Nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện buôn kuốp ứng dụng trí tuệ nhân tạo

Vì vậy trong nghiên cứu này Tôi thực hiện xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Buôn Kuốp ằng các phư ng trình biểu diễn sự ảnh hưởng của độ đàn hồi l n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

LÊ SỸ THANH

NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN BUÔN KUỐP

ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hoá

Mã số: 60 52 02 16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2016

Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ TIẾN DŨNG

Phản biện 1 : TS NGUYỄN LÊ HÒA

Phản biện 2 : TS NGUYỄN HOÀNG MAI

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc

sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 8 năm 2016

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm thông tin-học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trước sự phát triển của nền kinh tế xã hội, trong đó không thể không nói đến sự phát triển mạnh mẽ của ngành năng lượng điện để đáp ứng nhu cầu công nghiệp hóa, hiện đại hoá đất nước Để đáp ứng nhu cầu về sự phát triển kinh tế của xã hội ngành điện đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong cuộc sống xã hội, an ninh quốc phòng, đời sống của nhân dân Trong xu hướng hội nhập quốc tế, sự phát triển của ngành năng lượng điện không thể bỏ qua được đó là chất lượng của điện năng Việt Nam có nguồn thủy năng vô c ng lớn Vì vậy việc sữ dụng các nhà máy thuỷ điện để có thể tận dụng tốt nguồn tiềm năng này thì việc hiểu, n m t công nghệ, cách thức vận hành, thành phần, nguy n l của một nhà máy thủy điện là vô c ng quan trọng Điều tốc là một phần c ản của nhà máy thủy điện nói chung cũng như nhà máy thủy điện uôn uốp nói ri ng

Mô hình toán học của hệ thủy lực của nhà máy thủy điện là mô hình dạng phi tuyến Một số công trình đi trước đã xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống và đề xuất phư ng pháp điều khiển nhằm nâng cao chất lượng hoạt động của hệ thống điều tốc Vì vậy trong nghiên cứu này Tôi thực hiện xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Buôn Kuốp ằng các phư ng trình biểu diễn sự ảnh hưởng của độ đàn hồi l n đường ống áp lực

ô phỏng quá trình điều khiển ộ điều tốc dựa tr n các phư ng trình toán học mô tả hệ thực s dụng phần mềm atla -Simulink Sau đó kiểm nghiệm và điều chỉnh mô hình để mô tả gần với thống thực

Tr n c sở đó, tạo mô hình phục vụ cho quá trình nghi n cứu, học tập, áp dụng th nghiệm các phư ng án cải tiến nhằm nâng cao chất lượng hoạt động của hệ điều tốc tại nhà máy

Trong phạm vi của cuốn luận văn này với đề tài Tôi nghiên cứu là: “Nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện buôn kuốp ứng dụng trí tuệ nhân tạo” được thực hiện nhằm năng cao chất lượng động học của hệ thống điều khiển Tuabin thuỷ lực nhà máy thuỷ điện Buôn Kuốp, góp phần cải thiện chất lượng điện năng của hệ thống điện

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng được mô hình toán học của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Buôn Kuốp mô tả sát với hệ thống thực tại nhà máy

Đề xuất được thuật toán điều khiển ứng dụng trí tuệ nhân tạo

để nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Buôn Kuốp có xét đến lực cản và các thành phần bất định khác

Xây dựng mô hình và mô phỏng toàn bộ hệ thống trên Matlab – Simulink

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều tốc của máy phát điện đồng bộ 3 pha Nhà máy Thủy điện Buôn Kuốp;

Phạm vi nghiên cứu là vấn đề điều khiển hệ thống điều tốc s dụng trí tuệ nhân tạo nâng cao chất lượng điều khiển của Hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Buôn Kuốp;

Xem cột nước là cố định

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ 3 pha Nhà máy Thủy điện Buôn Kuốp

Dựa trên các mô hình toán học, nghiên cứu và áp dụng lý thuyết của trí tuệ nhân tạo để đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhằm đạt được các tín hiệu đầu ra với chất lượng điều khiển tốt

S dụng công cụ atla để mô phỏng, đánh giá và rút ra kết luận

Chư ng 4 Mô phỏng và kiểm nghiệm

6 Tổng quan tài liệu tham khảo

[5] Các tác giả “Paolo Pennacchi, Steven Chatterton n, Andrea Vania” đã nguy n cứu Mô hình hóa phản ứng động học xảy ra của tuabin Francis

[8] Tác giả FP de Mello cùng các cộng sự đã nguy n cứu về turbine thuỷ lực và nguyên cứu các phư ng pháp điều khiển có xét đến các phần t thủy lực trong đường hầm có xét đến tính đàn hồi [10] Các tác giả Đặng Trung Thi, L Đức Dũng, Đoàn Quang Vinh xét đến hiệu ứng đàn hồi của cột nước trong ống áp lực được biểu diễn bằng hàm toán học vô tỷ

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN, NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC BUÔN KUỐP

1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA VIỆT NAM

VÀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN BUÔN KUỐP

1.1.1 Vị trí địa lý và đặc điểm công trình Nhà máy thủy điện Buôn Kuốp

Nhà máy thủy điện Buôn Kuốp thuộc các xã Nam Đà huyện Krông Knô, xã Eana huyện Krông Ana thuộc tỉnh Đ k Nông, xã Hòa Phú thuộc thành phố Buôn Mê Thuột, tỉnh Đ k L k

Nhà máy thủy điện Buôn Kuốp được phép xây dựng theo văn bản số 1107/CP-CN ngày 19/8/2003 của Thủ tướng Chính phủ Đây

là một công trình thuộc bậc thang thủy điện trên sông Srêpôk

Công trình thủy điện Buôn Kuốp nằm trên sông Srêpôk là bậc thang thứ 4 tính từ thượng lưu nguồn nhánh Krông Knô và là bậc thang thủy điện đầu tiên trên dòng sông chính Srêpôk

Phía thượng lưu có các nhà máy thủy điện Krông Nô 2, Krông

Nô 3; uôn Tua Srah; Chưpông rông Phía hạ lưu có các nhà máy thủy điện Hòa Phú; Drây Hlinh 1, Drây Hlinh 2, Drây Hlinh 3;

Srêpôk 3; Srêpôk 4 và Srêpôk 4A

1.1.2 Hệ thống các thiết bị Công trình thủy điện Buôn Kuốp

1.2.1 Chức năng và cấu tạo

Hệ thống điều tốc có các chức năng là Tự động khởi động tổ máy, điều chỉnh tần số để hòa tổ máy vào lưới khi có lệnh chạy máy,

Ổn định tốc độ tổ máy khi không tải, khi hòa lưới và khi mất tải đột ngột, dừng máy ình thường và dừng khẩn cấp khi có sự cố

1.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc

1.2.3 Hệ thống điều khiển

a Tủ điều khiển GEC 431

b Khối tác động AU

c Cơ cấu phản hồi độ mở cánh hướng

d Hệ thống dừng khẩn cấp Emergency tổ máy (ECS)

e Thiết bị bảo vệ vượt tốc cơ

f Thiết bị phụ (Bộ lọc dầu điều tốc)

g Hệ thống dầu điều khiển

1.2.4 Quá trình khởi động/dừng máy, các chế độ làm việc

và chức năng của hệ thống

a Quá trình khởi động tổ máy

b Quá trình điều chỉnh tốc độ trong khi hòa đồng bộ tổ máy

c Các vòng lặp điều khiển của hệ thống điều tốc

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY

THUỶ ĐIỆN BUÔN KUỐP

2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

2.2 MÔ HÌNH HOÁ CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG 2.2.1 Mô hình tuabin thuỷ lực

a Các đặc tính cơ bản của tuabin

Công suất c tr n trục tuabin (Pmec) có thể đạt được ở tuabin thủy lực l tưởng bằng tích của độ cao thủy lực đối với tuabin ( ht – cột nước tỉnh) với lưu lượng theo khối lượng của chất lỏng (qt) Tuy nhiên, thực tế thì công suất c của tuabin bị giảm theo hệ số của hiệu suất (η) là hệ số để tính toán phần tổn thất công suất

Các đặc tính chính của tuabin thủy lực được trình ày dưới đây

Công thức tính toán của hệ số tỷ tốc ns như sau:

Trong đó: p 1: là áp lực của nước trước khi đi qua tua in

p 2: áp lực sau khi đi qua tua in

Đối với tua in xung kích thì γ=0 (p1=p2)

b Phương trình động học cơ bản của tuabin

Công suất của loại tua in Francis trong N TĐ

So sánh (2.1) với (2.8), có thể thấy được hiệu suất η là một hàm vị trí của van G, và (2.8) có thể viết lại

̅ ̅ ̅ ̅ ̅

 ̅ ̅ ̅ ( ̅̅ ̅ ) (2.10)

Hệ số khuất đại tuabin At được tính từ tỷ lệ góc mở hiệu dụng của góc mở thực tế của van hướng, có xét đến sự rành buộc về momen trên trục tuabin và trục máy phát, được tính theo biểu thức đưới đây[11]

Trong đó G fl và G nl là vị trí van hướng khi tuabin vận hành đầy

tải và không tải P t.rate và P G.rate là công suất định mức của tuabin và của máy phát

Viết ở hệ đ n vị tư ng đối

̅ ̅√ ̅  ̅ ̅√ ̅ (2.12)

(2.12) có s dụng đến quan hệ Q,U trong hệ đ n vị tư ng đối :

=> ̅ ̅ (2.13)

Trong đó: Q cb ,Ucb tư ng ứng là lưu lượng và tốc độ c ản của dòng chảy A là tiết diện của đường ống dòng chảy đi qua

c Phương trình chuyển động của Tuabin - máy phát

Phư ng trình góc quay thể hiện mối quan hệ giữa mô men quay của trục roto và momen gia tốc của nó Trong đó mômen gia tốc được xác định là bằng sai lệch giữa moomen trục c và mômen điện khi tốc độ ổn định thì momen c ằng mô momen điện Khi có sự dao động hoặc mất cân bằng thì sẽ tạo ra gia tốc quay của máy điện theo phư ng trình chuyển động sau[4, pp78]

2

2. m

hệ đ n vị trư ng đối của hằng số quán tính H Gọi m0 là vận tốc góc định mức nên ta có

2 0

2 .A

m cb

J H V





(2.18)

2 0



Trong đó: p n là số đôi cực từ của máy phát điện Phư ng trình 3.8 có thể việc trong hệ đ n vị trư ng đối của vận tốc của roto và theo vận tốc của dòng điện r[rad/s]

 vì vậy 2.22 được viết lại là:

Do ta xét hệ quanh điểm làm việc n n phư ng trình 2.24 được viết lại như sau:

r mec elec

a Mô hình phi tuyến của cột nước

b Mô hình tuyến tính của cột nước

2.3 MÔ HÌNH TOÁN CỦA CẢ HỆ THỐNG

Các phần t của nhà máy thuỷ điện như: hồ chứa, đường hầm, tháp điều áp, đường ống áp lực, hệ thống tuabine và côn hút

Hình 2.14 Sơ đồ khối của các phần tử trong hệ thống điều tốc

2.3.1 Các tham số và biến quá trình của hệ thống thủy lực nhà máy thủy điện Buôn Kuốp

2.3.2 Hệ phương trình phi tuyến mô tả hệ thống thủy lực

- Phư ng trình dòng chảy

- Phư ng trình động học của đường hầm

̅

̅ ̅ ̅

- Trường hợp không xét đến hiệu ứng cột nước đàn hồi

hàm tanh(T ep.s)Tep.s

̅

Hình 2.16 Sơ đồ mô tả hàm Zp.Tanh(Tep.s)

Từ các phư ng trình động học (2.85)  (2.96) của hệ đã cho

ở trên, mô hình phi tuyến của nhà máy được xây dựng như hình 2.17

zp

+ +

-Hình 2.17 Tổng hợp mô hình phi tuyến nhà máy thuỷ điện

T g

1 s

Dong hoc thap dieu ap

Dong hoc ap luc

Dong hoc canh huong

Mo hinh may phat-tai

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

3.1 GỚI THIỆU LÝ THUYẾT MỜ

3.1.1 Định nghĩa tập mờ

3.1.2 Một vài dạng hàm liên thuộc thường được sử dụng 3.1.3 Xây dựng mô hình mờ cho đối tượng

Trong mô hình điều khiển mờ có hai dạng phổ biến về mô hình

mờ thường được s dụng Đó là mô hình mờ Mamdani và mô hình

mờ Sugeno Trong đó mô hình mờ Mamdani có nhiều ưu điểm nên được thừa nhận và s dụng rộng rải h n mô hình mờ Sugenno Sau đây tìm hiểu cụ thể một mô hình thường hay s dụng là mô hình mờ Mamdani

Cấu trúc bộ điều khiển mờ c ản gồn gồm các thành phần:

S đồ khối của bộ điều khiển gồm có 4 khối được thể biểu diễn

mô hình mờ amdani như hình 3.2

Hình 3.2 Sơ đồ khối chức năng các bộ điều khiển mờ

3.2 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MỜ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC

3.2.1 Đề xuất phương án

Đặc điểm của một hệ thống là pha không cực tiểu bởi quán tính của nước, khi có sự thay đổi về góc mở van dẫn nước vào tuabin thì đáp ứng của nó là công suất c tr n trục tuabin ở giai đoạn đầu của quá độ sẽ có hướng ngược lại tác động của van Trong khi đó các

bộ điều khiển PID được thiết cho một điểm làm việc, do đó theo thời gian việc ổn định tốc độ sẽ ảnh hướng theo Do vậy s dụng bộ điều khiển mờ để thay thế bộ điều khiển PID nhằm kh c phục yêu cầu trên

Cấu trúc bộ điều khiển đề xuất như hình 3.6

Hình 3.6 Sơ đồ khối điều khiển thay thế bộ điều khiển mờ

3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ

a Cấu trúc bộ điều khiển mờ

Cấu trúc ộ điều khiển được thể hiện như hình vẽ 3.17

Hình 3.7 Cấu trúc bộ điều khiển mờ

b Định nghĩa tập mờ

- Định nghĩa các biến ngôn ngữ vào ra

Biến ngôn ngữ vào là lượng sai lệch tốc độ điều khiển “E” và tốc độ biến thiên của sai lệch “E’”

Biến ngôn ngữ ra độ mở điều khiển cánh hướng “U”

- Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ vào ra

Hình 3.8 Xây dựng hàm liên thuộc cho sai lệch E và E’

Hình 3.10 Xây dựng hàm liên thuộc cho đáp ứng 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

Bảng 3.1 Bảng luật hợp thành bộ điều khiển mờ

Âm vừa không

Dương vừa

Dương nhiều

Âm

nhiều

Âm nhiều

Âm nhiều

Âm vừa

Âm vừa Không

Âm

vừa

Âm nhiều

Âm vừa

Âm vừa Không

Âm vừa

Không Âm vừa Âm

vừa Không

Dư ng vừa

Dư g vừa

Dương

vừa Âm vừa Không

Dư ng vừa

Dư ng vừa

Dư ng nhiều

Dương

nhiều Không

Âm vừa

Dư ng vừa

Dư ng nhiều

Dư ng nhiều

CHƯƠNG 4

MÔ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM

4.1 TRƯỜNG HỢP CHƯA CÓ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ

4.1.1 Mô hình các phần tử trong hệ thống thuỷ lực

Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống thuỷ lực

a Mô hình đường ống dẫn nước

b Mô hình tháp điều áp

c Mô hình đường ống áp lực

d Mô phỏng secvor cánh hướng

e Mô phỏng bộ điều khiển tuabin với PID

Hình 4.6 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tuabin

4.1.2 Tổng hợp mô hình

Hình 4.7 Sơ đồ mô phỏng hệ thống nhà máy thuỷ điện

Quan he cac dap ung giua cot nuoc, duong ham, thap dieu ap, tuabin

Thoi diem hoa luoi Thoi diem dong tai t1

Luu luong nuoc qua ong dan[pu]

Luu luong nuoc qua tuabin[pu]

luu luong nuoc qua thap dieu ap[pu]

c Đáp ứng các chế độ làm việc của tổ máy

Hình 4.11 Các chế độ làm việc của hệ thống điều tốc

4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 4.2.1 Mô hình bộ điều khiển tuabin với bộ điều khiển mờ

Hình 4.12 Sơ đồ mô phỏng điều khiển tuabin bằng bộ điều khiển mờ

4.2.2 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển mờ

Hình 4.13 Đáp ứng điều khiển tốc độ bằng BĐK mờ

4.3 SO SÁNH KẾT QUẢ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

Từ kết quả quá trình khởi động tổ máy của bộ điều khiển mờ

và bộ điều khiển kinh điển PID như hình 4.14:

Hình 4.14 Tổng hợp điều khiển tốc độ bằng BĐK PID và mờ

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Sau thời gian 6 tháng quá trình nghiên cứu và thực hiện luận

văn tốt nghiệp, “Nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc nhà máy

thuỷ điện buôn Kuốp ứng dựng tí tuệ nhân tạo”, tôi đã đạt được

một số kết quả sau:

ô hình hoá được hệ thống các phần t trong hệ thống thuỷ lực nhà máy thủy điện

Nghiên cứu hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Buôn Kuốp

S dụng bộ điều khiển kinh điển để điều khiển ổn định tốc độ máy phát nhà máy thủy điện Buôn Kuốp

Nghiên cứu và ứng dụng logic mờ trong ổn định tốc độ

Xây dựng mô hình mô phỏng để kiểm chứng trên phần mềm Matlab-Simulink

Nghiên cứu và thiết kế được bộ điều khiển mờ điều khiển cách hướng nước của nhà máy thuỷ điện Buôn Kuốp Kết quả mô phỏng cho thấy khi s dụng bộ điều khiển kinh điển thì tốc độ của Tuabin đáp ứng chậm trong giai đoạn khởi động tổ máy Với bộ điều khiển

mờ chất lượng động của hệ tăng l n rõ rệt hệ bám nhanh với điểm làm việc và ổn định

Tuy nhiên, với thời gian nghiên cứu có hạn luận văn này chỉ mới giải quyết được các vấn đề tr n c sở lý thuyết mô phỏng bằng phần mềm Matlab trong quá trình khởi động tổ máy Tuy nhiên nếu

có điều kiện tôi có thể nghiên cứu tiếp tục nâng cao chất lượng việc điều chỉnh công suất máy phát với hệ thống điện, và đây cũng là một

hướng phát triễn tiếp theo của một đề tài