Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc ổn định tần số máy phát thủy điện Bình Điền

1 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NA TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập – Tự – Hạnh phúc ***** LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Mã số : 605260 Ngƣời thực : NGUYỄN TÂM PHƢƠNG Học viên : Nguyễn Tâm Phƣơng Lớp : Cao học K11-TĐH Cán HDKH : PGS.TS Võ Quang Lạp CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN Cán HD khoa học : PGS.TS VÕ QUANG LẠP PGS.TS Võ Quang Lạp BAN GIÁM HIỆU Nguyễn Tâm Phƣơng KHOA SAU ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN-NĂM 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 4 LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC Tôi , Nguyễn Tâm Phƣơng học viên lớp cao học Tự Động Hoá niên khoá 2008-2010 sau hai năm học tập nghiên cứu, đƣợc giúp đỡ thầy cô giáo đặc biệt thầy PGS.TS Võ Quang Lạp, thầy giáo hƣớng dẫn tốt nghiệp tôi, đến cuối chặng đƣờng để kết thúc khoá học thạc sĩ LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Tôi định chọn đề tài tốt nghiệp là: "Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc ổn định tần số máy phát thủy điện Bình Điền" Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu cá nhân dƣới MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU TỐC MÁY hƣớng dẫn PGS.TS Võ Quang Lạp tham khảo tài liệu đƣợc liệt PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ kê Tôi không chép công trình cá nhân khác dƣới hình thức Nếu I.1 Tổng quan điều tốc có xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Ngƣời cam đoan I.1.1 Tần số chất lƣợng điện I.1.2 Điều tốc ổn định tần số I.1.3 Phân loại loại điều tốc I.1.3.1 Trên sở truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cấu điều chỉnh phân loại Nguyễn Tâm Phƣơng I.1.3.3 Dựa sở tín hiệu công tác phần tử điều chỉnh I.1.3.4 Trên sở nguyên lý xây dựng điều chỉnh vòng quay có I.1.3.5 Dựa sở sử dụng loại phản hồi khác phân loại 9 I.1.4 Các thông số điều tốc 10 I.1.5 Giới thiệu số điều tốc 12 I.1.5.1 Điều tốc khí 12 I.1.5.2 Điều tốc điện 14 I.2 Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Bình Điền http://www.lrc-tnu.edu.vn I.1.3.2 Trên sở hoạt động điều chỉnh phân loại thể phân loại Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 6 I.2.1 Phần điều khiển 15 TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH I.2.2 Phần động lực 22 TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN I.2.2.1 Hệ thống dầu áp lực 22 III.1 Xây dựng hàm truyền khâu hệ thống điều khiển I.2.2.2 Cấu trúc phần thủy lực 24 III.1.1 Hàm truyền động điện 67 I.2.2.3 Cấu tạo loại van 25 III.1.2 Bộ chỉnh lƣu bán dẫn THYRISTOR 72 CHƢƠNG II III.1.3 Hàm truyền máy phát tốc 74 PHÂN TÍCH CÁC PHƢƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỀU 31 III.1.4 Hàm truyền thiết bị đo điện 74 TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN III.1.5 Tổng hợp hệ điều khiển RI, R, R 75 II.1 Sơ đồ khối hệ truyền động điều tốc thủy điện 31 II.2 Hệ điều khiển vector biến tần động không đồng bộ ba pha 32 II.2.1 Mô tả động không đồng bộ ba pha dƣới dạng các đại lƣợng vec tơ không gian 32 II.2.2 Quy đổi các đại lƣợng điện của động không đồng bộ tƣ̀ hệ véc 34 tơ (a,b,c) về hệ tọa độ cố đị nh Stato (,) II.2.3 Quy đổi các đại lƣợng điện của động không đồng bộ ba pha tƣ̀ hệ tọa độ cố đị nh Rotor (x,y) về hệ tọa độ cố đị nh Stator (,) 37 II.2.4 Quy đổi các đại lƣợng điện của động không đồng bộ ba pha tƣ̀ hệ tọa độ cố định Stator (,) về hệ tọa độ cố đị nh Rotor (d,q) II.2.5 Xây dƣ̣ng mô hì nh toán học cho động không đồng bộ II.2.6 Cơ sở để đị nh hƣớng tƣ̀ thông hệ tọa độ tƣ̣a theo tƣ̀ thông Rotor (d,q) 39 43 45 III.2 Mô hệ truyền động điều tốc sử dụng điều khiển PID III.2.1 Tính toán thông số hệ điều chỉnh vị trí động điện chiều kích từ độc lập III.2.2 Xây dựng sơ đồ mô hệ điều khiển điều tốc sử dụng điều khiển PID 67 82 82 85 CHƢƠNG IV ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ 90 TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN IV.1 Tính phi tuyến điều khiển vị trí 90 IV.2 Các điều khiển mờ 92 IV.2.1 Phƣơng pháp tổng hợp kinh điển 92 IV.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh 93 IV.2.3 Bộ điều khiển mờ động 93 48 IV.3 Bộ điều khiển mờ lai PID 97 II.3.1 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn đị nh và đƣờng đặc tí nh tĩ nh 50 IV.3.1 Giới thiệu chung 97 II.3.2 Chất lƣợng động của hệ thống điều chỉ nh tốc độ hai mạch vòng kí n 52 IV.3.2 Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số điều khiển PID 99 II.3.3 Hạn chế điều khiển tốc độ quay bằng 56 IV.3.3 Tổng hợp điều chỉnh vị trí dùng điều khiển mờ lai PD 101 IV.3.4 Kết mô điều khiển mờ lai song song PD 109 II.3 Hệ thống Thyristor – động II.3.4 Hệ thống điều chỉ nh tốc độ nhiều mạch vòng kí n có mạch vòng cài đặt suất biến đổi dòng điện CHƢƠNG III Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113 66 http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 8 DANH MỤC CÁC HÌ NH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình II.6 Hình vẽ Tên hì nh vẽ Trang Hình I.1 Sơ đồ khối máy phát nối lƣới độc lập Hình I.2 Đặc tính tần số lƣới máy phát Hình I.3 Sơ đồ khối điều tốc Hình I.4 Sơ đồ điều tốc có phản hồi công suất hay phản hồi vị trí cánh hƣớng Hình I.5 Đƣờng đặc tính điều chỉnh tần số Turbine - máy phát Hình I.6 Hệ thống điều khiển có máy điều tốc 13 Hình I.7 Nguyên lý làm việc máy điều tốc khí 14 Hình I.8 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Bình Điền 16 Hình I.9 Sơ đồ khối trình tự khởi động điều tốc 17 Hình I.10 Sơ đồ trình tự khởi động không tải điều tốc 19 Hình I.11 Sơ đồ thuật toán điều tốc Bình Điền 20 Hình I.12 Sơ đồ nguyên lý đo lƣờng tần số 22 Hình I.13 Sơ đồ nguyên lý nguồn dầu thủy lực điều tốc 23 Hình I.14 Sơ đồ nguyên lý điều khiển thủy lực 24 Hình I.15 Sơ đồ Secvo điều chỉnh cánh hƣớng 25 Hình I.16 Sơ đồ cấu tạo van điện từ khiểu bypass 25 Hình II.1 Sơ đồ khối hệ truyền động điều tốc thủy điện 31 Hình II.2 Sơ đồ nguyên lý dây quấn động không đồng 32 Hình II.3 Hình II.4 Hệ trục vector không gian(a,b,c) hệ tọa độ cố định Hệ tọa độ cố định stator (,) hệ toạ độ cố định Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 Hình II.8 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp động không đồng 45 Hình II.9 Hình II.10 Hình II.11 Hình II.12 Hình II.13 Hình II.14 Định hƣớng từ thông hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q) Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động KĐB thiết bị biến tần Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor – động Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín Đƣờng đặc tĩnh tĩnh hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín Sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống điều chỉnh tốc độ shai mạch vòng kín 45 48 49 50 51 53 Đồ thị dòng điện tốc độ quay trình khởi động hệ Hình II.15 thống điều chỉnh tốc độ 53 a) Quá trình khởi động tăng tốc lý tƣởng b) Hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín Hình II.16 Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân 58 Ảnh hƣởng phản hồi âm vi phân tốc độ quay trình khởi động 59 – Hệ thống hai mạch vòng kín thông dụng – Hệ thống cài đặt phản hồi âm vi phân Sơ đồ cấu trúc trạng thái động mạch vòng tốc độ quay có 36 Hình II.18 Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor hệ trục tọa độ cố định stator (,) hệ tọa độ cố định rotor (x,y) 39 Sơ đồ cấu trúc chi tiết động không đồng Hình II.17 rotor(x,y) Hình II.5 stator (,) hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q) Hình II.7 35 stator (,) Biểu diễn vector dòng điện stator hệ tọa độ cố định 37 http://www.lrc-tnu.edu.vn cài đặt phản hồi âm vi phân tốc độ quay: 59 a Sơ đồ cấu trúc hệ thống ban đầu b Sơ đồ cấu trúc sau đơn giản hoá Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 10 Hệ thống điều khiển tốc độ ba mạch vòng có mạch vòng có Hình II.19 cài đặt suất biến đổi dòng điện ADR – điều chỉnh sức biến đổi dòng điện vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = 4,3 A 63 CD – khâu vi phân dòng điện Hình II.20 Hình II.21 Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện Sơ đồ cấu trúc trạng thái động mạch vòng suất biến đổi dòng điện Hình IV.1 Quan hệ giƣ̃a   91 Hình IV.2 Hệ điều khiển mờ theo luật I 94 Hình IV.3 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 94 63 Hình IV.4 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 95 64 Hình IV.5 Hệ điều khiển mờ PID 96 Hình IV.6 Mô hình điều khiển mờ lai kinh điển 98 Hình IV.7 Mô hình điều khiển mờ bù 98 Hình III.1 Hệ thống truyền động Thyristor - Động 66 Hình III.2 Mạch điện thay động chiều 67 Hình III.3 Sơ đồ cấu trúc động chiều 69 Hình IV.8 Hình III.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá đặc tính tải 69 Hình IV.9 Hình III.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá 70 Hình IV.10 Định nghĩa biến vào điều khiển mờ lai PD Hình III.6 Sơ đồ cấu trúc từ thông không đổi 71 Hình III.7 Hình III.8 Hình III.9 Hình IV.11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn: 71 a Theo tốc độ, b Theo dòng điện Thời gian phát xung thời gian điều khiển chỉnh lƣu Sơ đồ cấu trúc chỉnh lƣu bán dẫn thyristor a chuẩn xác, b gần Hình IV.12 72 Hình IV.13 74 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 75 Hình III.11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 76 Hình III.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 77 Hình III.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 79 Hình III.14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 81 Hình III.15 Sơ đồ mô hệ điều khiển điều khiển PID 85 Hình III.17 Hình IV.15 Cấu trúc bên chỉnh định mờ Hình IV.17 87 vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = A Các tín hịệu vị trí đầu tƣơng ứng với giá trị khác 89 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình IV.19 100 101 Định nghĩa tập mờ cho biến ET điều khiển mờ lai PD Định nghĩa tập mờ cho biến DET điều khiển mờ lai PD Định nghĩa tập mờ cho biến U điều khiển mờ lai PD Bề mặt đặc trƣng cho quan hệ vào điều khiển mờ lai PD Hình IV.16 Quan hệ tín hiệu vào mờ lai PD Hình IV.18 Các tín hịệu vị trí đầu tƣơng ứng với giá trị khác Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên khiển PID Hình IV.14 Xây dựng luật điều khiển cho điều khiển mờ lai PD Hình III.10 Hình III.16 Mô hình điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số điều 103 104 104 105 105 106 107 Sơ đồ mô so sánh chất lƣợng điều khiển PID điều khiển mờ lai PD 108 Các tín hịệu vị trí đầu tƣơng ứng với giá trị khác 110 vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = A Các tín hịệu vị trí đầu tƣơng ứng với giá trị khác vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = 4.3 A Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 112 http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 12 Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban MỞ ĐẦU Hiện nay, tần số hệ thống điện tiêu để đánh giá chất lƣợng điện Do để giữ tần số ổn định phụ tải thay đổi nhà máy thủy điện ngƣời ta phải sử dụng thiết bị để điều chỉnh hệ thống điều tốc Ngày công nghệ tự động hóa việc điều chỉnh tần số hệ thống Giám Hiệu Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp tạo điều kiện thuận lợi mặt để hoàn thành khóa học Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 30 tháng năm 2010 điện phát triển việc nghiên cứu, nâng cao chất lƣợng hệ thống điều tốc ổn định Tác giả luận văn tần số cấp thiết Ngoài việc thành công nghiên cứu mang tính ứng dụng thực tiễn cho Nhà máy thủy điện Bình Điền, góp phần vào ổn định tần số hệ thống điện phụ tải dao động Việc “Nghiên cứu, nâng cao chất lƣợng hệ thống điều tốc ổn định tần số máy phát Thủy điện Bình Điền” có một ý nghĩ a rất lớn ngành tƣ̣ động Nguyễn Tâm Phương hóa Đó chí nh là nội dung đề tài luận văn tốt nghiệp cao học của Nội dung luận văn đƣợc chia thành chƣơng sau: CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ CHƢƠNG II: PHÂN TÍCH CÁC PHƢƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN CHƢƠNG III: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN CHƢƠNG VI: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Võ Quang Lạp đã hƣớng dẫn tận tì nh , bảo cặn kẽ để hoàn thành luận văn cảm ơn chân thành cám ơn thầy cô Khoa Điện Xin gƣ̉i lời – Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đóng góp nhiều ý kiến tạo điều kiện thuận lợi cho hoàn thành luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 14 CHƢƠNG I I.1.1 Tần số chất lƣợng điện TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ Điều tốc khâu quan trọng nhà máy điện Điều tốc trình điều chỉnh tốc độ quay Turbine cách thay đổi lƣu lƣợng nƣớc vào bánh xe công tác Mục đích điều tốc đảm bảo cân I.1 Tổng quan điều tốc Tấn số tiêu chuẩn để đánh giá chất lƣợng điện Tốc công suất phát tổ máy công suất tiêu thụ (phụ tải) Quá trình điều tốc giữ cho độ quay suất làm việc động đồng không đồng phụ tần số không đổi độ lệch tần số phạm vi cho phép nhờ mà hệ thuộc tần số dòng điện xoay chiều Khi tần số giảm suất chúng thống làm việc ổn định bị giảm thấp Tần số tăng cao dẫn đến tiêu hao lƣợng mức tần số phải đƣợc giữ định mức Đối với hệ thống điện Việt Nam trị số định mức tần số đƣợc quy định 50 Hz Độ lệch cho phép khỏi trị số định mức * Một máy phát điện có hai chế độ làm việc là: - Trƣờng hợp 1: Máy phát làm việc lƣới độc lƣới công suất tổ máy cung cấp - Trƣờng hợp 2: Máy phát làm việc hệ thống, trƣờng hợp ±0,1 Hz Việc sản xuất tiêu thụ công suất tác dụng xảy đồng thời Vì chế độ làm việc bình thƣờng, công suất phát PF máy phát nhà máy điện phát phải tổng công suất phụ tải tiêu thụ Ptt công suất tổn thất Pth đƣờng dây truyền tải phần tử khác mạng điện, nghĩa tuân theo công suất hệ thống nhiều máy cung cấp lớn nhiều công suất tổ máy xét * Trong trƣờng hợp 1: Bộ điều tốc trì tần số có giá trị định mức * Trong trƣờng hợp 2: Bộ điều tốc phải đảm bảo đƣợc điều chỉnh sơ cấp điều kiện cân công suất tác dụng: tần số lƣới lệch khỏi giá trị định mức, điều khiển thứ cấp đƣợc điều khiển từ PF = Ptt + Pth = PPT xa theo lệnh trung tâm điều độ Trong thực tế trình điều chỉnh sơ cấp thứ cấp xảy đồng thời phụ tải hệ thống tăng lên hay giảm xuống, tất Trong đó: PPT: Phụ tải tổng máy phát nhà máy có điều chỉnh tốc độ tự động thay đổi công suất phát để phù hợp PF : Công suất phát với phụ tải Sau nhà máy điều tần sẽ điều chỉnh công suất phát để đảm bảo Khi có cân công suất tần số đƣợc giữ không đổi Nhƣng vào thời điểm tùy thuộc số lƣợng hộ tiêu thụ đƣợc nối vào tải chúng, phụ tải hệ thống điện liên tục thay đổi làm phá hủy cân công suất làm tần số phần phụ tải thay đổi Các nhà máy lại giữ nguyên công suất ban đầu để hệ thống trì tần số định mức a Tổ máy nối vào lƣới độc lập biến động Để trì tần số định mức hệ thống điện yêu cầu phải thay đổi công suất tác dụng cách tƣơng ứng kịp thời Nhƣ vấn đề điều chỉnh tần số liên quan chắt chẽ với điều chỉnh phân phối công suất tác dụng tổ máy phát nhà máy điện Tần số đƣợc điểu chỉnh cách thay đổi lƣợng nƣớc vào Turbine Khi thay đổi lƣợng nƣớc vào Turbine, công suất tác dụng máy phát thay đổi Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình I.1: Sơ đồ khối máy phát nối lưới độc lập Trong đó: Z1, Z2 phụ tải máy phát Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 16 Yêu cầu lƣới là: Khi đóng thêm phụ tải Z2 (hoặc cắt Z2) tần số giá trị định mức Đặc tính lƣới, máy phát lúc có dạng nhƣ sau: f Tín hiệu sai lệch ( = fo- f) sẽ định hƣớng dịch chuyển độ mở cánh hƣớng Khi hệ thống ổn định,  = hay f = fo công suất máy phát cân với công suất tải f2 * Đặc điểm điều tốc trƣờng hợp là: f0 - PPT = f > fo f1 - < PPT < PMAX f = fo - PPT = PMAX f < fo Với điều tốc nhƣ trên, tần số lƣới giữ giá trị định mức Tuy nhiên, tổng công suất phụ tải lớn công suất cực đại tổ máy phát lúc điều tốc không khả điều chỉnh đƣợc lúc buộc phải dừng máy Hình I.2: Đặc tính tần số lưới máy phát b Tổ máy nối vào hệ thống: Nếu công suất phụ tải lớn công suất cực đại tổ máy để đảm Trong đó: bảo cân công suất lƣới, cần phải nối thêm tổ máy thứ hai vào lƣới - (1) : Đặc tính phụ tải Z1 Giả sử cấu trúc tổ máy thứ hai hoàn toàn giống tổ máy ( nhƣ - (2) : Đặc tính phụ tải Z1 Z2 xét trên) Khi hệ thống máy phát cân công suất lƣới ta có: - (3) : Đặc tính tần số Turbine - Máy phát Nhƣ ta thấy làm việc lƣới độc lập, đặc tính tần số Turbine Máy phát phải có dạng nhƣ đƣờng số (3) - f = fo - P1 + P2 =PR Để có đƣợc đặc tính nhƣ trên, ta có sơ đồ khối điều tốc nhƣ sau: (1.1) Trong đó: P1, P2 công suất phát tổ máy PR tổng công suất phụ tải  fo Từ phƣơng trình (1.1) ta thấy có vô số giá trị P1, P2 nhận đƣợc để thỏa mãn phƣơng trình (1.1) Điều có nghĩa là, ta không chủ động đặt đƣợc công suất phát cho tổ máy f Để giải vấn đề này, ngƣời ta thiết kế điều tốc có phản hồi công suất hay phản hồi vị trí cánh hƣớng theo sơ đồ: Hình I.3: Sơ đồ khối điều tốc Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17 fo 18 Từ phƣơng trình (1.3) ta có đặc tính điều chỉnh Turbine - máy phát f trƣờng hợp có dạng sau: 1  2 (Po)(GVo) (P)(GV) P01 Hình I.4: Sơ đồ điều tốc có phản hồi công suất hay phản hồi vị trí cánh hướng P02 Lúc ta có: Hình I.5: Đường đặc tính điều chỉnh tần số Turbine - máy phát 1 = fo – f Đặc tính biểu diễn điểm làm việc máy phát ứng với giá trị 2 = (GVo – GV).ep 2 = (Po- P).ep khác tần số f Khi thay đổi công suất đặt từ P01P02, đặc tính sẽ chuyển từ  = 1 + 2 đƣờng số (1) sang đƣờng số (2) Nhƣ vậy, với loại Turbine nhƣ hệ thống ổn Trong đó: định f ≠ fo Từ (1.3) ta thấy f = fo P = Po - fo: tần số đặt Vậy đặc điểm điều tốc trƣờng hợp là: - ep: độ rơi tốc độ - GVo: giá trị đặt cánh hƣớng - P = 0: f > fo - Po: giá trị đặt công suất - P = Po: f = fo - P = Pmax: Khi hệ thống ổn định  = - < P < Pmax  (fo - f) + ep(GVo - GV) =  f = fo + ep.GVo - ep.GV (1.2) - f(x): hàm tuyến tính (biến đổi giá trị công suất đặt sang vị trí secvo Để thuận tiện cho sử dụng phản hồi công suất: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong đó: - f1: tần số giới hạn Trong đó: GVo = Po.f(x) Khi hệ thống ổn định  = hay f = fo + ep.Po – ep.P f < fo f2 < f < f (1.3) http://www.lrc-tnu.edu.vn - f2: tần số giới hạn dƣới Từ sơ đồ đặc tính điều chỉnh Turbine, ta thấy đặt ep = sơ đồ vẽ có dạng nhƣ làm việc lƣới độc lập Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 19 20 không thay đổi ta phải điều chỉnh công suất Turbine cho phù hợp, công suất I.1.2 Điều tốc ổn định tần số Nhiệm vụ điều tốc giữ cho tốc độ quay Rotor - Máy phát không đổi có thay đổi phụ tải NTB = 9,81..Q.H Từ biểu thức tính tần số máy phát điện xoay chiều: (1.4) Trong đó: - : Hiệu suất sử dụng cột nƣớc Turbine n.p f  60 - Q: Lƣu lƣợng dòng nƣớc (m3/s) Trong đó: - H: Chiều cao cột nƣớc (m) - f: tần số máy phát xoay chiều (Hz) - NTB: Công suất Turbine (KW) - n: tốc độ quay Rotor máy phát (v/ph) Từ công thức (1.4) ta thay đổi thông số , Q, H để điều chỉnh công - p: Số đôi cực máy phát Ta thấy số đôi cực máy phát không đổi nên muốn đảm bảo tần số không đổi (thay đổi phạm vi cho phép) ta phải ổn định tốc độ quay Rotor Rotor máy phát đƣợc nối vào trục Turbine, dƣới tác dụng lƣợng dòng nƣớc làm Turbine quay Rotor quay theo Lúc phƣơng trình động lực đƣợc xác định trục Turbine - Máy phát là: M đ  M c  J Turbine dòng nƣớc cung cấp đƣợc xác định suất Turbine Việc thay đổi thông số Q tiện lợi nhất: Lƣu lƣợng Q dòng nƣớc qua tiết diện S đƣợc tính nhƣ sau: Q = V.S (m3/s) Trong đó: - V: vận tốc dòng chảy qua tiết diện S(m/s) - S: tiết diện mặt cắt ngang dòng nƣớc (m2) Mặt khác ta có: d dt V  g H Vì độ cao cột nƣớc H hầu nhƣ không thay đổi khoảng thời gian ta Trong đó: - Mđ: Mômen động lực có tác dụng làm cho Turbine quay xét nên vận tốc dòng chảy qua Turbine không đổi Vậy để điều chỉnh Q dẫn đến thay đổi tốc độ ngƣời ta phải thay đổi tiết - Mc: Mômen cản trục Turbine - Máy phát gồm: diện dòng chảy khỏi đƣờng ống + Mômen cản ma sát + Mômen điện từ: mômen dòng điện chạy phần Nhƣ vậy: Điều tốc cho Turbine thủy lực điều chỉnh lƣu lƣợng nƣớc vào Turbine để giữ cho tốc độ quay Rotor máy phát không đổi tốc độ thay đổi Nói ứng máy phát thay đổi phụ tải thay đổi + J: mômen quán tính quy đổi trục Turbine + : tốc độ góc Rotor - máy phát đƣợc xác định: Từ phƣơng trình ta thấy số vòng quay không đổi d  nghĩa dt cách khác giữ cho tần số máy phát không đổi tần số lƣới thay đổi I.1.3 Phân loại loại điều tốc I.1.3.1 Trên sở truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cấu điều chỉnh phân loại: mômen động lực mômen cản hay công suất Turbine công suất phụ - Bộ điều tốc hoạt động trực tiếp tải máy phát, công suất phụ tải thay đổi liên tục nên muốn đảm bảo tần số - Bộ điều tốc hoạt động gián tiếp Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 99 100 Dòng điện Vị trí cánh hướng Hình III.16: Các tín hịệu vị trí đầu tương ứng với giá trị khác Tốc độ vị trí đặt đầu vàođặt = 10(V), I = 0(A) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 101 102 CHƢƠNG IV ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN Dòng điện ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN IV.1 Tính phi tuyến điều khiển vị trí Bộ điều khiển vị trí nhằm đảm bảo thời gian quá độ ngắn , đồng thời độ chí nh xác tĩnh nằm giới hạn cho phép Ta xét quá trì nh bắt đầu hãm , lúc tín hiệu đặt và tí n hiệu phản hồi xấp xỉ nghĩ a là : (1   ).R    h (4.1) h  1  2 :quãng thời gian hãm h : Vận tốc thời điểm bắt đầu quá trì nh hãm quãng đƣờng hãm lớn nhất đƣợc tính theo công thức : hmax Trong đó: ω K  Max r ε hMax  hMax : Gia tốc hãm cƣ̣c đại cho trƣớc  hMax R    h Tƣ̀ (4.1) (4.2) ta có: Hình III.17: Các tín hịệu vị trí đầu tương ứng với giá trị khác vị trí đặt đầu vàođặt = 10V, I = 4,3 A (4.2) Chọn R   K   K   K K   h  Max r   hMax 2. hMax 1 K r (4.3) Quãng đƣờng đƣợc lúc hãm là :  = 2hmax = ω 2h K r ε Khi tổng hợp bộ điều khiển vị trí (4.4) R  ,ta đã chọn hàm truyền đạt kiểu PD với hệ số khuếch đại K θ = const quan hệ tĩ nh   f () quá trì nh hãm công thƣ́c (4.2) đƣợc vẽ hình IV.1 ta thấy: Khi cho quãng đƣờng là 1 tốc độ 1 tƣơng ƣ́ng với hệ số khuếch đại K 1 , cho quãng đƣờng là Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 mà giữ nguyên hệ số Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên K 1 tốc độ http://www.lrc-tnu.edu.vn 103 104 2 nhƣng thƣ̣c chất theo quan hệ phi tuyến thì tốc độ là  '2 Nghĩa cầ n hệ số khuếch đại K 2 Tƣơng tƣ̣ cho quãng đƣờng là 3 cần phải có K 3 Nhƣ vậy  nhỏ hệ số khuếch đại R  lớn để đạ t đƣợc tốc độ lớn tăng lên thích ứng với trình hãm nhanh theo yêu cầu      '   hệ điều khiển vị trí đáp ứng đƣợc tiêu chất lƣợng cao cao thời gian quá độ ngắn, độ chí nh xác cao … IV.2 Các điều khiển mờ IV.2.1 Phƣơng pháp tổng hợp kinh điển Trƣớc vào việc phân tích tổng hợp điều khiển mờ, cần   lƣợc qua cách nhắn phƣơng pháp tổng hợp kinh điển, đứng  phƣơng diện điều thật thú vị Phƣơng pháp kinh điển bao  gồm bƣớc:   1) Xây dựng mô hình đối tƣợng đủ xác  2) Đơn giản hoá mô hình 3) Tuyến tính hoá mô hình điểm làm việc       4) Chọn điều khiển thích hợp xác định tính chất mà điều khiển  phải có Hình IV.1: Quan hệ giữa   Tính toán thông số điều khiển Qua phân tí ch ta thấy quan hệ   f () phi tuyến việc chọn R  chứa 5) Kểm tra điều khiển vừa thiết kế cách ghép mô hình đối tƣợng điều hệ số khuếch đại K θ = const là không hợp lý Để giải quyết vấn đề này nghĩ a là phải khiển, kết không đƣợc nhƣ mong muốn quay lại bƣớc đạt thƣ̣c hiện bộ điều khiển phi tuyến Trong bản luận văn này đề xuất phƣơng pháp dùng điều khiển mờ kết hợp với bộ điều khiển PID Qua phân tí ch đã cho ta thấy một cách nhì n tổng quan về hệ điều khiển vị trí công nghiệp Các khâu hệ điều khiển vị trí đƣợc phân tích mô hình hóa , tuyến tính hóa cần thiết, phục vụ cho trình mô hệ thống Hệ điều khiển phi tuyến đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp kinh điển đó đã đƣợc tổng hợp dƣ̣a vào các tiêu chuẩn môdul tối ƣu đối xƣ́ng nhằm đạt đƣợc chất lƣợ ng điều khiển tốt nhất Tuy vậy ta đã chƣ́ng minh đƣợc đặc tí nh điều khiển của hệ điều khiển vị trí là phi tuyến nên để nâng cao chất lƣợng điều khiển của hệ thống thì thƣ̣c hiện một bộ điều khiển vị trí phi tuyến là cầ n thiết và vô cùng cấp bách Đặc biệt cần thiết kế Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn đƣợc kết mong muốn 6) Đƣa điều khiển vừa thiết kế vào điều khiển đối tƣợng thực kiểm tra trình làm việc hệ thống Nếu chƣa đạt yêu cầu thiết kế lại điều khiển theo bƣớc từ đến đạt đƣợc tiêu chất lƣợng mong muốn Nhìn chung phƣơng pháp tổng hợp kinh điển thƣờng gặp khó khăn việc phải xây dựng đƣợc mô hình đối tƣợng trƣớc thiết kế điều khiển Mặt khác điều khiển phải đựoc thiết kế dựa sở kỹ thuật đảm bảo tính chất phù hợp đối tƣợng điều khiển Song thực tế thiết kế hệ điều khiển mờ không thiết phải biết trƣớc mô hình mà cần thể hiểu biết đối tƣợng qua biến ngôn ngữ động học đối tƣợng, biến lại đƣợc phản chiếu qua biến ngôn ngữ nguyên tắc điều khiển sở điều khiển mờ Trong nhiều trƣờng hợp khả nhận dạng đối tƣợng qua mô hình khó khăn nhiều Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 105 106 trƣờng hợp thực đƣợc, nên việc tổng hợp hệ thống điều khiển việc mắc khâu tích phân trƣớc hay sau hệ mờ hoàn toàn khác Cụ thể ta thiết kế điều khiển mờ cho phép tiết kiệm nhiều công sức giá thành lại rẻ Đó lấy ví dụ khâu tích phân đƣợc mắc đầu hệ mờ Hình IV.2 điểm mạnh điều khiển mờ việc thiết kế hệ thống điều khiển đối tƣợng phức tạp, đối tƣợng mà việc xây dựng mô hình khó khăn Luật hợp thành Ngay đối tƣợng điều khiển đơn giản quy trình thiết kế hệ thống mờ Nhiễu ngắn so với quy trình thiết kế hệ thống điều khiển kinh điển IV.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh Thiết bị hợp P Fuzzy ET hóa Bộ điều khiển mờ tĩnh điều khiển mờ có quan hệ vào/ra y(x) liên hệ Đối tƣợng I giải mờ theo phƣơng trình đại số (tuyến tính phi tuyến) Các điều khiển tĩnh điển hình khuyếch đại P, điều khiển relay hai vị trí, ba vị trí…Một dạng hay dùng điều khiển mờ tĩnh điều khiển mờ tuyến tính đoạn, cho phép ta thay đổi mức độ điều khiển phạm vi khác trình, nâng cao đƣợc chất lƣợng điều khiển Bộ điều khiển mờ tĩnh có ƣu điểm đơn giản, dễ thiết kế, song có nhƣợc Hình IV.2: Hệ điều khiển mờ theo luật I b Bộ điều khiển theo luật PD Khi mắc nối tiếp đầu vào điều khiển mờ theo luật tỉ lệ khâu vi phân sẽ có đƣợc điều khiển mờ theo luật tỉ lệ vi phân PD Hình IV.3 điểm chất lƣợng điều khiển không cao chƣa đề cập đến trạng thái động E (vận tốc, gia tốc…) trình, đƣợc sử dụng trƣờng hợp d E’ dt đơn giản Bộ điều khiển mờ Đối tƣợng IV.2.3 Bộ điều khiển mờ động Một dạng hay dùng điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới Hình IV.3: Hệ điều khiển mờ theo luật PD trạng thái động đối tƣợng Ví dụ hệ điều khiển theo sai lệch đầu vào điều khiển mờ tín hiệu sai lệch e theo thời gian có đạo Thành phần điều khiển giống nhƣ điều khiển theo luật hàm sai lệch giúp cho điều khiển phản ứng kịp thời biến động đột xuất PD thông thƣờng bao gồm sai lệch tín hiệu chủ đạo tín hiệu hệ thống đối tƣợng Các điều khiển mờ động hay đƣợc dùng điều khiển e đạo hàm sai lệch e’ Thành phần vi phân giúp cho hệ thống phản ứng mờ theo luật tỉ lệ tích phân, tỉ lệ vi phân tỉ lệ vi tích phân (I, PI, PD PID) xác với biến đổi lớn sai lệch theo thời gian Phát triển tiếp từ ví dụ điều khiển mờ theo luật P thành điều khiển mờ theo luật PD hoàn toàn đơn a Bộ điều khiển theo luật I Một điều khiển mờ theo luật I thiết kế từ điều khiển mờ theo luật P (bộ điều khiển mờ tuyến tính) cách mắc nối tiếp khâu tích phân kinh điển vào trƣớc sau khối mờ Do tính phi tuyến hệ mờ, nên giản c Bộ điều khiển theo luật PI Bộ điều khiển mờ theo luật PI thông thƣờng đƣợc sử dụng để triệt tiêu sai lệch tĩnh hệ thống Bộ điêug khiển mờ PI đƣợc thiết kế sở điều Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 107 108 khiển mờ PD, cách mắc nối tiếp đầu điều khiển PD mờ khâu tích phân nhƣ hình Hình IV.4 (a,b) d du d2  K e  e  dt TI dt 2  dt  e (4.6)  Do thực tế thƣờng có hai thành phần (4.5), (4.6) đƣợc bỏ qua nên thay thiết kế điều khiển PID hoàn chỉnh ngƣời ta lại thƣờng  E Bộ điều tổng hợp điều khiển PI PD Đối tƣợng Bộ điều khiển PID mờ đƣợc thiết kế sở điều khiển PD mờ cách khiển mờ a) mắc nối tiếp đầu điều khiển PD mờ khâu tích phân hình IV.5  Bộ điều E khiển mờ b) E Đối tƣợng d dt E’ Bộ điều I Đối tƣợng khiển mờ Hình IV.4(a,b): Hệ điều khiển mờ theo luật PI Hình IV.5: Hệ điều khiển mờ PID d Bộ điều khiển theo luật PID Trong kỹ thuật điều khiển kinh điển, điều khiển PID đƣợc biết đến nhƣ Cho đến nay, nhiều dạng cấu trúc PID mờ hay đƣợc gọi điều giải pháp đa có miền ứng dụng rộng lớn Định nghĩa điều khiển khiển mờ ba thành phần đƣợc nghiên cứu Các dạng cấu trúc thƣờng đƣợc theo luật PID kinh điển trƣớc sử dụng cho điều khiển mờ thiết lập sở tách điều chỉnh PID thành hai điều chỉnh PD PI (hoặc theo luật PID Bộ điều khiển mờ theo luật PID đƣợc thiết kế theo hai thuật toán: I) Việc phân chia nhằm mục đích thiết lập hệ luật cho PD PI (hoặc I) - Thuật toán chỉnh định PID mờ gồm hai (hoặc 1) biến vào, biến ra, thay phải thiết lập ba biến vào Hệ luật - Thuật toán PID tốc độ cho điều chỉnh PID mờ kiểu thƣờng dựa ma trận MacVicar-whelan Bộ điều khiển mờ đƣợc thiết kế theo thuật toán chỉnh định PID có đầu vào đề xuất Cấu trúc không làm giảm số luật mà đơn giản cho việc tính toán gồm sai lệch e tín hiệu chủ đạo tín hiệu ra, đạo hàm tích phân sai Bộ điều khiển PI mờ cho đặc tính động học lý tƣởng Ở chế độ tĩnh, điều lệch Đầu điều khiển mờ tín hiệu điều khiển u(t)  ut   K e   khiển PI mờ có khẳ triệt tiêu sai lệch tĩnh t d   e.dt  TD e TI dt  (4.5) Với thuật toán PID tốc độ, điều khiển PID có đầu vào: sai lệch e tín ’ ’’ hiệu đầu vào tín hiệu chủ đạo, đạo hàm bậc e đạo hàm bậc hai e sai lệch Đầu hệ mờ đạo hàm Với nghiên cứu rút nhận xét sau: du tín hiệu điều khiển u(t) dt Bộ điều khiển P mờ cho đặc tính động học tƣơng đối tốt, nhƣng chế độ xác lập hệ thống lại tồn sai lệch tĩnh, hay nói cách khác độ xác hệ thống so với việc sử dụng điều khiển PI mờ Sự ghép nối khâu tuyến tính với hệ mờ (khâu phi tuyến) cho đời điều khiển với tính chất hoàn hảo tạo khả kỹ thuật điều khiển tự động, điều khiển đối tƣợng phức tạp, đối Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 109 110 tƣợng mà việc khống chế hoàn toàn khó khăn hầu nhƣ không hai vòng điều khiển sử dụng điều khiển mờ Vì có hai khả kết hợp là: điều khiển đƣợc theo phƣơng pháp kinh điển Ở khẳng định đƣợc - Khả 1: Bộ điều khiển mờ đƣợc sử dụng mạch vòng điều khiển điều khiển mờ đơn giản điều khiển tốt đối tƣợng phi tuyến phức trong; mạch vòng điều khiển sử dụng điều khiển kinh điển PID Bộ điều tạp khiển mờ lai xây dựng theo phƣơng pháp đƣợc gọi điều khiển mờ lai kinh Một điều lý thú điều khiển mờ cho phép lập lại tính chất điều khiển kinh điển Việc lặp lại tính chất điều khiển kinh điển kỹ thuật mờ nhiều yếu tố đƣợc quan tâm Các điều khiển P, PI điển x Bộ điều Bộ điều khiển PID khiển mờ e - u Đối tƣợng y điều khiển PID điều khiển đƣợc đối tƣợng kỹ thuật hoàn thiện cho đặc tính động học toàn hệ thống tốt Nhƣng để xử lý thêm tín hiệu đo tăng thêm Thiết bị đo khả chuẩn đoán cho hệ thống, cần thay bƣớc điều khiển kinh lƣờng điển điều khiển mờ phát triển thêm hệ điều khiển dựa sở Hình IV.6: Mô hình điều khiển mờ lai kinh điển điều khiển mờ để có đƣợc tính chất điều khiển mong muốn Cùng với kỹ thuật mờ, điều khiển chung cho phép tạo khả điều khiển đối tƣợng phong phú đa dạng - Khả 2: Bộ điều khiển kinh điển PID đƣợc sử dụng mạch vòng điều khiển trong; mạch vòng điều khiển sử dụng điều khiển mờ để bù tham số cho điều khiển PID Các điều khiển mờ cho phép thiết kế đa dạng, qua việc tổ chức Bộ điều nguyên tắc điều khiển chọn tập mờ cho biến ngôn ngữ cho phép thiết kế khiển mờ e, e điều khiển mờ khác Một điểm quan trọng khối lƣợng công việc cần thực thiết kế cần điều khiển mờ hoàn toàn không phụ thuộc vào đặc tính đối tƣợng có tuyến tính hay không tuyến tính Điều có nghĩa trình xử lý điều khiển mờ với nguyên tắc điều khiển cho đối tƣợng có đặc tính động học khác hoàn toàn nhƣ Bộ điều x - u khiển PID Đối tƣợng y điều khiển Thiết bị đo khiÓn lƣờng Hình IV.7: Mô hình điều khiển mờ bù IV.3 Bộ điều khiển mờ lai PID IV.3.1 Giới thiệu chung Hệ mờ lai (Fuzzy- hybrid) hệ thống điều khiển tự động thiết bị điều khiển bao gồm thành phần: - Phần thiết bị điều khiển rõ (thƣờng điều khiển kinh điển PID) Sau thiết kế điều khiển PID mạch vòng ta cần xét đến vấn đề ổn định Nhƣ điều khiển PID mạch vòng sẽ thực chức giám - Phần thiết bị điều khiển mờ Sử dụng điều khiển mờ lai sẽ phát huy đƣợc ƣu điểm điều khiển mờ điều khiển rõ Ta xét hệ thống điều khiển có hai cấu trúc vòng, Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Khi thiết kế điều khiển mờ lai, trƣớc hết ta thiết kế điều khiển mờ mạch vòng mà chƣa cần quan tâm đến điều kiện ổn định hệ thống http://www.lrc-tnu.edu.vn sát ổn định hệ thống, điều khiển mờ mạch vòng sẽ đảm bảo chất lƣợng điều chỉnh cho hệ thống Chức giám sát điều khiển PID mạch Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 111 112 vòng đƣợc lý giải nhƣ sau: điều khiển mờ mạch vòng hoạt động tốt tức đảm bảo chất lƣợng điều chỉnh cho hệ thống điều khiển PID mạch vòng đƣợc "nghỉ ngơi", không tham gia vào công việc điều chỉnh Khi điều khiển mờ mạch vòng hoạt động không tốt, có khuynh hƣớng gây Bộ chỉnh ổn định cho hệ thống điều khiển PID mạch vòng sẽ can thiệp định mờ nhằm đƣa hệ thống trạng thái ổn định Thiết bị Do cấu trúc đơn giản bền vững nên điều khiển PID đƣợc dùng phổ e, e chỉnh định biến công nghiệp Chất lƣợng hệ thống phụ thuộc vào tham số Kp, TI, ®Þnh TD điều khiển PID Nhƣng hệ số điều khiển PID đƣợc tính Bộ điều x toán cho chế độ làm việc cụ thể hệ thống, trình vận hành - u khiển PID y điều khiển phải chỉnh định hệ số cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu Thiết bị đo điều khiển Dựa theo nguyên lý chỉnh định đó, ta thiết kế điều khiển mờ Đối tƣợng khiÓn lƣờng vòng để chỉnh định tham số PID vòng Hình IV.8: Mô hình điều khiển mờ lai chỉnh định IV.3.2 Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số điều khiển PID mờ tham số điều khiển PID Do cấu trúc đơn giản bền vững nên điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, vi phân) đƣợc dùng phổ biến hệ thống điều khiển công Chất lƣợng hệ thống phụ thuộc vào tham số kP, TI, TD điều khiển PID Nhƣng hệ số đƣợc tính toán cho chế độ làm việc cụ nghiệp thể hệ thống, hệ thống điều khiển có thay đổi ta cần phải chỉnh Nếu viết theo hàm thời gian tín hiệu điều khiển PID là:  ut   k P et   TI   eηdη  T t D det   dt  định lại hệ số nhằm đảm bảo chất lƣợng điều chỉnh nhƣ mong muốn Thông (4.7) Hàm truyền đạt điều khiển PID có dạng:   k R s   k P 1   TDs   k P  I  k D p T s p I   thƣờng việc chỉnh định tham số đƣợc tiến hành theo phƣơng pháp "thăm dò" nên không hiệu Chính vậy, phƣơng án thiết kế điều khiển mờ có khả (4.8) Trong e(t) tín hiệu đầu vào, u(t) tín hiệu đầu ra, kP đƣợc gọi hệ số khuếch đại, TI số tích phân, TD số vi phân tự động chỉnh định tham số kP, TI, TD điều khiển PID công việc có ý nghĩa Cơ sở phƣơng pháp dựa vào việc phân tích sai lệch e(t) đạo hàm sai lệch, tham số kP, TI, TD sẽ đƣợc tự động chỉnh định theo phƣơng pháp chỉnh định mờ Zhao, Tomizuka Isaka (hình IV.9) Giả thiết tham số kP, kD bị chặn, tức là:  max k P  k P , kP  max k D  k D , kD  (4.9) Để có  kP, kD  Zhao, Tomizuka Isaka chuẩn hoá tham số nhƣ sau: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 113 kP  k P  k P k max  k P P kD  k D  k D k max D  kD α 114 Bộ điều khiển mờ lai PD đƣợc thiết kế theo mô hình mờ Sugeno bậc "0", có TI TD Bộ chỉnh định mờ nghĩa hàm liên thuộc đầu có dạng số Các bƣớc tiến hành tổng hợp kP điều chỉnh vị trí dùng điều khiển mờ lai PD nhƣ sau: Định nghĩa biến vào ra: mê e Bộ chỉnh định mờ e Bộ điều khiển mờ lai PD gồm có hai đầu vào đầu kD  Đầu vào thứ sai lệch vị trí đặt vị trí thực hệ thống, đại mê Bộ chỉnh định mờ lƣợng đƣợc ký hiệu ET   Đầu vào thứ tốc độ biến thiên theo thời gian sai lệch vị trí chỉnh định mờ Hình IV.9: Cấu trúc bênmê mêđầu vào e(t), đạo hàm e(t) ba Nhƣ chỉnh định mờ sẽ có hai đầu kP, kD , xem nhƣ gồm ba chỉnh định mờ, đặt vị trí thực hệ thống, đại lƣợng đƣợc ký hiệu DET  Đầu điều khiển mờ lai giá trị điện áp chiều, đại lƣợng đƣợc ký hiệu U Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho biến vào ra: gồm có hai đầu vào đầu Trong nội dung luận văn này, tác giả chọn phƣơng án thiết kế điều  Xác định miền giá trị vật lý cho biến vào ra: Sai lệch ET đƣợc chọn khiển mờ lai Phƣơng án thiết kế điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số miền giá trị [-10,+10] rad; tốc độ biến đổi DET sai lệch có điều khiển PID có mức độ phức tạp cao hứa hẹn nhiều kết bất miền giá trị nằm khoảng [-10,+10] rad/s điện áp chiều U ngờ nên sẽ hƣớng nghiên cứu luận văn nằm khoảng [-10,+10] V IV.3.3 Tổng hợp điều chỉnh vị trí dùng điều khiển mờ lai PD Lý sử dụng điều khiển mờ lai PD mà không sử dụng điều khiển  Xác định số lƣợng tập mờ cần thiết: nguyên tắc, số lƣợng tập mờ cho biến ngôn ngữ nên nằm khoảng từ đến 10 Nếu số lƣợng có ý nghĩa không thực đƣợc việc lấy vi phân; Nếu lớn mờ lai PID vì: + Vì hàm truyền đối tƣợng có khâu tích phân nên điều chỉnh vị 10 ngƣời khó có khả bao quát hết trƣờng hợp xảy Vì vậy, chọn số lƣợng tập mờ cho biến ngôn ngữ Ta ký hiệu trí cần có dạng khâu PD đủ + Nếu sử dụng điều khiển mờ lai PID, nhiệm vụ thiết kế sẽ phức tạp so biến ngôn ngữ nhƣ sau: Âm nhiều - BN (Big Negative) với việc thiết kế điều khiển mờ lai PD + Khi sử dụng điều khiển mờ lai, điều khiển mờ đóng vai trò chủ yếu Âm - SN (Small Negative) định chất lƣợng điều chỉnh hệ thống Bộ điều khiển kinh điển PD hay PID Không – Z0 (Zero) đóng vai trò khâu tiền xử lý với chức giám sát tính ổn định hệ thống Dƣơng - SP (Small Positive) Vì vậy, việc sử dụng điều khiển PD hay PID điều khiển mờ lai không ảnh hƣởng nhiều đến chất lƣợng hệ thống điều chỉnh vị trí Dƣơng nhiều - BP (Big Positive) Với ký hiệu nhƣ miền xác định ngôn ngữ biến vào là: ET  {BN, SN, Z0, SP, BP} Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 115 116 DET  {BN, SN, Z0, SP, BP} Vì điều khiển mờ lai đƣợc thiết kế theo mô hình mờ Sugeno bậc "0" nên biến có dạng số nhƣ sau: Hình IV.10: Định nghĩa biến vào điều khiển mờ lai PD U  {-10, -7.5, -5, -2.5, 0, 2.5, 5, 7.5, 10}  Xác định kiểu hàm liên thuộc: Tất hàm liên thuộc hai biến vào có dạng hình tam giác  Rời rạc hoá tập mờ Xây dựng luật điều khiển: Theo kinh nghiệm thiết kế, luật điều khiển đƣợc xây dựng theo bảng sau, tổng cộng có 25 luật điều khiển: DET E T BP (5) SP (2.5) Z0 (0) BN (-5) -2.5 -5 SN (-2.5) BN (-5) -7.5 -10 SN (-2.5) 2.5 -2.5 -5 -7.5 Z0 (0) 2.5 -2.5 -5 SP (2.5) 7.5 2.5 -2.5 BP (5) 10 7.5 2.5 Sử dụng công cụ Toolbox Fuzzy Logic Simulink phần mềm Matlab để xây dựng điều khiển mờ lai theo thiết kế Công cụ Toolbox Fuzzy Logic cho phép ngƣời sử dụng thiết kế điều khiển mờ nhanh chóng, xác Hình IV.11: Định nghĩa tập mờ cho biến ET điều khiển mờ lai PD cho phép kết xuất kết vùng Workspace để tiến hành mô công cụ Simulink Matlab Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 117 118 Hình IV.12: Định nghĩa tập mờ cho biến DET điều khiển mờ lai PD Hình IV.14: Xây dựng luật điều khiển cho điều khiển mờ lai PD Hình IV.13: Định nghĩa tập mờ cho biến U điều khiển mờ lai PD Hình IV.15: Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào điều khiển mờ lai Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn PD Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 119 120 Mô hình mô hệ thống điều chỉnh vị trí sử dụng điều khiển mờ lai song song PD cho hệ thống truyền động điện hệ T-Đ động chiều Matlab có dạng nhƣ hình IV.17: Hình IV.17: Sơ đồ mô so sánh chất lượng điều khiển PID điều khiển mờ lai PD Hình IV.16: Quan hệ tín hiệu vào mờ lai PD Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 121 122 IV.3.4 Kết mô chất lƣợng điều khiển PID điều khiển mờ lai PD Vị trí cánh hƣớng Dòng điện Hình IV.18: Các tín hịệu vị trí đầu tương ứng với giá trị khác vị trí đặt đầu vàođặt = 10V, I = A Tốc độ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 123 124 Vị trí cánh hƣớng Dòng điện Tốc độ Hình IV.19: Các tín hịệu vị trí đầu tương ứng với giá trị khác vị trí đặt đầu vàođặt = 10V, I = 4.3 A Nhận xét: Hệ điều chỉnh vị trí sử dụng điều khiển mờ lai PD rõ ràng cho kết tốt hẳn so với điều khiển PID kinh điển chế độ có tải vào không tải, thể Hình IV.18 hình IV.19 Bộ điều Các tiêu chất lượng khiển mờ lai PD nối song song 1.3% Thời gian độ 12.25 giây 13 giây Sai lệch vị trí lớn áp tải Dao động áp tải http://www.lrc-tnu.edu.vn kinh điển Độ điều chỉnh Số lần điều chỉnh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bộ điều khiển PID Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên lần lần 1.13% 4.7% Không có Có http://www.lrc-tnu.edu.vn 125 126 Nhƣ hệ điều chỉnh vị trí sử dụng điều khiển mờ lai PD có hai ƣu điểm bật so với hệ điều chỉnh vị trí sử dụng điều khiển PID kinh điển là: Thiết kế và ƣ́ng dụng bộ điều khiển mờ lai chỉ nh đị nh tham số bộ điều khiển PID cho hệ thống điều chỉ nh vị trí Tích hợp điều khiển PID , bộ điều khiển mờ Vị trí cần điều khiển đạt độ xác nhanh lai, bộ điều khiển mờ lai chỉ nh đị nh tham số bộ điều Sai lệch vị trí có tải (khi hòa lƣới điện) nhỏ chỉnh vị trí cánh hƣớng khiển PID vào hệ thống điều KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ : Trên sở nghiên cƣ́u tài liệ u nguyên lý điều tốc thủy điện Bình Điền nhƣ tìm hiểu thực tế tác giả rút đƣợc ƣu điểm nhƣợc điểm hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Bình Điền từ đề xuất phƣơng án để khắc phục nhƣợc điểm nâng cao chất lƣợng hệ truyền động điều tốc cụ thể nhƣ sau: Hoàn thành việc thiết kế mô hệ thống điều chỉnh vị trí cho hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Bình Điền sử dụng điều khiển PID điều khiển mờ lai PD với hệ truyền động điện T-Đ Từ kết mô phần mềm Matlab, rút kết luận: “Hệ điều chỉnh vị trí sử dụng điều khiển mờ lai PD cho kết tốt so với điều khiển PID” Điều đƣợc thể qua điểm sau: - Vị trí điều khiển đạt độ xác nhanh - Sai lệch vị trí có tải nhỏ - Tốc độ dòng điện có chất lƣợng tốt Dƣ̣a vào kết quả ban đầu của đề tài , tác giả hy vọng đề tài sẽ đƣợc nhƣ̃ng học viên khóa sau tiếp nghiên cƣ́u và phát triển để tiến tới việc t hiết kế chế tạo đƣợc điều tốc góp phần đẩy mạnh nghiệp công nghiệp hóa đại hoá đất nƣớc Sau là một số đề x uất về hƣớng nghiên cƣ́u tiếp theo sở thƣ̀a kế nhƣ̃ng kết quả nghiên cƣ́u của luận văn: Hoàn thiện hệ thống điều chỉnh vị trí sử dụng điều khiển mờ lai tiến hành áp dụng mô hình thực nghiệm để kiểm chứng lý thuyết So sánh kết quả đạt đƣợc với hệ thống điều khiển vị trí sƣ̉ dụng bộ điều khiể n PID Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO  Tài liệu tiếng Việt [1] TS.Trần Thọ, PGS.TS.Võ Quang Lạp (2004), Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Bài giảng kỹ thuật biến đổi – PGS.TS Võ Quang Lạp [3] Nguyễn Bính (1996), Điện tử công suất, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội [4] Các chế độ vận hành hệ thống điện – GS.TS Lã Văn Út [5] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [6] Nguyễn Công Hiền (2006), Mô hình hoá hệ thống mô phỏng, Đại học Bách khoa, Hà nội [7] TS.Lại Khắc Lãi , Bài giảng lý thuyết điều khiển mờ, Đại học kỹ thuật Công nghiệp, Thái nguyên [8] TS.Nguyễn Nhƣ Hiển & TS.Lại Khắc Lãi (2007), Hệ mờ Nơron kỹ thuật điều khiển, NXB Khoa học tự nhiên công nghệ, Hà Nội  Tài liệu tiếng Anh [1] SAFR-2000H Governor of Hydraulic Turbine – NARI [2] Manual for Turbine Model No: HLA-883-LJ-212, Manualfacture: Fujian Nanping Nandian Hydropower Equipment Manufacturing  Các Website http://www.br_automation.com./index.htm; www.sciencedirect.com/ www.ebook.edu.vn/; www.tnut.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn [...]... cuộn dây điện từ ổn định của hệ thống điện hiện nay nên sự ra đời và phát triển của hệ thống điều tốc bằng truyền động của các hệ truyền động, động cơ một chiều, động cơ servo một đã thúc đẩy sự phát triển khả năng ổn định tần số của hệ thống điện đóng góp to lớn chiều không chổi than hoặc động cơ servo xoay chiều vào việc tạo ra của cải của xã hội Sự ra đời của hệ thống điều ổn định tần số máy Chương... dừng khẩn cấp , với hồi tiếp tốc độ bình thƣờng và ít hơn 110% Khi tốc độ tổ máy bình thƣờng, modula tần số ứng dụng thuật toán PID đƣợc đƣa vào Khi hồi tiếp tần số hệ thống là bình thƣờng và vận hành là đặt cho tần số hệ thống tiếp tục có thể cho phép”, chƣơng trình sẽ sử dụng tổng của tần số hệ thống và tần số đồng bộ (đặt khi vận hành) nhƣ là tần số cài đặt cho bộ điều chỉnh PID Trong chế độ vận... phần điều khiển servo, động cơ servo, phản hồi tốc độ-vị trí Hệ thống điều khiển thông thƣờng có hai dạng: Điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiển vòng hở thƣờng có độ chính xác không cao, nhƣng rẻ tiền do đó trong thực tế ngƣời ta thƣờng dùng hệ điều khiển vòng hở cho những hệ thống không đòi hỏi cao về độ ổn định tần số (nhƣ máy các máy phát ở chế độ điều tần cấp 2 thì giá trị điều. .. Hz) Hệ thống điều khiển vòng kín có độ chính xác vị trí rất cao, nhƣng giá thành đắt, ngày nay ngƣời ta sử dụng phổ biến hệ thống điều khiển là hệ thống vòng kín Hệ thống điều khiển điều tốc thông thƣờng gồm các khối: Khối điều khiển máy, khối điều khiển servo, động cơ servo, khối phản hồi tốc độ, khối phản hồi vị trí Khối điều khiển chính của hệ thống điều tốc bao gồm: một máy tính có nhiệm vụ điều. .. năng điều tốc làm việc lâu dài” khi máy phát vận động cơ làm việc ứng với chế độ ổn định với vòng quay ổn định tƣơng đối (định hành song song trong hệ thống và điều chỉnh công suất phát của tua bin để khôi mức, không tải v.v ) phục tần số của hệ thống   S H hay    S Hình I.7 minh họa nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí Khi tốc  kt độ quay của bộ điều tốc tăng tỷ lệ với tốc độ... theo sẽ đề cập tới các hệ truyền động trong hệ thống điều tốc phát điện đảm bảo cho chất lƣợng điện ngày càng tốt hơn Hệ thống điều tốc của mỗi loại Turbine có mỗi một công nghệ riêng, tuy nhiên xét tổng thể về nguyên lý thì các hệ thống điều tốc đều có cấu trúc và hệ điều khiển tƣơng tự nhau Cấu trúc của tất cả các hệ thống đều bao gồm: Phần xử lý trung tâm (giao diện ngƣời máy và thực hiện nội suy,... phạm vi bảo vệ quá tốc trong suốt quá trình dừng bình thƣờng d Thuật toán điều khiển của bộ điều tốc Bình Điền NARI-PID2 Hình I.10: Sơ đồ trình tự khởi động không tải bộ điều tốc Trong trình tự điều khiển không tải tổ máy thì tổ máy phải đảm bảo điều kiện không tải dƣới những điều kiện sau: + Tốc độ lớn hơn 80% tốc độ định mức Hình I.11: Sơ đồ thuật toán của bộ điều tốc Bình Điền Số hóa bởi Trung tâm... động thủy lực bởi turbine thủy lực của hệ thống thủy lực và cải tiến đặc tính điều chỉnh + Tăng khả năng khử nhiễu của bộ điều tốc Turbine thủy lực răng là 200mm, lỗi gia công bƣớc răng phải ít hơn 0,02mm Thiết bị đo lƣờng tần số đĩa đƣợc bao gồm cả đĩa có rãnh, tiếp điểm xấp xỉ và đo lƣờng tần số máy tính, nhƣ hình c Nguyên lý đo lƣờng tần số tổ máy Tần số đo lƣờng đƣợc thiết kế cho bộ điều tốc Turbine... hiệu tăng/giảm từ xa và tín hiệu điều khiển thiết bị không đồng bộ Khi hồi tiếp tần số hệ thống ra ngoài chức năng hoặc tần số hệ thống tiếp tục không đặt cho vận hành, chƣơng trình sẽ sử dụng cộng tổng tần số định mức 50Hz chồng lên tín hiệu tăng giảm tần số nhƣ là sự cài đặt cho điều biến tần số Trình tự điều khiển dừng của thiết bị phải bao gồm dừng khẩn cấp và dừng bình thƣờng: Dừng khẩn cấp sẽ... sau khi dừng máy kéo dài, đo lƣờng tần số bằng điện áp dƣ sẽ không thích hợp tƣơng ứng với tốc độ thực tế của tổ máy, kết quả bộ điều tốc điều chỉnh không ổn định hoặc tổ máy sẽ vƣợt ra khỏi khả năng điều khiển giống nhƣ quá tốc độ v.v Trong khi đĩa có rãnh đo lƣờng tần số, cảm biến sẽ đƣa tín hiệu ra dạng sóng vuông của giá trị hằng số khuyếch đại sự truyền tần số là tƣơng đƣơng đến tốc độ tổ Hình