Điều khiển tự chỉnh định tham số bộ điều khiển pid cho hệ thống điều tốc nhà máy thuỷ điện srêpốk 3

Nhà máy Thủy điện Srêpôk 3 nằm trên sông Srêpốk thuộc tỉnh Đắl Lắk góp phần đáng kể trong việc cung cấp điện cho lưới điện khu vực và quốc gia Trong luận văn này tác giả nghiên cứu xây dựng mô hình toán học của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpôk 3 trên cơ sở giữ nguyên các bản chất phi tuyến của hệ thống để mô hình mô tả sát với thực tiễn nhà máy Trên cơ sở mô hình toán học xây dựng và sự hiểu biết về bản chất hệ thống cũng như kinh nghiệm vận hành bảo trì hệ thống tác giả đề xuất một phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpôk 3 bằng phương pháp tự chỉnh định tham số bộ điều khiển PID dựa trên sự kết hợp của PID và thuật toán điều khiển mờ Hiệu quả của thuật toán đề xuất được thử nghiệm bằng mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink Kết quả cho thấy đặc tính điều chỉnh của hệ thống ở chế độ power control tốt hơn so với bộ điều khiển củ ngoài thời gian quá độ tốt hơn thì độ quá điều chỉnh và sai lệch tỉnh cũng nhỏ hơn đảm bảo được các tiêu chí về chất lượng điều khiển đáp ứng nhanh khi có yêu cầu về công suất nhằm góp phần tham gia vào việc ổn định cho hệ thống điện khu vực và Quốc gia

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG MAI ĐÌNH THÀNH ĐIỀU KHIỂN TỰ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG MAI ĐÌNH THÀNH ĐIỀU KHIỂN TỰ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Tiến Dũng Đà Nẵng – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đề tài luận văn “ Điều khiển tự chỉnh định tham số điều khiển PID cho Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3” Thầy giáo PGS.TS Lê Tiến Dũng hướng dẫn cơng trình nghiên cứu thân tơi tự thực hiện; tơi có sử dụng số tài liệu để tham khảo trích dẫn Các số liệu NMTĐ Srêpốk kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình Tác giả xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Học viên Mai Đình Thành ĐIỀU KHIỂN TỰ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPƠK Học viên: Mai Đình Thành Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 8520216 Khóa: K33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Nhà máy Thủy điện Srêpơk nằm sơng Srêpốk thuộc tỉnh Đắl Lắk, góp phần đáng kể việc cung cấp điện cho lưới điện khu vực quốc gia Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn học hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpôk sở giữ nguyên chất phi tuyến hệ thống để mơ hình mơ tả sát với thực tiễn nhà máy Trên sở mơ hình toán học xây dựng hiểu biết chất hệ thống kinh nghiệm vận hành bảo trì hệ thống, tác giả đề xuất phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpôk phương pháp tự chỉnh định tham số điều khiển PID dựa kết hợp PID thuật toán điều khiển mờ Hiệu thuật toán đề xuất thử nghiệm mơ hình mơ phần mềm Matlab/Simulink Kết cho thấy đặc tính điều chỉnh hệ thống chế độ power control tốt so với điều khiển củ, thời gian độ tốt độ điều chỉnh sai lệch tỉnh củng nhỏ hơn; đảm bảo tiêu chí chất lượng điều khiển, đáp ứng nhanh có yêu cầu cơng suất nhằm góp phần tham gia vào việc ổn định cho hệ thống điện khu vực Quốc gia Từ khóa - Nhà máy thủy điện; Hệ thống điều tốc; Logic mờ; Mơ hình hóa; Mơ SELF TUNING CONTROL OF PID CONTROLLER PARAMETERS FOR GOVERNOR SYSTEM OF SREPOK3 HYDRO POWER PLANT Abstract - Srepok Hydropower Plant is located on the Srepok River in Dak Lak Province, contributing significantly to the supply of electricity to the regional and national grid In this thesis, the author studies to builds the mathematical model of the governor system of Srepok hydropower plant on basis of maintain the nonlinear nature of the system so that the model conforms to the plant reality Based on the construction mathematical model and the understanding of the system as well as the experience of operating and maintaining the system, the author proposes a method for improving the control algorithm of the governor system of Srepok hydropower plant by algorithm self-tuning PID controller parameters, method based on the combination of PID and a fuzzy control algorithm The effect of the proposed algorithm is tested by simulation model on Matlab / Simulink The results show that the control characteristics of the system in the power control mode is better than the control of the tuber, not only the transition time better but also the over adjustment and the static deviation is very small; To ensure of criterion of control quality, responding quickly the power when have request to contribute to participate in the stability for the regional and National power system Key words - Hydropower plant; Governor system; Fuzzy logic; Modeling; Simulation MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục đề tài Tài liệu nghiên cứu 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 .3 1.1.1 Vị trí địa lý nhà máy thủy điện Srêpốk 1.1.2 Giới thiệu thiết bị nhà máy thủy điện Srêpốk 1.2 Tổng quan Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 1.2.1 Chức hệ thống điều tốc nhà máy Srêpốk 1.2.2 Thông số hệ thống điều tố 1.2.3 Sơ đồ hệ thống điều tốc 10 1.2.4 Hệ thống dầu áp lực 11 1.2.5 Hệ thống điều khiển điều tốc 11 1.2.6 Quá trình khởi động, chế độ làm việc hệ thống điều tốc 13 1.2.7 Đường đặc tính điều tốc 15 CHƯƠNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 19 2.1 Đặt vấn đề 19 2.2 Xây dựng mơ hình phần tử hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện 20 2.2.1 Các phương trình động học hệ thống thủy lực .20 2.2.2 Mô hình Turbine 24 2.2.3 Mơ hình đường ống áp lực 28 2.2.4 Mơ hình hóa hệ thống máy phát – tải 29 2.2.5 Mơ hình hóa van hướng 33 2.3 Tổng hợp mơ hình 35 2.3.1 Mơ hình tốn học hệ thống thủy lực .36 2.3.2 Mơ hình tổng thể hệ thống .36 2.4 Kết luận chương 38 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC 39 3.1 Cấu trúc điều khiển hoạt động hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 39 3.1.1 Bộ điều khiển làm việc nhà máy 39 3.1.2 Vấn đề tồn cấp thiết phải cải thiện chất lượng hoạt động hệ thống 40 3.2 Giới thiệu lý thuyết điều khiển 41 3.2.1 Giới thiệu điều khiển PID 41 3.2.2 Giới thiệu điều khiển mờ 44 3.3 Đề xuất thuật toán điều khiển nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc 49 3.3.1 Đề xuất phương án 50 3.3.2 Thiết kế điều khiển mờ 50 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 58 4.1 Mô hệ thống điều tốc với thực trạng nhà máy (khi chưa đưa vào giải pháp nâng cao chất lượng) 58 4.1.1 Bảng thông số mô hệ tống điều tốc nhà máy thủy điện .58 4.1.2 Mô cột nước .58 4.1.3 Mô đường ống áp lực 59 4.1.4 Mơ hình turbine 59 4.1.5 Mô hệ thống thủy lực 59 4.1.6 Mô servo van hướng 60 4.1.7 Mô tải máy phát 60 4.1.8 Mô hệ thống điều khiển .61 4.1.9 Mơ mơ hình tồn hệ thống điều tốc nhà máy 62 4.1.10 Kết mô khởi động tổ máy 63 4.1.11 Kết mơ hịa lưới tổ máy 64 4.1.12 Đáp ứng hệ thống thủy lực .64 4.1.13 Hệ thống thực nhà máy làm việc 65 4.2 Kết mô Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk với điều khiển tự chỉnh định tham số điều khiển PID 66 4.2.1 Mơ hình mơ tổng hợp hệ thống điều tốc Matlab – Simulink .66 4.2.2 Mô điều khiển Hệ thống điều tốc 66 4.2.3 Mô điều khiển tự chỉnh định tham số điều khiển PID chế độ Power Control hệ thống điều tốc Srêpốk 67 4.2.4 Kết mô trình khởi động hịa lưới Matlab- Simulink .68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: CÁC CHỮ VIẾT TẮT: NMTĐ: Nhà máy thủy điện GCB: Máy cắt đầu cực máy phát MBA: Máy biến áp SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition HMI: Human Machine Interface CNS: Control Network System AC: Alternatal Current DC: Direct Current DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1.1 1.2 2.1 3.1 3.2 3.3 3.4 4.1 Tên bảng Bảng thông số turbine nhà máy thủy điện Srêpốk Bảng thông hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk Bảng tính tốn tổn thất cột nước đường ống áp lực Tóm tắt ảnh hưởng thay đôi tham số Kp, Ki Kd Luật hợp thành điều khiển mờ cho Kpp Luật hợp thành điều khiển mờ cho Kip Luật hợp thành điều khiển mờ cho Kdp Bảng tham số mô nhà máy thủy điện Srêpốk Trang 9 24 43 56 56 56 58 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ, đồ thị Trang 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 10 1.2 Van hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 11 1.3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 12 1.4 Bộ PLC hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 12 1.5 1.6 Tủ điều tốc NMTĐ Srêpốk Đường đặc tính khởi động tổ máy 13 14 1.7 Đường đặc tính điều chỉnh tĩnh điều tốc hoạt động với độ dốc 16 1.8 Đặc tính Speed Drop tổ máy làm việc song song có bp với (f1< fđm) 17 1.9 Đặc tính Speed Drop tổ máy làm việc song song có bp với (f2> fđm) 17 1.10 Đặc tính Speed Drop tổ máy làm việc song song khác bp 18 2.1 Mặt cắt nhà máy thủy điện với đập, đường ống áp lực hạ lưu 19 2.2 Sơ đồ mô tả lưu lượng nước (Q) chảy đường ống áp lực 21 2.3 Đường đặc tính cơng suất/góc mở van hướng với Turbine 26 2.4 2.5 Mơ hình tải máy phát điện Mơ hình động học van hướng 33 34 2.6 Đáp ứng van hướng theo tín hiệu điều khiển 34 2.7 Mơ hình tốn học tổng thể hệ thống thủy lực 36 ... cứu hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3; Phạm vi nghiên cứu vấn đề điều khiển hệ thống điều tốc sử dụng điều khiển tự chỉnh định tham số điều khiển PID để điều khiển Hệ thống điều tốc. .. điều tốc, tác giả thiết kế điều khiển tự chỉnh định tham số điều khiển PID để điều khiển turbine 67 Hình 4.14 Mô điều khiển tự chỉnh định tham số PID 4.2 .3 Mô điều khiển tự chỉnh định tham số điều. .. bị nhà máy thủy điện Srêpốk 1.2 Tổng quan Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 1.2.1 Chức hệ thống điều tốc nhà máy Srêpốk 1.2.2 Thông số hệ thống điều tố 1.2 .3 Sơ đồ hệ thống