Phƣơng trình (1.1) thể hiện năng lƣợng tồn khối nƣớc của dịng sơng, cịn năng lƣợng của một đơn vị chất lỏng nƣớc của dịng sơng sẽ là:
2 2 p V E h g (1.4) trong đó: h là vị năng; p là áp năng; 2 2 V g
là động năng, trong đó vị năng và áp năng là hai dạng của thế năng. Nhƣ vậy năng lƣợng của dòng nƣớc gồm hai thành phần: thế năng và động năng.
Để biến đổi cơ năng của dịng nƣớc thành điện năng có một bộ phận quan trọng, khơng thể thiếu, đó là turbine. Có hai loại turbine thƣờng đƣợc dùng trong các nhà máy thủy điện, đó là turbine xung kích và turbine phản kích. Turbine chỉ sử dụng phần động năng của dịng nƣớc để làm quay bánh xe cơng tác thì đƣợc gọi là turbine xung kích, loại này cịn đƣợc gọi là loại turbine dịng chảy khơng áp, vì dịng chảy trong mơi trƣờng khí quyển, nên chuyển động của dịng tia trên cánh bánh xe công tác là chuyển động không áp, áp suất ở cửa vào và cửa ra nhƣ nhau và bằng áp suất khơng khí. Bản thân loại turbine này cũng đa dạng nhƣ: xung kích kiểu gáo, xung kích kiểu phun xiên, xung kích hai lần (turbine Banki). Turbine sử dụng cả thế năng và động năng, trong đó phần thế năng là chủ yếu gọi là turbine phản kích. Loại này cịn đƣợc gọi là turbine dịng chảy có áp, áp lực dịng chảy ở cửa vào của bánh xe cơng tác luôn lớn hớn áp lực ở cửa ra của nó. Dịng chảy qua turbine là dịng liên tục điền đầy nƣớc trong tồn bộ máng cánh. Loại này có các các kiểu sau: turbine xuyên tâm hƣớng trục (gọi tắt là turbine tâm trục hay là Franxis); turbine hƣớng trục (gồm turbine cánh quạt, turbine cánh quay); turbine hƣớng chéo; turbine dòng (gồm turbine dòng nửa thẳng, turbine dòng thẳng); turbine thuận nghịch (làm việc ở hai chế độ: máy bơm và turbine).
Trên hình 1.6 mơ tả cấu tạo một loại turbine phản kích phổ biến và nối ghép với máy phát điện, nó gồm 2 phần chính, rotor turbine (gồm: bánh xe công tác đƣợc nối với trục thông qua khớp nối để truyền các momen xoắn, trục, ổ hƣớng và ổ chèn trục) và stator turbine (gồm: vành đáy turbine để đỡ trục dƣới cánh lái hƣớng, các vành làm kín, vành stator, bộ cánh lái hƣớng).
Năng lƣợng E do dòng chảy trao cho turbine đƣợc xác định bằng hiệu năng lƣợng đơn vị của dòng chảy trƣớc khi vào turbine và sau khi ra khỏi turbine [46]:
2 2 1 1 1 2 2 2 1 2 1 2 1 2 2 2 1 2 1 1 2 2 1 2 1 2 ( ) w ( ) w 2 2 [( ) ( )] w [ ] w 2 2 p V p V E E E h h g g p p V V E h h g g (1.5) Hình 1.6. Turbine thủy lực Hiệu số 1 2 1 2 [(h p ) (h p )] càng lớn thì phần năng lƣợng phản kích tác động càng lớn vào turbine và ngƣợc lại. Nếu turbine chỉ chuyển hóa thế năng thì khi đó 2 2 1 1 2 2 0 2 2 V V g g
, lúc này gọi là turbine phản kích hồn tồn. Ngƣợc lại gọi là turbine xung kích hồn tồn.
1. Cột nước làm việc của turbine. Đã đƣợc xác định ở đoạn trên của mục này.
2. Lưu lượng turbine là chỉ lƣu lƣợng nƣớc dòng chảy đi qua turbine, ký hiệu là Q (m3 /s)
3. Cơng suất của turbine phản kích. Theo [1] cơng suất đƣợc xác định theo:
T T
N gQH (1.6)
trong đó: T- là hiệu suất turbine (T 1); - khối lƣợng riêng của nƣớc ( 1000kg m/ 3); H - độ chênh độ cao cột nƣớc.
Tùy theo mực nƣớc thƣợng lƣu hoặc mực nƣớc của hồ chứa và tải yêu cầu của lƣới, đòi hỏi lƣợng điện phát ra của máy phát phải thay đổi phù hợp. Vì vậy phải điều chỉnh đồng bộ giữa độ mở hệ thống cánh lái hƣớng, nhằm điều chỉnh lƣu lƣợng nƣớc vào turbine và điều chỉnh góc nghiêng của bánh xe cơng tác, tạo cho turbine tốc độ ổn định. Có thể giải thích vấn đề này nhƣ sau: ở một thời điểm nào đó tải yêu cầu tăng lên (dòng điện tiêu thụ tăng), nếu lƣu lƣợng nƣớc khơng tăng, dƣới tác động của dịng tiêu thụ tăng sẽ tạo momen lực tác động vào rotor máy phát nhằm làm giảm tốc độ quay của cả hệ, do vậy để tần số điện áp phát ra không đổi cần tăng momen cơ của turbine bằng cách mở cánh lái hƣớng để tăng lƣu lƣợng nƣớc cấp vào turbine. Nếu tải giảm đi thì làm ngƣợc lại. Nhƣ vậy vấn đề điều khiển cơng suất ở đây chính là vấn đề chỉnh độ mở của các cánh lái hƣớng để điều chỉnh lƣu lƣợng dòng nƣớc Q. Theo [1] Q tỉ lệ thuận với góc mở của cánh lái hƣớng, tức là:
CLH
trong đó: KCLHlà hệ số phụ thuộc vào cao trình cột nƣớc và tốc độ dịng chảy, là góc mở của cánh lái hƣớng. Góc mở thay đổi từ 0 đển giá trị ngƣỡng tối đa
*
(do cấu tạo hệ thống cánh lái hƣớng của turbine quy định), tức là:
*
0 (1.8)
Để điều chỉnh độ mở cánh lái hƣớng ngƣời ta sử dụng các servomotor (thông thƣờng là 2 servomotor) và hệ thống xi lanh thủy lực.
Hệ thống cánh lái hƣớng KCLH Turbine và Máy phát điện u α M ω Dịng nƣớc có thế năng và động năng
Hình 1.7. Sơ đồ chức năng quá trình điều khiển tốc độ quay turbine
Dịng nƣớc có năng lƣợng E với lƣu lƣợng Q tạo ra momen lực M tác động vào bộ phận hứng nƣớc của turbine làm quay trục turbine. Có thể mơ tả quá trình điều khiển nhƣ sau (hình 1.7).
Với tín hiệu điều khiển u cấp vào hệ thống điều khiển servomotor làm quay hệ thống cánh lái hƣớng để tạo ra góc mở của nó . Dƣới góc mở này một lƣu lƣợng nƣớc Q tƣơng ứng sẽ đƣợc cấp vào turbine để sinh ra momen lực M nhằm duy trì tốc độ quay danh định sau:
0 2 f
p
(1.9)
trong đó: p - số đôi cực máy phát điện; f - tần số lƣới điện, ở Việt Nam là 50
Nhiệm vụ điều khiển là phải định lƣợng giá trị đại lƣợng Uđể làm quay servomotor thay đổi góc mở hệ cánh lái hƣớng điều chỉnh lƣu lƣợng dịng nƣớc cấp vào turbine và từ đó thay đổi momen tác động vào rotor máy phát điện để cân bằng với momen tải tiêu thụ yêu cầu nhằm duy trì tần số điện áp phát ra ở tần số chuẩn (tƣơng ứng với tần số 50Hz). Để thực hiện nhiệm vụ này cần thực hiện hai vấn đề: Vấn đề xác định mơ hình mơ tả hệ thống (xác định tham số mơ hình) để phục vụ việc tổng hợp lệnh điều khiển và vấn đề tổng hợp lệnh điều khiển.
1.2. Vấn đề điều khiển turbine ở nhà máy thủy điện và các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan đến điều khiển ở nhà máy thủy điện. và ngoài nƣớc liên quan đến điều khiển ở nhà máy thủy điện.
Qua trình bày ở mục trên cho thấy để có nguồn điện phát vào lƣới điện cần xây dựng và khai thác vận hành nhà máy thủy điện. Trong xây dựng có rất nhiều hạng mục: Xây đập tạo hồ chứa nƣớc, xây nhà máy và trạm biến thế, xây dựng nhà máy. Qua kinh nghiệm học đƣợc của Liên Xô chúng ta đã làm chủ đƣợc thiết kế chung, đã làm chủ trong xây đập, xây dựng trạm biến áp, xây nhà máy... Tuy nhiên riêng turbine và máy phát điện cùng hệ thống điều khiển turbine đến nay chúng ta vẫn nhập ngoại hồn tồn. Vì vậy thuật tốn điều khiển nó cũng do nƣớc bán sản phẩm cung cấp cho. Vì vậy chúng ta chƣa thể chủ động trong sửa chữa chuyên sâu (thƣờng sửa chữa theo phƣơng án thay thế cả cụm bộ phận hỏng hóc bằng cụm mới của hãng bán sản phẩm) và có thể chƣa khai thác tối ƣu đƣợc tính năng hệ thống vì khơng can thiệp sâu vào phần mềm của hệ thống điều khiển turbine. Hiện nay luật điều khiển của hệ thống điều khiển turbine thƣờng sử dụng luật PID sai lệch giữa tần số đo đƣợc và tần số chuẩn, tức là [44]:
0 0 0 0 ( ) ( ) ( ) ( ( ) ) t P I D d u t K K d K dt (1.10)
Các hệ số KP, KI, KD trong luật điều khiển PID đƣợc cứng hóa. Dễ dàng nhận thấy các hệ số này chƣa phải là tối ƣu. Để có thể xác định đƣợc bộ hệ số tối ƣu hoặc thay luật điều khiển PIDbằng luật điều khiển khác hợp lý hơn cần phải xác định đƣợc mơ hình tốn học mơ tả hai khâu nêu trên, đó là khâu hệ cánh lái hƣớng và khâu turbine + máy phát điện. Tham số của hai khâu này có hai hệ số
CLH
K thƣờng thay đổi phụ thuộc vào hiện trạng của cột nƣớc dịng sơng. Vì vậy bộ hệ số KP, KI, KD hoặc luật điều khiển khác cần có tính thay đổi thích nghi. Để làm đƣợc vấn đề này cần phải định kỳ thƣờng xuyên nhận dạng xác định các tham số của mơ hình mơ tả hai khâu nêu trên. Đây là những vấn đề hoàn toàn mới ở Việt Nam vì phần thiết bị của nhà máy thủy điện chúng ta thƣờng nhập ngoại. Vấn đề này cũng khơng đƣợc cơng bố rộng rãi vì là bí mật của các hãng bán sản phẩm liên quan đến nhà máy thủy điện.
Trong thời gian vừa qua đội ngũ cán bộ khoa học và công nghệ Việt Nam đã làm chủ và chủ động trong việc thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển servomotor [11] và nhiều thiết bị điều khiển servomotor của Việt Nam đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đạt yêu cầu chất lƣợng tƣơng đƣơng của nƣớc ngoài, đạt cả yêu cầu về độ bền cũng nhƣ độ tin cậy và an tồn trong cơng nghiệp. Giá thành thiết bị điều khiển servomotor do phía Việt Nam chế tạo rẻ hơn nhiều so với sản phẩm tƣơng đƣơng của nƣớc ngoài (khoảng 40%). Tuy nhiên phần mềm điều khiển phụ thuộc vào đối tƣợng điều khiển, vì vậy đây là nhiệm vụ của đội ngũ chuyên gia chuyên ngành hẹp đảm nhiệm.
Vì vậy, để làm chủ trong khai thác hoặc trong sửa chữa và tiến tới tự chủ trong chế tạo thiết bị điều khiển turbine trong nhà máy thủy điện chúng ta phải đầu tƣ nghiên cứu sâu vấn đề điều khiển hệ thống cánh lái hƣớng.
Nếu giải quyết thành công vấn đề nêu trên chúng ta sẽ tiến thêm một bƣớc trong quá trình làm chủ trong xây dựng và khai thác vận hành nhà máy thủy điện, sẽ nâng cao hiệu suất sử dụng năng lƣợng của dịng sơng, nâng cao công suất của nhà máy thủy điện. Khi đó chúng ta chỉ cịn phải mua turbine mà không cần phải mua thiết bị điều khiển kèm theo, sẽ chủ động trong sửa chữa, bảo hành. Tuy nhiên để giải quyết thành cơng vấn đề này cần phải có những nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề đo lƣờng và điều khiển cho hệ turbine và máy phát điện ở nhà máy thủy điện.
Đối với nhà máy thủy điện vừa và nhỏ thƣờng đƣợc xây dựng theo phƣơng án tiết kiệm, đôi chỗ khơng có bể điều tiết hoặc tháp điều áp. Khi đó hai hệ số
CLH
K sẽ thay đổi mạnh trong quá trình vận hành. Vì vậy phải thay đổi bộ hệ số
P
K , KI, KD hoặc luật điều khiển khác để thích nghi với sự thay đổi của hai hệ số nêu trên. Nếu không giải quyết vấn đề này thì khai thác nguồn năng lƣợng thủy điện của dịng sơng sẽ khơng cao (lãng phí năng lƣợng trời phú cho dòng sơng mà chúng ta đang có).
Từ các phân tích trên đây cho thấy vấn đề nêu trên có tính thực tiễn và cấp bách, có tính học thuật thuộc chun ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, sẽ đƣợc chọn trong luận án này.
Vì các nhà máy thủy điện của chúng ta hiện nay phần thiết bị là nhập ngoại, nên các nghiên cứu ở Việt Nam vừa qua về hệ thống năng lƣợng điện chủ yếu tập trung vào các vấn đề: Vấn đề luận chứng kinh tế kỹ thuật xây dựng nhà máy điện; Vấn đề biến đổi dạng năng lƣợng trong khai thác và truyền tải điện năng;
Vấn đề cần giải quyết khi vận hành lƣới điện để đảm bảo lƣới ổn định (đây là yêu cầu chính) và giảm tổn thất trên lƣới, một số vấn đề liên quan đến điện gió và điện từ pin mặt trời. Vì vậy trong những năm vừa qua các luận án tiến sỹ ở Việt Nam trong lĩnh vực điện năng chỉ tập trung vào những vấn đề nêu trên [14, 15, 16, 17].
Năm 2017 NCS Nguyễn Đắc Nam (ĐHBKHN) [18] đã bảo vệ thành công luận án với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơ-ron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbine máy phát thủy điện” đã ứng dụng giải thuật mạng nơ ron mờ để chỉnh định các tham số trong luật điều khiển PID cho turbine. Tuy nhiên không đề cập đến đặc điểm năng lƣợng của nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ.
Nhƣ vậy chƣa có cơng trình nào trong nƣớc nghiên cứu về vấn đề điều khiển hệ cánh lái hƣớng để điều chỉnh công suất turbine trong nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ.
Năm 2009 tác giả luận án [51] của Nga đã đặt vấn đề về xây dựng hệ thống điều khiển công suất nhà máy thủy điện phục vụ tái phân phối năng lƣợng điện trong trƣờng hợp lƣới có sự thay đổi tải lớn. Tuy nhiên chƣa đề cập đến vấn đề điều khiển tối ƣu hoặc thích nghi turbine.
Năm 2014 tác giả luận án [50] của Nga có đề xuất giải pháp để nhận dạng cấu trúc mơ hình mơ tả hệ cánh lái hƣớng, tuy nhiên chƣa giải quyết vấn đề nhận dạng tham số mơ hình. Trong cơng trình này tác giả cũng đã giải quyết một số vấn đề liên quan đến tổng hợp cấu trúc hệ thống điều khiển turbine, tuy nhiên không đề cập đến vấn đề tổng hợp lệnh điều khiển turbine khi lƣu ý đến sự thay đổi của độ cao cột nƣớc của dịng sơng ở các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ.
Setiawan, Ardyono Priyadi, Mauridhi Hery Purnomo [37] đã xây dựng bộ điều khiển thích nghi bằng cách sử dụng mạng nơ ron để nhận dạng sự thay đổi của phụ tải yêu cầu đối với máy phát để hiệu chỉnh thông số bộ điều khiển. Tuy nhiên trong cơng trình này chƣa đề cập đến tổng hợp lệnh điều khiển tối ƣu thích nghi với sợ thay đổi của tải.
J. Fraile-Ardanuy và các cộng sự [38] đã sử dụng mạng nơ ron truyền thẳng nhiều lớp ANN có cấu trúc 2-5-1 (với đầu vào là lƣu lƣợng nƣớc, góc mở cánh lái hƣớng, đầu ra là tốc độ) để nội suy tối ƣu tốc độ từ đƣờng cong đặc tuyến. Từ đó thiết kế bộ điều khiển tốc độ cho turbine máy phát điện, tuy nhiên trong cơng trình coi mơ hình mơ tả động học là có sẵn.
Ardyono Priyadi, Mauridhi Hery Purnomo [39] đã sử dụng mạng nơ ron có cấu trúc tƣơng ứng bộ điều khiển PID, trọng số của mạng đƣợc điều chỉnh theo thuật toán Brandt-Lin để thiết kế bộ điều khiển cho bộ điều tốc của tổ máy có cơng suất nhỏ nhƣng vận hành độc lập, tức là tải ít thay đổi.
Dianwet Qian và các cộng sự [40] đã ứng dụng điều khiển trƣợt SMC (Sliding Mode Control) khi điều khiển turbine nhà máy thủy điện. Luật điều khiển SMC gồm hai thành phần: Luật chuyển mạch điều khiển và luật điều khiển tƣơng đƣơng sử dụng thuật tốn di truyền để tìm thơng số tối ƣu cho bề mặt trƣợt. Tuy nhiên ở đây chƣa đề cập đến vấn đề thích nghi với sự thay đổi của năng lƣợng cột nƣớc nơi đặt turbine.
Ilyas Eker và các cộng sự [41] trình bày bộ điều khiển đa tầng đa biến cho turbine, theo tác giả nó tốt hơn bộ điều khiển PI hay PID. Tuy nhiên khó đƣợc áp dụng vì triển khai nó rất phức tạp về hệ đo.
Orelind [42] giới thiệu bộ điều khiển số cho hệ thống thủy điện. Thơng số tối ƣu của nó đƣợc tính từ các điểm vận hành khác nhau bằng cách giảm thiểu
hàm mục tiêu bậc hai. Các hệ số của bộ điều khiển đƣợc xác định dựa vào độ mở định trƣớc cánh lái hƣớng. Nhƣ vậy chƣa tính đến việc điều khiển cánh lái hƣớng.
Batlle và các cộng sự [43] đề xuất thiết kế bộ điều khiển dựa trên hàm