Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng các giải pháp đo lường và điều khiển hiện đại nhằm nâng cao chất lượng ổn định tần số trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:190

Thêm vào BST

Báo xấu

73
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích cơ bản của luận án này là xây dựng phương pháp và thuật toán nhận dạng và điều khiển cho thiết bị điều khiển tổ máy phát điện của các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ làm cơ sở để vận hành và khai thác hiệu quả thiết bị điều khiển của nước ngoài sản xuất và làm cơ sở để xây dựng phần mềm khi chúng ta tiến hành tự chủ trong việc thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển nêu trên.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng các giải pháp đo lường và điều khiển hiện đại nhằm nâng cao chất lượng ổn định tần số trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐẶNG TIẾN TRUNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC GIẢI PHÁP ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐẶNG TIẾN TRUNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC GIẢI PHÁP ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. NGÔ DUY HƯNG 2. PGS. TS. PHẠM TUẤN THÀNH HÀ NỘI – NĂM 2019
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Ngô Duy Hƣng và PGS.TS. Phạm Tuấn Thành. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, tự làm, không trùng lặp và chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Đặng Tiến Trung
ii LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hƣớng dẫn khoa học, TS. Ngô Duy Hƣng và PGS.TS. Phạm Tuấn Thành, đã hƣớng dẫn, định hƣớng những nội dung cần giải quyết, chỉ dẫn phƣơng pháp giải quyết các vấn đề cần nghiên cứu, động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học và tập thể cán bộ giáo viên Bộ môn Kỹ thuật điện, Khoa Kỹ thuật điều khiển đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến giúp tôi hoàn thành nội dung nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn tới Đảng ủy, Ban giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, các bạn bè đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện để tôi tập trung thực hiện nghiên cứu, hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ, khuyến khích để tôi có thêm nghị lực hoàn thành luận án.
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................i LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................ii MỤC LỤC...........................................................................................................iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU........................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ..........................................................ix MỞ ĐẦU.............................................................................................................................1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TURBINE TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ .........................................8 1.1. Nhà máy thủy điện và vấn đề năng lƣợng cột nƣớc nơi đặt turbine ........... 8 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. ......................... 21 1.3. Vấn đề nghiên cứu của luận án .................................................................. 27 1.4. Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................... 27 CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG THAM SỐ MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC MÔ TẢ TỔ HỢP TURBINE - MÁY PHÁT CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ ....................................................... 29 2.1. Xây dựng thuật toán nhận dạng tham số mô hình mô tả quá trình điều khiển tần số quay tổ hợp “Turbine+máy phát” ............................................ 30 2.1.1. Mô hình mô tả quá trình điều khiển tần số quay tổ hợp “Turbine+máy phát” .................................................................................................................. 30 2.1.2. Phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu. ............................................................ 35 2.1.3. Xây dựng thuật toán nhận dạng tham số mô hình mô tả tổ hợp turbine + máy phát điện. .................................................................................................. 38 2.1.4. Xây dựng thuật toán nhận dạng tham số mô hình mô tả hệ thống quay cánh
iv lái hƣớng ........................................................................................................... 44 2.2. Xây dựng thuật toán đánh giá năng lƣợng cột nƣớc.................................. 53 2.2.1. Bộ lọc Kalman ................................................................................................ 54 2.2.2. Xây dựng giải pháp và thuật toán xác định sự thay đổi năng lƣợng cột nƣớc của nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ ...................................... 61 2.3. Kết luận chƣơng 2...................................................................................... 72 CHƢƠNG 3. TỔNG HỢP LUẬT ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ QUAY TURBINE TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ ................. 73 3.1. Xây dựng thuật toán xác định tham số tối ƣu cho bộ điều khiển PID điều chỉnh nguồn nƣớc cấp cho turbine nhà máy thủy điện vừa và nhỏ .............. 76 3.1.1. Xây dựng thuật toán xác định tham số tối ƣu cho bộ điều khiển PI cho mạch vòng điều khiển cánh lái hƣớng. .......................................................... 77 3.1.2. Xây dựng thuật toán xác định tham số tối ƣu cho bộ điều khiển PI cho mạch vòng điều khiển turbine. ....................................................................... 80 3.2. Xây dựng thuật toán backstepping ổn định tần số quay turbine ............... 81 3.3. Xây dựng thuật toán thiết lập điều khiển tối ƣu van cấp nƣớc cho turbine nhà máy thủy điện vừa và nhỏ ...................................................................... 89 3.4. Ứng dụng lọc Kalman xây dựng thuật toán quan sát trạng thái phục vụ thiết lập luật điều khiển tối ƣu. ............................................................................. 97 3.5. Xây dựng thuật toán cho thiết bị điều khiển turbine ............................... 102 3.6. Kết luận chƣơng 3 .................................................................................... 104 CHƢƠNG 4. MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM ....................................................... 106 4.1. Đối tƣợng mô phỏng ................................................................................ 107 4.2. Mô phỏng nhận dạng tham số mô hình. .................................................. 109 4.3. Mô phỏng luật điều khiển tối ƣu thích nghi. ........................................... 114 4.3.1. Mô phỏng luật điều khiển tối ƣu ................................................................. 117
v 4.3.2. Mô phỏng luật điều khiển tối ƣu thích nghi............................................... 121 4.3.3. Mô phỏng luật điều khiển tối ƣu khi tải thay đổi ...................................... 133 4.4. Kết luận chƣơng 4 .................................................................................... 137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 139 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ............................................ 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 143 PHỤ LỤC 1 PHỤ LỤC 2 PHỤ LỤC 3 PHỤ LỤC 4
vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Chữ viết tắt Ý nghĩa MEMS Thiết bị vi cơ quán tính PID Proportional Integral Derivative - Bộ điều khiển PID PI Tỉ lệ và tích phân NM Nhà máy NMTĐ Nhà máy thủy điện 2. Ký hiệu Ý nghĩa h Chiều cao mức nƣớc v Tốc độ dòng chảy p Áp suất của dòng nƣớc  Trọng lƣợng riêng của nƣớc E Năng lƣợng của dòng nƣớc Q Lƣu lƣợng của dòng nƣớc u Tín hiệu điều khiển  Góc mở hệ thống cánh lái hƣớng g Gia tốc rơi tự do bởi lực hút trọng trƣờng của trái đất p Số đôi cực máy phát điện f Tần số lƣới điện X (t ) Véc tơ trạng thái n chiều w(t ) Véc tơ nhiễu p chiều , Tích vô hƣớng hai véc tơ F (t ) Ma trận động học G(t ) Ma trận phân bố nhiễu
vii H (t ) Ma trận đo Q(t ) Ma trận cƣờng độ nhiễu R(t ) Ma trận cƣờng độ nhiễu sai số đo I Ma trận đơn vị  (.) Hàm Đirắc X (t ) Véc tơ trạng thái  Kỳ vọng toán học JT Momen quán tính của roto tổ máy thủy điện Kc Hệ số cản của turbine Md Momen chuyển động của turbine Mc Momen chuyển tải của máy phát điện Jc Momen quán tính của cả cụm cánh lái hƣớng Kα Hệ số cản tỷ lệ với tốc độ quay cánh lái hƣớng Mu Momen do xy lanh thủy lực tạo ra để quay cánh lái hƣớng z2 Áp lực thủy tĩnh s Ký hiệu toán tử Laplas  Tín hiệu ra của con quay  Tốc độ quay thực của vật thể quay c Độ trôi của con quay  Nhiễu đo có dạng ồn trắng  Tích phân bình phƣơng sai số bám sát tần số chuẩn ∆ Ma trận Jacobi min Giá trị nhỏ nhất  1 Phép tính ngƣợc của toán tử Laplas
viii 3. Chỉ số trên Ý nghĩa -1 Ma trận nghịch đảo n Không gian n chiều m Không gian m chiều T Chuyển vị ma trận . Đạo hàm bậc 1 4. Chỉ số dƣới Ý nghĩa i Thứ tự thứ i j Thứ tự thứ j n Thứ tự thứ n
ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Tên hình vẽ Trang Hình 1.1. Sơ đồ tính toán tiềm năng của dòng sông ........................................... 10 Hình 1.2. Sơ đồ NMTĐ kiểu đập ........................................................................ 13 Hình 1.3. Sơ đồ NMTĐ kênh dẫn ....................................................................... 14 Hình 1.4. Sơ đồ NMTĐ kênh dẫn (có hầm dẫn nƣớc) ........................................ 15 Hình 1.5. Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp ........................................................ 16 Hình 1.6. Turbine thủy lực .................................................................................. 18 Hình 1.7. Sơ đồ chức năng quá trình điều khiển tốc độ quay turbine ................ 20 Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển ổn định tốc độ quay turbine ....... 30 Hình 2.2. Sơ đồ mạch điều khiển vị trí hệ cánh lái hƣớng ................................. 31 Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển máy phát điện nhà máy thủy điện vừa và nhỏ ........................................................................................................... 35 Hình 2.4. Bộ lọc Kalman liên tục tuyến tính ...................................................... 56 Hình 2.5. Bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng ...................................................... 60 Hình 2.6. Turbine mini và máy phát điện một chiều .......................................... 62 Hình 2.7. Sơ đồ bố trí các phần tử đo vi cơ quán tính ........................................ 65 Hình 2.8. Sơ đồ thuật toán lọc Kalman ............................................................... 69 Hình 2.9. Thuật toán xác định thời điểm nhận dạng và hiệu chỉnh luật điều khiển cánh lái hƣớng cấp nƣớc ..................................................................................... 71 Hình 3.1. Sơ đồ chức năng quá trình điều khiển quay turbine máy phát điện.... 75 Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ thống ổn định tần số quay turbine máy phát thủy điện 77 Hình 3.3. Sơ đồ mạch vòng điều khiển vị trí cánh lái hƣớng ............................. 81 Hình 3.4. Lƣu đồ thuật toán tổng hợp lệnh ổn định tần số quay turbine ............ 88
x Hình 3.5. Lƣu đồ thuật toán lọc Kalman xác định véc tơ trạng thái mô hình động học hệ thống điều khiển turbine ........................................................................ 101 Hình 3.6. Lƣu đồ thuật toán hiệu chỉnh luật điều khiển tối ƣu thích nghi với sự thay đổi của năng lƣợng cột nƣớc ..................................................................... 103 Hình 4.1. Sơ đồ chức năng hệ mô phỏng .......................................................... 107 Hình 4.2. Cấu trúc nhận dạng tham số mô hình................................................ 109 Hình 4.3. Đồ thị nhận dạng hằng số thời gian T của mô hình động học. ......... 113 Hình 4.4. Đồ thị nhận dạng hệ số khuyếch đại K ............................................. 113 Hình 4.5. Lƣu đồ thuật toán hệ thống mô phỏng quá trình điều khiển thích nghi ........................................................................................................................... 116 Hình 4.6. Tần số quay turbine khi thực hiện luật điều khiển tối ƣu ................. 117 Hình 4.7. Góc quay cánh lái hƣớng khi điều khiển tối ƣu ................................ 117 Hình 4.8. Giá trị đánh giá chất lƣợng điều khiển J ........................................... 118 Hình 4.9. Giá trị đánh giá chất lƣợng J khi điều khiển không tối ƣu (Kx giảm)118 Hình 4.10. Tần số quay turbine khi thực hiện luật điều khiển không tối ƣu .... 119 Hình 4.11. Góc quay cánh lái hƣớng khi điều khiển không tối ƣu ( K x giảm). 119 Hình 4.12. Tần số quay turbine khi thực hiện luật điều khiển không tối ƣu .... 120 Hình 4.13. Góc quay cánh lái hƣớng khi điều khiển không tối ƣu ( K x tăng) .. 120 Hình 4.14. Giá trị đánh giá chất lƣợng J khi điều khiển không tối ƣu ( K x tăng) ........................................................................................................................... 121 Hình 4.15. Sự thay đổi tham số K .................................................................... 122 Hình 4.16. Sự thay đổi tham số T ..................................................................... 122 Hình 4.17. Hàm chỉ tiêu chất lƣợng J ............................................................... 123 Hình 4.18. Góc quay cánh lái hƣớng (độ) khi K và T tăng .............................. 123 Hình 4.19. Góc quay cánh lái hƣớng (độ) ở thời điểm K và T tăng ................ 124
xi Hình 4.20. Tần số quay turbine (rad/s) khi K và T tăng. .................................. 124 Hình 4.21. Tần số quay turbine (rad/s) ở thời điểm K và T tăng..................... 125 Hình 4.22. Sự thay đổi tham số K .................................................................... 126 Hình 4.23. Sự thay đổi tham số T .................................................................... 126 Hình 4.24. Hàm chỉ tiêu chất lƣợng J ............................................................... 127 Hình 4.25. Góc quay cánh lái hƣớng (độ) khi K và T giảm ............................. 127 Hình 4.26. Góc quay cánh lái hƣớng (độ) ở thời điểm K và T giảm ............... 128 Hình 4.27. Tần số quay turbine (rad/s) khi K và T giảm. ................................. 128 Hình 4.28. Tần số quay turbine (rad/s) ở thời điểm K và T giảm.................... 129 Hình 4.29. Sự thay đổi tham số K .................................................................... 130 Hình 4.30. Sự thay đổi tham số T .................................................................... 130 Hình 4.31. Hàm chỉ tiêu chất lƣợng J ............................................................... 131 Hình 4.32. Góc quay cánh lái hƣớng (độ) khi K tăng và T giảm ..................... 131 Hình 4.33. Góc quay cánh lái hƣớng (độ) ở thời điểm K tăng và T giảm ....... 132 Hình 4.34. Tần số quay turbine (rad/s) khi K tăng và T giảm. ......................... 132 Hình 4.35. Tần số quay turbine (rad/s) ở thời điểm K tăng và T giảm........... 133 Hình 4.36. Góc quay cánh lái hƣớng (độ) khi tải yêu cầu giảm ....................... 134 Hình 4.37. Tần số quay turbine (rad/s) khi tải yêu cầu giảm ............................ 134 Hình 4.38. Sự thay đổi tần số quay turbine ở thời điểm tải thay đổi ............... 135 Hình 4.39. Góc quay cánh lái hƣớng (độ) khi tải yêu cầu tăng ........................ 136 Hình 4.40. Tần số quay turbine (rad/s) khi tải yêu cầu tăng ............................. 136 Hình 4.41. Sự thay đổi tần số quay turbine ở thời điểm tải thay đổi ............... 137
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Điện khí hóa toàn bộ nền kinh tế và đời sống là một trong những nhiệm vụ trung tâm của đất nƣớc trên con đƣờng xây dựng một đất nƣớc hiện đại và văn minh. Trong thời gian vừa qua đất nƣớc ta đã nỗ lực rất lớn trên con đƣờng điện khí hóa, phấn đấu chỉ số điện năng tiêu thụ cho một ngƣời dân trong một năm đạt chỉ tiêu của các nƣớc công nghiệp hóa. Đây thực sự là nhiệm vụ to lớn và đòi hỏi mọi nguồn lực trong lĩnh vực điện năng. Cùng với nguồn nhiệt điện, điện gió, điện mặt trời thủy điện phải đƣợc xây dựng và phát triển hài hòa để phù hợp với sự phát triển của nền kinh tế luôn tăng trƣởng ở mức độ trung bình cao (từ 6%- 8%) và nhu cầu đời sống ngƣời dân ngày càng tăng và trong điều kiện Quốc hội đã thông qua nghị quyết ngừng triển khai dự án nhà máy điện hạt nhân, do bài học từ khai thác điện hạt nhân của thế giới (bài học từ sự cố ở nhà máy điện nguyên tử ở Ucraina (Liên Xô cũ) và nhà máy điện nguyên tử Nhật Bản sau sự cố sóng thần năm 2012). Ngành Thủy điện ở Việt Nam tuy ra đời muộn hơn nhiệt điện song hiện nay đang phát triển mạnh và đã chiếm tỉ trọng lớn trong tổng nguồn điện năng. Đối với miền Bắc sau khi xây dựng nhà máy thủy điện đầu tiên, nhà máy thủy điện Thác Bà (năm 1972), hàng loạt nhà máy thủy điện đƣợc xây dựng và đƣa vào sử dụng. Đối với miền Nam cũng vậy sau nhà máy thủy điện đầu tiên (Nhà máy thủy điện Đa Nhim - năm 1964) hàng loạt nhà máy thủy điện cũng đƣợc xây dựng ở Đồng Nai và Tây Nguyên, góp phần đáng kể vào tổng công suất điện. Cùng với các nhà máy thủy điện công suất lớn và trung bình, các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ cũng phát triển mạnh mẽ và rộng khắp ở các
2 vùng miền trên phạm vi của cả nƣớc. Nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ có ƣu điểm: Khai thác tiềm năng của nhiều con sông suối nhỏ ở các lƣu vực khác nhau khắp đất nƣớc. Nhờ tính khởi động nhanh và dừng hoạt động cũng nhanh nên các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ có giá trị rất lớn khi phủ đỉnh công suất vào các giờ cao điểm. Để xây dựng nhà máy thủy điện việc trƣớc tiên phải xác định đƣợc năng lƣợng tích trong cột nƣớc của dòng sông, năng lƣợng này gồm hai phần, phần thế năng và động năng. Phần thế năng phụ thuộc nhiều vào mức nƣớc của hồ chứa, còn động năng phụ thuộc vào dòng chảy và độ cao giữa mặt hồ và nơi đặt turbine. Tuy nhiên, đặc điểm cơ bản của các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ là năng lƣợng tích trong cột nƣớc của dòng sông thay đổi mạnh trong quá trình khai thác sử dụng. Điều này ảnh hƣởng đến động học mô tả hệ thống, đòi hỏi phải có cách tiếp cận khác khi thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển cho các nhà máy thủy điện. Qua quá trình xây dựng nhiều nhà máy thủy điện, năng lực của phía Việt Nam ngày càng đƣợc nâng cao. Từ chỗ phía nƣớc ngoài làm chủ từ khâu khảo sát, thiết kế đến xây dựng, phía Việt Nam thực hiện thi công dƣới sự giám sát của đối tác nƣớc ngoài và nhận khai thác vận hành dƣới sự huấn luyện đào tạo của phía nƣớc ngoài, đến nay phía Việt Nam đã làm chủ dự án, thậm chí cả trong khâu khảo sát - thiết kế và tự chủ nhiều khâu trong thi công xây dựng. Tuy nhiên riêng phần thiết bị nhiều bộ phận vẫn phải nhập ngoại, đặc biệt là thiết bị turbine, máy phát điện và các thiết bị liên quan đến hệ thống điều khiển tổ máy “turbine+máy phát”. Đây là yếu tố tạo giá thành cao cho nhà máy thủy điện và khó khăn trong khai thác vận hành, đôi khi bị phía nƣớc ngoài ép giá khi
3 thiết bị nhà máy bị hỏng hóc. Ngoài ra thiết bị điều khiển tổ máy “turbine+máy phát” bán cho Việt Nam thƣờng thuộc thế hệ cũ (vì nhiều lý do, trong đó có cả lý do hạn chế về năng lực và phẩm chất đạo đức của cán bộ ở các cơ quan quản lý và chủ đầu tƣ), vì vậy tính tối ƣu và thích nghi với sự thay đổi thƣờng không có, do vậy thƣờng không khai thác hợp lý năng lƣợng của cột nƣớc dòng sông. Trong thời gian qua trong nhiều lĩnh vực chúng ta đã vƣơn lên tự chủ thiết kế, chế tạo hoặc tích hợp các thiết bị điện tử hoặc điều khiển có hàm lƣợng học thuật cao, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển các hệ truyền động điện. Đây là cơ sở chúng ta nên bắt đầu bƣớc vào giai đoạn tự chủ thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển tổ máy gồm turbine và máy phát điện. Để thực hiện công việc có giá trị thực tiễn và có tính học thuật khó này nên bắt đầu từ các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ. Để bƣớc vào giai đoạn tự chủ thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển tổ máy cần phải nghiên cứu cơ sở học thuật của vấn đề điều khiển đối tƣợng điều khiển là tổ máy phát điện ở nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ với đặc điểm năng lƣợng cột nƣớc thay đổi thƣờng xuyên. Vì chúng ta đi sau đối tác nƣớc ngoài trong lĩnh vực này, nên mạnh dạn ứng dụng các phƣơng pháp điều khiển hiện đại (nhƣ điều khiển tối ƣu, điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, điều khiển trƣợt) để thiết kế phần mềm cho thiết bị điều khiển. Đây thực sự là vấn đề đòi hỏi đội ngũ cán bộ nghiên cứu khoa học, kỹ thuật và công nghệ phải giải quyết. 2. Mục đích nghiên cứu: Là xây dựng phƣơng pháp và thuật toán nhận dạng và điều khiển cho thiết bị điều khiển tổ máy phát điện của các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ làm cơ sở để vận hành và khai thác hiệu quả thiết bị điều khiển của nƣớc ngoài sản xuất và làm cơ sở để xây dựng phần mềm khi chúng ta tiến hành tự chủ trong việc thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển nêu trên.
4 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học để xác định cấu trúc phần cứng và yêu cầu về tính năng và độ chính xác các thiết bị đo trong hệ thống điều khiển tổ máy “turbine + máy phát điện” và đặc biệt là cơ sở để thiết lập phần mềm cho hệ thống điều khiển này. Kết quả nếu đƣợc áp dụng có thể nâng cao hiệu quả khai thác nguồn năng lƣợng của dòng sông và nâng cao vai trò tổ máy trong hệ thống nguồn cung ứng điện năng trong lƣới điện. 4. Đối tƣợng nghiên cứu Vấn đề nghiên cứu của luận án liên quan đến các vấn đề xử lý tín hiệu đo lƣờng và điều khiển lƣu lƣợng nƣớc cấp cho turbine nhằm ổn định tần số quay turbine ở các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án là ứng dụng các phƣơng pháp nhận dạng để xác định tham số mô hình mô tả tổ hợp “turbine + máy phát điện” trên cơ sở xử lý thông tin thu thập đƣợc từ các thiết bị đo trong hệ thống điều khiển tổ máy, sử dụng một số công cụ lý thuyết điều khiển hiện đại để xử lý tín hiệu đo lƣờng và tổng hợp lệnh điều khiển bộ phận điều chỉnh dòng nƣớc vào turbine để ổn định tốc độ quay của rotor máy phát điện trong điều kiện đáp ứng đủ công suất do lƣới điện yêu cầu 6. Phạm vi nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu của luận án sẽ giải quyết các vấn đề sau: - Xây dựng thuật toán xác định tham số mô hình mô tả hệ thống điều khiển tổ máy phát điện trên cơ sở sử dụng phƣơng pháp toán học xử lý các thông tin từ các phƣơng tiện đo trong hệ thống;
5 - Xây dựng thuật toán xác định tham số luật điều khiển đối với các thiết bị điều khiển tổ máy đang sử dụng (không can thiệp quá sâu vào thiết bị của nƣớc ngoài bán cho phía Việt Nam) để nâng cao tính hiệu quả của quá trình khai thác nguồn năng lƣợng thủy điện; - Xây dựng thuật toán cho thiết bị điều khiển tổ máy khi phía Việt Nam chủ động thiết kế và chế tạo thiết bị này; - Mô phỏng đánh giá tính đúng đắn hoặc tính hiệu quả của một số thuật toán đã đề xuất. 7. Nội dung luận án. Luận án gồm: Phần mở đầu, 4 chƣơng, phần kết luận, phụ lục, danh mục các công trình của NCS, danh mục tài liệu tham khảo, danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu, danh mục các hình vẽ đồ thị và mục lục. Chƣơng 1: Tổng quan vấn đề điều khiển tốc độ turbine trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ Trong chƣơng này luận án giới thiệu sơ bộ sự phát triển của ngành thủy điện Việt Nam, xác định vai trò to lớn của thủy điện trong tổng nguồn cung cấp điện năng ở Việt Nam và trình bày vấn đề liên quan đến dự trữ năng lƣợng thủy điện ở các dòng sông. Luận án trình bày các kiểu nhà máy thủy điện và các thông số năng lƣợng cơ bản của cột nƣớc ở nhà máy thủy điện. Luận án giới thiệu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của turbine cùng máy phát để tạo ra nguồn năng lƣợng dƣới dạng điện năng, giới thiệu sơ đồ chức năng của tổ hợp “turbine+máy phát điện” và những vấn đề liên quan đến điều chỉnh công suất phát. Luận án đi sâu phân tích vấn đề có thể và nên chủ động trong việc thiết kế, chế tạo hoặc cải tiến thiết bị điều khiển tổ máy phát điện (bao gồm turbine và máy phát điện) và từ đó xác định những vấn đề cần giải quyết. Trong những vấn đề cần giải quyết
6 đã chọn một số vấn đề có tính học thuật để hình thành nội dung cho luận án tiến sỹ kỹ thuật chuyên ngành “Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa”. Chƣơng 2: Xây dựng thuật toán nhận dạng tham số mô hình động học mô tả tổ hợp turbine-máy phát điện của nhà máy thủy điện vừa và nhỏ. Ở chƣơng này luận án đã giới thiệu hai công cụ toán học, đó là phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu và giải thuật của bộ lọc Kalman. Từ đó luận án đã sử dụng phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu để xây dựng hai thuật toán xác định các tham số của hai mô hình mô tả turbine và mô tả máy phát điện trên cơ sở xử lý thông tin đo đƣợc trong hệ thống điều khiển turbine, đó là đo độ lớn điện áp tín hiệu điều khiển hệ truyền động điện thủy lực hệ cánh lái hƣớng dòng nƣớc cấp vào turbine, đo góc mở hệ cánh lái hƣớng và đo tần số quay của rotor máy phát điện. Các tham số này là cơ sở để có mô hình đầy đủ mô tả hệ thống, giúp cho việc xác định lệnh điều khiển, sẽ đƣợc giải quyết ở chƣơng 3. Trong chƣơng này luận án cũng đã áp dụng bộ lọc Kalman để xây dựng thuật toán dùng thông tin từ các phần tử vi cơ quán tính (MEMS) để xác định năng lƣợng cột nƣớc và từ đó xác định thời điểm cần nhận dạng tham số mô hình và hiệu chỉnh luật điều khiển van cấp nƣớc cho turbine máy phát điện. Nội dung của chƣơng này đƣợc trình bày ở các công trình đã công bố trên Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, số 47, tr. 70-75 và số 50, tr. 62-69. Chƣơng 3: Tổng hợp luật điều khiển ổn định tần số quay turbine trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ. Trong chƣơng này luận án đã áp dụng một số công cụ lý thuyết điều khiển hiện đại để giải quyết hai vấn đề liên quan đến việc điều khiển dòng nƣớc cấp cho turbine để ổn định tần số quay máy phát khi hiệu chỉnh công suất phát điện theo yêu cầu của lƣới điện, đó là:
7 - Áp dụng công thức Parseval để xây dựng hàm số thể hiện tƣơng quan giữa tham số tỉ lệ trong luật điều khiển PID với sai số bám sát khi ổn định tần số quay của rotor máy phát khi điều chỉnh công suất phát và từ đó xác định đƣợc tham số tỉ lệ tối ƣu. Đây chính là giải pháp sử dụng hợp lý các thiết bị điều khiển hiện có ở các tổ hợp máy phát điện để nâng cao hiệu suất khai thác dữ trữ năng lƣợng của cột nƣớc thủy điện; - Áp dụng lý thuyết điều khiển tối ƣu xây dựng thuật toán điều khiển cánh lái hƣớng dòng nƣớc cấp vào turbine để ổn định tần số quay máy phát khi có sự yêu cầu hiệu chỉnh công suất phát. Cùng với thuật toán nhận dạng tham số mô hình đã giải quyết ở chƣơng 2 thuật toán này sẽ là cơ sở để xây dựng phần mềm cho thiết bị điều khiển tổ máy phát điện khi chúng ta chủ động thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển tổ máy phát điện. Nội dung của chƣơng này đƣợc trình bày ở các công trình đã công bố trong Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, số 53, tr. 38-48; Tạp chí Khoa học, Tập số 46, số 3A, tr. 17-23. Chƣơng 4: Mô phỏng kiểm nghiệm. Trong chƣơng này luận án sẽ dùng công cụ mô phỏng để kiểm nghiệm tính đúng đắn của thuật toán nhận dạng tham số mô hình (đã đề xuất ở chƣơng 2) và thuật toán điều khiển tối ƣu thích nghi với sự thay đổi năng lƣợng của cột nƣớc dòng sông nơi đặt nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ (đã đề xuất ở chƣơng 3). Nội dung của chƣơng này đƣợc trình bày ở các công trình đã công bố trong Tạp chí KH và CN Năng lƣợng Trƣờng Đại học Điện lực, số 14, tr. 22-28. Phụ lục: Trình bày các sơ đồ Simulink và chƣơng trình Matlab khi mô phỏng thuật toán nhận dạng và thuật toán điều khiển tối ƣu.