ĐIỀU KHIỂN TỰ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN SRÊPỐK 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

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 THUỶ ĐIỆN SRÊPỐK LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Tiến Dũng Phản biện 1: TS Nguyễn Hoàng Mai Phản biện 2: PGS.TS Bùi Quốc Khánh Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển & Tự động hoá họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 16 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 Việc đáp ứng nhanh hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện 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 thủy điện Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk Trung quốc sản xuất, đưa vào vận hành từ năm 2009 nhiên trình vận hành chưa nắm hồn tồn cơng nghệ chất vật lý thuật toán điều khiển hệ thống Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng mơ hình tốn học mơ tả gần với hệ thống điều tốc thực nhà máy Đề xuất cải tiến điều khiển để cải thiện chất lượng hệ thống điều tốc Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên 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 NMTĐ Srêpốk Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, mô kiểm chứng Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn học, Dựa mơ hình tốn học, nghiên cứu áp dụng lý thuyết điều khiển để tự động chỉnh định tham số điều khiển PID nhằm nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc Bố cục đề tài Luận văn chia thành 04 chương: Chương 1: Tổng quan nhà máy thủy điện Srêpôk Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpôk Chương 2: Mô hình tốn học hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpôk Chương 3: Đề xuất phương pháp nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpôk Chương 4: Mô đánh giá kết 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 1.1.1 Vị trí địa lý nhà máy thủy điện Srêpốk Nhà máy thủy điện Srêpốk năm sông Srêpôk Cách thành phố Buôn Ma Thuột khoảng 30km phía Tây Bắc Diện tích lưu vực 9410 km2 Nhà máy nằm cách đập khoảng 3,5 km phía hạ lưu Nhà máy bậc thang thứ tính từ thượng lưu sơng Srêpơk Nhà máy xây dựng địa phận xã Tân Hịa huyện Bn Đơn tỉnh Đăk Lăk xã Eapo huyện CưJut tỉnh Đăk Nông 1.1.2 Giới thiệu thiết bị nhà máy thủy điện Srêpốk a Tuyến lượng Tuyến lương bao gồm: Hồ chứa, đập chính, đập phụ, đập tràn, cửa nhận nước đường ống áp lực b Thiết bị Nhà máy - Turbine: - Máy phát: - Máy biến áp T1, T2 - Hệ thống điều khiển giám sát - Hệ thống kích từ - Hệ thống Điều tốc c Trạm phân phối 220kV hệ thống khác - NMTĐ Srêpốk có Trạm phân phối 220kV trời, sử dụng sơ đồ nối điện tứ giác 1.2 Tổng quan Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 1.2.1 Chức hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 1.2.2 Thông số hệ thống a Thông số Turbine b Thông số Hệ thống điều tốc 1.2.3 Sơ đồ hệ thống điều tốc Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk Chức khối hệ thống - Khối Tín hiệu: Đây khối thu thập tín hiệu đầu vào, bao gồm: Công suất P, độ mở cánh hướng, tần số Cột áp - Bộ Điều khiển: Đây Bộ điều khiển Hệ thống điều tốc, nhiệm vụ Bộ điều khiển thu thập tất tín hiệu đầu vào, sau dựa tham số đặt để đưa tín hiệu điều khiển đến cấu chấp hành - Cơ cấu chấp hành: Đây khối nhận tín hiệu điện chuyển đổi thành tín hiệu áp lực dầu để đóng mở Servomotor thay đổi độ mở cánh hướng; - Khối phản hồi: Khối có nhiệm vụ phản hồi vị trí cánh hướng, công suất đầu cực máy phát, tốc độ tổ máy, tần số lưới qua CT, PT, sensor 1.2.4 Hệ thống dầu áp lực Hệ thống dầu áp lực có chức tạo áp lực trì áp lực dầu cao để điều khiển van đóng/mở servo cánh hướng điều chỉnh lưu lượng nước qua tuabin, điều khiển trình chạy dừng tổ máy,dừng khẩn cấp tổ máy; 1.2.5 Hệ thống điều khiển điều tốc Hệ thống điều khiển điều tốc NMTĐ Srêpốk gồm có: - Hai (02) PLC (kênh A, kênh B) kết nối song song, làm việc độc lập dự phòng cho nhau, kênh bị lỗi hệ thống tự động chuyển sang kênh dự phịng mà khơng ảnh hưởng đến thông số vận hành tổ máy Hình 1.2 Nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 1.2.6 Quá trình khởi động, chế độ làm việc đường đặt tính hệ thống điều tốc a Q trình khởi động tổ máy b Các chế độ làm việc hệ thống Hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk có chế độ làm việc sau: - Chế độ điều tần (frequency control): - Chế độ điều chỉnh công suất tác dụng (Power control): - Chế độ điều chỉnh độ mở cánh hướng (Opening control): 1.2.7 Đường đặc tính điều tốc CHƯƠNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 2.1 Đặt vấn đề Nhà máy thủy điện có đường ống áp lực đơn, có đường kính ống áp lực lớn, có chiều dài đường ống ngắn, nghiên cứu mơ hình xem như: - Vận tốc nước thay đổi trực tiếp thông qua độ mở cánh hướng với bậc cột nước trước cánh hướng - Đường ống áp lực không đàn hồi nước đường ống không nén - Sức cản thủy lực đường ống áp lực khơng đáng kể bỏ qua - Công suất turbine tỷ lệ với cột nước lưu lượng nước qua turbine 2.2 Xây dựng mơ hình phần tử Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện 2.2.1 Các phương trình động học hệ thống thủy lực a Vận tốc nước đường ống áp lực [1] Vận tốc nước đường ống áp lực biểu diễn phương trình sau [8]: = √ Trong đó: - G : độ mở cánh hướng - U : vận tốc nước (m/s) - H : cột áp trước cánh hướng (m) (2.1) - Q : lưu lượng nước qua turbine (m3/s) Quan hệ lưu lượng (Q) vận tốc (U) nước đường ống có quan hệ công thức sau [8]: = (2.2) Xét dịch chuyển nhỏ cánh hướng quanh điểm làm việc ta có: ∆ = ∆ + ∆ (2.3) Hay: ∆ = ∆ +∆ ̅ b Gia tốc cột nước [11] (2.4) Hình 2.1 Sơ đồ mơ tả lưu lượng nước(Q) chảy đường ống áp lực = − − =− ( + − ) (2.5) Khi cánh hướng mở khoảng thời gian Δt làm cho vận tốc nước đường ống áp lực tăng lên khoảng ΔU, làm cho cột nước thượng lưu bị giảm lượng ΔH Tốc độ tăng vận tốc nước biểu diễn: ∆ =− ∆ (2.6) ρLA: Khối lượng nước đường ống áp lực (Kg) ρagΔH: Độ gia tăng áp lực cánh hướng ∆ (2.7) = −∆ Trong đó: = (2.8) Với Tw số thời gian khởi động nước, Tw thời gian cần thiết để nước từ điểm đầu cột áp H0 tăng tốc đường ống áp lực đến điểm cuối với vận tốc U0 c Tổn thất cột nước Tổn thất cột nước xác định theo công thức [6] = (2.9) + tổn thất dọc đường từ cửa lấy nước đến cửa ống hút[10] = = Trong đó: - Hl: Tổn thất cột nước (m); - kf: Hệ số tổn thất cột nước; - f: Hệ số ma sát; - d: Đường kính đường hầm (m) ; - g: Gia tốc trọng trường (m2/s); tổn thất cục từ cửa lấy nước đến cửa (2.10) 10 Thay (2.17) vào (2 16) ta được:  P m  At U  U NL H  D Dam G w (2.18) Một turbine xét với biến thiên nhỏ quanh điểm làm việc, giá trị biến thiên gồm lưu lượng cơng suất biễu diễn phương pháp tuyến tính hóa, ∆ ̅ sau [8]: Ta có mối quan hệ ∆ 1+ ∆ = ∆ ̅ − (2.19) 1+ 2.2.3 Mơ hình đường ống áp lực Ta có phương trình động lực học nước không nén đường hầm sau [8]: a dU  g H  H  H l  dt L (2.20) Trong đó: - H0: Giá trị ổn định trạng thái ban đầu H; - t: thời gian giây Viết dạng Laplace: U H H H l   Tw s (2.21) 2.2.4 Mơ hình hóa hệ thống máy phát – tải a Phương trình góc quay turbine máy phát điện Phương trình chuyển động quay sau [10]: = Trong đó: Tacc : Mô men gia tốc [N.m] = − (2.22) 11 Tmec : Mô men [N.m] Telec : Mô men điện [N.m] J : Mơ men qn tính tổng hợp máy phát tua bin[kg.m2] Δm : Góc quay khí roto [rad] Với vận tốc góc ωm [rad/s] đạo hàm theo thời gian góc quay, (2.22) viết lại: = (2.23) − Động quay tính , viết lại biểu thức (2.23) hệ đơn vị tương số qn tính H, với vận tốc góc định mức ta có: = − ; = (2.24) Vận tốc góc điện ω (rad/s) với vận tốc góc rơto tính = với số đơi cực máy phát, phương trình (2.24) viết lại với tốc độ góc rơto theo vận tốc điện (rad/s): − =2 (2.25) b Mơ hình tải máy phát Mơ hình tải máy phát phổ biến dùng để biểu diễn cơng suất tác dụng mơ hình dịng điện khơng đổi cơng suất phản kháng mơ hình trở kháng khơng đổi [10] = + ∆ Trong hệ đơn vị tương đối ̅ = w (2.26) 12 = + D.wr (2.27) PL cân với công suất điện máy phát, P0 thành phần tải không phụ thuộc tần số máy phát Đặt P0 = Pload Công suất tải sau − =2 + (2.28) 2.2.5 Mơ hình hóa van hướng Mơ hình van hướng miêu tả hàm truyền đạt sau: Tg G ( s ) s  G ( s )  u ( s )  Tg dG G u dt (2.29) Trong Tg số thời gian hệ truyền động van hướng [s] 2.3 Tổng hợp mơ hình Hệ thống tổng hợp với tham gia đầy đủ phần tử: Hồ chứa, đường ống áp lực, turbine, máy phát hạ lưu 2.3.1 Mơ hình tốn học hệ thống thủy lực Hình 2.2 Mơ hình tốn học tổng thể hệ thống thủy lực Hình 2.3 Mơ hình phi tuyến hệ thống điều tốc turbine thủy điện 13 2.3.2 Mơ hình tổng thể hệ thống 2.4 Kết luận chương 14 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC 3.1 Cấu trúc điều khiển hoạt động Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3.1.1 Bộ điều khiển làm việc nhà máy Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc Các chế độ làm việc hệ thống 3.1.2 Vấn đề tồn cấp thiết phải cải thiện chất lượng hoạt động Ở chế độ Speed Control No-Load điều khiển PID đáp ứng tốt thời gian đạt tốc độ định mức tổ máy chưa tối ưu; Khi máy phát kết nối với lưới điện chế độ “Power Control”, điều khiển PID Power Control điều chỉnh việc tăng/giảm công suất phát gây tượng điều chỉnh thời gian xác lập dài 15 Hình 3.2 Hiện tượng điều chỉnh chế độ Power Control Từ yếu tố tác giả đề xuất phương án cải thiện tượng điều chỉnh xác lập chậm công suất chế độ Power control điều khiển tự chỉnh định tham số PID 3.2 Giới thiệu lý thuyết điều khiển 3.2.1 Giới thiệu điều khiển PID a Cấu trúc điều khiển PID Bộ điều khiển PID gồm ba khâu riêng biệt khâu tỷ lệ (P), tích phân (I) vi phân (D) Tổng ba thông số tạo thành tín hiệu điều khiển (u) Ta có: = + (3.1) + Trong đó: upout, uiout, uDout thành phần đầu ba khâu P, I, D ( )= ( )+ ( ) + ( ) (3.2) 16 b Chức khâu điều khiển PID 3.2.2 Giới thiệu điều khiển mờ Logic mờ sử dụng kinh nghiệm vận hành đối tượng xử lý điều khiển chuyên gia thuật toán điều khiển, hệ điều khiển mờ bước tiến gần với tư người a Cấu trúc điều khiển mờ Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển mờ b Xây dựng mơ hình mờ cho đối tượng Hiện có hai mơ hình mờ thường sử dụng Đó mơ hình mờ Mamdani mơ hình mờ Sugeno Hình 3.3 Sơ đồ khối chức điều khiển mờ Sơ đồ khối điều khiển gồm có khối: khối mờ hóa (fuzzifiers), khối hợp thành, khối luật mờ khối giải mờ (deffzzifiers) Mơ hình mờ Mamdani hình 3.3 Khối mờ hóa Khâu mờ hóa có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị rõ hóa đầu vào x0 thành vector µ gồm độ phụ thuộc giá trị rõ theo giá trị mờ (tập mờ) định nghĩa cho biến ngôn ngữ đầu vào 17 Khối hợp thành Khâu thực luật hợp thành gồm khối khối luật mờ khối hợp thành Khối luật mờ (suy luận mờ) bao gồm tập luật “NẾU…THÌ” dựa vào luật mờ sở người thiết kế viết cho thích hợp với biến giá trị biến ngôn ngữ theo quan hệ mờ Vào/Ra c Nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ d Các bước thực xây dựng điều khiển mờ 3.3 Đề xuất thuật toán điều khiển nâng cao chất lượng Hệ thống điều tốc 3.3.1 Đề xuất phương án Hình 3.4 Sơ đồ khối Bộ điều khiển đề xuất Như phân tích cấu trúc, chế độ làm việc tồn trên, tác giả đề xuất phương án cải thiện tượng điều chỉnh thời gian xác lập công suất tổ máy chế độ Power control để đưa nhanh công suât tổ máy đến giá trị đặt phương pháp tự chỉnh 18 định tham số điều khiển PID Vị trí nguyên lý điều khiển đề xuất hình 3.4 3.3.2 Thiết kế điều khiển mờ a Cấu trúc điều khiển mờ Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển tự chỉnh định tham số PID b Phương pháp chỉnh định mờ tham số PID Cấu trúc điều khiển gồm có phần điều khiển PID điều khiển mờ điều khiển mờ có đầu vào e(t) de(t) Việc chỉnh định tham số Kp, Ki, Kd thông qua việc phân tích sai lệch e(t) đạo hàm sai lệch e(t) Khi e lớn cần Kp lớn để đưa nhanh giá trị đầu đến giá trị mong muốn, Kd có giá trị nhỏ để tránh sai lệch Khi e vừa cần giảm Kp để tránh điều chỉnh, Kd Ki có giá trị nhỏ Khi e nhỏ để giảm sai số xác lập cần Ki Kd tương đối lớn, Kp cần có giá trị phù hợp để tránh dao động quanh điểm cân c Luật điều khiển Chọn luật hợp thành theo quy tắc SUM-PROD Giải mờ theo phương pháp trọng tâm d Định nghĩa tập mờ Biến ngôn ngữ vào lượng sai lệch điều khiển “e” tích phân sai lệch “de’” Biến ngôn ngữ tham số Kpp, Kip, Kdp 19 e Xây dựng luật hợp thành f Chọn luật hợp thành g Giải mờ CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Mô hệ thống điều tốc với thực trạng nhà máy (khi chưa đưa vào giải pháp nâng cao chất lượng) 4.1.1 Bảng thông số mô hệ tống điều tốc nhà máy thủy điện 4.1.2 Mô cột nước 4.1.3 Mô đường ống áp lực 4.1.4 Mô hình turbine 4.1.5 Mơ hệ thống thủy lực 4.1.6 Mô servo van hướng 4.1.7 Mô tải máy phát 4.1.8 Mơ hệ thống điều khiển Hình 4.1 Mô điều khiển hệ thống điều tốc 20 4.1.9 Mơ mơ hình tồn hệ thống điều tốc nhà máy 4.1.10 Kết mô khởi động tổ máy Hình 4.2 Mơ chế độ khởi động tổ máy 4.1.11 Kết mơ hịa lưới tổ máy Hình 4.3 Mơ tổ máy hịa lưới 4.1.12 Đáp ứng hệ thống thủy lực 4.1.13 Hệ thống thực nhà máy làm việc 21 Hình 4.4 Quá trình khởi động thực tế hệ thống tổ máy Hình 4.4 đường đặc tính khởi động thực tế nhà máy ghi lại hệ thống điều khiển Từ hình 4.4 nhận thấy đường đặt tính tốc độ cơng suất tương đồng với đường đặt tính khởi động thật Thời gian khởi động tổ máy gần 60 giây từ lúc có cánh hướng mở lúc 15h10p 30s đến lúc tổ máy đạt tốc độ định mức 15h11p20s Từ kết mơ hình ta thấy hệ thống mô đáp ứng u cầu hệ thống thực nên mơ hình phù hợp sát với hệ thống thực nhà máy 4.2 Kết mô hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk3 với điều khiển tự chỉnh định tham số PID 4.2.1 Mơ hình mơ tổng hợp hệ thống điều tốc 4.2.2 Mô điều khiển Hệ thống điều tốc Ở chế độ Power Control thống điều tốc, tác giả thiết kế điều khiển tự chỉnh định tham số điều khiển PID thay cho điều khiển PID túy để điều khiển turbine 4.2.3 Mô điều khiển tự chỉnh định tham số điều khiển PID chế độ Power Control 22 Hình 4.5 Mơ điều khiển chỉnh định tham số PID chế độ Power Control Matlab-Simulink 4.2.4 Kết mơ q trình khởi động hịa lưới a Kết mơ tốc độ turbine Hình 4.6 Đường tốc độ turbine sử dụng điều khiển tự chỉnh tham số PID 23 b Kết mơ cơng suất Pmec Hình 4.7 Cơng suất Pmec turbine dùng điều khiển tự chỉnh định tham sô PID chế độ Power Control Qua kết mô phần mềm Matlab-Simulink mục 4.2.4 ta thấy sau: - Tốc độ turbine: Bộ điều khiển tự chỉnh tham số PID cho đặc tính đường tốc độ sử dụng PID túy; - Công suất Turbine: Bộ điều khiển tự chỉnh định tham số PID cho đặc tính cơng suất khơng có tượng q điều chỉnh tăng giảm tải đột ngột Kết luận: Ở chế độ Power Control hệ thống điều tốc sau sử dụng điều khiển tự chỉnh định tham số điều khiển PID cho kết tốt sử dụng PID túy Bộ điều khiển giải tượng điều chỉnh tăng giảm tải đột ngột, Vì chất lượng điều khiển nâng cao; đảm bảo chất lượng điện ổn định hệ thống lưới điện 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Tìm hiểu cấu trúc, đặc điểm, chức phần tử hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk Nghiên cứa q trình động học, mơ hình hoá phần tử hệ thống thuỷ lực nhà máy Xây dựng mơ hình phi tuyến để nghiên cứa phần mềm Matlab-Simulink Mơ phỏng, Phân tích điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy ứng với chế độ làm việc khác Từ phân tích nghiên cứu mơ hình, tác giả xây điều khiển tự chỉnh định tham số điều khiển PID để nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống điều tốc tổ máy hệ thống điều tốc làm việc chế độ “Power Control” Với kết đạt vậy, luận văn tiếp cận xây dựng phương pháp mơ hình tốn NMTĐ Srêpốk Việc phân tích tượng điều chỉnh đưa phương pháp điều khiển hợp lý Kết đáp ứng yêu cầu hệ thống thực NMTĐ Srêpốk Với điều kiện thời gian có hạn nên tác giả đưa giải pháp nâng chất lượng hệ thống điều tốc chế độ Power Control xây dựng điều khiển lý thuyết kiểm nghiệm mô phần mềm Matlab-Simulink Nếu có điều kiện tác giả nghiên cứu tiếp tục điều khiển chế độ khác hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk hướng phát triễn đề tài ... Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 1.2.1 Chức hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 1.2.2 Thông số hệ thống a Thông số Turbine b Thông số Hệ thống điều tốc 1.2 .3 Sơ đồ hệ thống điều. .. với hệ thống thực nhà máy 4.2 Kết mô hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk3 với điều khiển tự chỉnh định tham số PID 4.2.1 Mơ hình mơ tổng hợp hệ thống điều tốc 4.2.2 Mô điều khiển Hệ thống. .. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC 3. 1 Cấu trúc điều khiển hoạt động Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3. 1.1 Bộ điều khiển làm việc nhà máy Hình 3. 1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc Các chế