Microsoft Word 00 a loinoidau TV docx 16 Nguyễn Văn Dũng, Trương Thị Bích Thanh, Bùi Văn Trình ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ TURBINE BẰNG THUẬT ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG STABILISING SPEED FOR HYDRO TURBINES BY TECHNICAL R[.]
16 Nguyễn Văn Dũng, Trương Thị Bích Thanh, Bùi Văn Trình ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ TURBINE BẰNG THUẬT ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG STABILISING SPEED FOR HYDRO TURBINES BY TECHNICAL ROBUST H CONTROLLERS Nguyễn Văn Dũng1, Trương Thị Bích Thanh2, Bùi Văn Trình3 Cơng ty Thủy điện Bn Kuốp; nguyenvandung.atd5@gmail.com Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; ttbichthanh@gmail.com Sinh viên Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Ổn định tốc độ turbine thủy điện nhiệm vụ quan trọng hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Thực tế, hầu hết hệ thống điều tốc thủy điện dùng điều khiển PID Tuy nhiên, với nhà máy thủy điện có hồ điều tiết ngày, hồ chứa thủy điện Srêpốk mực nước hồ thay đổi ngày làm ảnh hưởng thời gian đáp ứng, độ điều chỉnh tốc độ trình khởi động Điều gây khó khăn cho việc chỉnh định PID, thông số KP, KI, KD điều khiển PID cài giá trị cố định trình khởi động Do vậy, giải pháp điều khiển bền vững để thích nghi với biến thiên cột nước cần thiết điều tốc turbine thủy lực Nội dung báo gồm phần: xây dựng mơ hình hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện; xác định tham số điều khiển PID theo phương pháp Ziegler – Nichols cho turbine thủy điện; thiết kế điều khiển bền vững đánh giá kết mô với điều khiển PID Abstract - Stabilising speed for hydro turbines is an important task of a governor system Nowadays, PID controllers have been used commonly in hydro power governor systems However, with hydro power plants having daily regulation lake such as Serepok 3, the change of water level during the day will have an impact on time response and also on overshoot of adjusting speed in the starting process Due to this impact, the regulation of PID controller is quite difficult, because values of parameters KP, KI, KD have been fixed in the starting process Therefore, robust controller solutions are necessary for hydro power governor systems This paper includes issues: Modelling governor systems of hydro power plants; Determining PID controller parameters for hydro turbines by controller for hydro Ziegler – Nichols method; Designing Robust turbine governor systems and evaluating simulation results compared with PID controller Từ khóa - turbine thủy điện; thủy điện; hệ thống điều tốc; điều ; điều khiển PID; điều khiển tốc độ cho khiển bền vững turbine thủy điện Key words - hydro turbine; hydro power; governor system; robust controller; PID controller; speed control for hydro turbine Đặt vấn đề Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện có vai trị quan trọng việc ổn định tốc độ tổ máy chế độ: chế độ khởi động; chế độ cố định công suất; chế độ cố định độ mở; chế độ điều tần Ở chế độ nào, tốc độ tổ máy ln phải trì giá trị định mức Tuy nhiên, với phạm vị báo tác giả nghiên cứu hệ thống điều tốc tham gia trình khởi động tổ máy mực nước hồ thay đổi với nhà máy thủy điện Srêpốk đổi làm cho đáp ứng tốc độ tổ máy bị ảnh hưởng thời gian xác lập độ điều chỉnh trình khởi động tổ máy Mơ hình nhà máy thủy điện Srêpốk xét đến báo nhà máy thủy điện có đường ống áp lực đơn khơng đàn hồi, bỏ qua sức cản thủy lực cơng suất ngõ turbine tỷ lệ với lưu lượng cột nước Hình Xây dựng mơ hình phần tử sơ đồ Với sơ đồ Hình có sơ đồ khối hệ thống điều tốc turbine thủy điện gồm: điều khiển (C); hệ thống thủy lực (HS); turbine thủy lực (HT); tải máy phát (MD); ∆ nhiễu cột nước; ∆ nhiễu tải Hình Sơ đồ khối hệ thống điều tốc turbine Hình Sơ đồ mơ hình nhà máy với đường ống áp lực đơn không đàn hồi Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk dùng điều khiển PID, chế độ khác tham số KP, KI, KD khác [2] Bài báo nghiên cứu trình khởi động tổ máy thủy điện Srêpốk có hồ điều tiết ngày với dải cột nước từ 51÷66,6 (m) [2], mực nước hồ thay đổi ngày lớn, giá trị cột nước cài đặt trình khởi động cố định H = 56 (m) [2] Chính điều mực nước hồ thay Trong sơ đồ Hình 2, tốc độ (wr) phản hồi so sánh với tốc độ đặt (wref) để đưa tín hiệu sai lệch (e) vào điều khiển (C) Đây vòng điều khiển kín 2.1 Hệ thống thủy lực (HS) Hình Sơ đồ hàm truyền khâu thủy lực ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(110).2017 GHS ( s) = Ka Ta s + s + K a + (1) Khâu thủy lực nhận tín hiệu điều khiển từ điều khiển để thay đổi độ mở (G), có hàm truyền đạt biểu thức (1) Trong đó: Ka hệ số thủy lực, Ta số thời gian servo Theo [4] chọn Ka=3,33 (s), Ta=0,07(s) 2.2 Turbine thủy lực (HT) Theo [3], [6] mơ hình turbine thủy lực biểu diễn thông qua hàm truyền đạt sau: GHT ( s ) = Δ Pm ΔG = − Tws + 0,5Tw s (2) Trong đó: Tw số thời gian nước từ đầu đường ống đến cuối đường ống áp lực Theo [2] tính Tw=4,1425 (s) 2.3 Tải máy phát (MD) Mơ hình tải máy phát biểu diễn Hình (theo [3], [6]) Hình Sơ đồ hàm truyền khâu tải máy phát Hàm truyền đạt mơ hình tải máy phát biểu diễn sau: GMD ( s ) = wr P mec − Pload = (2 Hs + D ) (3) Trong đó: H số quán tính; D hệ số cản Chọn D=1,5 theo [2] H=4,8791 (kWs/kVA) Từ việc xây dựng mơ hình đối tượng điều khiển tiến hành tổng hợp mơ hình, thơng qua biểu thức (1), (2), (3) ta có sơ đồ khối Hình Hình Sơ đồ khối tổng hợp mơ hình Từ thơng số tính Ta có hàm truyền tổng hợp mơ hình đối tượng: G(s) = −9, 76s + 2,356 s + 14,92s + 71, 07 s + 40, 46s + 4,594 (5) Xác định thông số điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols Với mơ hình hệ thống điều tốc Hình 6, xét với cột nước (H) thay đổi từ 51÷66,6 (m) [2], giá trị cột nước cài đặt trình khởi động 56 (m) [2] Giá trị tham số cài đặt nhà máy Srêpốk Bảng Bảng Giá trị tham số PID cột nước cài nhà máy Srêpốk [2] STT Tên biến Giá trị Đơn vị PID_Nld_Kp 2,75 NA PID_Nld_KI 0,25 1/s PID_Nld_KD 0,15 s RP_HeadSet 56 m Các giá trị dùng cho mơ hình thực cân chỉnh trường Trong phạm báo, xây dựng mơ hình đối tượng tuyến tính gần đúng, nên khơng dùng tham số PID trên, mà cần phải xác định tham số điều khiển PID với mơ hình đối tượng xây dựng phương pháp Ziegler-Nichols Từ hàm truyền đối tượng biểu thức (5), với phương pháp Ziegler-Nichols ta kết sau: Hệ số tới hạn: Kth≈3,85; Hệ số tỷ lệ: KP≈2,31; Hệ số tích phân: KI≈0,329; Hệ số vi phân: KD≈4,056 Từ hàm truyền điều khiển PID: ⎛ ⎞ GPID ( s ) = 2,31⎜1 + + 1, 756 s ⎟ ⎝ 7, 025s ⎠ (6) Hình Đáp ứng tốc độ khởi động với PID (Ziegler-Nichols) Sơ đồ khối Hình rút gọn lại sau: Hình Sơ đồ khối rút gọn mơ hình Với hàm truyền G(s) hàm truyền tổng hợp tính từ biểu thức (1), (2), (3) Khi ta có G(s) là: G( s) = GHS (s).GHT (s).GMD ( s) 17 (4) Với đáp ứng tốc độ Hình 7, ta thấy độ điều chỉnh lớn (≈10%) thời gian xác lập chậm (> 60s) ứng với giá trị H=56 (m) Bên cạnh phương pháp xác định tham số điều khiển PID phương pháp ZieglerNichols ta cịn dùng chức Tuning phần mềm Matlab-Simulink để xác định tham số điều khiển PID kết ta có sau: Hệ số tỷ lệ: KP≈0,44; Hệ số tích phân: KI≈0,117; Hệ số vi phân: KD≈0 Kết mơ thể Hình 18 Nguyễn Văn Dũng, Trương Thị Bích Thanh, Bùi Văn Trình Trong đó: G mơ hình danh định; = ( ) mơ hình khơng chắn; ∆ thành phần không chắn không cấu trúc thay đổi thỏa mãn ‖∆‖ ≤ 1; Wm hàm truyền ổn định; Wp hàm trọng số chất lượng; w, w1, w2: tín hiệu vào; u, z1, z2: tín hiệu ra; K điều khiển biền vững H∞ Từ việc xây dựng mơ hình trên, ta có biểu đồ Bode mơ hình danh định mơ hình khơng chắn thành phần nhiễu cột nước H0 bị thay đổi Hình 10 Hình Đáp ứng tốc độ khởi động với PID (dùng tuning) Từ kết Hình đường đáp ứng cải thiện thời gian xác lập biên độ dao động Tuy nhiên độ điều chỉnh (≈10%) thời gian xác lập (≈70s) không cải thiện nhiều Kết điều khiển PID hạn chế Do phần tiếp theo, tác giả trình bày giải pháp điều khiển bền vững H∞ Thiết kế điều khiển bền vững H∞ Để tiến hành thiết kế điều khiển bền vững H∞ ta đề tiêu chí điều khiển sau: Sai số xác lập ԑ≤1%; Thời gian xác lập ≤ 60 (s); Độ điều chỉnh < 10% 4.1 Xây dựng tổng hợp mơ hình đối tượng Theo [1] điều khiển bền vững H∞ thiết kế cho đảm bảo tính ổn định chất lượng điều khiển thành phần không chắn nằm tập hợp cho trước Trong có thành phần khơng chắn sai số mơ hình hóa, nhiễu loạn, Vẫn theo [1] tất mơ hình dùng thiết kế hệ thống điều khiển chứa đựng yếu tố khơng chắn khơng cấu trúc để bao hàm đặc tính động học, khơng mơ hình hóa, đặc biệt miền tần số cao Từ đó: Đối tượng xét để thiết kế điều khiển bền vững H∞ chịu ảnh hưởng cột nước H0 Tuy nhiên mơ hình cột nước H0 khơng xây dựng Do đó, chọn mơ hình đối tượng để xây dựng điều khiển mơ hình khơng chắn khơng cấu trúc Ảnh hưởng cột nước tác động đầu vào turbine làm cho hiệu suất turbine bị thay đổi H0 thay đổi Ta chọn mơ hình khơng chắn không cấu trúc với nhiễu tác động nhiễu cộng Hình (theo [1]) Hình 10 Biểu đồ Bode “Mơ hình danh định” “Mơ hình khơng chắn” tham số H0 thay đổi 4.2 Xác định hàm trọng số WP(s) Wm(s) Việc xây dựng hàm trọng số WP(s) Wm(s) có nhiều cách để xây dựng, tùy thuộc vào mơ hình đối tượng số trường hợp thực tế cần kết hợp với kinh nghiệm để chọn mơ hình phù hợp Thơng thường WP(s) Wm(s) có dạng sau [5]: W p ( s) = s + wb Mp (7) s+wpA wb Mm Wm ( s) = As + w b s+ (8) Với: Wp(s) hàm trọng số chất lượng; Wm(s) hàm trọng số ổn định; Mp, Mm biên độ hàm độ nhạy bù nhạy; wb dải băng thông; A sai lệch tĩnh nhỏ (thông thường A≠0, thường chọn A=10-4[7]) Theo [1] tần số cắt biên hệ hở xấp xỉ băng thông hệ kín, chọn wb ≈0,06 (rad/s) Biên độ hàm độ nhạy bù nhạy cần thỏa mãn Mp≤2 Mm≤1,5 (theo [5], [7]), ta chọn Mp= Mm=1,5 Thay giá trị vào biểu thức (7), (8), ta có hàm truyền Wp(s) Wm(s) sau: W p ( s) ≈ 0, 66667( s + 0, 09) s + 0, 01487 Wm ( s ) ≈ 10000( s + 0, 04) s + 600 (9) (10) 4.3 Xác định tham số gamma (γ) Tham số γ xem giá trị mục tiêu vòng lặp, giá trị γ chọn thỏa mãn điều kiện ổn |+| |‖ < định bền vững ‖| Hình Sơ đồ mơ hình khơng chắn khơng cấu trúc nhiễu cộng Để tìm γ ta sử dụng cấu trúc lệnh [K,CL,GAM]=hinfsyn(P) Matlab-Simulink, với (P) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(110).2017 19 hàm chuyển đổi hàm (G, Wp, Wm) Kết tìm là: γ=0,9906 (11) 4.4 Xác định điều khiển Sau trình tìm γ thỏa mãn dựa vào cấu trúc lệnh “hinfsyn” tìm hàm truyền điều khiển dựa vào giá trị γ Nếu gọi Kinf hàm truyền điều khiển, hàm truyền điều khiển bền vững H∞ tìm sau: Kinf = 0, 02073s5 + 12, 75s + 187,1s3 + 884,9 s s6 + 26,17 s5 + 243, s + 912,1s3 + 814, s (12) +503, s + 57,15 +514s + 0, 003084 Hình 13 Hàm độ nhạy (S) thỏa điều kiện chất lượng danh định Kết mô Để kiểm tra kết mô phỏng, ta cần kiểm tra lại điều kiện việc thiết kế điều khiển bền vững H∞ [1] Đáp ứng tốc độ ngõ q trình khởi động có với điều khiển bền vững H∞ (Hình 11) Với đáp ứng này, độ điều chỉnh 0%, thời gian xác lập ≈ 60 (s), sai số xác lập ԑ≈0% Hình 14 Hàm bù nhạy (T) thỏa điều kiện ổn định danh định Kiểm tra tính ổn định hệ có điều khiển bền vững H∞ ta dựa vào biểu đồ Bode Hình 11 Đáp ứng tốc độ khởi động Biểu đồ Bode hàm độ nhạy (S) hàm bù nhạy (T) Hình 12 Hình 15 Biểu đồ đánh giá chất lượng bền vững điều khiển H∞ Từ biểu đồ Bode Hình 15 ta có: Wp S + WmT Hình 12 Biều đồ hàm độ nhạy (S) bù nhạy (T) Dựa vào kết đáp ứng ngõ Hình 11 biểu đồ Bode hàm độ nhạy, hàm bù nhạy Hình 12 ta nhận xét: • Đáp ứng ngõ thỏa mãn tiêu chí kỹ thuật đề • Hàm độ nhạy hàm bù nhạy thỏa mãn điều ‖ < (xem kiện < (xem Hình 13) và ‖ Hình 14) ∞ = 0,139 < (13) Vậy điều khiển bền vững H∞ thiết kế có hàm truyền Kinf tìm cho hệ thống vịng kín thỏa mãn điều kiện chất lượng bền vững Từ kết điều khiển bền vững H∞ tìm ta so sánh kết với điều khiển PID dùng công cụ Tuning Matlab-Simulink Với thời gian mô 150 (s), giá trị tốc độ đặt 125 (vòng/phút) Kết trường hợp sau: 20 Nguyễn Văn Dũng, Trương Thị Bích Thanh, Bùi Văn Trình • Trường hợp khởi động: Hình 16 Đáp ứng tốc độ khởi động • Trường hợp có nhiễu: Với trường hợp ta xét sau khởi động cho tổ máy đóng tải 90 (s) với giá trị đóng tải (MW) (s) Với trường hợp có nhiễu tải tốc độ sau bị giảm tốc trở giá trị đặt Kết luận Bài báo trình bày phương pháp điều khiển cho hệ thống điều tốc turbine thủy điện việc ổn định tốc độ phương pháp điều khiển bền vững H∞ tham số cột nước nằm giới hạn 51÷66,6 (m) Kết mơ Matlab chứng minh tham số cột nước thay đổi từ 51÷66,6 (m) điều khiển bền vững H∞ có chất lượng điều khiển tốt điều khiển PID Tuy nhiên, nội dung báo dừng lại xét q trình khởi động tổ máy có ảnh hưởng cột nước Vì vậy, để tìm hiểu thiết kế đầy đủ, tương lai tác giả nghiên cứu thêm chế độ làm việc hệ thống điều tốc chế độ cố định công suất, chế độ cố định độ mở, chế độ điều tần để có điều khiển bền vững H∞ đầy đủ TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 17 Đáp ứng tốc độ có nhiễu tải Với tiêu chí đề điều khiển bền vững H∞ có hàm truyền Kinf ta thấy điểu khiển bền vững H∞ thỏa mãn có chất lượng điều khiển tốt điều khiển PID trình khởi động So với điều khiển PID độ q điều chỉnh gần khơng có, thời gian xác lập ≈ 60 [1] Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết Điều khiển nâng cao, Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh [2] Dự án thủy điện Srêpốk 3\Gói thiệt bị điện\5071 Hệ thống điều tốc [3] German Ardul Munoz-Hernandez, Sa'ad Petrous Mansoor, Dewi Leuan Jones, (2013), Modelling and Controlling Hydropower Plants, Springer-Verlag London [4] Matlab Simulink R2012a, Demo “Emergency Diesel-Generator and Asynchronous Motor” [5] Matlab Simulink R2012a, “Using MIXSYN for H-Infinity Loop Shaping” [6] Prabha Kundur, (1993) Power System Stability and Control, McGraw-Hill, New York [7] J Marcus Blaazer, (2010) “Advanced process control for power plants improving overall performance through control of internal process variables”, Faculty of Mechanical, Maritime and Materials Engineering (3mE) Delft University of Technology (BBT nhận bài: 14/10/2016, hoàn tất thủ tục phản biện: 13/12/2016) ... trúc nhiễu cộng Để tìm γ ta sử dụng cấu trúc lệnh [K,CL,GAM]=hinfsyn(P) Matlab-Simulink, với (P) ISSN 185 9-1 531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(110).2017 19 hàm chuyển đổi... Ardul Munoz-Hernandez, Sa''ad Petrous Mansoor, Dewi Leuan Jones, (2013), Modelling and Controlling Hydropower Plants, Springer-Verlag London [4] Matlab Simulink R2012a, Demo “Emergency Diesel-Generator...ISSN 185 9-1 531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(110).2017 GHS ( s) = Ka Ta s + s + K a