Nghiên cứu ứng dụng các giải pháp đo lường và điều khiển hiện đại nhằm nâng cao chất lượng ổn định tần số trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÕNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐẶNG TIẾN TRUNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC GIẢI PHÁP ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2019 Cơng trình hoàn thành tại: HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÕNG Người hướng dẫn khoa học: TS Ngô Duy Hưng PGS.TS Phạm Tuấn Thành Phản biện 1: GS TSKH Thân Ngọc Hoàn Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Quang Hoan Phản biện 3: TS Nguyễn Văn Thuấn Có thể tìm hiểu Luận án thư viện: DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Đặng Tiến Trung, Phạm Tuấn Thành (2017), Xây dựng thuật toán xác định tốc độ quay cho thiết bị thuỷ điện sử dụng phần tử đo vi quán tính Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, số 47, tr 70-75 Đặng Tiến Trung, Phạm Tuấn Thành (2017), Xây dựng mơ hình mơ tả q trình điều khiển cho máy phát điện nhà máy thủy điện vừa nhỏ, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, số 50, tr 62-69 Đặng Tiến Trung, Phạm Tuấn Thành (2017), Xây dựng thuật toán xác định tham số tối ưu cho điều khiển PID cấp nước vào tuốc bin thủy điện, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, số 53, tr 38-48 Đặng Tiến Trung (2017), Xây dựng thuật toán mở cánh lái hướng cấp vào tuốc bin nhà máy thủy điện vừa nhỏ, Tạp chí KH CN Năng lượng Trường Đại học Điện lực, số 14, tr 22-28 Đặng Tiến Trung (2019), Ứng dụng giải thuật Backstepping xây dựng thuật toán ổn định tần số quay turbine nhà máy thủy điện vừa nhỏ, Tạp chí KH CN Năng lượng Trường Đại học Điện lực số 19, tr 56-62 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Điện khí hóa tồn kinh tế đời sống nhiệm vụ trung tâm đất nước đường xây dựng đất nước đại văn minh Trong thời gian vừa qua đất nước ta nỗ lực lớn đường điện khí hóa, phấn đấu số điện tiêu thụ cho người dân năm đạt tiêu nước công nghiệp hóa Đây thực nhiệm vụ to lớn đòi hỏi nguồn lực lĩnh vực điện Cùng với nguồn nhiệt điện, điện gió, điện mặt trời thủy điện phải xây dựng phát triển hài hòa để phù hợp với phát triển kinh tế ln tăng trưởng mức độ trung bình cao (từ 6%8%) nhu cầu đời sống người dân ngày tăng điều kiện Quốc hội thông qua nghị ngừng triển khai dự án nhà máy điện hạt nhân, học từ khai thác điện hạt nhân giới (bài học từ cố nhà máy điện nguyên tử Ucraina (Liên Xô cũ) nhà máy điện nguyên tử Nhật Bản sau cố sóng thần năm 2012) Ngành Thủy điện Việt Nam đời muộn nhiệt điện song phát triển mạnh chiếm tỉ trọng lớn tổng nguồn điện Đối với miền Bắc sau xây dựng nhà máy thủy điện đầu tiên, nhà máy thủy điện Thác Bà (năm 1972), hàng loạt nhà máy thủy điện xây dựng đưa vào sử dụng Đối với miền Nam sau nhà máy thủy điện (Nhà máy thủy điện Đa Nhim - năm 1964) hàng loạt nhà máy thủy điện xây dựng Đồng Nai Tây Ngun, góp phần đáng kể vào tổng cơng suất điện Cùng với nhà máy thủy điện công suất lớn trung bình, nhà máy thủy điện cơng suất vừa nhỏ phát triển mạnh mẽ rộng khắp vùng miền phạm vi nước Nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ có ưu điểm: Khai thác tiềm nhiều sông suối nhỏ lưu vực khác khắp đất nước Nhờ tính khởi động nhanh dừng hoạt động nhanh nên nhà máy thủy điện cơng suất vừa nhỏ có giá trị lớn phủ đỉnh công suất vào cao điểm Để xây dựng nhà máy thủy điện việc trước tiên phải xác định lượng tích cột nước dòng sơng, lượng gồm hai phần, phần động Phần phụ thuộc nhiều vào mức nước hồ chứa, động phụ thuộc vào dòng chảy độ cao mặt hồ nơi đặt turbine Tuy nhiên, đặc điểm nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ lượng tích cột nước dòng sơng thay đổi mạnh q trình khai thác sử dụng Điều ảnh hưởng đến động học mơ tả hệ thống, đòi hỏi phải có cách tiếp cận khác thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển cho nhà máy thủy điện Qua trình xây dựng nhiều nhà máy thủy điện, lực phía Việt Nam ngày nâng cao Từ chỗ phía nước ngồi làm chủ từ khâu khảo sát, thiết xây dựng, phía Việt Nam thực thi cơng giám sát đối tác nước ngồi nhận khai thác vận hành huấn luyện đào tạo phía nước ngồi, đến phía Việt Nam làm chủ dự án, chí khâu khảo sát - thiết kế tự chủ nhiều khâu thi công xây dựng Tuy nhiên riêng phần thiết bị nhiều phận phải nhập ngoại, đặc biệt thiết bị turbine, máy phát điện thiết bị liên quan đến hệ thống điều khiển tổ máy “turbine+máy phát” Đây yếu tố tạo giá thành cao cho nhà máy thủy điện khó khăn khai thác vận hành, đơi bị phía nước ngồi ép giá thiết bị nhà máy bị hỏng hóc Ngoài thiết bị điều khiển tổ máy “turbine+máy phát” bán cho Việt Nam thường thuộc hệ cũ (vì nhiều lý do, có lý hạn chế lực phẩm chất đạo đức cán quan quản lý chủ đầu tư), tính tối ưu thích nghi với thay đổi thường khơng có, thường không khai thác hợp lý lượng cột nước dòng sơng Trong thời gian qua nhiều lĩnh vực vươn lên tự chủ thiết kế, chế tạo tích hợp thiết bị điện tử điều khiển có hàm lượng học thuật cao, đặc biệt lĩnh vực điều khiển hệ truyền động điện Đây sở nên bắt đầu bước vào giai đoạn tự chủ thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển tổ máy gồm turbine máy phát điện Để thực cơng việc có giá trị thực tiễn có tính học thuật khó nên nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ Để bước vào giai đoạn tự chủ thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển tổ máy cần phải nghiên cứu sở học thuật vấn đề điều khiển đối tượng điều khiển tổ máy phát điện nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ với đặc điểm lượng cột nước thay đổi thường xuyên Vì sau đối tác nước lĩnh vực này, nên mạnh dạn ứng dụng phương pháp điều khiển đại (như điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, điều khiển trượt) để thiết kế phần mềm cho thiết bị điều khiển Đây thực vấn đề đòi hỏi đội ngũ cán nghiên cứu khoa học, kỹ thuật cơng nghệ phải giải Mục đích nghiên cứu Là xây dựng phương pháp thuật toán nhận dạng điều khiển cho thiết bị điều khiển tổ máy phát điện nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ làm sở để vận hành khai thác hiệu thiết bị điều khiển nước sản xuất làm sở để xây dựng phần mềm tiến hành tự chủ việc thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển nêu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Kết nghiên cứu luận án sở khoa học để xác định cấu trúc phần cứng yêu cầu tính độ xác thiết bị đo hệ thống điều khiển tổ máy “turbine + máy phát điện” đặc biệt sở để thiết lập phần mềm cho hệ thống điều khiển Kết áp dụng nâng cao hiệu khai thác nguồn lượng dòng sơng nâng cao vai trò tổ máy hệ thống nguồn cung ứng điện lưới điện Đối tƣợng nghiên cứu Vấn đề nghiên cứu luận án liên quan đến vấn đề xử lý tín hiệu đo lường điều khiển lưu lượng nước cấp cho turbine nhằm ổn định tần số quay turbine nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án ứng dụng phương pháp nhận dạng để xác định tham số mơ hình mơ tả tổ hợp “turbine + máy phát điện” sở xử lý thông tin thu thập từ thiết bị đo hệ thống điều khiển tổ máy, sử dụng số công cụ lý thuyết điều khiển xử lý tín hiệu đo lường tổng hợp lệnh điều khiển phận điều chỉnh dòng nước vào turbine để ổn định tốc độ quay rotor máy phát điện điều kiện đáp ứng đủ công suất lưới điện yêu cầu Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu luận án giải vấn đề sau: - Xây dựng thuật tốn xác định tham số mơ hình mô tả hệ thống điều khiển tổ máy phát điện sở sử dụng phương pháp toán học xử lý thông tin từ phương tiện đo hệ thống; - Xây dựng thuật toán xác định tham số luật điều khiển thiết bị điều khiển tổ máy sử dụng (không can thiệp sâu vào thiết bị nước bán cho phía Việt Nam) để nâng cao tính hiệu trình khai thác nguồn lượng thủy điện; - Xây dựng thuật toán cho thiết bị điều khiển tổ máy phía Việt Nam chủ động thiết kế chế tạo thiết bị này; - Mô đánh giá tính đắn tính hiệu số thuật toán đề xuất Bố cục luận án Tồn luận án gồm trang in khổ A4, trình bày chương với: hình vẽ, đồ thị minh họa, bảng biểu, tài liệu tham khảo CHƢƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TURBINE TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ 1.1 Nhà máy thủy điện vấn đề lƣợng cột nƣớc nơi đặt turbine Hệ thống điện tất quốc gia có nhiều nhà máy điện cung cấp điện cho toàn hệ thống, bao gồm nhà máy nhiệt điện (biến đổi lượng hóa thạch quặng than đá, dầu mỏ, khí đốt thành điện năng), nhà máy thủy điện (biến đổi động dòng nước thành điện năng), nhà máy điện nguyên tử (biến đổi lượng từ phản ứng hạt nhân nguyên tử thành điện năng), trạm điện gió, điện mặt trời Tỉ lệ đóng góp nguồn lượng sơ đồ chung hệ thống điện quốc gia khác phụ thuộc vào tiềm chiến lược phát triển điện quốc gia Để sâu vào vấn đề cần giải luận án, cần xem xét tóm tắt nguyên lý hoạt động biến đổi lượng dòng nước chảy thành lượng dạng điện Việc có dòng chảy lượng nước nơi cao lớn mặt biển đại dương Động dòng chảy làm quay turbine có gắn với máy phát điện để phát điện Hình 1.1 Sơ đồ tính tốn tiềm dòng sơng Theo lý thuyết động lực học chất lỏng lượng chứa khối nước [1]: p V2 E1  (h1   1 ) w (1.1)  2g Có nhà máy kiểu kết hợp (đập hồ chứa nhỏ) khơng có bể điều tiết để giảm kinh phí đầu tư Khi công suất phụ thuộc nhiều vào mức nước hồ Để biến đổi dòng nước thành điện có phận quan trọng, khơng thể thiếu, turbine Hình 1.5 Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp Hình 1.6 Turbine thủy lực 1.2 Vấn đề điều khiển turbine nhà máy thủy điện nghiên cứu nƣớc liên quan đến điều khiển nhà máy thủy điện Hiện luật điều khiển hệ thống điều khiển turbine thường sử dụng luật PID sai lệch tần số đo tần số chuẩn, tức [44]: t u (t )  K P (  0 )  K I  ( ( )  0 )d  K D d (  0 ) dt (1.10) Vì vậy, để làm chủ khai thác sửa chữa tiến tới tự chủ chế tạo thiết bị điều khiển turbine nhà máy thủy điện phải đầu tư nghiên cứu sâu vấn đề điều khiển hệ thống cánh lái hướng Nếu giải thành công vấn đề nêu tiến thêm bước trình làm chủ xây dựng khai thác vận hành nhà máy thủy điện, nâng cao hiệu suất sử dụng lượng dòng sơng, nâng cao cơng suất nhà máy thủy điện Khi phải mua turbine mà không cần phải mua thiết bị điều khiển kèm theo, chủ động sửa chữa, bảo hành Tuy nhiên để giải thành công vấn đề cần phải có nghiên cứu chuyên sâu vấn đề đo lường điều khiển cho hệ turbine máy phát điện nhà máy thủy điện 1.3 Vấn đề nghiên cứu luận án Qua phân tích mục luận án xác định mục tiêu nội dung nghiên cứu luận án sau Mục tiêu luận án: Xây dựng phương pháp thuật toán tổng hợp điều khiển hệ cánh lái hướng cấp lưu lượng nước vào turbine nhà máy thủy điện vừa nhỏ nhằm thích nghi với thay đổi cột nước thay đổi tải để đạt hiệu kinh tế kỹ thuật Từ mục tiêu nêu xác định nội dung nghiên cứu gồm vấn đề đo lường điều khiển, cụ thể là: - Xác định tham số mơ hình mơ tả khâu hệ thống điều khiển tần số quay máy phát điện phụ thuộc vào lượng cột nước - Đo lượng cột nước phương tiện đo đại - Xây dựng thuật toán điều khiển ổn định tần số quay máy phát nhà máy thủy điện vừa nhỏ sở áp dụng phương pháp điều khiển đại - Mô thực nghiệm để kiểm chứng thuật toán đề xuất 1.4 Kết luận chƣơng Trong chương luận án đã: - Giới thiệu số vấn đề kỹ thuật liên quan đến điều khiển công suất tổ máy nhà máy thủy điện Đã phân tích đặc điểm nhà máy thủy điện vừa nhỏ ảnh hưởng đến vấn đề điều khiển công suất tổ máy phát điện - Đã phân tích nghiên cứu ngồi nước liên quan đến vấn đề hệ thống cung cấp điện nói chung điều khiển turbine máy phát thủy điện nói riêng - Đã xác định mục tiêu nội dung nghiên cứu luận án xây dựng phương pháp thuật toán liên quan đến đo lường điều khiển hệ cánh lái hướng để điều chỉnh lưu lượng nước cấp cho turbine nhà máy thủy điện vừa nhỏ nhằm trì tần số điện áp phát tổ máy điều kiện cột nước dòng sơng tải tiêu thụ thay đổi CHƢƠNG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG THAM SỐ MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC MƠ TẢ TỔ HỢP TURBINE MÁY PHÁT CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ Trong chương luận án trình bày thuật tốn áp dụng phương pháp tốn bình phương tối thiểu để nhận dạng tham số mơ hình thuật toán lọc Kalman để xác định tốc độ quay áp dụng phần tử đo 2.1 Xây dựng thuật tốn nhận dạng tham số mơ hình mơ tả trình điều khiển tần số quay tổ hợp “Turbine+máy phát” 2.1.1 Mơ hình mơ tả q trình điều khiển tần số quay tổ hợp “Turbine+máy phát” Theo [18], [30], [44] cấu trúc trình điều khiển tốc độ quay turbine việc quay cánh lái hướng mô tả hình 2.1 ω0 Bộ điều khiển tốc độ quay máy phát u Mạch vòng vị trí cánh lái hướng α Turbine thủy lực ω Pm Động học máy phát điện ω Pe Cảm biến tốc độ Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển ổn định tốc độ quay turbine Phương trình mơ tả q trình động học cấu trúc nêu sau [1]: định sở tham số chế tạo cấu cánh lái hướng Vì cần xác định nhiễu tải z2 (phụ thuộc vào áp lực cột nước) Sau luận án tiếp tục giải vấn đề Từ việc đo, đọc liệu góc mở cánh lái hướng ˆ (i) từ giá trị lệnh điều khiển U (i) từ phép toán bình phương tối thiểu xác định được: N z2  Z  N N ˆ (i  1)  ˆ (i)  U i 1 i 1 NK i 1 N * (i)  ˆ ( N  1)  ˆ (1)  U * (i) i 1 NK (2.89) đó: U* (i)=[ Ku K K U (i  4)+ u U (i  3)   u U (i  2) T T T K K  u U (i  1)  u U (i )]T T T (2.78) Như sở đọc số đo tần số quay turbine, đọc số đo góc quay cánh lái hướng giá trị lệnh điều khiển, nhờ phương pháp số bình phương tối thiểu xác định tham số T, K, z1, z2 mô hình mơ tả động học hệ thống có thay đổi mức lượng cột nước nơi đặt tổ máy phát thủy điện 2.2 Xây dựng thuật toán đánh giá lƣợng cột nƣớc Trong mục luận án đề xuất giải pháp sử dụng phần tử đo vi quán tính (MEMS) để đo tốc độ quay turbine mini, gắn dòng nước cấp vào tổ máy Từ tốc độ quay đọc đánh giá (xác định) lượng cột nước Tuy nhiên để dùng MEMS cần phải có lọc Kalman khâu xử lý liệu để khử sai số độ trôi “khơng” nhiễu gây [19] Vì trước vào xây dựng thuật toán đánh giá lượng cột nước xin trình bày sở tốn học lý thuyết lọc Kalman 2.2.1 Bộ lọc Kalman Năm 1960 Nhà khoa học Mỹ Kalman R.E [2], [19] đề xuất thuật toán đánh giá trạng thái hệ động học tuyến tính sở đo số tham số đầu ra, thuật toán gọi lọc Kalman Thuật toán lọc Kalman ứng dụng nhiều lĩnh vực khác xử lý tín hiệu rada, kỹ thuật điện tử đặc biệt lý thuyết điều khiển tự 11 động Trong mục luận án trình bày nội dung lý thuyết lọc Kalman Giả sử động học hệ thống mơ tả hệ phương trình vi phân tuyến tính: (2.90) X (t )  F (t ) X (t )  G(t )w(t ) Thủ tục thuật toán đánh giá trạng thái X sở véc tơ quan sát (đo được) Z theo Kalman [38] sau: (2.114) Xˆ  (k )  F ( Xˆ  (k  1)) (k  1)  F / X X  Xˆ  (k  1) Zˆ (k )  h( Xˆ  (k )) H (k )  h / X X  Xˆ  ( K ) (2.115) (2.116) (2.117) P (k )  (k 1) P (k 1)T (k 1)  G(k 1)Q(k 1)GT (k  1) (2.118) K (k )  P (k ) H T (k )( H ( K ) P (k ) H T (k )  R(k ))1 Xˆ  (k )  Xˆ  (k )  K (k )(Z (k )  Zˆ (k )) P (k )  ( I  K (k ) H (k )) P (k ) (2.119) (2.120) (2.121) 2.2.2 Xây dựng giải pháp thuật toán xác định thay đổi lƣợng cột nƣớc nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ Như chương phân tích nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ Việt Nam thường xây dựng theo phương án tiết kiệm, khơng có bể điều tiết tháp điều áp Vì lượng cột nước (gồm động năng) thay đổi phụ thuộc vào lượng nước mưa nhận lưu vực dòng sơng Khi tham số mơ hình mơ tả động học q trình phát công suất điện tổ máy phát điện thay đổi Mục 2.1 chương xây dựng hai thuật toán nhận dạng tham số Tuy nhiên phải tiến hành việc nhận dạng hiệu chỉnh luật điều khiển van cấp nước vào turbine vấn đề cần phải xác định Để giải vấn đề cần đánh giá lượng cột nước, tức phải đo đánh giá động cột nước 12 Để giải việc xin đề xuất giải pháp sau: Bên cạnh turbine máy phát điện đặt turbine siêu nhỏ để quay máy phát điện chiều với tải cố định Khi tốc độ quay tỉ lệ với lượng cột nước Trên hình 2.6 mơ tả sơ đồ giải pháp Dưới áp lực dòng nước turbine quay làm rotor máy phát điện chiều quay với tốc độ góc , rotor khung dây Hình 2.6 Turbine mini máy phát điện chiều k ki T  M d Rr (2.129) Từ (2.129) cho thấy tốc độ quay tỉ lệ thuận với lượng cột nước nơi đặt máy phát lượng thủy điện Vì đo tốc độ quay turbine đánh giá lượng cột nước Hiện thiết bị vi quán tính (MEMS) ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đo lường, đặc biệt thiết bị đo lường tư vị trí vật thể chuyển động (thiết bị dẫn đường) Các thiết bị đo vi qn tính thường có kích thước trọng lượng nhỏ, giá thành thấp Tuy nhiên phần tử đo có nhược điểm cố hữu, chưa khắc phục là: quay vi đo vận tốc góc ln có độ trơi khơng (có tín hiệu đầu tốc độ quay thực vật thể không, tức vật thể đứng yên) nhiễu đo, gia tốc kế ln ln có nhiễu đo Để khắc phục vấn đề thường phải có giải pháp kết hợp chúng với nhiều phải kết hợp với thiết bị đo khác Như từ việc ứng dụng phần tử vi qn tính (MEMS) với thuật tốn lọc Kalman xác định tốc độ quay turbine mini Vì turbine mini đặt trực tiếp vào cột nước (không qua van điều tiết), nên tốc độ quay tỉ lệ thuận với lượng cột nước Đây điểm khác 13 biệt với turbine máy phát điện (ở có van điều tiết để ổn định tốc độ quay – nội dung chương luận án) Bắt đầu Bắt đầu Q, R, X0 Nhập ε, N Xˆ (  )    Xˆ (  ) (0)  X k 1 T=0 T (i ) G (2.137) Đọc liệu Xˆ (  )  k  (2.138) Tính M T (i ) Theo 2.146  k 1 (2.144) Zˆ  k  (2.143) Tính  Theo (2.147) H k (2.145) Pk(  ) , Pk(  ) 2  K (2.119) k Từ thiết bị đo Có Khơng Z k  T=1 Xˆ   k  (2.120) Đọc tín hiệu kết thúc Đưa Phát lệnh nhận dạng hiệu chỉnh luật điều khiển T (i ) k  k 1 Kết thúc Khơng Có Kết thúc KTPK Hình 2.8 Sơ đồ thuật tốn lọc Kalman Hình 2.9 Thuật toán xác định thời điểm nhận dạng hiệu chỉnh luật điều khiển cánh lái hướng cấp nước 2.3 Kết luận chƣơng Để tổng hợp luật điều khiển van cấp nước cho turbine quay máy phát điện nhà máy thủy điện vừa nhỏ, khơng có bể điều tiết, cần phải xác định tham số mơ hình mơ tả q trình quay turbine thời điểm có thay đổi lượng cột nước nguồn nước nơi đặt turbine máy phát thủy điện Chương luận án giải hai vấn đề nêu 14 Trên sở tài liệu kinh điển cơng trình cơng bố xác định mơ hình mơ tả động học hệ điều khiển cánh lái hướng cấp nước cho turbine quay máy phát điện Đối với nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ Việt Nam tham số mô hình thay đổi lượng cột nước biến động Vì cần phải có giải pháp xác định tham số Ứng dụng phương pháp toán bình phương tối thiểu xây dựng thuật tốn xác định tham số mơ hình tốn mơ tả quan hệ độ mở van cấp nước với tốc độ quay turbine lai ghép với máy phát điện sở thu thập thơng tin tín hiệu điều khiển, góc mở van điều khiển tốc độ quay turbine Ứng dụng giải thuật lọc Kalman để kết hợp thông tin quay vi đo tốc độ góc với thơng tin phần tử đo gia tốc (gia tốc kế) xác định lượng cột nước từ xác định thời điểm cần thiết phải nhận dạng xác định tham số mơ hình hiệu chỉnh luật điều khiển van cấp nước cho tổ máy phát thủy điện CHƢƠNG TỔNG HỢP LUẬT ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ QUAY TURBINE TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ Để ổn định tần số điện áp phát máy phát điện nhà máy thủy điện cần điều khiển ổn định tần số quay turbine Do tải yêu cầu máy phát thường xuyên thay đổi cách ngẫu nhiên, lưu lượng nước cấp cho turbine không thay đổi tần số quay turbine thay đổi theo Vì vậy, nhà máy thủy điện ln có thiết bị điều khiển lưu lượng dòng nước cấp cho turbine để ổn định tần số quay Trong thiết bị điều khiển có phận thu thập thơng tin từ thiết bị đo lường xử lý thơng tin để tạo lệnh điều khiển Thuật tốn xử lý thông tin tạo lệnh điều khiển sản phẩm nhà sản xuất chế tạo thiết bị giữ quyền, chuyển giao Chính vậy, để chủ động khai thác vận hành nhà máy thủy điện phải bước làm chủ vấn đề Trong chương luận án trình bày ba thuật toán tổng hợp luật điều khiển cánh lái hướng van cấp nước cho turbine Hai thuật toán dùng cải tiến hiệu chỉnh tham số phần mềm nhà máy thủy điện vừa nhỏ hoạt động, thuật 15 tốn dùng chủ động thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển thay cho thiết bị nước Trong chương cho thấy mơ hình mơ tả quan hệ tín hiệu điều khiển quay cánh lái hướng tần số quay turbine sau: d (3.1) T    K  z1 dt d  d   KuU  z2 dt dt 2 T Cơ cấu tạo tần số chuẩn ω0 ω0 ω Thiết bị tạo lệnh ổn định tần số quay turbine u u(α) Thiết bị tạo lệnh điều khiển vị trí cánh lái hướng U Động điện quay cánh lái hướng dòng nước (Van) (3.2) α Turbine + Máy phát điện ω Thiết bị đo góc α Thiết bị đo tần số quay Hình 3.1 Sơ đồ chức trình điều khiển quay turbine máy phát điện Có thể có ba tình can thiệp vào sơ đồ chức nêu trên: - Tình 1: Thiết bị tạo lệnh ổn định tần số quay turbine Cơ cấu tạo lệnh điều khiển vị trí cánh lái hướng cho phép cài đặt tham số luật điều khiển ổn định tần số quay turbine luật điều khiển vị trí cánh lái hướng - Tình 2: Có thể chủ động thay đổi luật ổn định tần số quay turbine, tức chủ động tạo luật hình thành tín hiệu u , khơng can thiệp vào Cơ cấu tạo lệnh điều khiển vị trí cánh lái hướng - Tình 3: Có thể thay đổi hai cấu điều khiển sơ đồ hình 3.1, tức chủ động tạo luật hình thành tín hiệu U Sau luận án vào giải ba tình 3.1 Xây dựng thuật tốn xác định tham số tối ƣu cho điều khiển PID điều chỉnh nguồn nƣớc cấp cho turbine nhà máy thủy điện vừa nhỏ Trong mục luận án vào giải vấn đề cài đặt tham số cho luật điều khiển PID thiết bị điều khiển có, tương ứng với tình 16 Bộ điều khiển tốc độ ref PID2  ref Bộ điều khiển vị trí PID1 U z2 z1 (T s  1) s Ku  K T s   Đo α Đo ω Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống ổn định tần số quay turbine máy phát thủy điện Cần xác định giá trị tham số K P , TI , TD cho: tích phân bình phương sai số bám sát tần số chuẩn đạt giá trị nhỏ nhất, tức là:  J q   e2 (t )dt  (3.6) Đặt: K01  x ; 1  y; b ; a  xác định J q : TI T T 1 1 xy x  xy T T T T ax y  abxy xb Jq     2 1 1 2bx  xy xy ( x  xy ) 2abx y  2ax y T T T T J q x  J q bx  2bx  xy  2b  y  (3.21) ;  0 y (2bxy  xy ) (2bx  xy) (3.19) (3.22) Gỉải hệ phương trình (3.21), (3.22) xác định x , y để đảm bảo biểu thức (3.6) Đây tham số cần tìm 3.2 Xây dựng thuật tốn backstepping ổn định tần số quay turbine Trong mục luận án áp dụng giải thuật backstepping để hình thành luật điều khiển u sơ đồ hình 3.1, tương ứng với tình Như mục luận án ứng dụng lý thuyết điều khiển xây dựng thuật toán cho khâu Cơ cấu tạo lệnh ổn định tần số quay turbine Sơ đồ chức hình 3.1 Theo tài liệu [18] cho thấy, “mạch vòng điều khiển vị trí cánh lái hướng” rút gọn xấp xỉ khâu quán tính bậc với hàm truyền có dạng sau: Ka  ( s) Gvt ( s)   (3.27) u ( s) Ta s  Từ hàm truyền (3.27) cho phương trình sau: 17 Ta d    K u dt (3.28) Kết hợp (3.28) với (3.1) hệ mới: d d T    K  z1 ; Ta    K u dt dt Nhiệm vụ cần xác định luật điều khiển u để tần số  ổn định giá trị danh định 0 Áp dụng giải thuật backstepping để tông hợp luật điều khiển u hệ nêu nhận được: u   (  Ta   Ta c2 ) Ka (3.51) [  z1  c11T ] K K K c1   c1 ; c2   c2 2T 2T (3.41) (3.55) 3.3 Xây dựng thuật toán thiết lập điều khiển tối ƣu van cấp nƣớc cho turbine nhà máy thủy điện vừa nhỏ Khi cần thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển ứng dụng cơng nghệ vi điện tử đại, xây dựng luật điều khiển theo nguyên lý điều khiển tối ưu Vấn đề tương ứng với tình 3, tức chủ động tạo lệnh điều khiển U sơ đồ hình 3.1 cho: Tf J Tf 1 (qx12 rU )dt   ( X T QX  U T RU )dt  Khi này:  20 20 U (t )  R1 BT P(t )  R1 BT K x X  R 1BT K1 (3.108) Trong K x K1 nghiệm phương trình sau :  K x A  AT K x  K x BR1 BT K x  Q  1 (3.105) ( K x BR B K x  A ) K1  K x CV  T T (3.106) Ở X véc tơ trạng thái xác định theo (3.65), (3.66), (3.71), ma trận A , B , C , Q , R xác định theo biểu thức (3.73), (3.74), (3.75), (3.76), (3.77), (3.78), véc tơ V xác định theo (3.79) 3.5 Xây dựng thuật toán cho thiết bị điều khiển turbine Thuật toán tổng hợp luật điều khiển tối ưu (3.74) sở thông tin xác định từ thuật tốn lọc quan sát trình bày mục 3.3 thực thi trực tiếp chủ động thiết kế chế tạo thiết bị điều 18 khiển turbine, thay cho việc nước bán cho Trong mục kết hợp thuật toán chương hai thuật tốn trình bày mục 3.3 3.4 để xây dựng thuật toán tổng thể thiết lập phần mềm cho thiết bị điều khiển turbine Bắt đầu Bắt đầu Từ hệ đo quan trắc thủy văn Nhập liệu cho ma trận: (k  1), H (k ), G, Q, R Theo (3.78); (3.79); (3.80); (3.81) Đọc thông tin lượng cột nước Thuật tốn 2.8 Đặt P (k  1)  Tính P ( k ) Tính K (k ) Từ thiết bị đo góc cánh lái hướng Có (3.82) T 0 (3.83) Khơng Từ thiết bị điều khiển (3.84) Thuật tốn nhận dạng K , T , z1 , z2 (2.21), (2.22), (2.23), (2.49), (2.50), (2.51), (2.87) Đọc Z ( K ) Tính Xˆ  ( k ) Đọc thơng tin lệnh điều khiển u, góc α, tần số ω (3.85) Giải (3.71) Xác định Kx Giải (3.72) Xác định K1 Thiết lập véc tơ X  ( x1 x2 x3 )T Cho thiết bị tạo lệnh điều khiển Từ thiết bị điều khiển Cấp thông tin véc tơ X Lọc Kalman xác định véc tơ X Tính ma trận P ( k ) (3.87) Tính (3.88) X  (k ) Tổng hợp lệch U (3.74) Đọc lệnh T T 1 Cho thiết bị điều khiển Cấp lệnh điều khiển Từ trung tâm huy chung Đọc lệnh KT Có Có KT  Khơng Khơng Kết thúc Kết thúc Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán lọc Kalman xác định véc tơ trạng thái mơ hình động học hệ thống điều khiển turbine Hình 3.6 Lưu đồ thuật tốn hiệu chỉnh luật điều khiển tối ưu thích nghi với thay đổi lượng cột nước 3.6 Kết luận chƣơng Chương luận án giải vấn đề liên quan đến vấn đề xây dựng thuật toán tổng hợp luật điều khiển cánh lái hướng cấp nước cho turbine quay máy phát điện nhằm ổn định tần số quay turbine để ổn định tần số điện áp phát xung quanh tần số chuẩn 50 Hz, đạt kết sau: Đối với nhà máy thủy điện trang bị thiết bị điều khiển với luật điều khiển PID luận án đề xuất thuật toán hiệu chỉnh tham số 19 luật điều khiển nhằm thích nghi với thay đổi tham số mơ hình mơ tả hệ thống, thay đổi cao trình hồ chứa tốc độ dòng chảy gây Nhờ việc áp dụng công thức Parseval thiết lập phụ thuộc sai số bám tần số chuẩn với tham số mơ hình, từ áp dụng phương pháp toán cực trị để xác định tham số luật điều khiển PI Đối với nhà máy thủy điện thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển, luận án đề xuất giải pháp ứng dụng lý thuyết điều khiển đai bao gồm: - Ứng dụng giải thuật backstepping để xây dựng thuật toán cho khâu tổng hợp lệnh ổn định tần số quay turbine - Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu giải thuật lọc Kalman đánh giá véc tơ trạng thái động học hệ thống để tổng hợp luật điều khiển tổng hợp luật điều khiển dạng véc tơ trạng thái, thay cho hai khâu tạo lệnh sơ đồ chức hệ thống điều khiển có Áp dụng luật điều khiển tối ưu cho phép cực tiểu hóa sai số bám sát tần số chuẩn cực tiểu hóa lượng tiêu hao cho hệ thống điều khiển Thiết lập thuật toán kết nối thuật toán (thuật toán đánh giá lượng cột nước nơi đặt nhà máy thủy điện, thuật toán nhận dạng xác định tham số mơ tả động học hệ thống, thuật tốn tối ưu lọc Kalman tổng hợp lệnh điều khiển) để tạo luật điều khiển tối ưu thích nghi với thay đổi lượng cột nước (đặc điểm nhà máy thủy điện vừa nhỏ) Các thuật toán đề xuất chương luận án sở để xây dựng phần mềm cho thiết bị điều khiển đại hóa chế tạo thiết bị điều khiển van cấp nước cho turbine nhà máy thủy điện vừa nhỏ CHƢƠNG MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM Trong chương tiến hành sử dụng công cụ mô Matlab simulink để đánh giá tính hợp lý thuật toán đề xuất chương chương phía Việt Nam chủ động thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển turbine nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ Sơ đồ thể hình 4.1: 20 Tham số đầu vào (1) Mô nhận dạng tham số T,K (2) Xác định tham số luật điều khiển tối ưu (3) Xác định mơ hình trạng thái Đưa kết (4) (5) Hình 4.1 Sơ đồ chức hệ mơ 4.1 Đối tƣợng mô Đối tượng mô khảo sát chương tổ hợp turbine máy phát điện với turbine loại phản kích (dùng động cột nước) Các thông số kỹ thuật tổ máy sau: Công suất: 30 MW, Rotor có cặp cực, tương ứng tần số quay chuẩn: 2 f 2 50 0    78,5 (rad/s) Các thông số khác liệt kê chi tiết 4 luận án 4.2 Mơ nhận dạng tham số mơ hình Trên hình (4.3), (4.4) hình thể kết mơ thuật tốn nhận dạng Hình 4.3 Đồ thị nhận dạng số thời gian T mơ hình động học Hình 4.4 Đồ thị nhận dạng hệ số khuyếch đại K Trên hai đồ thị nêu đường màu đen tham số thực, đường màu đỏ tham số nhận dạng Qua hai đồ thị cho thấy sai số nhỏ 4.3.1 Mô luật điều khiển tối ƣu Trên hình 4.6 đồ thị thực luật điều khiển tối ưu, hình 4.10 đồ thị ma trận K x chệch khỏi giá trị tối ưu theo hướng phần tử đường chéo ma trận giảm 10% 21 Hình 4.6 Tần số quay turbine thực luật điều khiển tối ưu Hình 4.10 Tần số quay turbine thực luật điều khiển không tối ưu (Kx giảm) Qua đồ thị cho thấy điều khiển tối ưu tần số quay turbine nhanh chóng giá trị danh định, điều khiển khơng tối ưu tần số dao động 4.3.2 Mô luật điều khiển tối ƣu thích nghi Trường hợp K tăng từ 12000 lên 18000 ; T tăng từ 10000 lên 12000 Hình 4.15 Sự thay đổi tham số K Hình 4.20 Tần số quay turbine (rad/s) K T tăng Hình 4.16 Sự thay đổi tham số T Hình 4.21 Tần số quay turbine (rad/s) thời điểm K T tăng 22 Nhận xét: Từ đồ thị cho thấy, mức lượng dòng sơng thay đổi (tăng giảm) làm cho tham số mô hình mơ tả tổ hợp turbine+máy phát điện thay đổi (thời điểm phát nhận dạng xác định tham số K T), hiệu chỉnh luật điều khiển tối ưu xong vào giây thứ Do hiệu chỉnh gây biến động hệ thống, làm cho cánh lái hướng dòng nước cấp vào turbine tốc độ quay turine có biến động Tuy nhiên tham số nhanh chóng trở giá trị danh định Như luật điều khiển tối ưu thích nghi có tính bền vững với thay đổi mức lượng dòng sơng 4.3.3 Mơ luật điều khiển tối ƣu tải thay đổi Trên hình 4.36, 4.38 đồ thị công suất yêu cầu tổ máy giảm, tức cắt bớt tải tiêu thụ vào máy phát Hình 4.38 Sự thay đổi tần số quay turbine thời điểm tải thay đổi Hình 4.36 Góc quay cánh lái hướng (độ) tải yêu cầu giảm Từ hình 4.36-4.41 cho thấy tải u cầu thay đổi giá trị góc quay cánh lái hướng dòng nước vào turbine thay đổi giá trị Tần số quay turbine bị dao động, xong nhanh chóng trở giá trị danh định 4.4 Kết luận chƣơng Trên sở học thuật trình bày chương chương cụ thể hóa thành thuật tốn để ứng dụng cơng cụ Matlab simulink cho việc mô đánh giá hiệu thuật tốn đề xuất Đã đưa mơ hình mô tả động học tổ hợp tổ máy turbine máy phát cụ thể để tiến hành mô khảo sát Đã xây dựng bước để cụ thể hóa thuật tốn nhận dạng tham số mơ hình mơ tả động học tổ hợp thuật toán tổng hợp luật điều chỉnh tối ưu tần số quay turbine có thay đổi tải theo yêu cầu 23 Ứng dụng công cụ mô Matlab simulink để đánh giá hiệu luật điều khiển tối ưu thay đổi thích nghi luật điều khiển tối ưu lượng cột nước nơi đặt nhà máy thủy điện thay đổi tải thay đổi Qua mô cho thấy tính bền vững luật điều khiển tối ưu thích nghi KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ nội dung luận án kết đạt cho phép rút kết luận sau kiến nghị sau: I Kết luận Từ phân tích đặc điểm cột nước tính chất lượng cột nước nhà máy thủy điện vừa nhỏ Việt Nam cho thấy cần phải có giải pháp việc xây dựng luật điều khiển lưu lượng nước cấp vào turbine tương thích với thay đổi lượng dòng chảy thay đổi tải lưới điện yêu cầu tổ máy Từ phân tích phát triển ngành kỹ thuật điện tử tự động hóa khả tự chủ thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển servomotor đề xuất giải pháp nên bước vào giai đoạn tự chủ thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển hệ thống cánh lái hướng điều chỉnh dòng nước cấp cho turbine tổ máy phát điện Để tiến tới giai đoạn cần phải trước bước nghiên cứu xây dựng phương pháp thuật toán điều khiển turbine sở ứng dụng lý thuyết điều khiển đo lường đại Đây nhiệm vụ luận án phù hợp với chuyên ngành “Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa” Ứng dụng phương pháp tốn học “bình phương tối thiểu” xây dựng thuật tốn nhận dạng (xác định) thơng số mơ hình tốn học mơ tả hệ thống cánh lái hướng mơ hình mơ tả turbine máy phát điện nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ Ứng dụng lý thuyết lọc Kalman xây dựng thuật toán xử lý thông tin quay vi đo tốc độ góc thơng tin gia tốc kế nhằm xác định tốc độ quay turbine mini để xác định lượng cột nước Thông số mô hình thơng tin lượng cột nước tham số bắt buộc phải có để tổng hợp lệnh điều khiển turbine nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ Ứng dụng công thức Parseval thiết lập biểu thức mô tả quan hệ sai số bám tham số luật điều khiển PID từ đưa giải pháp xác định hệ số tỉ lệ tối ưu cho luật điều khiển PI thiết bị điều khiển 24 hệ thống cánh lái hướng turbine nhà máy thủy điện Giải pháp phục vụ nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ sử dụng thiết bị điều khiển nước Ứng dụng phương pháp backstepping điều khiển tối ưu để xây dựng thuật toán tổng hợp lệnh điều khiển hệ thống cánh lái hướng Thuật toán tổng hợp lệnh điều khiển backstepping điều khiển tối ưu sở để xây dựng phần mềm chủ động thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển turbine Đã kết nối thuật toán đánh giá lượng cột nước nơi đặt nhà máy thủy điện với thuật tốn nhận dạng xác định tham số mơ hình với thuật tốn tổng hợp lệnh điều khiển tối ưu van cấp nước cho turbine để tạo thuật tốn điều khiển thích nghi Áp dụng cơng cụ mô Matlab-simulink để mô kiểm chứng số thuật toán đề xuất chương Qua kết mô cho thấy áp dụng thuật toán nhận dạng điều khiển cho luận án đề xuất chương chương tần số quay turbine nhanh chóng trở tần số chuẩn có biến động lượng cột nước tải tiêu thụ, đáp ứng yêu cầu chất lượng tần số máy phát II Những điểm luận án - Nghiên cứu xây dựng giải pháp ứng dụng thiết bị MEMS để đo lượng cột nước; - Ứng dụng phương pháp tốn bình phương tối thiểu xây dựng thuật tốn hiệu chỉnh tham số mơ hình mơ tả cụm hợp cánh lái hướng, turbine máy phát điện có thay đổi lượng cột nước - Áp dụng phương pháp điều khiển đại: phương pháp backstepping, điều khiển tối ưu lọc Kalman để xây dựng điều khiển thích nghi nhằm nâng cao chất lượng ổn định tần số quay turbine nhà máy thủy điện vừa nhỏ III Kiến nghị Áp dụng điểm vào thử nghiệm số nhà máy thủy điện công suất nhỏ để đánh giá trị thực tiễn luận án 25 ... CHƢƠNG TỔNG HỢP LUẬT ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ QUAY TURBINE TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ Để ổn định tần số điện áp phát máy phát điện nhà máy thủy điện cần điều khiển ổn định tần số quay... thống điều khiển tần số quay máy phát điện phụ thuộc vào lượng cột nước - Đo lượng cột nước phương tiện đo đại - Xây dựng thuật toán điều khiển ổn định tần số quay máy phát nhà máy thủy điện vừa nhỏ. .. cho turbine nhằm ổn định tần số quay turbine nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án ứng dụng phương pháp nhận dạng để xác định tham số mơ hình