Luận án tiến sĩ nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển tốc độ tuabin thuỷ điện liên kết vùng trên cơ sở logic mờ và mạng

- Nghiên cứu quy trình vận hành nhà máy và hệ thống điện, nghiên cứu các dạng sự cố của tổ máy và sự ảnh hưởng của các thông số như: Sự cố, chế độ vận hành của tổ máy, công suất, tần số

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

-

NGUYỄN DUY TRUNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG TRÊN CƠ SỞ LOGIC MỜ VÀ

MẠNG NƠRON NHÂN TẠO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

-

NGUYỄN DUY TRUNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG TRÊN CƠ SỞ LOGIC MỜ VÀ

MẠNG NƠRON NHÂN TẠO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số ngành: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 GS.TS Lê Hùng Lân

2 PGS.TS Nguyễn Văn Tiềm

HÀ NỘI, 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là thành quả công trình nghiên cứu của riêng tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh Các kết quả được viết chung với các tác giả khác đều được sự đồng ý của đồng tác giả trước khi đưa vào luận án Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình làm luận án, Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến tập thể hướng dẫn GS.TS Lê Hùng Lân, PGS.TS Nguyễn Văn Tiềm, đã trực tiếp định hướng và hướng dẫn luận án

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tập thể bộ môn Điều khiển học, khoa Điện - Điện tử, phòng Sau đại học, trường Đại học Giao thông Vận tải, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện đề tài luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các bạn đồng nghiệp tại khoa Điều khiển

và Tự động hóa đặc biệt là Ban giám hiệu Trường Đại học Điện lực nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi được yên tâm học tập, nghiên cứu

Cuối cùng tôi muốn gửi lời cảm ơn thân thương nhất tới gia đình nhỏ thân yêu của tôi, là nơi tôi luôn nhận được sự ủng hộ động viên, khích lệ kịp thời, và luôn đồng hành kề vai sát cánh bên tôi để tôi có thể vững tâm hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu luận án

Tác giả

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

Lời cam đoan i

Lời cám ơn ii

Mục lục iii

Danh mục kí hiệu và từ viết tắt vi

Danh mục các bảng viii

Danh mục các hình ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG ĐỂ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ LƯỚI 8

1.1 Giới thiệu về thủy điện Việt Nam 8

1.2 Hệ thống tự động hóa trong nhà máy thủy điện 11

1.3 Bài toán điều khiển tần số và công suất tác dụng trong hệ thống điện 13 1.4 Bài toán điều khiển tần số phát điện khi có liên kết vùng 18

1.5 Tổng quan các nghiên cứu 20

1.6 Chọn tên đề tài và hướng nghiên cứu 30

1.7 Mục tiêu luận án 31

1.8 Kết luận chương 1 32

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ THỐNG TUABIN MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG 34

2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống thủy điện đơn vùng 34

2.1.1 Mô hình đường ống áp lực 35

2.1.2 Mô hình hệ thống servo điện - thủy lực 35

2.1.3 Mô hình tuabin thủy lực 36

2.1.4 Mô hình máy phát điện 37

2.1.5 Khảo sát động học hệ thống 39

2.2 Mô hình hệ thống thủy điện liên kết hai vùng 41

2.3 Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ tuabin máy phát thủy điện liên kết hai vùng 46

2.4 Kết luận chương 2 49

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG TRÊN CƠ SỞ LOGIC MỜ ĐỂ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TẢI 50

3.1 Bộ điều khiển mờ luật PID 50

3.2 Các giải thuật tối ưu hóa tham số bộ điều khiển 53

3.2.1 Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO 53

3.2.2 Thuật toán di truyền GA 56

3.2.3 Thuật toán tiến hóa vi phân DE 58

3.3 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng để ổn định tần số khi tải thay đổi 60

3.3.1 Thiết kế bộ điều khiển FLC1 và FLC2 loại PI 61

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển FLC1 và FLC2 loại PD 64

3.3.3 Tối ưu hóa các tham số bộ điều khiển mờ 65

3.3.4 Mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng 66

3.4 Kết luận chương 3 76

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG ĐỂ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TẢI 78

4.1 Đặt vấn đề 78

4.2 Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo để tổng hợp bộ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết vùng 79

4.2.1 Những khái niệm cơ bản về mạng nơ ron nhân tạo 79

4.2.2 Các phương pháp huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo 81

4.3 Các chiến lược điều khiển tốc độ tuabin trong bài toán điều khiển tần số

hệ thống thủy điện ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo 86

4.3.1 Chiến lược điều khiển tần số - tải sử dụng bộ điều khiển NARMA-L2 86

4.3.2 Bộ điều khiển LFC dựa trên MRAC 90

4.3.3 MPC ứng dụng ANN cho LFC 91

4.4 Các kết quả mô phỏng 94

4.4.1 Điều khiển thủy điện liên kết hai vùng sử dụng bộ điều khiển nơ ron 94 4.4.2 Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển NARMA và MRAC 95

4.4.3 Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển MPC 100

4.5 Kết luận chương 4 104

CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH TỐC ĐỘ TUABIN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 105

5.1 Đặt vấn đề 105

5.2 Tổng hợp và phân tích các giải pháp điều khiển cho nhà máy thủy điện đơn vùng và liên kết vùng 106

5.2.1 Sơ đồ mô phỏng nhà máy thủy điện đơn vùng ứng dụng bộ điều khiển mờ và mạng nơ ron 106

5.2.2 Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng để ổn định tần số tải 108

5.3 Kết luận chương 5 128

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 130

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 131

TÀI LIỆU THAM KHẢO 132

PHỤ LỤC 144

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Ý nghĩa

i : Vùng thứ i

[pu] : Đơn vị tương đối

∆ Ptie,i : Sai lệch của công suất đường dây, pu

∆fi : Biến thiên của tần số lưới điện, pu

∆PD,i : Lượng biến thiên công suất tải, pu

∆ω : Sai lệch tốc độ rotor máy phát [pu]

ACE1 : Sai lệch điều khiển vùng 1

ACE2 : Sai lệch điều khiển vùng 2

ACEi : Sai lệch điều khiển vùng i

f : Tần số thực của lưới điện, Hz

ag : Gia tốc trọng trường [m/s2 ]

Di : Hệ số tắt dần dao động của phụ tải,

FLC : Fuzzy logic control

fn : Tần số danh định của lưới điện, fn = 50Hz

Hi : Hằng số quán tính của máy phát thứ i

Pmi : Công suất cơ đầu vào tương ứng với máy phát thứ i,

Ri : Hệ số điều chỉnh của máy phát thứ i, pu

Tg,i : Hằng số thời gian của bộ điều tốc, [s]

Tw,i : Hằng số thời gian khởi động của nước cho tuabin thứ i [s]

Twp : Hằng số thời gian khởi động của nước với tải định mức trong

đường ống áp lực [s]

Tp : Hằng số thời gian của van phụ và secvo, [s]

δi : Góc công suất của máy phát thứ i, rad

ρ : Trọng lượng riêng của nước [kg/m3]

ω0 : Tốc độ góc của máy phát điện tại thời điểm làm việc, rad/s

ωi : Tốc độ của máy phát thứ i, rad/s

Kí hiệu Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

PSO Particle swarm optimization Tối ưu hóa bầy đàn

NARMA-L2 Nonlinear Autoregressive -

Moving Average Điều khiển hồi qui

MRAC Model reference adaptive

control

Điều khiển thích nghi với mô hình mẫu

MPC Model predictive control Điều khiển dự báo

ANN Artificial Neural Network Mạng nơ ron nhân tạo

GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền

DE Differential Evolution Tiến hóa vi phân

AGC Automatic generation control Điều khiển tự động máy phát IAE Integral of absolute error Tích phân sai số tuyệt đối

ITAE Integral of time multiplied by

absolute error

Tích phân tích thời gian với sai

số tuyệt đối ISE Integral of squared error Tích phân bình phương sai số

ITSE Integral of time multiplied by

squared error

Tích phân tích thời gian với bình phương sai số

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thời gian tối thiểu duy trì vận hành phát điện tương ứng với các dải

tần số của hệ thống điện [3] 14

Bảng 1.2 Tổng hợp các nghiên cứu gần đây về LFC/AGC 27

Bảng 3.1 Bảng luật mờ đề xuất cho bộ điều khiển mờ kiểu PI 63

Bảng 4.1 So sánh ba phương pháp học của mạng nơ ron nhân tạo 83

Bảng 4.2 Tham số lựa chọn cho mô hình mẫu 88

Bảng 4.3 Kết quả so sánh dựa trên một số tiêu chuẩn điều khiển trong trường hợp mô phỏng đầu tiên 99

Bảng 4.4 So sánh chất lượng các bộ điều khiển dựa trên hai tiêu chuẩn điều khiển IAE và ISE cho trường hợp mô phỏng thứ hai 100

Bảng 4.5 Kết quả so sánh dựa trên một số tiêu chí điều khiển 103

Bảng 5.1 So sánh các bộ điều khiển dựa trên chỉ tiêu chất lượng ITAE cho đáp ứng sai lệch tốc độ máy phát 127

Bảng 5.2 So sánh các bộ điều khiển dựa trên chỉ tiêu chất lượng ITAE cho độ lệch công suất trao đổi đường dây giữa hai vùng 128

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Mô hình nhà máy thủy điện 10

Hình 1.2 Hệ thống tự động hóa cho nhà máy thủy điện 11

Hình 1.3 Sơ đồ khối nhà máy thủy điện đơn vùng 12

Hình 1.4 Đặc tính tĩnh của tuabin 16

Hình 1.5 Mô hình hệ thống điều khiển tuabin thủy điện liên kết hai vùng 19

Hình 1.6 Hệ thống LFC 25

Hình 1.7 Tiến trình thực hiện luận án 32

Hình 2.1 Mô hình nhà máy thủy điện 34

Hình 2.2 Mô hình chức năng hệ thống thủy điện đơn vùng 35

Hình 2.3 Mô phỏng đáp ứng hàm quá độ của bộ điều tốc khi Tg thay đổi 36

Hình 2.4 Mô phỏng đặc tính làm việc của tuabin khi Tw thay đổi 37

Hình 2.5 Mạch vòng điều khiển tần số 38

Hình 2.6 Mô hình máy phát điện 38

Hình 2.7 Đáp ứng quá độ của đặc tính máy phát - phụ tải 39

Hình 2.8 Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện đơn vùng 40

Hình 2.9 Đáp ứng các khâu của sơ đồ hệ thống thủy điện đơn vùng 40

Hình 2.10 Hệ thống thủy điện liên kết hai vùng 41

Hình 2.11 Mô hình thủy điện liên kết hai vùng khi chưa thiết kế bộ điều khiển cho hai khu vực 43

Hình 2.12 Mô hình mô phỏng hệ thống thủy điện liên kết hai vùng 43

Hình 2.13 (a) Vùng 1 44

Hình 2.13 (b) Vùng 2 45

Hình 2.14 Mô hình cấu trúc hệ thống điều khiển tuabin thủy điện liên kết hai vùng 46

Hình 2.15 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thủy điện liên kết hai vùng 48

Hình 3.1 Bộ điều khiển mờ theo luật PID dùng thuật toán chỉnh định

PID mờ 52

Hình 3.2 Hệ thống điều khiển mờ theo luật PD 52

Hình 3.3 Hệ thống điều khiển theo luật PI 53

Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán điển hình cho giải thuật tối ưu PSO 55

Hình 3.5 Giải bài toán dùng GA 56

Hình 3.6 Lưu đồ giải thuật di truyền 57

Hình 3.7 Sơ đồ chức năng của mạng lưới thủy điện liên kết hai khu vực 60

Hình 3.8 Kiến trúc bộ điều khiển logic mờ loại PI điển hình cho bộ điều khiển 62

Hình 3.9 Cấu trúc bộ điều khiển logic mờ kiểu PD kết hợp giải thuật tối ưu PSO 64

Hình 3.10 Cấu trúc bộ điều khiển logic mờ kiểu PI kết hợp giải thuật tối ưu PSO 65

Hình 3.11 Thông số của bộ điều khiển PID 66

Hình 3.12 Kiến trúc mờ kiểu PI xây dựng trên MATLAB 67

Hình 3.13 Xây dựng các hàm liên thuộc cho đầu vào sai lệch E(t) 68

Hình 3.14 Xây dựng các hàm liên thuộc cho đầu vào đạo hàm của sai lệch DE(t) 68

Hình 3.15 Mờ hóa đầu ra của bộ điều khiển mờ kiểu PI 69

Hình 3.16 Quan hệ vào/ra của bộ điều khiển mờ kiểu PI đã đề xuất 69

Hình 3.17 Kết quả mô phỏng cho một nhà máy thủy điện đơn vùng 71

Hình 3.18 So sánh ba bộ điều khiển FLC cho trường hợp nhà máy thủy điện đơn vùng 71

Hình 3.19 Đáp ứng sai lệch tốc độ máy phát đồng bộ cho nhà máy đơn vùng sử dụng bộ điều khiển logic mờ, khi tải thay đổi 4% 72

Hình 3.20 Sự hội tụ của thuật toán PSO 74

Hình 3.21 Cập nhật các hệ số chỉnh định bằng thuật toán PSO 74

Hình 3.22 So sánh ba bộ điều khiển mờ ứng dụng các thuật toán tối ưu hóa sinh học khác nhau (PSO, GA và DE) 75

Hình 3.23 Các hàm mục tiêu trong hệ thống thủy điện liên kết hai vùng áp dụng bộ điều khiển logic mờ ứng dụng ba thuật toán tối ưu hóa 76

Hình 4.1 Học có giám sát 81

Hình 4.2 Học củng cố 82

Hình 4.3 Học không có giám sát 83

Hình 4.4 Mạng Perceptron 84

Hình 4.5 Kiến trúc mạng nơ ron 85

Hình 4.6 Mô hình mô phỏng NARMA sử dụng ANN 86

Hình 4.7 Mô hình mẫu xây dựng trên Simulink 87

Hình 4.8 Đáp ứng vào/ra của mô hình mẫu với một trường hợp thay đổi phụ tải 89

Hình 4.9 Mô hình mô phỏng thủy điện liên kết 2 vùng sử dụng bộ điều khiển NARMA - L2 dựa trên ANN 89

Hình 4.10 Cấu trúc điều khiển của mô hình MRAC áp dụng ANN 91

Hình 4.11 Mô hình MPC dựa trên ANN được áp dụng cho vùng điều khiển thứ i 91

Hình 4.12 Cấu trúc điều khiển của các hệ thống thủy điện áp dụng bộ điều khiển LFC 93

Hình 4.13 Quá trình huấn luyện của hai bộ điều khiển LFC dựa trên ANN - kết quả điển hình 96

Hình 4.14 Kết quả mô phỏng cho kịch bản mô phỏng đầu tiên 97

Hình 4.15 Sai lệch công suất trao đổi trên đường dây trong trường hợp mô phỏng đầu tiên 98

Hình 4.16 Hàm mục tiêu cho kịch bản mô phỏng đầu tiên 98

Hình 4.17 Kết quả mô phỏng cho kịch bản thứ hai 99

Hình 4.18 Các hàm mục tiêu cho trường hợp mô phỏng thứ hai 100

Hình 4.19 Quá trình huấn luyện của hai bộ điều khiển LFC dựa trên ANN - kết quả điển hình 101

Hình 4.20 Kết quả mô phỏng nhà máy thủy điện liên kết hai khu vực 102

Hình 4.21 Công suất trao đổi trên đường dây và hàm mục tiêu (a) công suất liên kết; (b) Hàm mục tiêu 103

Hình 5.1 Mô hình các bộ điều khiển ứng dụng cho đơn vùng 106

Hình 5.2 Đáp ứng sai lệch tốc độ máy phát đồng bộ cho hệ thống điện đơn vùng sử dụng các bộ điều khiển thông minh đã đề xuất 107

Hình 5.3 So sánh đáp ứng sai lệch tốc độ máy phát khi sử dụng các bộ điều khiển ứng dụng logic mờ, mạng nơ ron và PID - đơn vùng 107

Hình 5.4 Mô hình các bộ điều khiển ứng dụng cho liên kết 2 vùng 108

Hình 5.5 Thay đổi tải cho mỗi vùng 109

Hình 5.6 Đáp ứng độ lệch tốc độ cho vùng 1 sử dụng các bộ điều khiển tốc độ tuabin khác nhau 110

Hình 5.7 Đáp ứng độ lệch tốc độ cho vùng 2 sử dụng các bộ điều khiển tốc độ tuabin khác nhau 111

Hình 5.8 Tín hiệu điều khiển vị trí van ở vùng 1 112

Hình 5.9 Tín hiệu điều khiển vị trí van vùng 2 113

Hình 5.10 Độ lệch công suất cơ cho khu vực 1 114

Hình 5.11 Độ lệch công suất cơ cho khu vực 2 115

Hình 5.12 Độ lệch tốc độ cho khu vực 1 116

Hình 5.13 Độ lệch tốc độ cho khu vực 2 117

Hình 5.14 Độ lệch công suất trên đường dây của khu vực 1,2 119

Hình 5.15 Sai lệch vùng điều khiển khu vực 1 121

Hình 5.16 Sai lệch tín hiệu vùng ACE1 - giá trị tuyệt đối 123

Hình 5.17 Chỉ tiêu ITAE cho tín hiệu sai lệch điều khiển vùng 1 124

Hình 5.18 Sai lệch vùng điều khiển khu vực 2 125

Hình 5.19 Sai lệch tín hiệu vùng ACE 2- giá trị tuyệt đối 126

Hình 5.20 Chỉ tiêu ITAE cho tín hiệu sai lệch điều khiển vùng 2 127

Trong hệ thống điện hiện nay bao gồm các nguồn phát điện khác nhau như: nhiệt điện, thủy điện, năng lượng mặt trời, năng lượng gió v.v , trong

đó năng lượng thủy điện đang chiếm khoảng 23% công suất phát vào lưới điện Quốc gia

Thủy điện là nguồn điện được phát điện thông qua việc biến đổi năng lượng

từ nước dưới dạng thế năng biến đổi thành cơ năng làm quay tuabin - máy phát để phát ra điện cung cấp cho phụ tải Tuy nhiên, trong quá trình vận hành phụ tải luôn gặp những biến động như: sự cố lưới điện, thay đổi công suất, tần số, chế độ làm việc của phụ tải và tổ máy, dẫn đến sự mất ổn định của hệ thống điện Do vậy, nhiệm vụ của bộ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện là phải giữ sao cho công suất

và tần số lưới điện luôn ổn định khi tải thay đổi

Ở chế độ phát điện độc lập trong toàn bộ quá trình phát điện việc điều chỉnh công suất và tần số ổn định khi tải thay đổi là nhiệm vụ chính của tổ máy phát thủy điện Tuy nhiên, trong quá trình vận hành tổ máy thì công suất, tần số lưới luôn thay đổi dẫn đến làm mất ổn định hệ thống điện Do vậy, bộ điều tốc

có nhiệm vụ tham gia điều khiển đóng/mở cánh hướng để giữ cho công suất, tần

số lưới ổn định

Với các nhà máy thủy điện nhỏ hiện nay đang thực hiện chế độ vận hành phát độc lập và phát khu vực cung cấp cho phụ tải, trong quá trình vận hành khi tải thay đổi, chiều cao cột áp thay đổi cùng tổn thất đường ống dẫn đến thay đổi tốc độ, tần số máy phát Việc nghiên cứu để ổn định công suất, tần số máy phát ở chế độ phát độc lập đã được nhiều nhà nghiên cứu, chuyên gia trong, ngoài nước quan tâm và có những công trình nghiên cứu tương đối

cơ bản và hoàn thiện

Đối với các nhà máy liên kết đa vùng trên thế giới một số nhà khoa học

đã quan tâm nghiên cứu và đạt những kết quả bước đầu trên cơ sở ứng dụng việc tính toán mềm

Ở nước ta hiện nay, việc xây dựng hệ thống lưới điện thông minh đòi hỏi phải tích hợp nhiều nguồn năng lượng đa dạng để đảm bảo an ninh năng lượng Quốc gia, do vậy việc kết nối các nguồn điện và nhà máy thủy điện là quan trọng

và cần thiết Tuy nhiên, bài toán nghiên cứu về ổn định tần số tải trong thủy điện liên kết vùng chưa được các nhà khoa học trong nước đề cập giải quyết

Bài toán này sẽ được NCS tập trung giải quyết trong luận án với đề tài:

“Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển tốc độ tuabin thuỷ điện liên kết vùng trên cơ sở logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo”

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thực tế quy trình công nghệ phương thức vận hành của hệ thống tự động hóa thủy điện

Nghiên cứu xây dựng và khảo sát mô hình mô phỏng của tuabin máy phát thủy lực trên cơ sở công cụ mô phỏng Matlab/Simulink với các tham số thực tế của tổ máy, sử dụng các thuật toán điều khiển thông minh mới

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu thiết bị, công nghệ tuabin nhà máy thủy điện đơn vùng và liên kết vùng

- Nghiên cứu quy trình vận hành nhà máy và hệ thống điện, nghiên cứu các dạng sự cố của tổ máy và sự ảnh hưởng của các thông số như: Sự cố, chế độ vận hành của tổ máy, công suất, tần số máy phát khi tải thay đổi, liên kết với các nhà máy trong vùng cấp điện

- Thiết kế bộ điều khiển logic mờ loại PI dựa trên các thuật toán tối ưu như : Tối ưu hóa bầy đàn (PSO), thuật toán di truyền (GA), tiến hóa vi phân (DE)

- Tổng hợp bộ điều khiển nơ ron kết hợp với các thuật toán điều khiển dự báo (ANN - MPC), hồi quy phi tuyến (NARMA), điều khiển thích nghi với mô hình tham chiếu (MRAC) ứng dụng trong điều khiển tần số tải của hệ thống thủy

điện liên kết hai vùng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

* Ý nghĩa khoa học: Phát triển các thuật toán điều khiển thông minh trên

cơ sở ứng dụng điều khiển mờ và mạng nơ ron, ứng dụng trong tổng hợp bộ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng khi phụ tải thay đổi

* Ý nghĩa thực tiễn:

Kết quả nghiên cứu là cơ sở để thực nghiệm tiến tới chế tạo các bộ điều khiển thông minh nhằm nâng cao chất lượng điều khiển của bộ điều khiển tuabin thủy điện cho các nhà máy thủy điện hiện nay của Việt Nam, góp phần giữ ổn định công suất, tốc độ (tần số) của tuabin máy phát thủy điện khi tải thay đổi và nâng cao hiệu suất làm việc

6 Các kết quả mới đạt được

- Tổng hợp được bộ điều khiển mờ tối ưu loại PI cho điều khiển tốc độ

(tần số) tuabin thủy điện liên kết 2 vùng với 03 giải thuật tối ưu: Tối ưu hóa bày đàn PSO, thuật toán di truyền GA và tiến hóa vi phân DE

- Tổng hợp được bộ điều khiển nơ ron tối ưu cho điều khiển tốc độ (tần số) tuabin thủy điện liên kết 2 vùng với 03 thuật toán: Điều khiển dự báo MPC, hồi quy phi tuyến NARMA và điều khiển thích nghi với mô hình tham chiếu MRAC Các tham số chỉnh định được xác định thông qua thuật toán tối ưu hóa bày đàn PSO

- Thiết lập được mô hình mẫu cho bài toán điều khiển tần số phụ tải mô hình nhà máy thủy điện đơn vùng và hai vùng điều khiển

7 Nội dung nghiên cứu

Luận án được thiết kế cấu trúc gồm: Phần mở đầu và 5 chương, phần kết luận và kiến nghị, danh mục và các công trình nghiên cứu, phụ lục các hình vẽ

và mục lục tài liệu tham khảo

Chương 1 Tổng quan về điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết vùng để ổn định tần số lưới

Chương 1 của luận án mô tả hoạt động của hệ thống tự động hóa trong nhà máy thủy điện, phân tích bài toán điều khiển tốc độ tuabin thủy điện, tổng quan các nghiên cứu trong nước và ngoài nước về thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện đơn vùng và đa vùng

Trên cơ sở những phân tích đó luận án đặt ra mục tiêu thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết hai vùng để ổn định tần số tải trên cơ

sở ứng dụng một số thuật toán điều khiển thông minh như logic mờ, mạng nơ ron, thuật toán tối ưu như PSO, GA, DE…

Các kết quả được công bố [CT5] trong danh mục công trình khoa học của luận án

Chương 2: Mô hình động lực học của hệ thống tuabin máy phát thủy điện liên kết vùng

Trong chương này luận án tổng hợp mô hình toán học của hệ thống điều khiển tuabin thủy điện, phân tích các thành phần, các khối chức năng cơ bản trong hệ thống Luận án tập trung phân tích đặc thù của mô hình hệ thống khi

có liên kết 2 vùng, đề xuất mô hình và cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng Đây là cơ sở để trong những chương tiếp theo của luận án sẽ đề xuất một số thuật toán điều khiển thông minh sử dụng trong tổng hợp các bộ điều khiển hệ thống nhằm bảo đảm được mục tiêu điều khiển đã đề ra

Các kết quả được công bố [CT4] trong danh mục công trình khoa học của luận án

Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết vùng trên cơ sở logic mờ để ổn định tần số tải

Chương 3 của luận án đưa ra thiết kế bộ điều khiển mờ FLC loại PI và PD

để điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng Các tham số chỉnh định của hai bộ điều khiển mờ trong hệ thống được xác định bằng các thuật toán tối ưu: PSO, GA, DE Kết quả mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink cho thấy các bộ điều khiển mờ PI hoặc PD đều có hiệu quả hơn bộ điều khiển PID kinh điển Đồng thời thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO thể hiện tốc độ hội tụ nhanh nhất trong bài toán đặt ra Hai trường hợp mô phỏng số được triển khai trong phần mềm MATLAB/Simulink cũng được triển khai cho hai hệ thống thủy điện để khẳng định tính khả thi của các bộ điều khiển FLC được đề xuất

Các kết quả được công bố [CT1] trong danh mục công trình khoa học của luận án

Chương 4 Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết vùng để ổn định tần số tải

Trong chương này, luận án nghiên cứu thiết kế 03 bộ điều khiển tiêu biểu ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo cho bài toán điều khiển tốc độ (tần số) tuabin thủy điện liên kết hai vùng, đó là các bộ điều khiển sử dụng mạng nơ ron nhân tạo kết hợp 03 thuật toán điều khiển: điều khiển dự báo MPC, hồi quy phi tuyến NARMA, điều khiển thích nghi với mô hình tham chiếu MRAC

Kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink đã chứng tỏ được

ưu thế vượt trội của ba bộ điều khiển thông minh này so với bộ điều khiển kinh điển PID Khi đánh giá và so sánh từng bộ điều khiển ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo,

có thể nhận thấy là:

Bộ điều khiển NARMA-L2 có thời gian huấn luyện mạng nhanh hơn do không cần quá trình nhận dạng đối tượng điều khiển khi đối tượng điều khiển đã được tuyến tính hóa

Bộ điều khiển MRAC yêu cầu hai quá trình: nhận dạng đối tượng điều khiển

và huấn luyện mạng nơ ron cho bộ điều khiển

Bộ điều khiển MPC chỉ cần quá trình nhận dạng đối tượng điều khiển, tuy nhiên do là bộ điều khiển dự báo nên cần nhiều thời gian khi chạy mô phỏng

Các tham số chỉnh định được tối ưu hóa trên cơ sở sử dụng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO

Kết quả mô phỏng 3 hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng để ổn định tần số tải với các thuật toán trên đều cho thấy cả 3 bộ đều có chất lượng tốt hơn nhiều so với bộ điều khiển PID kinh điển

Các kết quả được công bố [CT2], [CT3] trong danh mục công bố công trình khoa học của luận án

Chương 5 Phân tích và đánh giá hiệu quả các giải pháp điều khiển thông minh tốc độ tuabin nhà máy thủy điện

Trong chương này, luận án đã mô phỏng, so sánh, phân tích, đánh giá các

bộ điều khiển thông minh (mờ và nơ ron) đã đề xuất ở các chương trước cho mục đích điều khiển thủy điện đơn vùng và liên vùng để đưa ra các khuyến cáo cần thiết trong ứng dụng thực tế cụ thể

Kết quả được công bố [CT6], trong danh mục công bố công trình khoa học của luận án

Kết luận

Các kết quả đạt được của luận án

Tác giả đã nghiên cứu, khảo sát, thiết kế và đưa ra được những kết quả mới như sau:

- Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển tuabin thủy lực liên kết 2 vùng

- Thiết kế các bộ điều khiển logic mờ tối ưu loại PI và PD trên cơ sở áp dụng các thuật toán tối ưu bày đàn PSO, thuật toán tiến hóa GA và tiến hóa vi phân DE cho hệ thống điều khiển tuabin thủy lực liên kết 2 vùng

- Tổng hợp được 03 bộ điều khiển mạng nơ ron nhân tạo MPC, MRAC, NARMA - L2 cho hệ thống điều khiển tuabin thủy lực liên kết 2 vùng

- Mô phỏng, so sánh, đánh giá các giải pháp điều khiển thông minh

đề xuất

- Xây dựng chương trình mô phỏng trên máy tính để so sánh, đánh giá các giải pháp điều khiển đề ra trong luận án, đưa ra các khuyến nghị cần thiết trong ứng dụng thực tế

- Mô phỏng, phân tích, đánh giá các bộ điều khiển thông minh được thiết

kế so với bộ điều khiển truyền thống PID, cho thấy bộ điều khiển thông minh dựa trên logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo có chất lượng tốt hơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN

LIÊN KẾT VÙNG ĐỂ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ LƯỚI 1.1 Giới thiệu về thủy điện Việt Nam

Năng lượng điện là dạng năng lượng thứ cấp được tạo ra từ nhiều nguồn năng lượng thứ cấp khác nhau như nhiệt năng (dầu, khí đốt, than, năng lượng phóng xạ, năng lượng mặt trời ), thủy năng (sông, suối, sóng biển, thủy chiều ), năng lượng gió Đây là loại năng lượng đóng vai trò quan trọng và được sử dụng trên khắp thế giới trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống ngày nay như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, sinh hoạt Việc sử dụng dạng năng lượng khác để biến thành điện năng của mỗi nước là tùy vào tình hình tài nguyên và đường lối phát triển của nước đó Thuỷ năng là một dạng năng lượng tái tạo được Đây là đặc tính ưu việt nhất của nguồn năng lượng này, các nguồn năng lượng khác như: Nguyên tử, than, dầu không thể tái tạo được Trong quá trình biến đổi năng lượng, chỉ có thuỷ năng sau khi biến đổi thành cơ năng và nhiệt năng lại được tái tạo thành dạng thủy năng, còn các dạng năng lượng khác trong quá trình biến đổi không tự tái tạo trong tự nhiên Con người sử dụng nguồn thuỷ năng để phục vụ cho đời sống và sản xuất, đặc biệt là để phát điện

Tiềm năng thủy điện

Do vị trí địa lý của Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm mưa nhiều, nên đất nước ta có nguồn tài nguyên thủy năng tương đối lớn Phân

bố địa hình trải dài từ Bắc vào Nam với bờ biển hơn 3400 km cùng với sự thay đổi cao độ từ hơn 3100 m cho đến độ cao mặt biển đã tạo ra nguồn thế năng to lớn do chênh lệch địa hình tạo ra

Nhiều nghiên cứu đánh giá đã chỉ ra rằng, Việt Nam có thể khai thác được nguồn công suất thủy điện vào khoảng 25.000 - 26.000 MW, tương ứng với

khoảng 90 -100 tỷ kWh điện năng/năm Tuy nhiên, trên thực tế, tiềm năng về công suất thủy điện có thể khai thác còn nhiều hơn Theo kinh nghiệm khai thác

mà thủy điện trên thế giới, công suất thủy điện ở Việt Nam có thể khai thác trong tương lai có thể bằng từ 30.000 MW đến 38.000 MW và điện năng có thể khai thác được 100 - 110 tỷ kWh/năm

Ngoài mục tiêu cung cấp điện, các nhà máy thủy điện còn có nhiệm vụ cắt

và chống lũ cho hạ du trong mùa mưa bão, đồng thời cung cấp nước phục vụ sản xuất và nhu cầu dân sinh trong mùa khô

Ở nước ta, thủy điện chiếm một tỷ trọng cao trong cơ cấu sản xuất điện Hiện nay, mặc dù ngành điện đã phát triển đa dạng hóa nguồn điện, nhưng thủy điện vẫn đang chiếm một tỷ trọng đáng kể Năm 2014, thủy điện chiếm khoảng 32% trong tổng sản xuất điện Theo dự báo của Quy hoạch điện VII (QHĐ VII) thì đến các năm 2020 và 2030 tỷ trọng thủy điện vẫn còn khá cao, tương ứng

là 23%

Trong thời kì đổi mới hiện nay, nền công nghiệp nước ta đóng một vị trí rất quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, ngành điện là ngành tiên phong luôn đi trước một bước và xây dựng các nhà máy, nhiệt điện, thủy điện, điện gió điện mặt trời, điện hạt nhân Trong

số các nguồn điện thì thủy điện luôn đạt sản lượng cao nhất chiếm một tỉ trọng lớn trong ngành điện Do vậy nhà máy thủy điện luôn được Chính phủ và các Bộ ngành, Tập đoàn Điện lực quan tâm và đầu tư rất lớn Tại các khu vực, miền Bắc, miền Trung, miền Nam, công suất của nhà máy thủy điện theo TCVN 5090 được phân chia thành 3 loại, thủy điện lớn có công suất P> 1000MW, thủy điện trung bình có công suất 15MW< P

<1000MW, thủy điện nhỏ P<15MW

Hình 1.1 Mô hình nhà máy thủy điện

Một số nhà máy thủy điện lớn có thể kể đến như: nhà máy thủy điện Sơn

La là nhà máy thủy điện lớn nhất Việt Nam và khu vực Đông Nam Á, được xây dựng ngày 2/12/2005, công suất lắp đặt 2400MW, nhà máy thủy điện Hòa Bình công suất 1920MW được xây dựng và khánh thành năm 1994, nhà máy thủy điện Lai Châu công suất lắp đặt 1200MW, thủy điện Huội Quảng công suất lắp đặt 520MW, thủy điện Yaly công suất lắp đặt 720MW, thủy điện Hàm Thuận -

Đa Nhim khởi công năm 1997, hoàn thành 2001, công suất 300MW, nhà máy thủy điện Tuyên Quang công suất 342 MW.v.v là những thủy điện chiến lược

đa mục tiêu Bên cạnh đó là những nhà máy thủy điện vừa và thủy điện nhỏ cũng tham gia vào thị trường phát điện Việt Nam Có thể thấy thủy điện luôn đóng một vai trò rất quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế của đất nước Chính

vì vậy mà khâu đầu tư, chế tạo thiết bị, quản lí vận hành cho các nhà máy đòi hỏi rất cao về yêu cầu kỹ thuật công nghệ và an ninh năng lượng của Quốc gia Nhà máy thủy điện có bộ điều tốc (được ví như là trái tim của nhà máy) làm nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ và tần số máy phát Trong hệ thống nhà máy dù chỉ

xảy ra các dao động nhỏ cũng ảnh hưởng đến ổn định tổ máy, chất lượng đầu ra của nhà máy nên bộ điều khiển điều tốc của thủy điện rất quan trọng trong quá trình phát điện, luôn được quan tâm nghiên cứu

1.2 Hệ thống tự động hóa trong nhà máy thủy điện

Trong [3] nhà máy thủy điện hệ thống tự động hóa có vai trò rất quan trọng, nó được thiết kế, trang bị kỹ thuật cao và phải đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành Các quá trình phát điện được điều khiển một cách tự động và tối

ưu quá trình sản xuất điện năng Ta có sơ đồ hệ thống tự động hóa trong nhà máy như sau:

Hình 1.2 Hệ thống tự động hóa cho nhà máy thủy điện

Nguyên lí của sơ đồ hệ thống tự động hóa trong nhà máy phát điện là: hệ tuabin máy phát sẽ có nhiệm vụ phát ra điện, sau đó qua khâu biến đổi điện áp (máy biến áp) và truyền tải trên đường dây đi đến các phụ tải, trong đó quá trình vận hành phát điện được thực hiện tự động

Trong hệ thống tự động động hóa của nhà máy thì có các khối có chức năng như:

Điều khiển tổ máy phát: Tổ máy có nhiệm vụ phát điện thông qua khâu tuabin máy phát và phát ra điện áp đầu ra của máy phát và tần số, trên cơ sở lịch trình đăng kí phát điện để phát công suất đưa lên hệ thống được điều độ chấp thuận để vận hành được đảm bảo kỹ thuật thuật và hiệu quả kinh tế trong vận hành khai thác

Điều khiển truyền tải là điều khiển công suất phản kháng để điều chỉnh điện áp trên đường dây

Trong hệ thống điện sẽ có các nhà máy sẽ cùng phát điện lên lưới do vậy việc phối hợp cũng như tự động hóa trong hệ thống điện là rất quan trong và cần thiết để giảm chi phí vận hành nâng cao ổn định hệ thống

Để hiểu được hệ thống có cấu trúc phức tạp trước tiên ta đi nghiên cứu mô hình nhà máy thủy điện đơn vùng

Sơ đồ cấu trúc của mô hình hệ thống được thể hiện trên hình 1.3 [11], bao gồm các khâu:

Hình 1.3 Sơ đồ khối nhà máy thủy điện đơn vùng

Máy phát:

Trục của máy phát điện được nối trực tiếp với trục tuabin nên máy phát sẽ quay cùng với tốc độ quay của tuabin, do vậy việc điều chỉnh tần số và điện áp của máy phát chính là việc điều khiển tốc độ của tuabin thủy lực

1.3 Bài toán điều khiển tần số và công suất tác dụng trong hệ thống điện

Với việc điều khiển tốc độ tuabin thủy điện để thay đổi tần số, trong quá trình vận hành khi phụ tải hệ thống thay đổi sẽ dẫn đến công suất, tần số thay đổi gây ra lệch công suất tải giữa các vùng làm mất ổn định hệ thống Sự mất

ổn định này tùy thuộc vào đặc tính dốc xuống của điều tốc và độ lệch tần số của tải, dù thay đổi tải xảy ra ở bất kể vị trí nào Việc khôi phục tần số hệ thống

về giá trị danh định đòi hỏi phải điều chỉnh bổ sung điểm đặt tham chiếu tải (thông qua tua bin máy phát) Thông qua điều khiển các điểm đặt tham chiếu tải của các khu vực phát điện được chọn, việc điều khiển công suất tua bin được phù hợp với các biến thiên của tải trên hệ thống theo mong muốn

Mục tiêu chính của điều khiển tự động máy phát (AGC) là điều chỉnh tần

số về giá trị danh định và duy trì công suất trao đổi giữa các vùng phát điện ở các giá trị danh định theo lịch trình Chức năng này thường được gọi là điều khiển tần số tải (LFC), nhằm phân phối sự thay đổi cần thiết công suất và tần số các vùng một cách hợp lí để giảm thiểu chi phí vận hành

Trong một hệ thống điện chức năng của AGC là khôi phục tần số về giá trị danh định Điều này được thực hiện bằng cách thêm một điều khiển thiết lập lại hoặc tích hợp hoạt động trên các cài đặt tham chiếu tải các điều tốc của các

tổ máy trên AGC cùng bổ sung bộ điều khiển tích phân để đảm bảo lỗi tần số bằng 0 ở trạng thái ổn định

Công việc điều khiển bổ sung chậm hơn nhiều so với việc điều khiển tốc

độ chính Thực tế nó thay đổi sau khi điều khiển tốc độ chính đã ổn định tần số

hệ thống

Theo thông tư 25/TT/BCT, ngày 30 tháng 11 năm 2016 trong bảng 1.1

Tổ máy phát điện của nhà máy điện phải có khả năng liên tục phát công suất tác dụng định mức trong dải tần số từ 49 Hz đến 51 Hz Trong dải tần số từ 46 Hz đến dưới 49 Hz và trên 51 Hz, mức giảm công suất không được vượt quá giá trị tính theo tỷ lệ yêu cầu của mức giảm tần số hệ thống điện, phù hợp với đặc tính quan hệ giữa công suất tác dụng và tần số của tổ máy Thời gian tối thiểu duy trì vận hành phát điện của nhà máy điện có công suất lắp đặt trên 30 MW hoặc nhà máy điện đấu nối vào lưới điện truyền tải tương ứng với các dải tần số của hệ thống điện theo quy định như bảng 1.1:

Bảng 1.1 Thời gian tối thiểu duy trì vận hành phát điện tương ứng với các

dải tần số của hệ thống điện [3]

Theo quy định tần số là một chỉ tiêu về chất lượng điện năng của toàn

hệ thống, vì trong hệ thống điện hợp nhất ở chế độ làm việc bình thường, tần

số ở mọi điểm đều giống nhau Tần số sẽ thay đổi khi xảy ra mất cân bằng giữa tổng công suất tác dụng của tuabin máy phát điện với phụ tải tác dụng của hệ thống điện

Cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống điện ở chế độ bình thường:

P : Công suất của phụ tải điện

: Tổn thất công suất tác dụng trong hệ thống điện

Mô men kéo của tuabin:

M T Q H. 



 (1.2)Trong đó:

γ là hằng số

Q: Lưu lượng nước vào tuabin

H: Độ chênh áp suất đầu và cuối tuabin

η: Hiệu suất tuabin

Tần số f của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ góc ω của máy phát điện theo quan hệ

p - Số đôi cực của máy phát điện;

n- Số vòng quay của máy phát điện

Phụ tải điện của hệ thống tạo nên mômen cản trên trục tuabin Công suất của từng loại phụ tải điện khác nhau phụ thuộc vào tần số dòng điện khác nhau

Đối với phụ tải tổng hợp của hệ thống tùy theo tương quan giữa các thành phần phụ tải mà quan hệ giữa công suất tác dụng và tần số sẽ thay đổi

Trong đó: ∆𝐹∗,∆𝑃∗- là sự thay đổi của tần số và công suất tác dụng 𝑓𝑑𝑑,

𝑃𝑑𝑑 là tần số và công suất danh định Để thấy rõ sự thay đổi tương quan giữa công suất tác dụng và tần số ta khảo sát đường đặc tính tĩnh của tuabin và của phụ tải

Thay đổi tốc độ quay (thay đổi tần số) sẽ làm thay đổi mô men quay Quan

hệ này được biểu diễn bằng đường cong 1' trên hình 1.4 đặc trưng cho đặc tính tĩnh của phụ tải Tần số của hệ thống điện được xác định tại điểm cắt 𝑄1 của đặc tính 1 tuabin và đặc tính 1' phụ tải ở đó mô men kéo của tuabin cân bằng với mô

men cản của phụ tải M1

Hình 1.4 Đặc tính tĩnh của tuabin

Hình 1.4 đường đặc tính tĩnh tuabin (1, 2, 3) và phụ tải (1', 2', 3') Khi số lượng phụ tải trong hệ thống điện thay đổi, đặc tính tĩnh của phụ tải 1' sẽ bị dịch chuyển Chẳng hạn khi đấu thêm phụ tải, đặc tính này sẽ bị dịch chuyển sang bên phải (2') và cắt đặc tính tuabin tại điểm 𝑄3, tương ứng với tần số 𝑓3 Khi cắt bớt phụ tải, đặc tính 1' sẽ bị dịch chuyển sang trái (3') và sẽ cắt đặc tính 1 của tuabin tại 𝑄2, tương ứng với tần số 𝑓2 Như vậy khi phụ tải thay đổi sẽ làm cho tần số thay đổi

       (1.6) Tập hợp các điểm 𝑄5, 𝑄1,𝑄4 hình thành đặc tính điều chỉnh của tuabin f(M) hoặc f(P)

Đặc tính điều chỉnh của tuabin được đặc trưng bằng hệ số trượt (còn được gọi là hệ số tĩnh)

*

*

*

dd f

càng tốt nghĩa là với một mức biến đổi công suất như nhau, thì mức biến đổi của tần số trong hệ thống có 𝑆𝑓∗ bé thì hệ thống sẽ được ổn định

1.4 Bài toán điều khiển tần số phát điện khi có liên kết vùng

Trong hệ thống điều khiển tần số tuabin máy phát thủy điện việc điều chỉnh tần số (hay số vòng quay) của tuabin được thực hiện bằng cách thay đổi năng lượng nước vào tuabin, nó liên quan trực tiếp tới tiêu hao năng lượng, nhiên liệu và là một bài toán tối ưu hóa phức tạp phụ thuộc nhiều yếu tố như đặc tính tiêu hao nhiên liệu của tổ máy, chi phí vận hành của nhà máy điện, tổn thất công suất trên lưới, … trong đó có phụ thuộc vào phương thức huy động công suất của cả nhà máy điện Việc điều chỉnh tần số trong hệ thống điện liên quan hữu

cơ với việc điều chỉnh và phân bổ công suất tác dụng giữa các tổ máy và nhà máy điện trong hệ thống điện

Hệ thống điện càng lớn thường yêu cầu về độ chính xác điều chỉnh tần

số càng cao, vì độ lệch tần số sẽ ảnh hưởng tới trào lưu công suất giữa nhiều nhà máy điện và giữa các khu vực khác nhau của hệ thống Do đó, Trung tâm điều độ hệ thống điện xuất phát từ điều kiện vận hành tối ưu của hệ thống cần đưa ra phương thức huy động công suất của từng nhà máy điện, công suất trao đổi giữa các đường dây liên lạc cần được khống chế trong các tình huống vận hành khác nhau

Luận án tập trung vào bài toán điều khiển tần số phát điện khi có sự liên kết giữa các nhà máy thủy điện khác nhau (liên kết vùng) trong [11]

Hình 1.5 Mô hình hệ thống điều khiển tuabin thủy điện liên kết hai vùng

Trên hình 1.5 là mô hình hệ thống điều khiển tuabin thủy điện liên kết hai

s : Bộ tích phân

1,2



 : Sai lệch góc tải vùng 1,2 Trong đó i=1,2

T : Công suất trao đổi trên đường dây

1.5 Tổng quan các nghiên cứu

Hệ thống tự động hóa trong nhà máy thủy điện nói chung và hệ thống điều khiển công suất, tần số máy phát nói riêng là đặc biệt rất quan trọng đã thu hút được sự quan tâm lớn từ khá lâu của các nhà khoa học quốc tế và trong nước

Qua phân tích các nghiên cứu cho thấy việc nghiên cứu “ thủy điện - thủy điện” liên kết 2 vùng và dùng bộ điều khiển logic mờ và mạng nơ ron ứng dụng thuật toán tối ưu PSO, GA, DE, hiện nay chưa có nghiên cứu đầy

đủ về lĩnh vực này

- Nghiên cứu ngoài nước:

Trên thế giới việc nghiên cứu tổng hợp các hệ thống điều khiển cho đơn vùng đã được nghiên cứu từ khá lâu, hiện đã giải quyết về cơ bản là phụ tải nhỏ và phát điện độc lập Hiện nay được quan tâm nhiều hơn trong việc áp dụng lý thuyết điều khiển thông minh như hệ mờ và hệ thống mạng nơ ron nhân tạo

Vấn đề điều khiển tự động máy phát (AGC) hoặc điều khiển tần số tải LFC trong các hệ thống điện có lịch sử từ lâu và là một trong những chủ đề

quan trọng nhất của hệ thống điện được kết nối với nhau Trong một hệ thống điện, bộ điều khiển LFC như một việc phát phụ trợ đóng vai trò quan trọng và

cơ bản để duy trì độ tin cậy của hệ thống điện ở mức phù hợp Nó đã đạt được tầm quan trọng với sự thay đổi cấu trúc hệ thống điện và sự tăng trưởng về quy

mô và độ phức tạp của các hệ thống kết nối với nhau [57], [64] Hoạt động thành công của các hệ thống điện được kết nối với nhau đòi hỏi sự phù hợp giữa tổng công suất phát với tổng công suất phụ tải và tổn thất hệ thống điện liên quan [58], [59] Khi nhu cầu công suất lệch khỏi giá trị danh định của nó với một lượng nhỏ không đoán trước thì điểm vận hành của hệ thống điện sẽ thay đổi, do đó hệ thống có thể gặp phải sự khác biệt về công suất, tần số danh định và trao đổi công suất theo đường dây theo lịch trình, có thể mang lại hiệu quả không mong muốn [58], [62], [65], [66] Duy trì tần số hệ thống và trao đổi công suất trên đường dây với các khu vực điều khiển lân cận ở các giá trị danh định là hai mục tiêu chính của hệ thống điện LFC [59], [62], [65], [67] Các mục tiêu này được đáp ứng bằng cách đo tín hiệu lỗi điều khiển, được gọi

là lỗi điều khiển khu vực (ACE), thể hiện sự mất cân bằng công suất thực giữa vùng và tải [58], [61], [67], [68]

Trong thực tế LFC, các thành phần thay đổi nhanh chóng các tín hiệu

hệ thống hầu như không quan sát được do các bộ lọc tham gia vào quá trình

Đó là lý do tại sao giảm hơn nữa trong thời gian phản hồi của LFC là không thể và cũng không mong muốn Trong thực tế, chất lượng của một hệ thống LFC phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu điều khiển Trên thế giới về thị trường

hệ thống điện cho thấy LFC là một trong những dịch vụ phụ trợ có lợi nhất của hệ thống điện được kết nối với nhau Phát bù này liên quan đến sự cân bằng ngắn hạn của công suất, tần số của hệ thống điện có được vai trò chính

để cho phép trao đổi công suất và cung cấp điện tốt hơn cho phụ tải điện [60], [61], [66], [71], [73]

LFC đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống quản lý năng lượng hiện đại Vấn đề LFC đã được nghiên cứu rộng rãi trong vài thập kỷ qua Hầu hết các công việc tập trung vào LFC của hệ thống điện một khu vực hoặc hai khu vực thông thường Nỗ lực đầu tiên trong lĩnh vực LFC là điều khiển tần số của hệ thống điện thông qua bộ điều chỉnh bánh đà của máy đồng bộ Kỹ thuật này sau

đó đã được tìm thấy là không đủ, và một điều khiển bổ sung đã được đưa vào cho điều tốc với sự trợ giúp của tín hiệu tỷ lệ thuận với độ lệch tần số cộng với tích phân của nó

Khái niệm điều khiển tối ưu mang tính cách mạng cho các thiết kế bộ điều chỉnh LFC của các hệ thống điện được kết nối đã được trình bày bởi Elgerd [63]

Một kỹ thuật dựa trên hệ thống phối hợp hiệu chỉnh lỗi thời gian đã được thảo luận trong một nghiên cứu LFC của Cohn [76] Các bộ điều khiển bổ sung

đã được áp dụng để điều chỉnh các ACE về 0 một cách hiệu quả Công việc nghiên cứu cũng đóng góp thiết kế của LFC dựa trên các kỹ thuật điều khiển khác nhau Các hệ thống điện thường là hệ thống quy mô lớn với động lực phi tuyến phức tạp Tuy nhiên, hầu hết các công việc nghiên cứu được báo cáo cho đến nay đã thực hiện bằng cách xem xét các mô hình tuyến tính hóa của các hệ thống điện được kết nối với nhau Đáp ứng LFC cho các nhiễu loạn tải nhỏ sử dụng các mô hình tuyến tính của các thành phần hệ thống điện khác nhau đã được chấp nhận rộng rãi [57], [65]

Các phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh LFC sử dụng lý thuyết điều khiển tối ưu hiện đại cho phép các kỹ sư điện thiết kế một hệ thống điều khiển tối ưu theo tiêu chí hiệu suất nhất định

Về thị trường hệ thống điện cho thấy LFC là một trong những dịch vụ phụ trợ có lợi nhất của hệ thống điện được kết nối với nhau LFC là chủ đề nghiên

cứu rất quan trọng và nhiều nhà nghiên cứu đã nghiên cứu vấn đề này với nhiều

tổ hợp bộ điều khiển và mô hình hệ thống điện khác nhau Tất cả các phương pháp điều khiển được trình bày trong tài liệu cho nghiên cứu LFC đều có những

ưu điểm và nhược điểm riêng

Áp dụng lý thuyết điều khiển tối ưu cho hệ thống điện đã chỉ ra rằng một LFC tối ưu có thể cải thiện tính ổn định động của hệ thống điện Các kỹ thuật thiết kế bộ điều chỉnh LFC sử dụng lý thuyết điều khiển tối ưu hiện đại cho phép các kỹ sư điện thiết kế một hệ thống điều khiển tối ưu theo tiêu chí hiệu suất nhất định Vì bộ điều khiển phản hồi trạng thái yêu cầu chuyển thông tin từ tất cả các cấu trúc của hệ thống sang cơ sở điều khiển trung tâm để xử

lý, điều này đối với hệ thống điện liên kết quy mô lớn có thể bị cấm Trong các hệ thống lớn hơn, tất cả các trạng thái có thể không có sẵn để đo lường và yêu cầu số lượng lớn cảm biến Theo quan điểm trên, các nhà nghiên cứu đã thúc đẩy áp dụng hình thức AGC tối ưu và thực tế hơn cho nghiên cứu LFC

vì bộ điều khiển này chỉ sử dụng một tập hợp con của vectơ trạng thái cho mục đích phản hồi, điều này đơn giản, thực tế và dễ thực hiện hơn hơn bộ điều khiển phản hồi trạng thái đầy đủ

Ngoài những tiến bộ kỹ thuật điều khiển đã có nhiều thay đổi trong thời gian qua thập kỷ trở lên, chẳng hạn như bãi bỏ quy định của ngành điện, sử dụng đường dây AC-DC, thiết bị FACTS, v.v Hầu hết các nhà nghiên cứu đều xem xét các nhà máy phát nhiệt hoặc thủy điện trong khu vực điều khiển Trong một tình huống thực tế vùng điều khiển có thể có nhiều nguồn khác nhau như thủy điện, nhiệt điện, khí đốt, hạt nhân, năng lượng mặt trời, gió v.v Khu vực điều khiển có các nguồn phát điện khác nhau được biểu diễn bằng động lực học của mô hình nhiệt hoặc thủy điện dẫn đến thiết kế được các bộ điều khiển LFC Theo dõi lịch trình công suất thay đổi sự kết hợp giữa

các máy phát đa nguồn trong khu vực điều khiển thực tế hơn cho nghiên cứu

về LFC Hơn nữa, điều này thúc đẩy sự kết hợp thực tế hơn giữa phát điện đa nguồn (Nhiệt, thủy điện và khí đốt) trong một khu vực điều khiển Một nỗ lực

đã được thực hiện để nghiên cứu LFC của các mô hình hệ thống điện mới khác nhau bao gồm các thiết bị FACTS (TCPS), đường dây AC-DC và hệ thống điện được kết nối Để chứng minh hiệu suất của bộ điều khiển qua một loạt các biến thiên trong các tham số và điều kiện tải cũng là một trong những yếu tố chính của điều khiển

Hệ thống LFC và AGC trong các hệ thống điện hai khu vực được trình bày trong [15],[33] Các mô hình nghiên cứu và tác dụng của chúng đối với

bộ điều khiển LFC của hệ thống điện hai vùng được nghiên cứu trong [15], [16] Các bộ điều khiển LFC cho các hệ thống điện hai vùng xem xét ảnh hưởng của các vòng điều khiển điện áp trong đáp ứng tần số được phát triển trong [12], [17],[23] Trong [19],[21] các mô hình đáp ứng tần số cho các hệ thống điện hai vùng xem xét dải tần chết của điều tốc (GDB) và các giới hạn tốc độ phát sinh (GRC) được đề xuất Nghiên cứu về việc giảm bậc của mô hình đáp ứng tần số để giảm độ phức tạp của nó được trình bày trong [18], [32], [34] Các mô hình điều khiển LFC của hệ thống điện hai vùng đa nguồn xem xét các phi tuyến trong [30] Nghiên cứu bộ điều khiển LFC cho các hệ thống điện hai khu vực gắn với nhau thông qua các liên kết truyền dẫn HVDC / DC được đề xuất trong [28] Nghiên cứu LFC cho các hệ thống điện liên kết thủy điện xem xét các phi tuyến của các nhà máy thủy điện được đề xuất trong [24], [30], [31] Mô hình LFC cho các hệ thống điện hai khu vực xem xét hệ thống lưu trữ năng lượng từ tính siêu dẫn (SMES) được đề xuất trong [32], [33] Trong [41], một mô hình điều khiển tần số cho các hệ thống điện hai vùng xem xét sự đóng góp của pin và SMES được mô tả [42] đề xuất mô hình

LFC của hệ thống điện hai khu vực thông thường kết hợp với sự tham gia của máy phát điện và hệ thống lưu trữ năng lượng Bản chất ngẫu nhiên của tải điện được xem xét cho các mô hình LFC trong [17, 18] Mô hình hóa rời rạc của LFC trong các hệ thống điện hai vùng được trình bày tổng quan về hệ thống LFC trong [21], [39]

Phương pháp điều khiển cổ điển

Ba khu vực

(3 vùng)

GRC và GDB phi tuyến

Lưới thông minh

Bốn khu vực

(4 vùng)

PS với DG và RERs

Lưới nhỏ

Phương pháp điều khiển tối ưu

Chức năng khách quan

Điều khiển bền vững

Điều khiển thích nghi

Điều khiển dựa trên máy tính

Nén

Khoảng trống nghiên cứu

Hướng nghiên cứu xu hướng

Hình 1.6 Hệ thống LFC

Trên hình 1.6 là sơ đồ tổng quát về các vấn đề nghiên cứu trong lĩnh vực LFC, trong đó:

RERs Renewable energy resources Năng lượng tái tạo

GRC Generation rate constraint Hạn chế tốc độ

DG Distributed generation Máy phát phân phối

HVDC High voltage direct current Điện áp cao một chiều

GDB Governor dead band Giới hạn chết của điều tốc