Đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 ứng dụng logic mờ

Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng mô hình toán học để mô tả hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3; Đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hiện có của nhà máy để cải thiện chế độ khởi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN ĐỨC SỸ

ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN

HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Tiến Dũng

Phản biện 1: PGS.TS Bùi Quốc Khánh

Phản biện 2: TS Nguyễn Quốc Định

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày tháng năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Do đặc thù địa lý của Việt Nam nên các nguồn thủy điện lớn tập trung ở Miền Bắc, tuy nhiên các nơi tiêu thụ là Miền Nam và ảnh hưởng của việc giới hạn truyền tải điện lưới 500 kV nên các nhà máy thủy điện ở khu vực Nam Tây nguyên và Miền Nam đóng vai trò quan trọng cấp nguồn cho phụ tải và đặc biệt lúc tăng phụ tải đột ngột Với việc phân bổ huy động nguồn trên hệ thống điện Việt Nam: Nhiệt điện chạy nền, Thủy điện chạy phủ đỉnh do ưu điểm của các nhà máy thủy điện là thời gian khởi động và dừng máy nhanh, tốc độ tăng/giảm tải nhanh

Nhà máy Thủy điện Srêpôk 3 là Nhà máy nằm trong hệ thống Thủy điện bậc thang trên sông Srêpốk có diện tích lưu vực 9.410 km2, với hồ chứa có dung tích toàn bộ là 218.99 triệu m3, trong đó dung tích hữu ích là 62.85 triệu m3, hồ chứa làm nhiệm vụ điều tiết ngày, được tích nước từ ngày 11/5/2010 Công suất lắp đặt của nhà máy là 220

MW, sản lượng điện trung bình hàng năm là 1.060 tỉ kwh

Đặc điểm của nhà máy Srêpốk 3 là tổ máy có công suất lớn,

độ thay đổi cột nước nhỏ (4m/110MW) nên hệ thống điều tốc Srêpốk

3 đang lấy giá trị cột nước H cài đặt cho hệ thống điều tốc là hằng số

Vì vậy, hệ thống điều tốc chỉ phụ thuộc vào các giá trị Tần số lưới (fL)

; Công suất hệ thống (PL); Tần số đặt (fref); Công suất đặt (Pref) ; Độ

mở cánh hướng đặt (αref) Khi có sự thay đổi công suất phụ tải thì độ

mở cánh hướng sẽ thay đổi theo để điều chỉnh công suất phát của tổ máy mà không xét đến cột nước hiện tại

Việc đáp ứng nhanh của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 góp phần rất lớn vào việc ổn định tần số hệ thống và cung cấp nguồn điện nhanh chóng cho phụ tải Miền Nam

2 Mục tiêu nghiên cứu:

Xây dựng mô hình toán học để mô tả hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3;

Đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hiện có của nhà máy để cải thiện chế độ khởi động;

Xây dựng mô hình và mô phỏng toàn hệ thống kết quả trên phần mềm Matlab – Simulink để phân tích và đánh giá kết quả

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Srêpốk 3;

Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát hệ thống điều tốc có xét đến yếu

tố độ thay đổi cột nước H(t) của nhà máy Thủy điện Srêpốk 3; Giới hạn của đề tải: Mô hình của hệ thống có kết nối lưới

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết;

Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3;

Dựa trên các mô hình toán học, nghiên cứu và áp dụng lý thuyết điều khiển mờ để đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhằm đạt được các tín hiệu đầu ra bám theo các tín hiệu yêu cầu với chất lượng điều khiển tốt;

Sử dụng công cụ Matlab để mô phỏng, đánh giá và rút ra kết luận

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu và ứng dụng logic mờ vào thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3

6 Cấu trúc của luận văn

Chương 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện Srêpốk 3 và Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3;

Chương 2: Xây dựng mô hình toán học của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3;

Chương 3: Đề xuất phương pháp nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3;

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 1.1 Tổng quan về Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3

1.2 Tổng quan về hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3

1.2.1 Sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ nguyên lý điều khiển của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 được mô tả như Hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều tốc nhà máy

Thủy điện Srêpốk 3 1.2.2 Chức năng

1.2.3 Thông số hệ thống hệ thống điều tốc-turbine

b) Chế độ điều tần (frequency control)

c) Chế độ điều chỉnh công suất tác dụng (Power control) d) Chế độ điều chỉnh độ mở cánh hướng (Opening control)

1.2.7 Đặc tính của bộ điều tốc

1.3 Kết luận chương 1

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU

TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3

2.1 Đặt vấn đề

2.2 Mô hình toán các khối chức năng

2.2.1 Mô hình Turbine thủy lực

2.2.2 Mô hình Turbine với cột nước không đàn hồi

2.2.3 Tổn thất cột nước

2.2.4 Mô hình hóa hệ thống tải máy phát

2.2.5 Mô hình van hướng

- Chuyển động của turbine

2.3.3 Mô hình tổng thể của hệ thống điều tốc

a) Mô hình cột nước và turbine

Hình 2.6 Mô hình cột nước và turbine b) Mô hình van hướng, cột nước và turbine

Hình 2.7 Mô hình van hướng, cột nước và turbine

c) Mô hình tổng thể của hệ thống điều tốc

Hình 2.8 Mô hình tổng thể hệ thống điều tốc nhà máy Thủy

điện Srêpốk 3 2.4 Kết luận chương 2

CHƯƠNG 3

ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 3.1 Đặt vấn đề

Bộ điều khiển của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk

3 được vẽ lại như Hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc Việc đáp ứng nhanh của hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 sẽ góp phần vào việc ổn định tần số và cung cấp nguồn điện nhanh chóng cho hệ thống điện Điều đó phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính điều tốc của các tổ máy;

Tuy nhiên Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 là nhà máy có hồ điều tiết ngày, bộ điều khiển hệ thống điều tốc là PID với các tham số được cài đặt từ đầu sẽ có ảnh hưởng không nhỏ trong quá trình vận hành, đặc biệt là quá trình khởi động của các tổ máy, với thời gian kéo dài

sẽ không đáp ứng kịp thời khi có sự yêu cầu huy động để tham gia ổn định cho hệ thống điện Quốc gia;

Opening Control

Speed Control Noload (PID)

Speed Isolated Control (PID)

Speed Network Controller (PID)

Power Control (PID)

ON LOAD

NO LOAD

Từ các yếu tố trên tác giã đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển

hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 ứng dụng logic mờ nhằm đạt được chất lượng điều khiển tốt hơn trong quá trình khởi động

tổ máy để nhanh chóng đáp ứng công suất khi có yêu cầu;

3.2 Giới thiệu lý thuyết điều khiển mờ

3.2.1 Giới thiệu chung

3.2.2 Bộ điều khiển mờ

3.2.3 Tổng hợp bộ điều khiển mờ

3.3 Phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3

3.3.1 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển mới

Sơ đồ khối nguyên lý của bộ điều khiển như Hình 3.8

Hình 3 2 Nguyên lý của bộ điều khiển có thêm bộ điều

khiển mờ 3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ

a) Cấu trúc bộ điều khiển mờ

b) Định nghĩa tập mờ

- Định nghĩa các biến ngôn ngữ vào ra

Biến ngôn ngữ vào là tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển mờ

cụ thể là lượng sai lệch tốc độ điều khiển “E” và tốc độ biến thiên của tín hiệu sai lệch tốc độ “dE”;

Biến ngôn ngữ ra “U” là đại lượng bù vào tín hiệu điều khiển

độ mở cánh hướng;

- Xác định miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ vào ra; Miền giá trị vật lý phải bao hàm hết các khả năng giá trị mà biến ngôn ngữ vào ra có thể nhận được, ta chọn:

 E = [-0.1; 0.1];

 dE = [-0.1; 0.1];

 U = [-1; 1]

- Xác định dạng hàm liên thuộc

 Hàm liên thuộc cho sai lệch E như Hình 3.9

Hình 3.9 Hàm liên thuộc cho sai lệch E

 Hàm liên thuộc cho sai lệch dE như Hình 3.10

Hình 3.10 Hàm liên thuộc cho sai lệch dE

 Hàm liên thuộc cho đầu ra U

Hình 3.11 Hàm liên thuộc cho đầu ra U

c) Xây dựng luật hợp thành

Với 5 tập mờ của mỗi biến đầu vào, ta xây dựng được 5x5 = 25 luật điều khiển Các luật điều khiển được biểu diễn dưới dạng mệnh đề:

IF…THEN…các luật này được xây dựng theo 2 nguyên tắc sau:

- Sai lệch E càng lớn thì tác động điều khiển càng lớn;

- Vi phân sai lệch dE càng lớn thì tác động điều khiển càng lớn;

- Trong đó:

 NB (Negative Big) : Âm nhiều

 NM (Negative Medium) : Âm vừa

 PM (Positive Medium) : Dương vừa

 PB (Positive Big) : Dương nhiều

Luật mờ của bộ điều khiển như Bảng 3.1

Bảng 3.1 Luật mờ của bộ điều khiển mờ

CHƯƠNG 4

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Mô phỏng hệ thống điều tốc hiện tại của Nhà máy

3.1.1 Mô phỏng các phần tử của hệ thống trên Simullink

Matlab-a) Mô phỏng bộ điều khiển

Hình 4.1 Mô phỏng bộ điều khiển trên Matlab-Simullink b) Mô phỏng servo cánh hướng

Hình 4.2 Mô phỏng servo cánh hướng trên Matlab-Simullink

c) Mô phỏng hệ thống turbine thủy lực

Hình 4.3 Mô phỏng hệ thống turbine thủy lực trên Matlab-Simullink d) Mô phỏng tải máy phát

Hình 4.4 Mô phỏng tải máy phát trên Matlab-Simullink e) Mô phỏng toàn bộ hệ thống

Hình 4.5 Mô phỏng toàn bộ hệ thống trên Matlab-Simullink

3.1.2 Kết quả mô phỏng hệ thống điều tốc trên Simullink sử dụng bộ điều khiển PID

Matlab-a) Kết quả mô phỏng chế độ khởi động

Hình 4.6 Kết quả mô phỏng đặc tính khởi động b) Kết quả mô phỏng chế độ khởi động, hòa lưới và mang tải

Hình 4.7 Kết quả mô phỏng chế độ khởi động, hòa lưới c) Đặc tính khởi động, hòa lưới và mang của nhà máy Thủy điện Srêpốk 3

Hình 4.8 Đặc tính nhà máy thủy điện Srêpốk 3

Kết luận: Từ kết quả mô phỏng so sánh với đặc tính khởi động, mang tải thực tế của nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 tác giả nhận thấy

mô hình mô phỏng khá sát với thực tế hiện tại, do đó mô hình này có thể sử dụng để nghiên cứu, đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc của nhà máy Thủy điện Srêpốk 3

3.2 Mô phỏng hệ thống với thuật toán điều khiển đề xuất 4.2.1 Mô phỏng hệ thống trên Matlab-Simullink

a) Mô phỏng bộ điều khiển đề xuất trên Matlab-Simullink

Hình 4 9 Mô phỏng bộ điều khiển trên Matlab-Simullink

b) Mô phỏng toàn bộ hệ thống trên Matlab-Simullink

Hình 4.10 Mô phỏng toàn bộ hệ thống trên Matlab-Simullink 4.2.2 Kết quả mô phỏng hệ thống điều tốc trên Matlab-Simullink sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp FUZZY

a) Kết quả mô phỏng chế độ khởi động

 Kết quả mô phỏng đặc tính tốc độ ở chế độ khởi động tổ máy như Hình 4.11 và so sánh với bộ điều khiển khi chỉ sử dụng PID như hình 4.12

Hình 4.11 Kết quả đặc tính tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển

PID+FUZZY

Hình 4.12 So sánh kết quả đặc tính tốc độ khi sử dụng bộ điều

khiển PID và PID+FUZZY Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng Hình 4.11 và Hình 4.12 ta nhận thấy ở chế độ khởi động tổ máy khi sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp FUZZY cho ta kết quả tốt hơn so với khi chỉ sử dụng bộ điều khiển PID Cụ thể là thời gian khởi động tổ máy nhanh hơn khoảng 38s so với 60s khi sử dụng bộ điều khiển PID

Như vậy bộ điều khiển mới cho kết quả tốt hơn so với bộ điều khiển củ, đáp ứng nhanh chóng công suất khi có yêu cầu nhằm góp phần tham gia vào việc ổn định cho hệ thống điện Quốc gia

- Kết quả mô phỏng đặc tính khởi động của tổ máy như Hình 4.13

Hình 4.13 Kết quả mô phỏng đặc tính khởi động

b) Kết quả mô phỏng chế độ khởi động, hòa lưới và mang tải như Hình 4.14

Hình 4.14 Kết quả mô phỏng chế độ khởi động, hòa lưới

3.3 Kết luận chương 4

Từ những kết quả xây dựng mô hình toán trong chương 2 và đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển ở chương 3 Trong chương này tác giả đã mô phỏng các phần tử của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 trên Matlab-Simullink, sử dụng bộ điều khiển PID để mô phỏng đặc tính khởi động của nhà máy Thủy điện Srêpôk 3 và kết quả đáp ứng đầu ra mang lại khá sát với thực tế hiện tại của nhà máy Từ

mô hình này tác giả cũng đã mô phỏng đặc tính khởi động của nhà máy với thuật toán điều khiển để xuất và kết quả mang lại:

Ở chế độ khởi động tổ máy khi sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp FUZZY cho ta kết quả tốt hơn, thời gian để tốc độ tổ máy đạt giá trị định mức là khoảng 38s so với khi chỉ sử dụng bộ điều khiển PID

là 60s

Như vậy bộ điều khiển mới cho kết quả tốt hơn so với bộ điều khiển củ, ngoài thời gian quá độ tốt hơn thì độ quá điều chỉnh và sai lệch tỉnh củng rất nhỏ; đảm bảo được các tiêu chí về chất lượng điều khiển, đáp ứng nhanh chóng công suất khi có yêu cầu nhằm góp phần tham gia vào việc ổn định cho hệ thống điện Quốc gia

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Với việc nghiên cứu và thực hiện luận văn “ Đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 ứng dụng logic mờ ” tác giả nhận thấy đã đạt được một số kết quả như sau:

Đã xây dựng được mô hình toán cho các phần tử trong hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3;

Nghiên cứu và ứng dụng logic mờ vào thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3;

Sử dụng các mô hình toán để tổng hợp, hoàn thiện và mô phỏng

hệ thống trên phần mềm Matlab-Simullink với bộ điều khiển PID và kết quả mang lại phù hợp với thực tế của nhà máy Thủy điện Srêpốk 3; từ đó có thể sử dụng mô hình này để phân tích, nghiên cứu, đánh giá chất lượng của bộ điều khiển hiện tại ở các chế độ làm việc khác nhau của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3;

Cải tiến được bộ điều khiển cho chế độ khởi động bằng ứng dụng logic mờ, với kết quả mang lại tốt hơn khi sử dụng bộ điều khiển hiện tại của nhà máy là PID; đây là cơ sở để tác giả tiếp tục nghiên cứu cải tiến bộ điều khiển cho các chế độ vận hành khác của hệ thống điều tốc;

Vì thời gian nghiên cứu có hạn; do đó, tác giả chỉ mới đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển ở chế độ khởi động, các kết quả có được

ở luận văn này củng chỉ dừng lại ở lý thuyết và mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simullink Mong muốn tiếp theo của tác giả là tiếp tục

sử dụng mô hình bộ điều khiển đã xây dựng để khảo sát, nghiên cứu

và thiết kế bộ điều khiển cho các chế độ còn lại của hệ thống điều tốc

và áp dụng được vào thực tế tại nhà máy Thủy điện Srêpốk 3