Bài báo đã xây dựng được mô hình toán học các phần tử của Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3, trên cơ sở mô hình đã xây dựng mô phỏng được chế độ khởi động thực tế của Nhà máy và đề xuất cải[r]
(1)ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK ỨNG DỤNG LOGIC MỜ
PROPOSING AN IMPROVED CONTROL ALGORITHM FOR THE GOVERNANCE SYSTEM
OF SREPOK HYDROPOWER PLANT USING FUZZY LOGIC SYSTEM
Trần Đức Sỹ1, Mai Đình Thành1, Lê Tiến Dũng2*
1Cơng ty Thủy điện Buôn Kuốp; syatd5@gmail.com, dinhthanh24@gmail.com 2Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; ltdung@dut.udn.vn
Tóm tắt - Nhà máy Thủy điện Srêpốk nằm hệ thống thủy điện bậc thang sông Srêpốk, góp phần quan trọng việc cung cấp lượng điện cho lưới điện quốc gia Trong báo này, tác giả thực nghiên cứu xây dựng mô hình tốn học hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk sở giữ nguyên chất phi tuyến hệ thống để mơ hình mô tả sát với thực tiễn Dựa sở mơ hình tốn học hiểu biết chất hệ thống, kinh nghiệm vận hành, quản lý nhà máy, tác giả đề xuất phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk sử dụng logic mờ Hiệu thuật toán đề xuất thử nghiệm mô phần mềm Matlab/Simulink Kết cho thấy đặc tính khởi động hệ thống cải thiện tốt, đáp ứng nhanh chóng cơng suất đặt
Abstract - Srepok Hydropower Plant is located on the terraced hydropower system on the Srepok river, contributing significantly to the supply of electricity to the national grid In this paper, the authors have conducted a study to construct mathematical model of the governance system of the Srepok hydropower plant on the basis of maintaining the nonlinear nature of the system so that the model is close to reality Based on a mathematical model and an understanding of the system, operation experience and plant management, the authors propose a method for improving the control algorithm for the governance system of Srepok hydropower plant using fuzzy logic The effect of the proposed algorithm is tested through simulation on the Matlab/Simulink The results show that the startup characteristic of the system has been improved, responding quickly to the setup power
Từ khóa - nhà máy thủy điện; hệ thống điều tốc; logic mờ; mơ hình
hóa; mơ Key words - modeling; simulation hydropower plant; governance system; fuzzy logic;
1.Đặt vấn đề
Cho đến nay, nhà máy thủy điện đóng vai trị quan trọng việc cung cấp lượng điện toàn cầu Theo thống kê, lượng điện nhà máy thủy điện sản xuất cung ứng chiếm khoảng 19% tổng lượng điện toàn cầu [1] Tại Việt Nam, sau 30 năm đổi mới, thủy điện đóng vai trị vơ to lớn phát triển kinh tế đất nước, cấu phần quan trọng ngành điện đảm bảo cung ứng điện cho trình hội nhập kinh tế quốc tế Theo quy hoạch, đến năm 2020, tổng công suất nguồn thủy điện đạt khoảng 21.600 MW, khoảng 24.600 MW vào năm 2025 27.800 MW vào năm 2030 Điện sản xuất từ nguồn thủy điện chiếm tỷ trọng tương ứng 29,5 - 20,5% 15,5% Như vậy, nói, đến thời điểm tương lai gần, thủy điện ba nguồn lượng đáp ứng nhu cầu điện quốc gia [2]
Với vai trò quan trọng kể trên, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng hoạt động nhà máy thủy điện tổ chức lượng, công ty lĩnh vực điện năng, trường đại học nhà khoa học quan tâm thực Trong nhà máy thủy điện hệ thống điều tốc đóng vai trị quan trọng Trên giới có nhiều cơng trình nghiên cứu trước đề xuất giải pháp khác để mơ hình hóa nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc Trong báo [3], số mơ hình toán học khác loại tua-bia thủy lực đề xuất cho mục đích nghiên cứu thiết kế thuật tốn điều khiển Một cơng cụ mô cho nhà máy thủy điện xây dựng dựa phần mềm Matlab/Simulink trình bày báo [4] Bên cạnh đó, thuật toán điều khiển
PI kết hợp với logic mờ đề xuất để nâng cao chất lượng điều khiển cho nhà máy thủy điện Thổ Nhĩ Kỳ [5]
Ngoài ra, nghiên cứu [6 - 9], kỹ thuật, thuật toán điều khiển đại áp dụng để đề xuất phương pháp mơ hình hóa điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện cho trường hợp cụ thể
Tại Việt Nam, có cơng trình nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Một số cơng trình nghiên cứu kể đến đề xuất thuật điều khiển bền vững H∞ [10] để điều khiển ổn định tốc độ tua-bin lại xem hệ thống tuyến tính; đề xuất phương án điều khiển có xét đến hiệu ứng đàn hồi cột nước ống áp lực [11] Tuy nhiên, phương pháp đơn giản hóa mơ hình tốn học hệ thống xem hệ tuyến tính
Trong báo này, tác giả thực nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn học hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk sở giữ nguyên chất phi tuyến hệ thống để mơ hình mơ tả sát với thực tiễn Dựa sở mơ hình tốn học hiểu biết chất hệ thống, kinh nghiệm vận hành, quản lý nhà máy, tác giả đề xuất phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk sử dụng logic mờ Các mô để kiểm chứng hiệu phương pháp đề xuất thực phần mềm Matlab/Simulink
(2)trình bày Mục 4; Mục trình bày kết mơ Cuối cùng, kết luận báo trình bày Mục
2.Mơ hình tốn học hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk
Nhà máy Thủy điện Srêpốk nằm hệ thống thủy điện bậc thang sông 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 Nhà máy Thủy điện Srêpốk góp phần quan trọng việc cung cấp lượng điện cho lưới điện quốc gia
Hình 1.Sơ đồ cấu trúc phần tử thủy lực Nhà máy Thủy điện Srêpốk
Mô hình phi tuyến Nhà máy Thủy điện Srêpốk xây dựng bao gồm thành phần: Cột nước, tua-bin, cánh hướng tải máy phát Do đường ống áp lực ngắn nên tác giả nghiên cứu đối tượng khơng có đàn hồi cột nước đường ống áp lực
2.1.Các phương trình động học phi tuyến hệ thống
-Phương trình động học đường hầm [12]:
(
)
1
l w
dU
H H H
dt =T − − (1)
-Phương trình động học đường ống áp lực [12]:
0 l w
H =H −H −UT s (2)
2
2
l f
L U
H f k U
d g
= =
(3)
-Động học tua-bin [12]:
( )
1U =G H (4)
-Công suất [13]:
(
)
m t NL Dam
P =A U−U H−D G w (5)
-Chuyển động tua-bin [12]:
(2 )
m load
P −P = Hs+D w (6)
-Động học van hướng [14]:
g dG
T G u
dt + = (7)
2.2.Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều tốc ▪Mô hình cột nước tua-bin (Hình 2)
Hình Mơ hình cột nước tua-bin
▪ Mơ hình van hướng, cột nước tua-bin (Hình 3)
Hình Mơ hình van hướng, cột nước tua-bin
▪ Mơ hình tải máy phát (Hình 4)
Hình Mơ hình tải máy phát
▪ Mơ hình tổng thể hệ thống điều tốc (Hình 5)
(3)3.Đề xuất cải thiện thuật toán điều khiển Nhà máy Thủy điện Srêpốk
3.1.Bộ điều khiển Nhà máy Srêpốk
Nhà máy Thủy điện Srêpốk sử dụng điều khiển PID để điều khiển tổ máy có chế độ vận hành, chế độ vận hành có PID khác nhau, sơ đồ nguyên lý điều khiển thể Hình
Hình Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc
3.2.Cải thiện thuật toán điều khiển chế độ khởi động
Hình Sơ đồ điều khiển có thêm điều khiển mờ
4.Thiết kế điều khiển mờ
4.1.Cấu trúc điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ có hai biến trạng thái đầu vào biến đầu Ở ta chọn hai biến trạng thái vào là: Sai lệch tốc độ đặt tốc độ phản hồi “E”, tốc độ biến thiên tín hiệu sai lệch tốc độ “dE’” biến đầu “U” đại lượng bù vào tín hiệu điều khiển độ mở cánh hướng
4.2.Định nghĩa tập mờ
-Định nghĩa biến ngôn ngữ vào ra:
Biến ngôn ngữ vào 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: E = [-0,1; 0,1]; dE = [-0,1; 0,1]; U = [-1; 1];
-Số lượng tập mờ: chọn giá trị để điều khiển nâng cao chất lượng;
▪ E = NB NM ZE PM PB;
▪ dE = NB NM ZE PM PB;
▪ U = NB NM ZE PM PB;
Các hàm liên thuộc chọn cho biến ngơn ngữ vào
ra Hình 8, Hình Hình 10
Hình Hàm liên thuộc cho sai lệch E
Hình Hàm liên thuộc cho sai lệch dE
Hình 10 Hàm liên thuộc cho đầu U
4.3.Xây dựng luật hợp thành
Bảng Luật mờ điều khiển mờ
U Sai lệch tốc độ (E)
NB NM ZE PM PB
Sai lệch tích phân tốc độ (dE)
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
Với tập mờ biến đầu vào, ta xây dựng 5x5 = 25 luật điều khiển
4.4.Chọn luật hợp thành
Từ luật điều khiển ta chọn luật hợp thành MAX-MIN, luật mờ điều khiển dạng Ruler (Hình 11)
Hình 11 Luật mờ điều khiển dạng Ruler
4.5.Giải mờ
(4)Hình 12 Giải mờ
5.Kết mô
5.1.Mô hệ thống điều tốc với thực trạng của Nhà máy Thủy điện Srêpốk
-Mô điều PID khiển (Hình 13)
Hình 13 Mô điều khiển
▪ Kết mô chế độ khởi động
Kết đặc tính khởi động tổ máy sát với mơ hình thực tế Nhà máy Srêpốk 3, với thời gian khởi động khoảng 60 s Hình 14
Hình 14 Kết mơ đặc tính khởi động
▪ Kết mơ chế độ khởi động, hòa lưới mang tải (Hình 15)
Hình 15 Kết mơ chế độ khởi động, hịa lưới
-Đặc tính khởi động, hòa lưới mang tải thực tế Nhà máy Thủy điện Srêpốk (Hình 16)
Hình 16 Đặc tính thực tế Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3
5.2.Mơ với thuật tốn điều kiển đề xuất
-Mơ điều khiển đề xuất (Hình 17)
Hình 17 Mơ điều khiển Matlab-Simullink
▪ Kết mô chế độ khởi động
Kết mơ (Hình 18)và so sánh với kết sử dụng điều khiển PID (Hình 19) Kết Hình 19 cho thấy điều khiển PID + FUZZY mang lại đáp ứng tốt hơn, giúp cho tốc độ nhanh chóng đạt đến giá trị đặt
(5)Hình 19 So sánh kết đặc tính tốc độ khởi động tổ máy sử dụng PID PID+FUZZY
▪So sánh kết đặc tính tốc độ khởi động, hòa lưới mang tải sử dụng PID PID+FUZZY (Hình 20) Kết cho thấy trường hợp sử dụng thuật toán điều khiển PID + FUZZY báo đề xuất mang lại kết tốt hơn, hệ thống đáp ứng nhanh chóng cơng suất mong muốn, khơng có độ q điều chỉnh
Hình 20 Kết đặc tính tốc độ khởi động, hòa lưới mang tải sử dụng PID PID+FUZZY
6.Kết luận
Bài báo xây dựng mơ hình tốn học phần tử Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3, sở mơ hình xây dựng mơ chế độ khởi động thực tế Nhà máy đề xuất cải thiện thuật toán điều khiển ứng dụng logic mờ để cải thiện chế độ khởi động tổ máy
Từ kết mô 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 38 s so với 60 s sử dụng điều khiển PID
Như vậy, điều khiển cho kết tốt so với điều khiển cũ, đáp ứng nhanh chóng cơng suất có yêu cầu nhằm góp phần tham gia vào việc ổn định cho hệ thống điện quốc gia Với kết trên, nghiên cứu có khả ứng dụng đưa vào thực tiễn Nhà máy Thủy điện Srêpốk
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Paish, Oliver., “Small Hydro Power: Technology and Current Status”,
Renewable and Sustainable Energy Reviews, 6.6, 2002, pp 537-556 [2] Nguyễn Sơn, Định vị vai trò thủy điện, PetroTimes, 07/04/2017 [3] Demello, F P., et al., “Hydraulic-turbine and Turbine Control-Models for System Dynamic Studies”, IEEE Transactions on Power Systems, 7.1, 1992, pp 167-179
[4] Fang, Hongqing, et al., “Basic Modeling and Simulation Tool for Analysis of Hydraulic Transients in Hydroelectric Power Plants”,
IEEE Transactions on Energy Conversion, 23.3, 2008 pp 834-841 [5] Çam, Ertuğrul., “Application of Fuzzy Logic for Load Frequency Control of Hydroelectrical Power Plants”, Energy Conversion and Management, 48.4, 2007, pp 1281-1288
[6] Lansberry, John E., and L Wozniak., “Adaptive Hydrogenerator Governor Tuning with A Genetic Algorithm”, IEEE Transactions on Energy Conversion, 9.1, 1994, pp 179-185
[7] Sarasúa, José Ignacio, et al., “Dynamic Response and Governor Tuning of A Long Penstock Pumped-Storage Hydropower Plant Equipped with A Pump-Turbine and A Doubly Fed Induction Generator”, Energy Conversion and Management, 106, 2015, pp 151-164
[8] Qian, D., and L Yu., “Governor Design for Hydropower Plants by Intelligent Sliding Mode Variable Structure Control”, Journal of AI and Data Mining, 4.1, 2016, pp 85-92
[9] Choo, Yin Chin, Kashem M Muttaqi, and Michael Negnevitsky., “Modelling of Hydraulic Governor-Turbine for Control Stabilisation”, ANZIAM Journal, 49, 2008, pp 681-698
[10]Nguyễn Văn Dũng, Điều khiển ổn định tốc độ turbine thật điều
khiển bền vững H∞, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, 2016
[11]Đoàn Quang Vinh, Lê Đức Dũng, “Điều khiển LQ cho tốc độ tuabin nhà máy thủy điện”, Tạp chí khoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, Số 6(35), 2009, trang 22-29
[12]Prabha Kundur, Power System Stability and Control, McGraw-Hill, New York, 1993
[13]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, “Hydraulic Turbine and Turbine Control Models for System Dynamic Studies”, Transactions on Power Systems, Vol 7, No 1, February 1992, pp 167-179