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 Lyapunov cho mơ hình phi tuyến khi khơng có tháp điều áp, tuy nhiên chƣa thấy đề cập đến vấn đề tối ƣu.
Dewi Jones và Sa’ad Mansor [44] đề xuất bộ điều khiển dự báo căn cứ vào sai lệch tần số và công suất turbine. Tuy nhiên tính tối ƣu và thích nghi chƣa đƣợc đề cập.
Chen Jian và các cộng sự [45] giới thiệu bộ điều khiển bền vững kết hợp với bù khi hằng số thời gian thay đổi trong khoảng [0.9s1.1s]. Ở đây chƣa tính đến các sự thay đổi của hệ số khuếch đại.
Lansberry JE, Wozniak L [46] đã sử dụng thuật tốn di truyền (GA) để tối ƣu hóa bộ điều tốc thủy lực. Thuật tốn này đƣợc tự chỉnh thích nghi dựa trên sự thay đổi của hằng số thời gian và phụ tải. Tuy nhiên ở đây chƣa tính đến sự thay đổi của hệ số khuếch đại.
Vì việc xây dựng nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ là việc làm của Việt Nam và một số địa phƣơng của Trung Quốc. Qua phân tích các cơng trình đã cơng bố nêu trên cho thấy, vấn đề điều khiển turbine ở nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ không đƣợc các nƣớc phát triển đầu tƣ nghiên cứu. Có một số ít cơng trình đề cập đến các nhà máy thủy điện độc lập, nhƣng chƣa chuyên sâu vào vấn đề quan hệ giữa luật điều khiển với sự thay đổi năng lƣợng cột nƣớc nơi đặt turbine. Tuy nhiên thực tế hiện ở Việt Nam có nhiều nhà máy dạng này đang hoạt động. Vì vậy cần phải có những nghiên cứu chuyên sâu các vấn đề
liên quan đến thủy điện công suất vừa và nhỏ, phục vụ cho nâng cấp và sửa chữa khi cần thiết.