Đề xuất giải pháp điều khiển nhà máy thủy điện đăkrơsa để khởi khởi động đen và hoạt động ở chế độ độc lập cấp điện cho khu vực huyện đăk tô tỉnh kon tum

2020 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA KHỞI ĐỘNG ĐEN VÀ HOẠT ĐỘNG Ở CHẾ ĐỘ ĐỘC LẬP CẤP ĐIỆN CHO KHU VỰC HUYỆN ĐĂKTÔ - KON TUM NGUYỄN ĐÌNH TUY ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐÌNH TUY ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA KHỞI ĐỘNG ĐEN VÀ HOẠT ĐỘNG Ở CHẾ ĐỘ ĐỘC LẬP CẤP ĐIỆN CHO KHU VỰC HUYỆN ĐĂKTÔ - KON TUM C C R L T U D LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐÌNH TUY ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA KHỞI ĐỘNG ĐEN VÀ HOẠT ĐỘNG Ở CHẾ ĐỘ ĐỘC LẬP CẤP ĐIỆN CHO KHU VỰC HUYỆN ĐĂKTÔ - KON TUM Chuyên nghành Mã số C C : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa : 8520216 R L T U D 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 cơng trình nghiên cứu tự thân tơi thực Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Học viên C C R L U D T Nguyễn Đình Tuy ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA KHỞI ĐỘNG ĐEN VÀ HOẠT ĐỘNG Ở CHẾ ĐỘ ĐỘC LẬP CẤP ĐIỆN CHO KHU VỰC HUYỆN ĐĂKTÔ - KON TUM Học viên: Nguyễn Đình Tuy Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 8520216 Khóa: K37 Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Khởi động đen q trình khơi phục lại toàn (hoặc phần) hệ thống điện từ trạng thái điện toàn (hoặc phần) cách sử dụng tổ máy phát điện Trong báo này, giải pháp khởi động đen vận hành chế độ ốc đảo đề xuất cho nhà máy thủy điện Đăkrơsa tỉnh Kontum Trước hết, mơ hình toán học nhà máy thủy điện Dakrosa xây dựng để làm sở cho việc phân tích thiết kế giải pháp Dựa mơ hình tốn học này, thuật toán điều khiển PID điều khiển mờ đề xuất để khởi động đen nhà máy vận hành chế độ ốc đảo cấp điện cho phụ tải xác định Để kiểm chứng khả thi hiệu thuật toán đề xuất, mô thực phần mềm Matlab-Simulink Các kết mô cho thấy đáp ứng công suất huy động ổn định tần số tốt trường hợp có sử dụng logic mờ kết hợp với thuật toán PID truyền thống C C R L Từ khóa - Khởi động đen, Nhà máy thủy điện, Hệ thống điều tốc, Mơ hình tốn học, Mơ hình hóa, Logic mờ T PROPOSED THE METHOD FOR ĐĂKRƠSA HYDRO ELECTRIC POWER PLANT IN BLACK-START AND ISLAND OPERATION FOR ĐĂKTÔ DISTRICT – KONTUM PROVINCE U D Abstract - Black start is the process of restoring all (or part) of an electricity system from a state of total (or partial) power failure using generators In this paper, the solution to black start and island operation is proposed for the Dakrosa hydroelectric power plant in Kontum province In the first, the mathematical model of Dakrosa hydropower plant was developed as the basis for the analysis and design of the solution Based on this mathematical model, PID and fuzzy control algorithms are proposed to black start and operate in island mode to supply a specified load To verify the feasibility and the effectiveness of the proposed algorithms, simulations were performed on Matlab-Simulink software The simulation results showed better mobilization power and frequency stability in case of using fuzzy logic combined with traditional PID algorithm Key words - Black-Start, Governor system, Mathematical model, Hydroelectric Power Plant, Modeling, Fuzzy logic MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiển đề tài C C R L 5.1 Về mặt khoa học: T Cấu trúc luận văn Chƣơng - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ KHỞI ĐỘNG ĐEN CỦA NHÀ MÁY U D THỦY ĐIỆN VÀ TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA Tổng quan vấn đề khởi động đen nhà máy thủy điện 1.2 Tổng quan nhà máy thủy điện Đăkrơsa 1.2.1 Đập thủy điện Đăkrơsa 1.2.2 Thiết bị thuỷ lực nhà máy thuỷ điện Đăkrơsa 11 12 1.2.3 Máy phát nhà máy thủy điện Đăkrơsa 13 b) Rotor: 15 1.3 Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Đăkrơsa 16 1.4 Kết luận chương 20 Chƣơng - XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA 21 2.1 Đặt vấn đề 21 2.2 Xây dựng mô hình tốn học khối chức hệ thống điều tốc nhà máy [2], [21] 21 2.2.1 Xây dựng mơ hình tốn học đường ống 23 2.2.2 Xây dựng mô hình tốn học van Servo 25 2.2.3 Xây dựng mơ hình tốn học đường ống phụ 26 2.2.4 Xây dựng mơ hình tốn học đường ống nhánh 29 2.2.5 Xây dựng mơ hình tốn học Turbine [5] 32 2.3 Mơ hình tốn học tổng hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Đăkrơsa[2]33 Hình 2.10 - Biểu diễn sơ đồ khối mơ hình tốn học hệ thống thủy lực nhà máy thủy điện Đăkrơsa 34 2.4 Kết luận chương 35 C C Chƣơng - ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA ĐỂ KHỞI ĐỘNG ĐEN VÀ CẤP ĐIỆN ĐỘC LẬP CHO KHU VỰC R L HUYỆN ĐĂK TÔ - TỈNH KON TUM [13] 37 T 3.1 Ý tưởng giải pháp đề xuất [15] 37 3.2 Giới thiệu lý thuyết điều khiển mờ [1] 40 U D 3.2.1 Khối mờ hóa 40 3.2.2 Khối hợp thành 40 3.2.3 Khối giải mờ 41 3.2.4 Các bước thực xây dựng điều khiển mờ 41 3.3 Giải pháp đề xuất đề tài để điều khiển khởi động đen cấp điện độc lập cho khu vực huyện Đăktô - tỉnh Kontum [13] 42 Bộ điều khiển mờ đƣợc thiết kế với thành phần nhƣ sau: 43 3.3.1 Cấu trúc điều khiển mờ 43 3.3.2 Định nghĩa tập mờ 43 3.3.3 Xây dựng luật hợp thành 45 3.3.4 Chọn luật hợp thành 45 3.3.5 Giải mờ 46 3.4 Kết luận chương 46 Chƣơng - MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM 47 4.1 Mô hệ thống điều tốc Nhà máy 47 4.1.1 Mô điều khiển 47 4.1.2 Mô servo cánh hướng 47 4.1.3 Mô cột nước tổng 47 4.1.4 Mô lượng thủy lực vào turbine 48 4.1.5 Mô công suất đặt vào máy phát 48 4.1.6 Mô tổ máy 48 4.2 Mô hệ thống điều tốc Nhà máy khởi động đen với thuật tốn PID thơng thường 50 4.3 Mô hệ thống điều tốc nhà máy khởi động đen với thuật toán đề xuất PID + Fuzzy Logic 54 C C 4.4 Kết luận chương 56 R L KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 U D T DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Bảng thông số kỹ thuật hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Đăkrơsa 19 2.1 Ý nghĩa biến q trình tham số 34 3.1 Thơng số PID 43 3.2 Luật mờ điều khiển mờ 45 C C R L U D T DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ, đồ thị Trang 1.1 Mặt cắt cơng trình đập thủy điện Đăkrơsa 10 1.2 Đập dâng nhà máy thủy điện Đăkrơsa 10 1.3 Kênh dẫn nhà máy thủy điện Đăkrơsa 11 1.4 Tổng quan hệ thống van cánh hướng, turbine, máy phát 12 1.5 Cấu tạo Rotor máy phát điện pha đồng 15 1.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều tốc nhà máy 17 1.7 Hình ảnh hệ thống điều tốc thủy điện Đăkrơsa 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực NMTĐ Đăkrơsa 21 2.2 Sơ đồ khối thành phần chức NMTĐ Đăkrơsa 22 2.3 Đường ống 24 2.4 Mơ hình tốn cột nước tổng 25 2.5 Mơ hình hàm truyền đạt van servo 26 2.6 Sơ đồ khối đường ống phụ 26 2.7 Mơ hình để tính cột nước áp lực H1 28 2.8 Mơ hình tính lưu lượng qua ống dẫn phụ Q1 32 2.9 Mơ hình tính cơng suất turbine 33 2.10 Biểu diễn sơ đồ khối mơ hình toán học hệ thống thủy lực nhà máy thủy điện Đăkrơsa 34 3.1 Sơ đồ nguyên lý thuật toán điều tốc nhà máy 37 3.2 Khởi động chạy không tải với điều khiển 39 C C R L T U D 18 3.3 Hịa lưới đặt cơng suất với điều khiển 39 3.4 Sơ đồ khối chức điều khiển mờ 40 3.5 Sơ đồ nguyên lý giải pháp đề xuất cải tiến hệ thống điều khiển 42 3.6 Hàm liên thuộc cho sai lệch E 44 3.7 Hàm liên thuộc cho sai lệch dE 44 3.8 Hàm liên thuộc cho đầu U 45 3.9 Biểu diễn dạng Ruler 46 3.10 Kết giải mờ 46 4.1 Sơ đồ mơ thuật tốn điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy 47 4.2 Sơ đồ mô van servo 47 4.3 Sơ đồ mô cột nước tổng Matlab 4.4 Sơ đồ mô lượng thủy lực Matlab 48 4.5 Sơ đồ mơ tính tốn cơng suất Matlab 48 4.6 Sơ đồ mô tổ máy phát điện1 nhà máy Matlab 49 4.7 Sơ đồ mạch thứ lưới điện nhà máy 49 4.8 Sơ đồ mô lưới điện máy phát tổ Matlab 49 4.9 Mơ tồn hệ thống 50 4.10 Sơ đồ hệ thống điện vận hành chế độ ốc đảo cấp điện cho thị trấn ĐăkTô 50 4.11 Sơ đồ mô nhà máy nối lưới cấp điện độc lập cho phụ tải huyện ĐăkTô 51 4.12 Kết mô tổ máy 52 C C R L T U D 47 60 [20] German Ardul Munoz-Hernandez, Sa'ad Petrous Mansoor, Dewi Leuan Jones, (2013), Modelling and Controlling Hydropower Plants, SpringerVerlag London [21] WEI LI, (September 23, 2011), Hydro Turbine and Governor Modeling and Scripting for Small-Signal and Transient Stability Analysis of Power Systems, Master’s Degree Project Stockholm, Sweden [22] Glen O Brown (2003), “The History of the Darcy-Weisbach Equation for Pipe Flow Resistance”, Environmental and Water Resources History, American Society of Civil Engineers, Reston, VA, pp.34-43 [23] Polster, S., et al "Modelling of Black Start and Island Grid Operation with Deflector Controlled Pelton Units." Hydro 2019-Concept to Closure: Practical Steps (2019) C C [24] Benato, R., et al "A Experimental Validation of Frequency Model for Studying a Real Black Start Restoration." 2019 AEIT International Annual Conference (AEIT) IEEE, 2019 R L T [25] Shan, Martin, et al "Design and laboratory test of black‐ start control mode for wind turbines." Wind Energy 23.3 (2020): 763-778 U D [26] Uría-Martínez, Rocío, Megan M Johnson, and Rui Shan "Challenges in the post-licensing stage of US hydropower development: Current status and some potential solutions." The Electricity Journal 33.4 (2020): 106729 C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T ... thống thực nhà máy thủy điện Đăkrơsa Đề xuất giải pháp điều khiển nhà máy thủy điện Đăkrơsa khởi động đen hoạt động chế độ độc lập cung cấp điện cho khu vực Huyện Đăk Tô - Tỉnh Kon Tum Xây dựng... - ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA ĐỂ KHỞI ĐỘNG ĐEN VÀ CẤP ĐIỆN ĐỘC LẬP CHO KHU VỰC HUYỆN ĐĂK TÔ - TỈNH KON TUM 3.1 Ý tƣởng giải pháp đề xuất Hiện tại, thực trạng nhà máy. .. máy điện khởi động đen hệ thống điện để cung cấp điện cho tự dùng nhà máy điện; Khôi phục trạm điện nhà máy điện khởi động đen nhà máy điện khởi động đen dự phòng nhà máy điện khởi động đen khơng