Trong bài viết này, các tác giả thực hiện nghiên cứu xây dựng mô hình toán học của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 trên cơ sở giữ nguyên các bản chất phi tuyến của hệ thống để mô hình mô tả sát với thực tiễn. Dựa trên cơ sở mô hình toán học và sự hiểu biết về bản chất hệ thống, kinh nghiệm vận hành, quản lý nhà máy, các tác giả đề xuất một phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 sử dụng logic mờ. Hiệu quả của thuật toán đề xuất được thử nghiệm bằng mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.
Trang 1ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1 115
ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 ỨNG DỤNG LOGIC MỜ
PROPOSING AN IMPROVED CONTROL ALGORITHM FOR THE GOVERNANCE SYSTEM
OF SREPOK 3 HYDROPOWER PLANT USING FUZZY LOGIC SYSTEM
Trần Đức Sỹ 1 , Mai Đình Thành 1 , Lê Tiến Dũng 2*
1 Công ty Thủy điện Buôn Kuốp; syatd5@gmail.com, dinhthanh24@gmail.com
2 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; ltdung@dut.udn.vn
Tóm tắt - Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 nằm trong hệ thống thủy
điện bậc thang trên sông Srêpốk, góp phần quan trọng trong việc
cung cấp năng lượng điện cho lưới điện quốc gia Trong bài báo
này, các tác giả thực hiện nghiên cứu xây dựng mô hình toán học
của hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 trên cơ sở giữ
nguyên các bản chất phi tuyến của hệ thống để mô hình mô tả sát
với thực tiễn Dựa trên cơ sở mô hình toán học và sự hiểu biết về
bản chất hệ thống, kinh nghiệm vận hành, quản lý nhà máy, các
tác giả đề xuất một phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ
thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 sử dụng logic mờ
Hiệu quả của thuật toán đề xuất được thử nghiệm bằng mô phỏng
trên phần mềm Matlab/Simulink Kết quả cho thấy đặc tính khởi
động của hệ thống đã được cải thiện tốt, đáp ứng nhanh chóng
công suất đặt
Abstract - Srepok 3 Hydropower Plant is located on the terraced
hydropower system on the Srepok river, contributing significantly
to the supply of electricity to the national grid In this paper, the authors have conducted a study to construct mathematical model
of the governance system of the Srepok 3 hydropower plant on the basis of maintaining the nonlinear nature of the system so that the model is close to reality Based on a mathematical model and an understanding of the system, operation experience and plant management, the authors propose a method for improving the control algorithm for the governance system of Srepok 3 hydropower plant using fuzzy logic The effect of the proposed algorithm is tested through simulation on the Matlab/Simulink The results show that the startup characteristic of the system has been improved, responding quickly to the setup power
Từ khóa - nhà máy thủy điện; hệ thống điều tốc; logic mờ; mô hình
hóa; mô phỏng Key words - hydropower plant; governance system; fuzzy logic; modeling; simulation
1 Đặt vấn đề
Cho đến nay, các nhà máy thủy điện vẫn đóng một vai
trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng điện trên
toàn cầu Theo thống kê, lượng điện năng do các nhà máy
thủy điện sản xuất và cung ứng chiếm khoảng 19% tổng
năng lượng điện của toàn cầu [1] Tại Việt Nam, sau hơn
30 năm đổi mới, thủy điện đóng vai trò vô cùng to lớn trong
sự phát triển kinh tế của đất nước, là một cấu phần quan
trọng của ngành điện đảm bảo cung ứng điện cho quá trình
hội nhập kinh tế quốc tế Theo quy hoạch, đến năm 2020,
tổng công suất các nguồn thủy điện sẽ đạt khoảng 21.600
MW, khoảng 24.600 MW vào năm 2025 và 27.800 MW
vào năm 2030 Điện năng sản xuất từ nguồn thủy điện
chiếm tỷ trọng tương ứng là 29,5 - 20,5% và 15,5% Như
vậy, có thể nói, đến thời điểm hiện tại và cả tương lai gần,
thủy điện vẫn là một trong ba nguồn năng lượng chính đáp
ứng nhu cầu điện quốc gia [2]
Với một vai trò quan trọng kể trên, việc nghiên cứu
nâng cao chất lượng hoạt động của các nhà máy thủy điện
luôn được các tổ chức năng lượng, các công ty trong lĩnh
vực điện năng, các trường đại học và các nhà khoa học quan
tâm thực hiện Trong nhà máy thủy điện thì hệ thống điều
tốc đóng vai trò quan trọng Trên thế giới đã có nhiều công
trình nghiên cứu đi trước đề xuất các giải pháp khác nhau
để mô hình hóa và nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc
Trong bài báo [3], một số mô hình toán học khác nhau của
các loại tua-bia thủy lực đã được đề xuất cho mục đích
nghiên cứu và thiết kế các thuật toán điều khiển Một công
cụ mô phỏng cho các nhà máy thủy điện đã được xây dựng
dựa trên phần mềm Matlab/Simulink và đã được trình bày
trong bài báo [4] Bên cạnh đó, một thuật toán điều khiển
PI kết hợp với logic mờ đã được đề xuất để nâng cao chất lượng điều khiển cho nhà máy thủy điện ở Thổ Nhĩ Kỳ [5] Ngoài ra, trong các nghiên cứu [6 - 9], các kỹ thuật, thuật toán điều khiển hiện đại đã được áp dụng để đề xuất các phương pháp mô hình hóa và điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện cho các trường hợp cụ thể
Tại Việt Nam, cũng đã có các công trình nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Một số công trình nghiên cứu có thể kể đến như đề xuất thuật điều khiển bền vững H∞ [10] để điều khiển ổn định tốc độ tua-bin nhưng lại xem hệ thống là tuyến tính; đề xuất phương án điều khiển có xét đến hiệu ứng đàn hồi của cột nước trong ống áp lực [11] Tuy nhiên, các phương pháp này đều đơn giản hóa mô hình toán học của hệ thống và xem hệ là tuyến tính
Trong bài báo này, các tác giả thực hiện nghiên cứu xây dựng mô hình toán học của hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 trên cơ sở giữ nguyên các bản chất phi tuyến của hệ thống để mô hình mô tả sát với thực tiễn Dựa trên cơ
sở mô hình toán học và sự hiểu biết về bản chất hệ thống, kinh nghiệm vận hành, quản lý nhà máy, các tác giả đề xuất một phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 sử dụng logic mờ Các mô phỏng để kiểm chứng sự hiệu quả của phương pháp đề xuất được thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink
Các phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: Mục
2 sẽ trình bày về xây dựng mô hình toán học của hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3; Phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 sử dụng logic mờ được trình bày trong Mục 3; Chi tiết của các thành phần trong bộ điều khiển mờ được
Trang 2116 Trần Đức Sỹ, Mai Đình Thành, Lê Tiến Dũng trình bày ở Mục 4; Mục 5 trình bày các kết quả mô phỏng
Cuối cùng, các kết luận của bài báo được trình bày trong
Mục 6
2 Mô hình toán học của hệ thống điều tốc Nhà máy
Thủy điện Srêpốk 3
Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 nằm trong hệ thống thủy
điện bậc thang trên sông Srêpốk có diện tích lưu vực 9.410
km2, với hồ chứa có dung tích toàn bộ là 218.99 triệu m3,
trong đó dung tích hữu ích là 62.85 triệu m3, hồ chứa làm
nhiệm vụ điều tiết ngày, được tích nước từ ngày 11/5/2010
Công suất lắp đặt của nhà máy là 220 MW, sản lượng điện
trung bình hàng năm là 1.060 tỉ kwh Nhà máy Thủy điện
Srêpốk 3 góp phần quan trọng trong việc cung cấp năng
lượng điện cho lưới điện quốc gia
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc các phần tử thủy lực Nhà máy Thủy điện
Srêpốk 3
Mô hình phi tuyến của Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 sẽ
được xây dựng bao gồm các thành phần: Cột nước, tua-bin,
cánh hướng và tải máy phát Do đường ống áp lực ngắn nên
các tác giả nghiên cứu đối tượng không có sự đàn hồi của
cột nước trong đường ống áp lực
2.1 Các phương trình động học phi tuyến của hệ thống
- Phương trình động học đường hầm [12]:
1
l w
dU
- Phương trình động học đường ống áp lực [12]:
2 2
2
L U
- Động học của tua-bin [12]:
( )1 2
- Công suất cơ [13]:
P =A U−U H−D G w (5)
- Chuyển động của tua-bin [12]:
m load
- Động học của van hướng [14]:
g
dG
2.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều tốc
▪ Mô hình cột nước và tua-bin (Hình 2)
Hình 2 Mô hình cột nước và tua-bin
▪ Mô hình van hướng, cột nước và tua-bin (Hình 3)
Hình 3 Mô hình van hướng, cột nước và tua-bin
▪ Mô hình tải máy phát (Hình 4)
Hình 4 Mô hình tải máy phát
▪ Mô hình tổng thể của hệ thống điều tốc (Hình 5)
Hình 5 Mô hình tổng thể của hệ thống điều tốc
Trang 3ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1 117
3 Đề xuất cải thiện thuật toán bộ điều khiển Nhà máy
Thủy điện Srêpốk 3
3.1 Bộ điều khiển hiện tại của Nhà máy Srêpốk 3
Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 sử dụng bộ điều khiển
PID để điều khiển tổ máy và có 4 chế độ vận hành, mỗi chế
độ vận hành sẽ có các bộ PID khác nhau, sơ đồ nguyên lý
điều khiển được thể hiện ở Hình 6
Hình 6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc
3.2 Cải thiện thuật toán điều khiển ở chế độ khởi động
Hình 7 Sơ đồ bộ điều khiển có thêm bộ điều khiển mờ
4 Thiết kế bộ điều khiển mờ
4.1 Cấu trúc bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ có hai biến trạng thái đầu vào và một
biến đầu ra Ở đây ta chọn hai biến trạng thái vào là: Sai
lệch giữa tốc độ đặt và tốc độ phản hồi “E”, tốc độ biến
thiên của tín hiệu sai lệch tốc độ “dE’” và biến đầu ra “U”
là đại lượng bù vào tín hiệu điều khiển độ mở cánh hướng
4.2 Định nghĩa tập mờ
- Định nghĩa các biến ngôn ngữ vào ra:
Biến ngôn ngữ vào là lượng sai lệch tốc độ điều khiển
“E” và tốc độ biến thiên của tín hiệu sai lệch tốc độ “dE”;
Biến ngôn ngữ ra “U” là đại lượng bù vào tín hiệu điều
khiển độ mở cánh hướng;
- Xác định miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ vào ra:
E = [-0,1; 0,1]; dE = [-0,1; 0,1]; U = [-1; 1];
- Số lượng tập mờ: được chọn 5 giá trị để điều khiển
nâng cao chất lượng;
▪ E = NB NM ZE PM PB;
▪ dE = NB NM ZE PM PB;
▪ U = NB NM ZE PM PB;
Các hàm liên thuộc được chọn cho biến ngôn ngữ vào
ra như Hình 8, Hình 9 và Hình 10
Hình 8 Hàm liên thuộc cho sai lệch E
Hình 9 Hàm liên thuộc cho sai lệch dE
Hình 10 Hàm liên thuộc cho đầu ra U
4.3 Xây dựng luật hợp thành
Bảng 1 Luật mờ của bộ điều khiển mờ
Sai lệch tích phân tốc độ (dE)
Với 5 tập mờ của mỗi biến đầu vào, ta xây dựng được 5x5 = 25 luật điều khiển
4.4 Chọn luật hợp thành
Từ các luật điều khiển trên ta chọn luật hợp thành MAX-MIN, luật mờ điều khiển dưới dạng Ruler (Hình 11)
Hình 11 Luật mờ điều khiển dưới dạng Ruler
4.5 Giải mờ
Giải mờ theo phương pháp trọng tâm Kết quả hợp
thành và giải mờ được thể hiện ở Hình 12
Trang 4118 Trần Đức Sỹ, Mai Đình Thành, Lê Tiến Dũng
Hình 12 Giải mờ
5 Kết quả mô phỏng
5.1 Mô phỏng hệ thống điều tốc với thực trạng hiện tại
của Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3
- Mô phỏng bộ điều PID khiển hiện tại (Hình 13)
Hình 13 Mô phỏng bộ điều khiển hiện tại
▪ Kết quả mô phỏng chế độ khởi động
Kết quả đặc tính khởi động của tổ máy sát với mô hình
thực tế hiện tại của Nhà máy Srêpốk 3, với thời gian khởi
động khoảng 60 s như Hình 14
Hình 14 Kết quả mô phỏng đặc tính khởi động
▪ Kết quả mô phỏng chế độ khởi động, hòa lưới và
mang tải (Hình 15)
Hình 15 Kết quả mô phỏng chế độ khởi động, hòa lưới
- Đặc tính khởi động, hòa lưới và mang tải thực tế của Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 (Hình 16)
Hình 16 Đặc tính thực tế Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3
5.2 Mô phỏng với thuật toán điều kiển đề xuất
- Mô phỏng bộ điều khiển đề xuất (Hình 17)
Hình 17 Mô phỏng bộ điều khiển trên Matlab-Simullink
▪ Kết quả mô phỏng chế độ khởi động
Kết quả mô phỏng (Hình 18) và so sánh với kết quả khi
sử dụng bộ điều khiển PID (Hình 19) Kết quả trên Hình
19 cho thấy bộ điều khiển PID + FUZZY mang lại đáp ứng tốt hơn, giúp cho tốc độ nhanh chóng đạt đến giá trị đặt
Hình 18 Kết quả mô phỏng đặc tính tốc độ khi
sử dụng bộ điều khiển PID+FUZZY
Trang 5ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1 119
Hình 19 So sánh kết quả đặc tính tốc độ khi khởi động tổ máy
sử dụng bộ PID và PID+FUZZY
▪ So sánh kết quả đặc tính tốc độ khi khởi động, hòa lưới
và mang tải khi sử dụng bộ PID và PID+FUZZY (Hình 20)
Kết quả cho thấy trường hợp sử dụng thuật toán điều khiển
PID + FUZZY do bài báo đề xuất mang lại kết quả tốt hơn,
hệ thống đáp ứng nhanh chóng công suất mong muốn,
không có độ quá điều chỉnh
Hình 20 Kết quả đặc tính tốc độ khi khởi động, hòa lưới và
mang tải khi sử dụng bộ PID và PID+FUZZY
6 Kết luận
Bài báo đã xây dựng được mô hình toán học các phần
tử của Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3, trên cơ sở mô hình đã
xây dựng mô phỏng được chế độ khởi động thực tế của Nhà
máy và đề xuất cải thiện thuật toán điều khiển ứng dụng
logic mờ để cải thiện chế độ khởi động của tổ máy
Từ kết quả mô phỏng ở chế độ khởi động tổ máy, khi
sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp FUZZY cho ta kết quả tốt hơn so với khi chỉ sử dụng bộ điều khiển PID Cụ thể là thời gian khởi động tổ máy nhanh hơn khoảng 38 s so với
60 s khi sử dụng bộ điều khiển PID
Như vậy, bộ điều khiển mới cho kết quả tốt hơn so với
bộ điều khiển cũ, đáp ứng nhanh chóng công suất khi có yêu cầu nhằm góp phần tham gia vào việc ổn định cho hệ thống điện quốc gia Với kết quả trên, nghiên cứu này có khả năng ứng dụng đưa vào thực tiễn tại Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Paish, Oliver., “Small Hydro Power: Technology and Current Status”,
Renewable and Sustainable Energy Reviews, 6.6, 2002, pp 537-556 [2] Nguyễn Sơn, Định vị vai trò của thủy điện, PetroTimes, 07/04/2017
[3] Demello, F P., et al., “Hydraulic-turbine and Turbine
Control-Models for System Dynamic Studies”, IEEE Transactions on Power Systems, 7.1, 1992, pp 167-179
[4] Fang, Hongqing, et al., “Basic Modeling and Simulation Tool for Analysis of Hydraulic Transients in Hydroelectric Power Plants”,
IEEE Transactions on Energy Conversion, 23.3, 2008 pp 834-841
[5] Çam, Ertuğrul., “Application of Fuzzy Logic for Load Frequency
Control of Hydroelectrical Power Plants”, Energy Conversion and Management, 48.4, 2007, pp 1281-1288
[6] Lansberry, John E., and L Wozniak., “Adaptive Hydrogenerator
Governor Tuning with A Genetic Algorithm”, IEEE Transactions
on Energy Conversion, 9.1, 1994, pp 179-185
[7] Sarasúa, José Ignacio, et al., “Dynamic Response and Governor Tuning
of A Long Penstock Pumped-Storage Hydropower Plant Equipped with
A Pump-Turbine and A Doubly Fed Induction Generator”, Energy Conversion and Management, 106, 2015, pp 151-164
[8] Qian, D., and L Yu., “Governor Design for Hydropower Plants by
Intelligent Sliding Mode Variable Structure Control”, Journal of AI and Data Mining, 4.1, 2016, pp 85-92
[9] Choo, Yin Chin, Kashem M Muttaqi, and Michael Negnevitsky.,
“Modelling of Hydraulic Governor-Turbine for Control
Stabilisation”, ANZIAM Journal, 49, 2008, pp 681-698
[10] Nguyễn Văn Dũng, Điều khiển ổn định tốc độ turbine bằng thật điều khiển bền vững H∞, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Bách
khoa - Đại học Đà Nẵng, 2016
[11] Đoàn Quang Vinh, Lê Đức Dũng, “Điều khiển LQ cho tốc độ tuabin
nhà máy thủy điện”, Tạp chí khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, Số 6(35), 2009, trang 22-29
[12] Prabha Kundur, Power System Stability and Control, McGraw-Hill,
New York, 1993
[13] F P de Mello (Chairman) and R J Koesslerwith contributions from
J Agee.P M Anderson, J H Doudna, J H Fish 111, P A L Hamm, P Kundur D C Lee, G J Rogers and C Taylor,
“Hydraulic Turbine and Turbine Control Models for System
Dynamic Studies”, Transactions on Power Systems, Vol 7, No 1,
February 1992, pp 167-179
[14] Lê Đình Tâm, Nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Buôn Kuốp ứng dụng điều khiển thích nghi, Luận văn thạc sĩ kỹ
thuật, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, 2016.
(BBT nhận bài: 26/4/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 18/5/2018)