nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống trong các chế độ vận hành khác nhau

3.3.2 Cơ sở lý thuyết

Thực hiện giải pháp dựa trên các cơ sở lý thuyết:

- Cấu trúc và thuật toán huấn luyện mạng nơron nhân tạo

- Mạng nơron có cấu trúc dựa trên hệ thống suy luận mờ (ANFIS)

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

Kết hợp bộ nhận dạng ANFIS và một nơron có cấu trúc theo thuật toán PID (PI) nhằm tạo ra một bộ điều khiển thích nghi cho đối tượng là mô hình turbine thủy lực phi tuyến có tham số thay đổi (như chiều cao cột áp, công suất phụ tải điện) Ngoài chức năng nhận dạng, ANFIS còn ước lượng độ biến thiên của đáp ứng theo tín hiệu điều khiển làm cơ sở để tính toán các gradient của giải thuật cập nhật trực tuyến bộ trọng số của một nơron tuyến tính Tức là, thông số của

bộ điều khiển PID, PI sẽ được điều chỉnh thích nghi trong quá trình điều khiển nhờ giải thuật huấn luyện trực tuyến mạng nơron nhân tạo Cấu trúc mạch vòng điều khiển được xây dựng như hình 3.22

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

- Bộ nhận dạng trực tiếp đối tượng sử dụng mạng nơron có cấu trúc dựa trên hệ thống suy luận mờ ANFIS (4-4-4-4-1), với phương pháp huấn luyện kết hợp giữa lan truyền ngược và bình phương sai lệch nhỏ nhất

- Bộ điều khiển NNC là một nơron có cấu trúc theo thuật toán của bộ điều khiển PID (hoặc PI với mạch vòng điều khiển công suất) có cấu trúc như hình 3.25

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

Trong đó các trọng số wij của mạng nơron sẽ được cập nhật thích nghi trong quá trình làm việc của hệ thống theo phương pháp gradient descent (có sự kết hợp giữa tín hiệu sai lệch với tốc độ biến thiên của đáp ứng theo tín hiệu điều khiển (thông tin Jacobi được tính từ bộ nhận dạng ANFIS)) điều đó cũng có nghĩa là các thông số của bộ điều khiển PID nơron được cập nhật thích nghi theo sự thay đổi của đối tượng

Tín hiệu điều khiển:

( )( ) ( )+ ( )

a Đáp ứng của mạch vòng điều khiển tốc độ khi sử dụng NNC + Trường hợp 1 (Chiều cao cột áp ổn định, phụ tải thay đổi đột ngột)

- Đáp ứng mạch vòng tốc độ như hình 3.33:

Hình 0.1 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển

NNC trong T/H1

- Thông tin Jacobi và thông số bộ điều khiển NNC như hình 3.34:

Hình 0.2 Thông tin Jacobi và thông số K P , K I , K D của bộ điều khiển

NNC trong T/H1

+ Trường hợp 2: (Chiều cao cột áp tăng, phụ tải thay đổi đột ngột)

- Đáp ứng mạch vòng tốc độ như hình 3.35:

Hình 0.3 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng NNC trong

T/H2

- Thông tin Jacobi và thông số bộ điều khiển NNC như hình 3.36:

Hình 0.4 Thông tin Jacobi và thông số K P , K I , K D của bộ điều khiển

NNC trong T/H2

+ Trường hợp 3: (Chiều cao cột áp giảm, phụ tải thay đổi đột ngột)

- Đáp ứng mạch vòng tốc độ như hình 3.37

Hình 0.5 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển

NNC trong T/H3

- Thông tin Jacobi và thông số bộ điều khiển NNC như hình 3.38

Hình 0.6 Thông tin Jacobi và thông số K P , K I , K D của bộ điều khiển

NNC trong T/H3