Ứng dụng logic mờ để nâng cao chất lượng điều khiển công suất nhà máy thủy điện đăkrơsa

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HUY QUYỀN NGUYỄN HUY QUYỀN ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT NHÀ MÁY C C THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT R L T U D LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT K37 Đà Nẵng – Năm2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HUY QUYỀN ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT NHÀ MÁY C C THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA R L T Chuyên nghành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số U D : 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Lê Tiến Dũng Đà Nẵng – Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn : "Ứng dụng logic mờ để nâng cao chất lượng điều khiển công suất nhà máy thủy điện ĐăkRơSa ” cơng trình nghiên cứu tự thân tơi thực Các số liệu tham khảo, trích dẫn kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Học viên C C R L T Nguyễn Huy Quyền U D TÓM TẮT ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA Học viên : Nguyễn Huy Quyền Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 8520216 Khóa: K37 Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Hiện Năng lƣợng lĩnh vực quan trọng phát triển quốc gia nói riêng tồn giới nói chung, nguồn lƣợng đƣợc tạo từ thủy điện, lƣợng tái tạo nguồn lƣợng sạch, ổn định, chi phí thấp ảnh hƣởng đến mơi trƣờng ln đƣợc Quốc gia tồn giới quan Tâm phát triển Chính địi hỏi phải có giải pháp kỹ thuật vấn đề cách linh hoạt hiệu C C Nhà máy thủy điện Đăkrơsa với lợi địa lý có độ dốc lớn, khu vực có tiềm lớn thuỷ điện có lƣợng mƣa trung bình hàng năm lớn, hệ thống sông suối dày R L T đặc với độ dốc lớn, thung lũng hẹp, nƣớc chảy xiết nơi đầu nguồn sông lớn có tiềm thủy điện Nhà máy thủy điện Đăkrơsa phù hợp làm đối tƣợng nghiên cứu đề tài U D APPLICATION OF FUZZY LOGIC QUALITY IMPROVEMENT CAPACITY CONTROL OF DAKROSA HYDROPOWER Abstract - Currently, Energy is an important field for the development of a country in particular around the world in general, energy sources are generated from hydroelectricity, and renewable energy is always a clean and stable source of energy countries with low cost and low environmental impact have always been interested in developing countries all over the world Therefore, it is required to have technical solutions to the above problems in a flexible and effective way Dak Lak hydroelectric power plant with geographical advantages is steep, is an area with great potential for hydroelectricity with large average annual rainfall, dense river system with great slope, narrow valley, water it is fast flowing and is the source of large rivers with hydropower potential Dakrosa hydroelectric power plant is very suitable as the research subject in this topic MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………… …………… TÓM TẮT …………………………………………………………………………… MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU LỜI NÓI ĐẦU Chƣơng - TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC C C NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA 1.1 Tổng quan nhà máy thủy điện Đăkrơsa R L T 1.1.1 Vị trí địa lý cơng trình thủy điện Đăkrơsa U D 1.1.2 Thơng số cơng trình 1.2 Các Hạng mục Cơng trình 1.2.1 Hồ chứa nƣớc thủy điện Đăkrơsa 1.2.2 Đập thủy điện Đăkrơsa 1.2.3 Nhà máy thủy điện Đăkrơsa 1.3 Thiết bị thủy lực nhà máy thủy điện 1.3.1 Hệ thống turbine nhà máy thủy điện Đăkrơsa 1.3.2 Máy phát nhà máy thủy điện Đăkrơsa 1.3.3 Hệ thống điều tốc thủy điện Đăkrơsa 12 Chƣơng - XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CHO NHÀ MÁY 16 THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA 16 2.1 Đặt vấn đề 16 2.2 Mơ hình tốn học khối chức nhà máy 16 2.2.1 Đƣờng ống 16 2.2.4 Lƣu lƣợng đƣờng ống nhánh 25 2.2.5 Turbine 29 2.3 Mơ hình tốn học tổng nhà máy thủy điện Đăkrơsa 30 Chƣơng - ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA ỨNG DỤNG LOGIC MỜ 31 3.1 Đặt vấn đề 31 3.2 Tổng quan logic mờ ứng dụng điều khiển 32 3.3 Giải pháp đề xuất ứng dụng logic mờ để nâng cao chất lƣợng điều khiển công suất nhà máy thủy điện Đăkrơsa 38 3.4 Kết luận chƣơng 45 Chƣơng - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 46 4.1 Mô hệ thống điều tốc nhà máy 46 C C 4.2 Sơ đồ mô hệ thống với thuật toán điều khiển đề xuất 52 R L T KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55 U D TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng Luật hợp thành điều khiển mờ cho KP 43 Bảng Luật hợp thành điều khiển mờ cho KI 44 Bảng 3 Luật hợp thành điều khiển mờ cho KD 44 Bảng Các thơng số dùng mơ hình Matlab 50 C C U D R L T DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Nhà máy thủy điện Đăkrơsa nhìn từ thượng lưu Hình Mặt cắt cơng trình Dập thủy điện Đăkrơsa Hình Đập dâng nhà máy thủy điện Đăkrơsa Hình Kênh dẫn nhà máy thủy điện Đăkrơsa Hình Tổng quan hệ thống van cánh hướng, turbine, máy phát Hình Tuabine tổ máy Đăkrơsa Hình Turbine Francis – Trục Ngang Hình Cấu tạo Rotor máy phát điện pha đồng 11 Hình Hình ảnh hệ thống điều tốc thủy điện Đăkrơsa 13 Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực NMTĐ Đăkrơsa 16 Hình 2 Sơ đồ khối thành phần chức NMTĐ Đăkrơsa 17 C C Hình Đường ống 18 R L T Hình Mơ hình tốn cột nước tổng 21 Hình Mơ hình hóa van servo 22 Hình Hệ thống thủy lực đường ống phụ 22 Hình Sơ đồ khối đường ống phụ 23 Hình Mơ hình để tính cột nước áp lực H1 25 Hình Mơ hình tính lưu lượng qua ống dẫn phụ Q1 29 Hình 10 Mơ hình tính cơng suất turbine 29 Hình 11 Mơ hình toán học tổng NMTĐ Đăkrơsa 30 Hình Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc 31 Hình Mơ tả giá trị ngôn ngữ tập mờ [2] 34 U D Hình 3 Quy tắc hợp thành MIN (a), Quy tắc hợp thành PROD (b) 36 Hình Cấu trúc điều khiển mờ 36 Hình Xác định độ thỏa mản đầu vào [2] 37 Hình Giải mờ theo phương pháp trọng tâm 38 Hình Cấu trúc điều khiển dùng thuật toán PID+ Puzzy 39 Hình Sơ đồ nguyên lý phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc mà luận văn đề xuất 39 Hình Xây dựng hàm liên thuộc cho sai lệch e de 42 Hình 10 Xây dựng hàm liên thuộc cho đáp ứng đầu KP KD 42 Hình 11 Xây dựng hàm liên thuộc cho đáp ứng đầu KI 43 Hình 12 Xây dựng luật hợp thành phần mềm Matlab 45 Hình Mơ hình điều khiển trước cải tiến NMTĐ Đăkrơsa Matlab 46 Hình Mơ hình hóa van servo Matlab 46 Hình Mơ hình hóa cột nước tổng Matlab 47 Hình 4 Mơ hình hóa lượng thủy lực Matlab 47 Hình Mơ hình hóa cơng suất Matlab 47 Hình Sơ đồ mô tổ máy phát điện Matlab 48 Hình Sơ đồ mạch thứ lưới điện nhà máy 48 Hình Mô lưới điện máy phát tổ máy Matlab 48 Hình Mô hệ thống điện nhà máy thủy điện Đăkrơsa lưới điện 49 Hình 10 Kết mô tổ máy chưa cải tiến 51 Hình 11 Mô điều khiển tự chỉnh định tham số PID 52 Hình 12 Mơ toàn hệ thống Matlab-Simullink 52 Hình 13 Kết đặc tính sử dụng điều khiển PID kết hợp FUZZY 53 Hình 14 So sánh kết đáp ứng độ mở cánh hướng sử dụng điều khiển PID C C điều khiển kết hợp PID + FUZZY 53 Hình 15 So sánh kết đáp ứng công suất sử dụng điều khiển PID điều khiển kết hợp PID + FUZZY 54 U D R L T DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU Cách đọc TT Ký hiệu Hi Cột nƣớc áp lực tổng [m] ̅̅̅ Cột nƣớc áp lực tổng [pu] HD Cột nƣớc áp lực xét đến tổn thất [m] ̅̅̅̅ Cột nƣớc áp lực xét đến tổn thất [pu] Ρ Trọng lƣợng riêng nƣớc [kg/m³] g Gia tốc trọng trƣờng [m/s2] fms D, D1, D2, D3 Ac , Ac1 , Ac2 , Tiết diện đƣờng ống đƣờng ống nhánh 1, 2, [m2] Ac3 10 Đƣờng kính đƣờng ống đƣờng ống nhánh 1, 2, [m] C C R L T Chiều dài đƣờng ống đƣờng ống nhánh 1, 2, L , L1 , L2 , L3 [m] 11 12 Hệ số sức cản ma sát U D u1 , u2 , u3 Tín hiệu điều khiển hệ thống điều tốc tổ máy 1, 2, [%] ̅̅̅ , ̅̅̅ , ̅̅̅ Tín hiệu điều khiển hệ thống điều tốc tổ máy 1, 2, [pu] 13 G1, G2, G3 Độ mở van hƣớng 1, 2, [%] 14 ̅̅̅ , ̅̅̅ , ̅̅̅ Độ mở van hƣớng 1, 2, [pu] 15 Q , Q1, Q2, Q3 16 ̅̅̅ , ̅̅̅ , ̅̅̅ 17 ̅̅̅̅̅ 18 H1, H2, H3 Cột nƣớc làm việc tổ máy 1, 2, [m] 19 ̅̅̅ , ̅̅̅̅ , ̅̅̅̅ Cột nƣớc làm việc tổ máy 1, 2, [pu] 20 Pm Công suất turbine[MW] 21 ̅̅̅̅ Công suất turbine [pu] 22 Lƣu lƣợng vào turbine tổ máy 1, 2, [m3/s] Lƣu lƣợng vào turbine tổ máy 1, 2, [pu] Lƣu lƣợng không tải [pu] Hiệu suất turbine 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Với việc nghiên cứu thực luận văn “ Ứng dụng logic mờ để nâng cao chất lƣợng điều khiển công suất nhà máy thủy điện Đăkrơsa ” tác giả nhận thấy đạt đƣợc số kết nhƣ sau: Phân tích nguyên lý động học chất lỏng phần tử thủy lực điều khiển tốc độ turbine Nguyên cứu phân tích q trình động học phần tử thủy lực, máy điện từ xây dựng đƣợc mơ hình tốn theo quan hệ động học chúng Nghiên cứu ứng dụng logic mờ vào thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Đăkrơsa; C C R L T Sử dụng mơ hình tốn để tổng hợp, hồn thiện mơ hệ thống phần mềm Matlab-Simullink với điều khiển PID kết mang lại phù hợp với thực tế nhà máy Thủy điện Đăkrơsa; từ sử dụng mơ hình để phân tích, nghiên cứu, đánh giá chất lƣợng điều khiển chế độ làm việc khác hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Đăkrơsa; U D Cải tiến đƣợc điều khiển cho chế độ khởi động ứng dụng logic mờ, với kết mang lại tốt sử dụng điều khiển nhà máy PID; sở để tác giả tiếp tục nghiên cứu cải tiến điều khiển cho chế độ vận hành khác hệ thống điều tốc; Với thời gian nghiên cứu có hạn, tác giả đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển chế độ khởi động, kết có đƣợc luận văn củng dừng lại lý thuyết mô phần mềm Matlab-Simullink Mong muốn tác giả tiếp tục sử dụng mơ hình điều khiển xây dựng để khảo sát, nghiên cứu thiết kế điều khiển cho chế độ lại hệ thống điều tốc áp dụng đƣợc vào thực tế nhà máy Thủy điện Đăkrơsa Mô Matlab để phân tích, so sánh đánh giá chất lƣợng điều khiển ổn định tần số việc khởi động vận hành chế độ khởi động hòa lƣới 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dynamical modelling and simulation of a cascaded reserevoirs hydropower plant M Mahmoud, K Dutton, M Denman (School of Engineering, Sheffield Hallam University, Pond Street, Sheffield S1 1WB, UK) [2] PID GOVERNOR FOR BLACK START Atsushi Izena, Naoto Suzuki, Toshikazu Shimojo (Kyushu Electric Power Company Inc.) Kaiichiro Hirayama, Nobuhiko Furukawa, Takahisa Kageyama (Toshiba Corporation) [3] Black Start Exercises Experience in Western Region, India P Pentayya, A.Gartia, Aditya P Das, Chandan Kumar, Western Regional Load Despatch Centre, POSOCO, Mumbai, India [4] Simulation for Speed Control of the Small Hydro Power Plant Using PID C C Controllers Roshni Bhoi1, Dr S.M Ali 2nd Yr M.Tech( Power & Energy System), School of Electrical Engineering, KIIT University, Odisha, India Professor, School of Electrical Engineering, KIIT University, Odisha, India U D R L T [5] Black Start Capability Assessment in Power System Restoration Wei Sun, Student Member, IEEE, Chen-Ching Liu, Fellow, IEEE, and Shanshan Liu, Member, IEEE C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T ... Giải pháp đề xuất ứng dụng logic mờ để nâng cao chất lƣợng điều khiển công suất nhà máy thủy điện Đăkrơsa Qua phân tích thực trạng thuật tốn điều khiển PID sử dụng hệ điều tốc nhà máy với chế độ... dâng nhà máy thủy điện Đăkrơsa  Nhà máy thủy điện Đăkrơsa thuộc kiểu kênh dẫn 6 C C R L T Hình Kênh dẫn nhà máy thủy điện Đăkrơsa U D 1.2.3 Nhà máy thủy điện Đăkrơsa Nhà máy thuỷ điện Đăkrơsa đƣợc... ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA ỨNG DỤNG LOGIC MỜ 3.1 Đặt vấn đề Bộ điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Đăkrơsa đƣợc vẽ lại nhƣ hình