Cải thiện hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện buôn tua shah ứng dụng bộ điều khiển pid fuzzy

Đ I H CăĐÀăN NG TR NGăĐ I H C BÁCH KHOA - ĐOÀNăVĔNăMINH C I THI N H TH NGăĐI U T C NHÀ MÁY TH YăĐI N BUÔN TUA SRAH NG D NG B ĐI U KHI N PID - FUZZY LU NăVĔNăTH CăSĨăKỸ THU T ĐƠăN ng ậ Nĕmă2018 Đ I H CăĐÀăN NG TR NGăĐ I H C BÁCH KHOA - ĐOÀNăVĔNăMINH C I THI N H TH NGăĐI U T C NHÀ MÁY TH YăĐI N BUÔN TUA SRAH NG D NG B ĐI U KHI N PID - FUZZY Chuyên ngành: Kỹ thuật Đi u n Tự đ ng hóa Mã s : 8520216 LU NăVĔNăTH CăSĨăKỸ THU T Ng iăh ng d n khoa h c: TS Nguy năVĕnăMinhăTrí ĐƠăN ng ậ Nĕmă2018 L IăCAMăĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa khác Tác gi luận văn Đoàn Văn Minh C I THI N H TH NG ĐI U T C NHÀ MÁY TH YăĐI N BUÔN TUA SRAH NG D NG B ĐI U KHI N PID - FUZZY Học viên: Đoàn Văn Minh Chuyên ngành: Kỹ thuật Đi u n Tự đ ng hóa Mư s : 8520216 Khóa: K33 Đắk Lắk Tr ng Đ i học Bách khoa - ĐHĐN Tóm t t - B u n PID đư đ c ứng d ng r ng rãi nh vào u m ổn định đáp ứng đầu t t Tuy nhiên với các h th ng mà thông sơ thay đổi liên t c b u PID Fuzzy khắc ph c đ c m y u c a u n PID kinh n kh đáp ứng t t, đ m b o tín hi u đầu bị thay đổi đ i với thay đổi c a tham s c a h th ng q trình mơ hình hóa nh q trình vận hành Luân văn đư xây dựng đ c mơ hình h th ng u t c th y n dựa vào nguyên lý làm vi c đặc tính vật lý từ tài li u tham kh o [12][13] thi t k b n PID Fuzzy dựa b PID kinh n nguyên tắc thi t k b u n m Luân Văn mô ph ng đánh giá k t qu đ t đ c b u u n: PID – Fuzzy, PID Ziegler – Nichols b u n điêu t c với thông s PID nhà máy BTS với giá trị kh đ ng thực t t i nhà máy BTS Từ rút đ c k t luận đ a h ớng phát tri n ti p theo MPROVING THE GOVERNOR SYSTEM OF HYDRO-POWER BUON TUA SRAH APPLICATIONS PID ậ FUZZY CONTROLLERS Abstract - PID controllers have been widely applied due to their stable advantages and good output response However, for systems where the data is constantly changing, the Fuzzy PID controller overcomes the weaknesses of the classic PID controller, which is the ability to respond well to ensure that the output signal is less volatile for the change of system parameters during modeling as well as during operation The model of the hydrodynamic speed control system based on working principles and physical characteristics from the reference [12] [13] and Fuzzy PID controller design based on sets Classical PID and fuzzy controller design principles Simulation results were obtained between controllers: PID Fuzzy, PID Ziegler - Nichols and the speed controller with the PID parameters of the BTS plant and the actual values at the BTS plant From there draw conclusions and give direction to the next development M CL C M Đ U Tính cấp thi t c a đ tài…………………………………………… ……………1 M c tiêu nghiên cứu………………………………………………… ………….2 Đ i t ng ph m vi nghiên cứu…………………………………… …………2 Ph ơng pháp nghiên cứu……………………………………………… ……… B c c luận văn………………………………………………………… ………2 CH NGă1 - T NG QUANG NHÀ MÁY TH YăĐI N BUÔN TUA SRAH VÀ H TH NGăĐI U T C NHÀ MÁY TH YăĐI N BUÔN TUA SRAH 1.1 Tổng Quang nhà máy th y n Buôn Tua Srah…………………… …………4 1.1.1 Các cơng trình th y công n l ng 1.1.2 Đi u chỉnh t c đ nhà máy n………………………… .………7 1.2 Tổng quan v u t c nhà máy th y n Buôn Tua Srah…………… ………10 1.2.1 Chức năng……………………………………………………… ……….10 1.2.2 Thông s .11 1.2.3 Cấu hình phần cứng c a b chuy n đổi .11 1.2.4 Qúa trình chuy n đổi tr ng thái làm vi c 13 1.2.5 Nguyên lý làm vi c 13 1.2.6 Ch đ vận hành 15 1.2.7 Đặc tính kh i đ ng .17 1.2.8 Thông s lấy từ u t c .18 1.3 Các cơng trình ngun cứu cơng b ………………………………… …………22 1.3.1 Trong n ớc 22 1.3.2 N ớc 23 1.3.3 Nhận xét chung 25 1.4 K t luận ch ơng 25 CH NGă2 ậ MO HINH HOA H TH NGăĐI U T C TURBINE TH Y ĐI N .26 2.1 Mơ hình hóa khí u n…………………………………………… … 26 2.2 Mơ hình hóa Turbine th y lực………………………… ……………… …… 30 2.3 Mơ hình hóa h th ng turbine – máy phát 34 2.4 Tổng h p .36 2.5 K t luận ch ơng 37 CH NGă3 ậ C ăS LÝ THUY T DI U KHI N M .38 3.1 Giới thi u chung .38 3.1.1 Định nghĩa tập m 40 3.1.2 M t vài d ng hàm liên t c th 3.2 Xây dựng mơ hình m cho đ i t ng đ c sử d ng 41 ng 41 3.2.1 Mơ hình m Mamdami .42 3.2.2 Mơ hình m Sugeno 52 3.2.3 So sánh hai lo i mơ hình 54 3.3 Tổng h p b u n m 54 3.3.1 Cấu trúc c a b u kh n m 54 3.3.2 Nguyên tắc tổng h p b u n m .55 3.3.3 Các b ớc thực hi n xây dựng b u n m 57 3.4 K t luận 58 CH NGă4 - THI T K B ĐI U KHI N PID - FUZZY 59 4.1 Nguyên tắc chuy n đổi PID thành PID - FUZZY tập m t ơng ứng 59 4.2 Xây dựng luật u n 61 4.3 K t Luận Ch ơng 69 CH NGă5 - MÔ PH NG .70 5.1 Xác định thông s mô ph ng .70 5.2 Thông s mô ph ng .71 5.3 Sơ đồ mô ph ng 71 5.3.1 B u n PID- FUZZY 71 5.3.2 B u n PID ZIEGLE - NICHOLS: 73 5.3.3 B u n PID Dùng thông s PID Nhà máy Buôn Tua Srah 74 5.3.4 Tổng h p b u n n 75 5.3.5 K t Q a mô ph ng………………………………………………… …… 76 5.4 K t Luận Ch ơng .81 K T LU N VÀ KI N NGH .82 DANH M C TÀI LI U THAM KH O QUY TăĐ NHăGIAOăĐ TÀI (b n sao) PH L C KÝ HI U VÀ CHỮ VI T T T CÁC KÝ HI U f Tần số hệ (Hz) n Số vòng quay Rơto máy phát (vịng/phút) w T c đ máy phát (rad/s) KP Hằng s tỷ l KI Hằng s tích phân KD Hằng s vi phân J Mơ men qn tính (kgm2) Pm Cơng suất (MW) Pe Cơng suất điện (MW) Tm Mô men Te Mô men điện Q Lưu lượng qua turbine (m3/s) H Chiều cao cột áp (m) ag Gia t c (m/s2) L Chi u dài đ Tw Hằng s th i gian kh i đ ng c a n ớc ng ng áp lực (m) H s c n H Hằng s quán tính máy phát Tp Hằng s servomotor Ks H s servomotor TG Hằng s cánh h ớng s Toán tử Laplace CÁC CHỮ VI T T T PID B u n PID PID-FUZZY B u n PID - M CCR Phòng u n trung tâm LCU T u n t i ch P/G Công suất/ Đ m tham chi u SD Dãi t c đ ch t bp(Speed droop) T c đ thay đổi BQ2 C m bi n cánh h ớng H3 Cánh h ớng PV1 Van tỷ l MV1 Van Chính AMP H s kh ch đ i van tỷ l BQ1 C m bi n vị trí van NS Thu thập tr ng thái h th ng FR Tần s tham chi u GOV Đi u T c YNL Đ m khơng t i YK1 góc m thứ YK2 góc m thứ DANH M C CÁC B NG S hi u hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Cửa nhận n ớc 1.2 Đập Tràn 1.3 Đ 1.4 Cấu hình phần cứng u t c 12 1.5 Sơ đồ chuy n đổi tr ng thái làm vi c 13 1.6 Sơ đồ cấu trúc h th ng u t c 14 1.7 Đ ng kh i đ ng Governor 17 1.8 Đ ng đặc tính dừng c a Governor 18 1.9 Giao di n c a b u t c 18 1.10 Chuy n đổi c t n ớc tay 19 1.11 Thông s PID không t i 19 1.12 Thông s PID mang t i 19 1.13 Thơng s c m bi n vị trí 20 1.14 Thông s giới h n đ m 20 1.15 Thông s t c đ đóng m cánh h ớng 20 1.16 Thông s c t n ớc 21 1.17 Thông s vịng lặp servo 21 1.18 Thơng s cánh h ớng 21 1.19 Hằng s th i gian 22 1.20 K t qu mơ ph ng 22 1.21 Mơ hình u n 23 1.22 K t qu mô ph ng với th i gian kh i đ ng khí TM 24 ng hầm áp lực 72 Hình 5.4: Sơ đồ tổng quang c a h th ng điêu t c với b u n PID-FUZZY  B u n PID-FUZZY : Hình 5.5 : B u n PID-FUZZY K t h p với khâu khu ch đ i 73 Hình 5.6 : B u n PID-FUZZY  Mơ hình u t c turbine th y n BTS : Hình 5.7 : Mơ hình u t c turbine th y n 5.3.2 Bộ điều khiển PID ZIEGLER-NICHOLS: Gồm b u n PID, van tỷ l , servo cánh h ớng, turbine-máy phát giá trị đặt c t n ớc, t c đ : 74 Hình 5.8: Sơ đồ tổng quang c a h th ng điêu t c với b u n PID ZIEGLER NICHOLS Hình 5.9: B u n PID ZIEGLER - NICHOLS 5.3.3 Bộ điều khiển PID Dùng thông số PID Nhà máy Buôn Tua Srah: Gồm b u n PID, van tỷ l , servo cánh h ớng, turbine-máy phát giá trị đặt c t n ớc, t c đ : 75 Hình 5.10: Sơ đồ tổng quang c a h th ng điêu t c với thông s PID nhà máy BTS Hình 5.11: B u n điêu t c với thông s PID nhà máy BTS 5.3.4 Tổng hợp điều khiển: Gồm b u n t c đ : PID – FUZZY, PID ZIEGLER – NICHOLS b u n điêu t c với thông s PID nhà máy BTS 76 Hình 5.12: Tổng h p b u n điêu t c 5.3.5 Kết Qủa mô phỏng:  B u n PID – FUZZY: Với c t n ớc Hmax 77 Hình 5.13: K t qu mô ph ng b u n PID – FUZZY  B u n PID ZIEGLER - NICHOLS: Với c t n ớc Hmax Hình 5.14: K t qu mô ph ng b u n PID ZIEGLER – NICHOLS  B u n PID dùng thông s nhà máy Buôn Tua Srah: Với c t n ớc Hmax 78 Hình 5.15: K t qu mô ph ng b u n dùng thông s PID nhà máy Buôn Tua Srah  Tổng h p k t u n: Với c t n ớc Hmax Hình 5.16: K t qu mô ph ng t c đ b u n với Hmax 79 Hình 5.17: K t qu mô ph ng t c đ b u n với Hmax đ m xác lập  Tổng h p k t u n: Với c t n ớc Hmin c phóng to t i Hình 5.18: K t qu mơ ph ng t c đ b u n với Hmin 80 Hình 5.19: K t qu mơ ph ng t c đ b u n với Hmin đ m xác lập  Hình kh i đ ng c a nhà máy th y n Bn Tua Srah: c phóng to t i Hình 5.20: Hình t c đ kh i đ ng c a nhà máy th y n Buôn Tua Srah 81 Từ hình ta thấy : - - Theo hình 5.20 kh i đ ng nhà máy th y n Buôn Tua Srah ta thấy t c đ kh i đ ng nhà máy không bị vọt l , th i gian xác lập 34s c a u t c nhà máy Buôn Tua Srah, giá trị xác lập 150 ± 0.21 Theo hình 5.16 đ n 5.19 : + B u n PID – FUZZY kh i đ ng t c đ không bị vọt l với tất c giá trị c t n ớc, đ t tr ng thái xác lập lúc 18,5 giây với c t n ớc Hmin 21 giây với c t n ớc Hmax + B u khiên PID ZIEGLER-NICHOLS bị vọt l , t c đ đ t cao 189.5 vòng/phút với c t n ớc Hmax, vọt l 26,3%, đ t tr ng thái xác lập lúc 23.5 giây với c t n ớc Hmin 24 giây với c t n ớc Hmax + B u khiên PID lấy th ng s PID nhà máy t c đ cao 235 vong/phút ứng với c t n ớc Hmax, bị vọt l 56%, đ t tr ng thái xác lập lúc 60.5 giây với c t n ớc Hmin 61 giây với c t n ớc Hmax Vậy b u b u n PID – FUZZY kh thi đáp ứng đ c th i gian kh i đ ng nhanh nhất, không bị vọt l 5.4 K t Lu năCh ng Trong ch ơng tác gi đư mô ph ng b u n đ a k t qu so sánh đánh giá b u n từ đ a đ thi đáp ứng đ c đánh giá b u n PID – FUZZY kh c th i gian kh i đ ng nhanh nhất, không bị vọt l 82 K TăLU NăVÀăKI NăNGH K T LU N Với m c tiêu ban đầu c a b thi t k PID-FUZZY đ c i thi n trình kh i đ ng nhà máy th y n Buôn Tua Srah với thay đổi c a tham s mực n ớc hồ, từ k t qu c a b u n ta thấy rằng, đáp ứng c a b u n PID-FUZZY th a mãn tiêu chuẩn thi t k đ có k t qu t t b u n PID trình kh i đ ng tổ máy KI N NGH Vấn đ nghiên cứu đ i t ng GOV c a nhà máy, tác gi xét tới trình kh i đ ng so sánh k t qu c a b u n PID-FUZZYvới b u n PID tiêu kh i đ ng c a nhà máy Đ có nhìn đầy đ v GOV cần ph i kh o sát trình làm vi c c a h th ng GOV kh i l ch đ mang t i Tuy nhiên th i gian ngắn bên c nh ng công vi c c a luận văn t t nghi p nhi u, tác gi không kh o sát mô ph ng đầy đ ch đ c a b u t c Chính lý trên, tác gi có ki n nghị v h ớng nghiên cứu phát tri n đ tài cho học viên mu n tìm hi u v h th ng GOV b u n PID-FUZZY nghiên cứu v trình h th ng GOV làm vi c ch mang t i 83 DANH M C TÀI LI U THAM KH O [1] Lê Đức Dũng Đoàn quang Vinh ”The control of speed for hydraulic turbines based on the linear quadratic control method” t p chí khoa học cơng ngh , đ i học đà nẵng - s 6(35).2009 [2] Đặng trung thi Đoàn Quang Vinh “Fuzzy adjusting pid parameters of the hydroelectric power turbine governor” t p chí khoa học công ngh , đ i học đà nẵng - s 4(39).2010 [3]Li-Xin Wang “A course in fuzzy systerm and control”, ISBN 0-13-593005-7 [4] WEI LI, “Hydro Turbine and Governor Modeling and Scripting for Small-Signal and Transient Stability Analysis of Power Systems”, Master‟s Degree Project Stockholm, Sweden September 23, 2011 [5] PGS.TS Trần Xuân Tùy, Hệ thống điều khiển tự động thủy lực, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà N i – 2002 [6] F P de Mello (Chairman) and R J Koesslerwith contributions from J Agee P.M Anderson, J H Doudna,J H Fish 111, P A L Hamm, P Kundur D C Lee, G J Rogers and C Taylor “hydraulicturbine and turbine control models for system pynamicstudies Transactions on Power Systems, Vol 7, NO 1, February 1992 [7] Paolo Pennacchi, Steven Chatterton n, Andrea Vania “Modeling of the dynamic response of a Francis turbine” Mechanical Systems and Signal Processing 29 (2012) 107– 119 [8] Phan Xuân Minh Nguy n Doưn Ph ớc "Lý Thuyết Điều Khiển Mờ", NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 1997 [9] Nguy n Phùng Quang, "Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động", NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2004 [10] R Mitra and Samarth Singh, Optimal Fuzzy Supervised PID Controller using Ant Colony Optimization Algorithm Advance in Electronic and Electric Engineering ISSN 2231-1297, Volume 3, Number (2013), pp 553-560 [11] German Ardul Munoz-Hernandez, Sa'ad Petrous Mansoor, Dewi Leuan Jones, (2013), Modelling and Controlling Hydropower Plants, Springer-Verlag London [12] P Kundur, Power system stability and control, New York: McGraw-Hill Inc [13] Dự án th y n Buôn Tua Srah\Gói thi t bị n\H th ng u t c [14] TS Nguy n Nh Hi n TS L i Khắc Lãi "Hệ Mờ NơRon Trong Kỹ Thuật Điều Kiển", NXB Khoa Học Tự Nhiên Và Công Ngh Hà N i, 2007 84 85 PH L C Ph l că1:ăfileăch ngătrìnhătínhăb u n Hinf %% -THONG SO CUA NHA MAY THUY DIEN Buôn Tua Srah %% %% Thong so may phat va turbine Ku = 4.34; Tu = 12.2; Kpmin = 0.32*Ku; Kpmax = 0.6*Ku; Kdmin = 0.08*Ku*Tu; Kdmax = 0.15*Ku*Tu; a11=0.57 a13=1.1 a21=1.18 a23=1.5 PID_FUZZY_DT_BTS_DVM = readfis('PID_FUZZY_DT_BTS_DVM'); Pe=43; %Cong suat dinh muc (MW) (thiet ke ky thuat) P0=10; %Cong suat tai ban dau U=13.8; %Dien ap dinh muc (kV) (thiet ke ky thuat) S=50600; %Cong suat bieu kien (kVA) (thiet ke ky thuat) f=50; %Tan so dinh muc (Hz) (thiet ke ky thuat) n=150; %Toc dinh muc (vong/phut) (thiet ke ky thuat) Hmf=6000; %Hieu ung banh da may phat (GD2-Ton-m2)(ho so moi thau) Gtb=150; %Hieu ung banh da turbine (GD2-Ton-m2)(ho so moi thau) GD2=6150; %hieu ung banh da tong (GD2-Ton-m2)(ho so moi thau) Pm=43; %Cong suat co turbine (MW) thiet ke ky thuat) %Thong so cum thuy luc dieu toc Tp=0.09; %Hang so thoi gian khau van pilot (lay theo thong so cai dat nha may thuy dien BTS) Ks=1; %Hang so thoi gian khau van servor chinh (lay theo thong so cai dat nha may thuy dien BTS) Tg=0.09 %Hang so thoi gian khau van pilot (lay theo thong so cai dat nha may thuy dien BTS) %Thong so cot nuoc va duong ham Hln=58.5; %Cot nuoc lon nhat (m) (theo ho so moi thau) Hnn=34.4; %Cot nuoc thap nhat (m) (theo ho so moi thau) Htb=48.4; %Cot nuoc trung binh (m) (theo ho so moi thau) Htt=46.5; %Cot nuoc tinh toan (m) (theo ho so moi thau) Q0=204.9; %Luu luong dinh muc (m^3/s)(thiet ke ky thuat) L=173.2; %Chieu dai duong ham (m) (thiet ke ky thuat) D=5.5; %Duong kinh duong ham (m) (thiet ke ky thuat) r=D/2; %Ban kinh duong ham (m) (thiet ke ky thuat) g=9.81; %gia toc truong (m/s^2) Ddam=1.5; Hmax=Hln; Hmin=Hnn; 86 H0=Htt; s=zpk('s'); % Van toc truyen so duong ham U0=Q0/(pi*r^2); % Hang so thoi gian khoi dong Tw Tw=(L*U0)/(g*H0); % Hang so quan tinh H H=(0.5)*((pi^2)/(60^2))*((GD2*n^2)/S); %% Ham truyen cac doi tuong G1=tf(Ks/(Tp*s^2+s+Ks)); % Ham truyen khau servor G2=tf(1/(Tg*s+1)); % Ham truyen khau servor G3=tf(a23*(1+(a11-(a13*a21/a23))*Tw*s)/(1+ a11*Tw*s)); %Ham truyen turbine G4=tf(1/(2*H*s+Ddam)); %Ham truyen may phat G=tf(G1*G2*G3*G4) %Ham truyen tong hop figure(1); [Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(G) margin(G); title('Bieu Do BODE Mo Hinh Danh Dinh') grid on; figure(2); plot(q); title('Tong hop cac bo dieu khien'); legend('Goc q'); grid on; figure(3); plot(q1); title('Dieu Khien PID-FUZZY'); legend('Goc q1'); grid on; figure(4); plot(q2); title('Dieu Khien PID'); legend('Goc q2'); grid on; figure(5); plot(q3); title('Dieu Khien PID-Nha May'); legend('Goc q3'); grid on; ... QUANG NHÀ MÁY TH YăĐI N BUÔN TUA SRAH VÀ H TH NGăĐI U T C NHÀ MÁY TH YăĐI N BUÔN TUA SRAH 1.1 T ng Quang nhà máy th yăđi n Buôn Tua Srah Nhà máy th y n Buôn Tua Srah m t cơng trình nằm quy ho ch nhà. .. quan v nhà máy th yăđi n Buôn Tua Srah h th ngăđi u t c nhà máy th yăđi n Buôn Tua Srah; - 1.1 Tổng quan v nhà máy th y n Buôn Tua Srah; - 1.2 Tổng quan v h th ng u t c nhà máy th y n Buôn Tua Srah... văn………………………………………………………… ………2 CH NGă1 - T NG QUANG NHÀ MÁY TH YăĐI N BUÔN TUA SRAH VÀ H TH NGăĐI U T C NHÀ MÁY TH YăĐI N BUÔN TUA SRAH 1.1 Tổng Quang nhà máy th y n Buôn Tua Srah…………………… …………4 1.1.1 Các