video_2

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) XÂY DỰNG THUẬT TOÁN MỞ CÁNH LÁI HƢỚNG CẤP NƢỚC VÀO TURBIN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ A CONTROL ALGORITHM TO OPEN RUDDER SUPPLYING WATER TO TURBINE OF SMALL AND MEDIUM HYDRO POWER PLANTS Đặng Tiến Trung Trường Đại học Điện lực Tóm tắt: Bài báo trình bày việc áp dụng lý thuyết điều khiển tối ưu để tổng hợp lệnh điều khiển cánh lái hướng cấp nước cho turbin nhà máy thủy điện vừa nhỏ nhằm ổn định tần số điện áp phát điều kiện tải thay đổi Từ khóa: Điều khiển tối ưu, cánh lái hướng, tần số chuẩn Abstract: In this paper, the laws to control the rudder supplying water to turbine of small and medium hydro power plants are synthesized by optimal control theory By that, the frequency of generated voltage will be stabilized under changing load Key words: Optimal control, rudder, standard frequency MỞ ĐẦU4 Trong báo [2] trình bày mơ hình tốn mơ tả quan hệ góc quay cánh lái hướng cấp nguồn lượng động cột nước cho turbin tổ hợp “turbin + máy phát điện” nhà máy thủy điện vừa nhỏ Tuy nhiên chưa trình bày thuật tốn hình thành giá trị lệnh U nhằm ổn định tần số điện áp phát giá trị chuẩn 50 Hz Trong báo nhóm tác giả trình bày giải pháp áp Ngày nhận bài: 12/11/2017, ngày chấp nhận đăng: 18/12/2017, phản biện: TS Mai Hoàng Công Minh 22 dụng lý thuyết điều khiển tối ưu để tạo lệnh điều khiển góc mở cánh lái hướng điều chỉnh dịng nước cấp vào turbin nhằm trì tần số điện áp phát máy phát điện giá trị danh định 50 Hz điều kiện phụ tải thay đổi cao trình cột nước thay đổi XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÁNH LÁI HƢỚNG DÒNG NƢỚC VÀO TURBIN THỦY ĐIỆN Trong báo [2] cho thấy mơ hình mơ tả quan hệ tín hiệu điều khiển quay cánh lái hướng tần số quay turbin Số 14 tháng 12-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Từ ba phương trinh vi phân tuyến tính (5), (7), (8) có hệ động học tuyến tính sau: sau: d    K  z1 dt (1) d 2 T    KuU  z2 dt (2) T đó: a góc mở cánh lái hướng; w tần số quay turbin Các tham số T , T , K , K u phụ thuộc vào áp lực tốc độ chảy cột nước, tham số z2 phụ thuộc vào áp lực cột nước, tham số z1 (9) (10) (11) Đặt vectơ trạng thái: X  ( x1 x2 x3 )T (12) phụ thuộc vào áp lực dòng chảy phụ thuộc vào tải tiêu thụ phân bổ cho máy phát điện Trong báo trình bày thuật toán nhận dạng xác định tham số bất định Từ ba phương trình (9), (10), (11) có phương trình động học trạng thái sau: Vì thơng tin sai lệch tần số điện áp phát tần số chuẩn 0  2 f0  2 50  100 (rađian/giây) thơng tin để hình thành tín hiệu điều khiển, nên đặt:  a11a12 a13  c11c12  0     A   a21a22 a13  ; B    ; C  c21c22   a31a32 a33  c31c32  b  (14) x1    0 Ở đây: (3) Vậy:   x1  0 dx d x3     x2  dt dt (4) Số 14 tháng 12-2017 K ; a12  ; a13  ; T T a22  ; a23  a31  ; a32   b (6) (7) Với cách đặt biến (6), (7) phương trình (2) có dạng sau: T x3  x2  KuU  z2 Trong đó: a11   Thay (4) vào (1) nhận phương trình: dx T  x1  0  K  z1 (5) dt Đặt: x2   (13) (8) ; a33  T Ku T (15) a21  ; (16) (17) (18) ; c12  ; c21  ; c22  ; c32  ; T c33  (19) T c11  v1  V    ; v1  z1  0 ; v2  z2 v2  (20) 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Nhiệm vụ điều khiển máy phát điện nhà máy thủy điện gồm hai nhiệm vụ điều khiển kích từ rotor máy phát để biên độ điện áp phát ổn định giá trị danh định điều khiển cánh lái hướng dòng nước cấp cho turbin quay rotor đảm bảo tần số điện áp phát ổn định giá trị danh định giải thay đổi tải z1 Phiếm hàm tối ưu (21) thể mong muốn đưa sai lệnh tần số điện áp phát nhanh chóng giá trị khơng lượng điều khỉển trình đạt giá trị nhỏ hệ thống điện lưới yêu cầu Việc điều khiển phần kích từ nhiều cơng trình cơng bố, khơng xem xét báo Đối với tất máy phát điện thủy lực có nước ta thuật toán điều khiển cánh lái hướng thường áp dụng thuật tốn hình thành lệnh điều khiển PID [1] tín hiệu sai lệch x1 Tuy J   ( XQX T  URU T )dt  (22) 20 nhiên thuật tốn có thời gian độ khác tải z1 thay đổi Ngoài ra, hệ số cho thiết bị điều khiển PID hợp lý tham số ma trận A, B, C mơ hình (13) khơng thay đổi Trong q trình hoạt động tải tiêu thụ điện thay đổi, nên tần số quay máy phát điện thay đổi, chệch khỏi tần số chuẩn ( 0  100 ), tải giảm   0 , cịn tải tăng   0 Nhiệm vụ điều khiển phải thay đổi góc mở cánh lái hướng dịng nước để tần số quay giá trị chuẩn 0 , tức đưa Phiếm hàm (21) viết dạng chuẩn sau: Tf Trong T f thời gian kết thúc q trình điều khiển (đơi T f đủ lớn có q q  thể coi T f   ) và: Q   11 12  ; q11  q ;  q21q22  (23) q12  q21  q22  ; R   r  Áp dụng lý thuyết điều khiển tối ưu [3, 4] tiến hành giải toán nêu để xác định luật thay đổi giá trị U Trước tiên thiết lập hàm Hamintơn sau: 1 X ,QX + U ,RU + AX , P (24) 2 + BU , P + CZ, P H= ký hiệu , tích vơ hướng hai vectơ [5] Vectơ P(t ) xác định theo: (25) giá trị x1 tiến giá trị không ( x1  ) Từ diễn giải nêu thiết lập toán điều khiển tối ưu sau: Tìm quy luật thay đổi giá trị tham số U tác động vào hệ động học (13) cho phiếm hàm: Tf J 24 (qx12 rU )dt  0 (21) Với điều kiện biên: P(T f )  (26) Ở quỹ đạo tối ưu thỏa mãn đẳng thức sau: H 0 U (t ) (27) Từ (24) (27) có: Số 14 tháng 12-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) H  RU (t )  Bt P(t )  U (28) Vậy suy ra: U (t )   R1BT P(t ) Thay vectơ P(t ) biểu thức (37) vế phải biểu thức (30) có phương trình sau: (29) Có thể đặt vectơ P(t ) dạng sau: P(t )  K x (t ) X (t )  K1 (t ) (30) Để đảm bảo điều kiện biên (26) có hai điều kiện sau: K x (T f )  (31) K1 (T f ) =0 (32) Khi cần phải xây dựng phương trình để xác định ma trận Kx(t) vectơ Kx(t) Từ (30) có: (33) Từ (25) (33) có phương trình sau: (34) (38) Nhóm số hạng có chứa X (t ) vế phải phương trình (38) với nhận phương trình: (39) Để phương trình (39) với giá trị X (t ) (khơng phụ thuộc vào X (t ) ) dễ dàng nhận thấy, Kx(t) K1(t) phải thỏa mãn hai phương trình sau: Thay vế trái phương trình (34) vế phải biểu thức (13) nhận được: (40) (35) (41) Hoặc: (36) Thay vectơ U (t ) theo (29) vào (36) nhận được: K x (t ) X (t )  K x ( AX  BR 1BT P(t )  CV )  K1 (t )  QX (t )  AT P(t )  Số 14 tháng 12-2017 (37) Kết hợp phương trình (40) với điều kiện biên (31) kết hợp phương trình (41) với điều kiện biên (32) nhận hệ hai phương trình vi phân để xác định ma trận Kx(t) xác định vectơ K1(t): ; K x (T f )  (42) 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ( K x (t ) BR1BT K x (t )  AT ) K1  K x (t )CV  K1 (t ) ; K1 (T f ) = (43) Từ (42) cho thấy để xác định Kx(t) cần biết rõ ma trận A, B, R, Q Đây phương trình Riccati Vì điều kiện biên phương trình vi phân (43) phía phải, nên nhận thấy để xác định K1(t) thời điểm t cần phải có thơng tin V khoảng thời gian tương lai (t ,T f ] Vì hệ phương trình vi phân (43) hệ tuyến tính với điều kiện biên bên phải, nên nghiệm phương trình [4]: (44) ma trận ma trận: (45) Theo [4] trường hợp thời gian tích phân T f dài vectơ V (t ) không thay đổi ( V (t )  const ) nghiệm phương trình (42) (43) xác định sở giải hệ phương trình đại số sau:  K x A  AT K x  K x BR 1BT K x  Q  (46) ( K x BR1BT K x  AT ) K1  K xCV  (47) Để giải hệ phương trình phi tuyến bậc hai Riccati (46) có nhiều thuật tốn trình bày nhiều tài liệu khác nhau, thí dụ tài liệu [4] Sau xác định ma trận hệ số K x việc xác định nghiệm hệ phương trình đại số tuyến tính dạng (47) là: (48) 26 Để giải hệ phương trình (46) xác định K x để xác định K1 theo (48) cần có thơng tin đầy đủ ma trận A, B, C hệ động học (13), ma trận hàm phạt Q , R tiêu chuẩn tối ưu (22) thông tin nhiễu tải V Các thông tin để xác định A, B, C, V trình bày [2], cịn hệ số phạt q ma trận Q , hệ số phạt r ma trận R xác định từ trình khai thác sử dụng nhà máy thủy điện vừa nhỏ, thường chuyên viên chuyên ngành đưa Bản thân hai hệ số phạt thay đổi trinh khai thác nhà máy theo yêu cầu kinh tế, kỹ thuật Sau xác định K x , K1 từ biểu thức (29) (30) có lệnh điều khiển tối ưu mở cánh lái hướng cấp nước động cho turbin quay máy phát điện sau: U (t) = -R-1BT P(t) (49) = -R-1BT K x X - R-1BT K1 Từ biểu thức (49) cho thấy để tổng hợp lệnh điều khiển tối ưu việc xác định ma trận K x qua việc giải phương trình đại số (46), xác định vectơ K1 theo biểu (48) cần phải xác định vectơ trạng thái X hệ động học tuyến tính (13), tức phải đo quan sát: sai lệch tần số điện áp máy phát tần số điện áp lưới chuẩn; góc mở cánh lái hướng tốc độ mở Như thiết kế chế tạo tổ hợp turbin + máy phát cần phải bố trí cài đặt cấu đo tương ứng để đo quan sát thông tin trạng thái X hệ động học Trong trường hợp không đo trực tiếp mà phải quan sát cần phải có thuật tốn Số 14 tháng 12-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) phần mềm quan sát tham số K=10; Ku=2; Tham số mơ phỏng: T=0.02; Ta=0.1; Mơ hình mơ phỏng: Hình Mơ hình mơ thuật tốn mở cánh lái Kết mơ phỏng: Góc mở cánh lái z1 hàm step, z2 số Goc quay canh lai[do] 0.7 Sai lech tan so [rad/s] -0.005 -0.01 -0.015 -0.02 -0.025 0.6 -0.03 0.5 -0.035 Thoi gian [s] 10 0.4 Hình Sai lệch tần số z1 hàm step, z2 số 0.3 0.2 0.1 KẾT LUẬN Thoi gian [s] 10 Hình Góc mở cánh lái z1 hàm step, z2 số 1.6 1.4 Toc mo canh lai [do/s] 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 Thoi gian [s] Hình Tốc độ mở cánh lái z1 hàm step, z2 số Số 14 tháng 12-2017 10 Từ việc nhận dạng tham số mơ hình động học ước lượng tải tiêu thụ cho phép thiết lập toán điều khiển tối ưu q trình quay cánh lái hướng dịng nước động cấp vào turbin tổ hợp turbin máy phát nhà máy thủy điện vừa nhỏ Áp dụng lý thuyết điều khiển tối ưu xây dựng thuật toán xác định ma trận hệ số theo trạng thái hệ động học vectơ liên quan đến tải tiêu thụ cấu trúc lệnh điều khiển Từ cấu trúc lệnh điều khiển xác định yêu cầu phần cứng phần mềm 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) thiết kế chế tạo tổ hợp turbin + máy phát điện Thuật tốn trình bày báo sở để thiết lập phần mềm thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển cho tổ hợp turbin + máy phát điện Áp dụng thuật toán q trình hiệu chỉnh cơng suất phát theo tải u cầu thực có chất lượng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lã Văn Út “Ph n tích điều khiển ổn định hệ thống điện” NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2011 [2] Đặng Tiến Trung, Phạm Tuấn Thành “X y dựng mơ hình mơ tả trình điều khiển cho máy phát điện nhà máy thuỷ điện vừa nhỏ” Tạp chí Nghiên cứu khoa học công nghệ qu n sự, số 50, 8-2017 [3] Nguyễn Doãn Phước “Lý thuyết điều khiển tuyến tinh” NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2009 [4] Michael Athans, Peter L Falb “Optimal control an introduction to the theory and its applications” McGraw-Hill Book Company New York/St Louis/San Francisco/Toronto/London/Sydney 1968 [5] Granino A Korn, PH D, Theresa M Korn, M.S “Mathematical handbook for scientists and engineers definitions, theorems and formulas for reference and review” McGraw-Hill Book Company New York/St Louis/San Francisco/Toronto/London/Sydney 1968 Giới thiệu tác giả: Tác giả Đặng Tiến Trung tốt nghiệp kỹ sư điện - tự động hoá Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2004, nhận thạc sỹ ngành tự động hóa Học viện Kỹ thuật quân năm 2008 Tác giả nghiên cứu sinh Học viện Kỹ thuật quân giảng viên Khoa Kỹ thuật điện - Trường Đại học Điện lực Lĩnh vực nghiên cứu: Ứng dụng giải pháp điều khiển đại hệ thống điện 28 Số 14 tháng 12-2017