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

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 ỨNG DỤNG LOGIC MỜ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 8520216 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2018 Cơng trình hồn thành 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 bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa họp Đại học Đà Nẵng vào ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Do đặc thù địa lý Việt Nam nên nguồn thủy điện lớn tập trung Miền Bắc, nhiên nơi tiêu thụ Miền Nam ảnh hưởng việc giới hạn truyền tải điện lưới 500 kV nên nhà máy thủy điện khu vực Nam Tây nguyên Miền Nam đóng vai trò quan trọng cấp nguồn cho phụ tải đặc biệt lúc tăng phụ tải đột ngột Với việc phân bổ huy động nguồn hệ thống điện Việt Nam: Nhiệt điện chạy nền, Thủy điện chạy phủ đỉnh ưu điểm nhà máy thủy điện thời gian khởi động dừng máy nhanh, tốc độ tăng/giảm tải nhanh Nhà máy Thủy điện Srêpôk Nhà máy nằm hệ thống Thủy điện bậc thang sơng Srêpốk có diện tích lưu vực 9.410 km2, với hồ chứa có dung tích tồn 218.99 triệu m3, dung tích hữu ích 62.85 triệu m3, hồ chứa làm nhiệm vụ điều tiết ngày, tích nước từ ngày 11/5/2010 Cơng suất lắp đặt nhà máy 220 MW, sản lượng điện trung bình hàng năm 1.060 tỉ kwh Đặc điểm nhà máy Srêpốk tổ máy có công suất lớn, độ thay đổi cột nước nhỏ (4m/110MW) nên hệ thống điều tốc Srêpốk lấy giá trị cột nước H cài đặt cho hệ thống điều tốc số Vì vậy, hệ thống điều tốc phụ thuộc vào 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 thay đổi cơng suất phụ tải độ mở cánh hướng thay đổi theo để điều chỉnh công suất phát tổ máy mà không xét đến cột nước Việc đáp ứng nhanh hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk góp phần lớn vào việc ổn định tần số hệ thống cung cấp nguồn điện nhanh chóng cho phụ tải Miền Nam 2 Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng mơ hình tốn học để mô tả hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3; Đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển có nhà máy để cải thiện chế độ khởi động; Xây dựng mơ hình mơ toàn hệ thống kết phần mềm Matlab – Simulink để phân tích đánh giá kết Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu hệ thống điều tốc 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) nhà máy Thủy điện Srêpốk 3; Giới hạn đề tải: Mơ hình hệ thống có kết nối lưới Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết; Nghiên cứu xây dựng mô hình tốn học hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3; Dựa mơ hình tốn học, nghiên cứu áp dụng lý thuyết điều khiển mờ để đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhằm đạt tín hiệu đầu bám theo tín hiệu yêu cầu với chất lượng điều khiển tốt; Sử dụng công cụ Matlab để mô phỏng, đánh giá rút kết luận Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Nghiên cứu ứng dụng logic mờ vào thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk Cấu trúc luận văn Chương 1: Tổng quan nhà máy thủy điện Srêpốk Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3; Chương 2: Xây dựng mơ hình tốn học 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 đánh giá kết 4 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 1.1 Tổng quan Nhà máy Thủy điện Srêpốk 1.2 Tổng quan hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 1.2.1 Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk mơ tả Hình 1.1 Hình 1.1 Sơ đồ ngun lý hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 1.2.2 Chức 1.2.3 Thông số hệ thống hệ thống điều tốc-turbine a) Thông số hệ thống điều tốc b) Thông số hệ thống Turbine 1.2.4 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc 1.2.5 Sơ đồ hàm truyền 1.2.6 Quá trình khởi động chế độ làm việc điều tốc nhà máy Srêpốk a) Quá trình khởi động 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 điều tốc 1.3 Kết luận chương CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 2.1 Đặt vấn đề 2.2 Mơ hình tốn khối chức 2.2.1 Mơ hình Turbine thủy lực 2.2.2 Mơ hình Turbine với cột nước không đàn hồi 2.2.3 Tổn thất cột nước 2.2.4 Mơ hình hóa hệ thống tải máy phát 2.2.5 Mơ hình van hướng 2.3 Mơ hình thành phần hệ thống 2.3.1 Số liệu tham số biến trình hệ thống 2.3.2 Các phương trình động học phi tuyến hệ thống - Phương trình động học đường hầm: dU  H0  H  Hl dt Tw   (2.71) - Phương trình động học đường ống áp lực: H  H  H l  UTw s Hl  f (2.72) LU  k fU d 2g (2.73) - Phương trình động học turbine:   U G H - Công suất   P m  At U  U NL H  DDam G w (2.74) (2.75) - Chuyển động turbine P m  P load  (2 Hs  D)w - Động học van hướng dG Tg G u dt 2.3.3 Mô hình tổng thể hệ thống điều tốc a) Mơ hình cột nước turbine Hình 2.6 Mơ hình cột nước turbine b) Mơ hình van hướng, cột nước turbine Hình 2.7 Mơ hình van hướng, cột nước turbine (2.76) (2.77) c) Mơ hình tổng thể hệ thống điều tốc Hình 2.8 Mơ hình tổng thể hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 2.4 Kết luận chương CHƯƠNG ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3.1 Đặt vấn đề Bộ điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk vẽ lại Hình 3.1 Gate Setpoint Gate Feedback Speed Setpoint Opening Control NO LOAD Speed Feedback Speed Control Noload (PID) Frequency Feedback Speed Isolated Control (PID) Frequency Setpoint Power Setpoint Power Feedback Speed Network Controller (PID) DOI TUONG DIEU KHIEN ON LOAD Power Control (PID) Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc Việc đáp ứng nhanh hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk góp phần vào việc ổn định tần số cung cấp nguồn điện nhanh chóng cho hệ thống điện Điều phụ thuộc nhiều vào đặc tính điều tốc tổ máy; Tuy nhiên Nhà máy Thủy điện Srêpốk nhà máy có hồ điều tiết ngày, điều khiển hệ thống điều tốc PID với tham số cài đặt từ đầu có ảnh hưởng khơng nhỏ q trình vận hành, đặc biệt trình khởi động tổ máy, với thời gian kéo dài không đáp ứng kịp thời có yêu cầu huy động để tham gia ổn định cho hệ thống điện Quốc gia; Từ yếu tố tác giã đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk ứng dụng logic mờ nhằm đạt chất lượng điều khiển tốt trình khởi động tổ máy để nhanh chóng đáp ứng cơng suất có u 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 điều khiển mờ 3.3 Phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3.3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển Hình 3.8 Hình Ngun lý điều khiển có thêm điều khiển mờ 3.3.2 Thiết kế điều khiển mờ a) Cấu trúc điều khiển mờ b) Định nghĩa tập mờ - Định nghĩa biến ngôn ngữ vào 10 Biến ngơn ngữ vào tín hiệu điều khiển điều khiển mờ cụ thể lượng sai lệch tốc độ điều khiển “E” tốc độ biến thiên tín hiệu sai lệch tốc độ “dE”; Biến ngôn ngữ “U” đại lượng bù vào tín hiệu điều khiển độ mở cánh hướng; - Xác định miền giá trị vật lý biến ngôn ngữ vào ra; Miền giá trị vật lý phải bao hàm hết khả giá trị mà biến ngơn ngữ vào 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 Hình 3.9 Hình 3.9 Hàm liên thuộc cho sai lệch E  Hàm liên thuộc cho sai lệch dE Hình 3.10 11 Hình 3.10 Hàm liên thuộc cho sai lệch dE  Hàm liên thuộc cho đầu U Hình 3.11 Hàm liên thuộc cho đầu U c) Xây dựng luật hợp thành Với tập mờ biến đầu vào, ta xây dựng 5x5 = 25 luật điều khiển Các luật điều khiển biểu diễn dạng mệnh đề: 12 IF…THEN…các luật xây dựng theo nguyên tắc sau: - Sai lệch E lớn tác động điều khiển lớn; - Vi phân sai lệch dE lớn tác động điều khiển lớn; - Trong đó:  NB (Negative Big) : Âm nhiều  NM (Negative Medium) : Âm vừa  ZE (Zero) : Không  PM (Positive Medium) : Dương vừa  PB (Positive Big) : Dương nhiều Luật mờ điều khiển Bảng 3.1 Bảng 3.1 Luật mờ điều khiển mờ Sai lệch tốc độ (E) U Vi phân lai lệch tốc độ (dE) NB NM ZE PM PB NB NB NB NM NM ZE NM NB NM NM ZE NM ZE NM NM ZE PM PM PM NM ZE PM PM PB PB ZE NM PM PB PB d) Chọn luật hợp thành: Ta chọn luật hợp thành MAX-MIN e) Giải mờ: Giải mờ phương pháp trọng tâm 13 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Mô hệ thống điều tốc Nhà máy 3.1.1 Mô phần tử hệ thống MatlabSimullink a) Mơ điều khiển Hình 4.1 Mô điều khiển Matlab-Simullink b) Mô servo cánh hướng Hình 4.2 Mơ servo cánh hướng Matlab-Simullink 14 c) Mô hệ thống turbine thủy lực Hình 4.3 Mơ hệ thống turbine thủy lực Matlab-Simullink d) Mơ tải máy phát Hình 4.4 Mô tải máy phát Matlab-Simullink e) Mô tồn hệ thống Hình 4.5 Mơ tồn hệ thống Matlab-Simullink 15 3.1.2 Kết mô hệ thống điều tốc MatlabSimullink sử dụng điều khiển PID a) Kết mô chế độ khởi động Hình 4.6 Kết mơ đặc tính khởi động b) Kết mô chế độ khởi động, hòa lưới mang tải Hình 4.7 Kết mơ chế độ khởi động, hòa lưới c) Đặc tính khởi động, hòa lưới mang nhà máy Thủy điện Srêpốk 16 Hình 4.8 Đặc tính nhà máy thủy điện Srêpốk Kết luận: Từ kết mô so sánh với đặc tính khởi động, mang tải thực tế nhà máy Thủy điện Srêpốk tác giả nhận thấy mơ hình mơ sát với thực tế tại, mơ hình sử dụng để nghiên cứu, đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3.2 Mô hệ thống với thuật tốn điều khiển đề xuất 4.2.1 Mơ hệ thống Matlab-Simullink a) Mô điều khiển đề xuất Matlab-Simullink Hình Mơ điều khiển Matlab-Simullink 17 b) Mơ tồn hệ thống Matlab-Simullink Hình 4.10 Mơ tồn hệ thống Matlab-Simullink 4.2.2 Kết mô hệ thống điều tốc MatlabSimullink sử dụng điều khiển PID kết hợp FUZZY a) Kết mô chế độ khởi động  Kết mơ đặc tính tốc độ chế độ khởi động tổ máy Hình 4.11 so sánh với điều khiển sử dụng PID hình 4.12 Hình 4.11 Kết đặc tính tốc độ sử dụng điều khiển PID+FUZZY 18 Hình 4.12 So sánh kết đặc tính tốc độ sử dụng điều khiển PID PID+FUZZY Nhận xét: Từ kết mơ Hình 4.11 Hình 4.12 ta nhận thấy chế độ khởi động tổ máy sử dụng điều khiển PID kết hợp FUZZY cho ta kết tốt so với sử dụng điều khiển PID Cụ thể thời gian khởi động tổ máy nhanh khoảng 38s so với 60s sử dụng điều khiển PID Như điều khiển cho kết tốt so với điều khiển củ, đáp ứng nhanh chóng cơng suất có u cầu nhằm góp phần tham gia vào việc ổn định cho hệ thống điện Quốc gia - Kết mô đặc tính khởi động tổ máy Hình 4.13 19 Hình 4.13 Kết mơ đặc tính khởi động b) Kết mô chế độ khởi động, hòa lưới mang tải Hình 4.14 Hình 4.14 Kết mơ chế độ khởi động, hòa lưới 20 3.3 Kết luận chương Từ kết xây dựng mơ hình tốn chương đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển chương Trong chương tác giả mô phần tử hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk Matlab-Simullink, sử dụng điều khiển PID để mơ đặc tính khởi động nhà máy Thủy điện Srêpôk kết đáp ứng đầu mang lại sát với thực tế nhà máy Từ mơ hình tác giả mơ đặc tính khởi động nhà máy với thuật toán điều khiển để xuất kết mang lại: Ở chế độ khởi động tổ máy sử dụng điều khiển PID kết hợp FUZZY cho ta kết tốt hơn, thời gian để tốc độ tổ máy đạt giá trị định mức khoảng 38s so với sử dụng điều khiển PID 60s Như điều khiển cho kết tốt so với điều khiển củ, thời gian độ tốt độ điều chỉnh sai lệch tỉnh củng nhỏ; đảm bảo tiêu chí chất lượng điều khiển, đáp ứng nhanh chóng cơng suất có u 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 thực luận văn “ Đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk ứng dụng logic mờ ” tác giả nhận thấy đạt số kết sau: Đã xây dựng mô hình tốn cho phần tử hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3; Nghiên cứu ứng dụng logic mờ vào thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3; 21 Sử dụng mơ hình tốn để tổng hợp, hồn thiện mô hệ thống phần mềm Matlab-Simullink với điều khiển PID kết mang lại phù hợp với thực tế nhà máy Thủy điện Srêpốk 3; từ sử dụng mơ hình để phân tích, nghiên cứu, đánh giá chất lượng điều khiển chế độ làm việc khác hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3; Cải tiến điều khiển cho chế độ khởi động ứng dụng logic mờ, với kết mang lại tốt sử dụng điều khiển nhà máy PID; sở để tác giả tiếp tục nghiên cứu cải tiến điều khiển cho chế độ vận hành khác hệ thống điều tốc; Vì thời gian nghiên cứu có hạn; đó, tác giả đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển chế độ khởi động, kết có luận văn củng dừng lại lý thuyết mô phần mềm Matlab-Simullink Mong muốn tác giả tiếp tục sử dụng mơ hình điều khiển xây dựng để khảo sát, nghiên cứu thiết kế điều khiển cho chế độ lại hệ thống điều tốc áp dụng vào thực tế nhà máy Thủy điện Srêpốk  ... thiệu chung 3. 2.2 Bộ điều khiển mờ 3. 2 .3 Tổng hợp điều khiển mờ 3. 3 Phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3. 3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển Sơ đồ... đề tài Nghiên cứu ứng dụng logic mờ vào thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk Cấu trúc luận văn Chương 1: Tổng quan nhà máy thủy điện Srêpốk Hệ thống điều tốc nhà máy. .. hình tốn cho phần tử hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3; Nghiên cứu ứng dụng logic mờ vào thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3; 21 Sử dụng mơ hình tốn để