Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển tốc độ tuabin thuỷ điện liên kết vùng trên cơ sở logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:168

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu, xây dựng mô hình hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết vùng; nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển tốc độ tuabin thuỷ điện liên kết vùng trên cơ sở logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo nhằm nâng cao chất lượng điều khiển. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển tốc độ tuabin thuỷ điện liên kết vùng trên cơ sở logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI --------------------------- NGUYỄN DUY TRUNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG TRÊN CƠ SỞ LOGIC MỜ VÀ MẠNG NƠRON NHÂN TẠO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI --------------------------- NGUYỄN DUY TRUNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG TRÊN CƠ SỞ LOGIC MỜ VÀ MẠNG NƠRON NHÂN TẠO Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số ngành: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS.TS Lê Hùng Lân 2. PGS.TS Nguyễn Văn Tiềm HÀ NỘI, 2020
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là thành quả công trình nghiên cứu của riêng tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh. Các kết quả được viết chung với các tác giả khác đều được sự đồng ý của đồng tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả Nguyễn Duy Trung
ii LỜI CÁM ƠN Trong quá trình làm luận án, Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến tập thể hướng dẫn GS.TS Lê Hùng Lân, PGS.TS Nguyễn Văn Tiềm, đã trực tiếp định hướng và hướng dẫn luận án. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tập thể bộ môn Điều khiển học, khoa Điện - Điện tử, phòng Sau đại học, trường Đại học Giao thông Vận tải, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện đề tài luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các bạn đồng nghiệp tại khoa Điều khiển và Tự động hóa đặc biệt là Ban giám hiệu Trường Đại học Điện lực nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi được yên tâm học tập, nghiên cứu. Cuối cùng tôi muốn gửi lời cảm ơn thân thương nhất tới gia đình nhỏ thân yêu của tôi, là nơi tôi luôn nhận được sự ủng hộ động viên, khích lệ kịp thời, và luôn đồng hành kề vai sát cánh bên tôi để tôi có thể vững tâm hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu luận án. Tác giả
iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan ...................................................................................................... i Lời cám ơn ........................................................................................................ ii Mục lục ............................................................................................................. iii Danh mục kí hiệu và từ viết tắt ........................................................................ vi Danh mục các bảng ........................................................................................ viii Danh mục các hình ........................................................................................... ix MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG ĐỂ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ LƯỚI .............................. 8 1.1. Giới thiệu về thủy điện Việt Nam .......................................................... 8 1.2. Hệ thống tự động hóa trong nhà máy thủy điện .................................. 11 1.3. Bài toán điều khiển tần số và công suất tác dụng trong hệ thống điện 13 1.4. Bài toán điều khiển tần số phát điện khi có liên kết vùng ................... 18 1.5. Tổng quan các nghiên cứu ................................................................... 20 1.6. Chọn tên đề tài và hướng nghiên cứu .................................................. 30 1.7. Mục tiêu luận án ................................................................................... 31 1.8. Kết luận chương 1 ................................................................................ 32 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ THỐNG TUABIN MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG .............................................. 34 2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống thủy điện đơn vùng ....................................... 34 2.1.1. Mô hình đường ống áp lực ............................................................ 35 2.1.2. Mô hình hệ thống servo điện - thủy lực ........................................ 35 2.1.3. Mô hình tuabin thủy lực ................................................................ 36 2.1.4. Mô hình máy phát điện ................................................................. 37
iv 2.1.5. Khảo sát động học hệ thống .......................................................... 39 2.2. Mô hình hệ thống thủy điện liên kết hai vùng ..................................... 41 2.3. Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ tuabin máy phát thủy điện liên kết hai vùng ....................................................................................................... 46 2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................ 49 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG TRÊN CƠ SỞ LOGIC MỜ ĐỂ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TẢI... 50 3.1. Bộ điều khiển mờ luật PID................................................................... 50 3.2. Các giải thuật tối ưu hóa tham số bộ điều khiển .................................. 53 3.2.1. Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO .............................................. 53 3.2.2. Thuật toán di truyền GA ............................................................... 56 3.2.3. Thuật toán tiến hóa vi phân DE .................................................... 58 3.3. Thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng để ổn định tần số khi tải thay đổi .................................................................................. 60 3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển FLC1 và FLC2 loại PI ............................. 61 3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển FLC1 và FLC2 loại PD ............................ 64 3.3.3. Tối ưu hóa các tham số bộ điều khiển mờ .................................... 65 3.3.4. Mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng ......................................................................................................... 66 3.4. Kết luận chương 3 ................................................................................ 76 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG ĐỂ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TẢI .. 78 4.1. Đặt vấn đề ............................................................................................ 78 4.2. Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo để tổng hợp bộ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết vùng ................................................................................ 79 4.2.1. Những khái niệm cơ bản về mạng nơ ron nhân tạo ...................... 79 4.2.2. Các phương pháp huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo ................... 81
v 4.3. Các chiến lược điều khiển tốc độ tuabin trong bài toán điều khiển tần số hệ thống thủy điện ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo .................................. 86 4.3.1. Chiến lược điều khiển tần số - tải sử dụng bộ điều khiển NARMA- L2 ............................................................................................................ 86 4.3.2. Bộ điều khiển LFC dựa trên MRAC ............................................. 90 4.3.3. MPC ứng dụng ANN cho LFC ..................................................... 91 4.4. Các kết quả mô phỏng .......................................................................... 94 4.4.1. Điều khiển thủy điện liên kết hai vùng sử dụng bộ điều khiển nơ ron 94 4.4.2. Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển NARMA và MRAC .......... 95 4.4.3. Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển MPC ................................ 100 4.5. Kết luận chương 4 .............................................................................. 104 CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH TỐC ĐỘ TUABIN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ......... 105 5.1. Đặt vấn đề .......................................................................................... 105 5.2. Tổng hợp và phân tích các giải pháp điều khiển cho nhà máy thủy điện đơn vùng và liên kết vùng ......................................................................... 106 5.2.1. Sơ đồ mô phỏng nhà máy thủy điện đơn vùng ứng dụng bộ điều khiển mờ và mạng nơ ron ..................................................................... 106 5.2.2. Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng để ổn định tần số tải .............................................................................. 108 5.3. Kết luận chương 5 .............................................................................. 128 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 130 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ........................................... 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 132 PHỤ LỤC ...................................................................................................... 144
vi DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Ý nghĩa i : Vùng thứ i [pu] : Đơn vị tương đối ∆ Ptie,i : Sai lệch của công suất đường dây, pu. ∆fi : Biến thiên của tần số lưới điện, pu. ∆PD,i : Lượng biến thiên công suất tải, pu. ∆ω : Sai lệch tốc độ rotor máy phát [pu] ACE1 : Sai lệch điều khiển vùng 1 ACE2 : Sai lệch điều khiển vùng 2 ACEi : Sai lệch điều khiển vùng i f : Tần số thực của lưới điện, Hz ag : Gia tốc trọng trường [m/s2 ] Di : Hệ số tắt dần dao động của phụ tải, FLC : Fuzzy logic control fn : Tần số danh định của lưới điện, fn = 50Hz Hi : Hằng số quán tính của máy phát thứ i Pmi : Công suất cơ đầu vào tương ứng với máy phát thứ i, Ri : Hệ số điều chỉnh của máy phát thứ i, pu. Tg,i : Hằng số thời gian của bộ điều tốc, [s] Tw,i : Hằng số thời gian khởi động của nước cho tuabin thứ i [s] Twp : Hằng số thời gian khởi động của nước với tải định mức trong đường ống áp lực [s] Tp : Hằng số thời gian của van phụ và secvo, [s] δi : Góc công suất của máy phát thứ i, rad ρ : Trọng lượng riêng của nước [kg/m3] ω0 : Tốc độ góc của máy phát điện tại thời điểm làm việc, rad/s ωi : Tốc độ của máy phát thứ i, rad/s
vii Kí hiệu Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt PSO Particle swarm optimization Tối ưu hóa bầy đàn Nonlinear Autoregressive - NARMA-L2 Điều khiển hồi qui Moving Average Model reference adaptive Điều khiển thích nghi với mô MRAC control hình mẫu MPC Model predictive control. Điều khiển dự báo ANN Artificial Neural Network Mạng nơ ron nhân tạo GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền DE Differential Evolution Tiến hóa vi phân AGC Automatic generation control Điều khiển tự động máy phát IAE Integral of absolute error Tích phân sai số tuyệt đối Integral of time multiplied by Tích phân tích thời gian với sai ITAE absolute error số tuyệt đối ISE Integral of squared error Tích phân bình phương sai số Integral of time multiplied by Tích phân tích thời gian với ITSE squared error bình phương sai số
viii DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 1.1. Thời gian tối thiểu duy trì vận hành phát điện tương ứng với các dải tần số của hệ thống điện [3] ............................................................ 14 Bảng 1.2. Tổng hợp các nghiên cứu gần đây về LFC/AGC ........................... 27 Bảng 3.1. Bảng luật mờ đề xuất cho bộ điều khiển mờ kiểu PI ..................... 63 Bảng 4.1 So sánh ba phương pháp học của mạng nơ ron nhân tạo ................ 83 Bảng 4.2. Tham số lựa chọn cho mô hình mẫu............................................... 88 Bảng 4.3. Kết quả so sánh dựa trên một số tiêu chuẩn điều khiển trong trường hợp mô phỏng đầu tiên.................................................................... 99 Bảng 4.4. So sánh chất lượng các bộ điều khiển dựa trên hai tiêu chuẩn điều khiển IAE và ISE cho trường hợp mô phỏng thứ hai ................... 100 Bảng 4.5. Kết quả so sánh dựa trên một số tiêu chí điều khiển .................... 103 Bảng 5.1. So sánh các bộ điều khiển dựa trên chỉ tiêu chất lượng ITAE cho đáp ứng sai lệch tốc độ máy phát......................................................... 127 Bảng 5.2. So sánh các bộ điều khiển dựa trên chỉ tiêu chất lượng ITAE cho độ lệch công suất trao đổi đường dây giữa hai vùng ......................... 128
ix DANH MỤC CÁC HÌNH TT Tên hình Trang Hình 1.1. Mô hình nhà máy thủy điện ............................................................ 10 Hình 1.2. Hệ thống tự động hóa cho nhà máy thủy điện ................................ 11 Hình 1.3. Sơ đồ khối nhà máy thủy điện đơn vùng ........................................ 12 Hình 1.4. Đặc tính tĩnh của tuabin .................................................................. 16 Hình 1.5. Mô hình hệ thống điều khiển tuabin thủy điện liên kết hai vùng ... 19 Hình 1.6. Hệ thống LFC .................................................................................. 25 Hình 1.7. Tiến trình thực hiện luận án ............................................................ 32 Hình 2.1. Mô hình nhà máy thủy điện ............................................................ 34 Hình 2.2. Mô hình chức năng hệ thống thủy điện đơn vùng .......................... 35 Hình 2.3. Mô phỏng đáp ứng hàm quá độ của bộ điều tốc khi Tg thay đổi ... 36 Hình 2.4. Mô phỏng đặc tính làm việc của tuabin khi Tw thay đổi ............... 37 Hình 2.5. Mạch vòng điều khiển tần số .......................................................... 38 Hình 2.6. Mô hình máy phát điện ................................................................... 38 Hình 2.7. Đáp ứng quá độ của đặc tính máy phát - phụ tải ............................ 39 Hình 2.8. Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện đơn vùng .... 40 Hình 2.9. Đáp ứng các khâu của sơ đồ hệ thống thủy điện đơn vùng ............ 40 Hình 2.10. Hệ thống thủy điện liên kết hai vùng ............................................ 41 Hình 2.11. Mô hình thủy điện liên kết hai vùng khi chưa thiết kế bộ điều khiển cho hai khu vực ............................................................................... 43 Hình 2.12. Mô hình mô phỏng hệ thống thủy điện liên kết hai vùng ............. 43 Hình 2.13. (a) Vùng 1 ..................................................................................... 44 Hình 2.13. (b) Vùng 2 ..................................................................................... 45 Hình 2.14. Mô hình cấu trúc hệ thống điều khiển tuabin thủy điện liên kết hai vùng .......................................................................................... 46 Hình 2.15. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thủy điện liên kết hai vùng ........ 48
x Hình 3.1. Bộ điều khiển mờ theo luật PID dùng thuật toán chỉnh định PID mờ ........................................................................................... 52 Hình 3.2. Hệ thống điều khiển mờ theo luật PD ............................................. 52 Hình 3.3. Hệ thống điều khiển theo luật PI..................................................... 53 Hình 3.4. Lưu đồ thuật toán điển hình cho giải thuật tối ưu PSO .................. 55 Hình 3.5. Giải bài toán dùng GA .................................................................... 56 Hình 3.6. Lưu đồ giải thuật di truyền .............................................................. 57 Hình 3.7. Sơ đồ chức năng của mạng lưới thủy điện liên kết hai khu vực ..... 60 Hình 3.8. Kiến trúc bộ điều khiển logic mờ loại PI điển hình cho bộ điều khiển ............................................................................................... 62 Hình 3.9. Cấu trúc bộ điều khiển logic mờ kiểu PD kết hợp giải thuật tối ưu PSO ........................................................................................... 64 Hình 3.10. Cấu trúc bộ điều khiển logic mờ kiểu PI kết hợp giải thuật tối ưu PSO ..................................................................................... 65 Hình 3.11. Thông số của bộ điều khiển PID ................................................... 66 Hình 3.12. Kiến trúc mờ kiểu PI xây dựng trên MATLAB ............................ 67 Hình 3.13. Xây dựng các hàm liên thuộc cho đầu vào sai lệch E(t) ............... 68 Hình 3.14. Xây dựng các hàm liên thuộc cho đầu vào đạo hàm của sai lệch DE(t) ...................................................................................... 68 Hình 3.15. Mờ hóa đầu ra của bộ điều khiển mờ kiểu PI ............................... 69 Hình 3.16. Quan hệ vào/ra của bộ điều khiển mờ kiểu PI đã đề xuất ............ 69 Hình 3.17. Kết quả mô phỏng cho một nhà máy thủy điện đơn vùng ............ 71 Hình 3.18. So sánh ba bộ điều khiển FLC cho trường hợp nhà máy thủy điện đơn vùng.......................................................................................... 71 Hình 3.19. Đáp ứng sai lệch tốc độ máy phát đồng bộ cho nhà máy đơn vùng sử dụng bộ điều khiển logic mờ, khi tải thay đổi 4%. .................... 72 Hình 3.20. Sự hội tụ của thuật toán PSO ........................................................ 74
xi Hình 3.21. Cập nhật các hệ số chỉnh định bằng thuật toán PSO .................... 74 Hình 3.22. So sánh ba bộ điều khiển mờ ứng dụng các thuật toán tối ưu hóa sinh học khác nhau (PSO, GA và DE) ............................................ 75 Hình 3.23. Các hàm mục tiêu trong hệ thống thủy điện liên kết hai vùng áp dụng bộ điều khiển logic mờ ứng dụng ba thuật toán tối ưu hóa ... 76 Hình 4.1. Học có giám sát ............................................................................... 81 Hình 4.2. Học củng cố..................................................................................... 82 Hình 4.3. Học không có giám sát .................................................................... 83 Hình 4.4. Mạng Perceptron ............................................................................. 84 Hình 4.5. Kiến trúc mạng nơ ron .................................................................... 85 Hình 4.6. Mô hình mô phỏng NARMA sử dụng ANN .................................. 86 Hình 4.7. Mô hình mẫu xây dựng trên Simulink ............................................ 87 Hình 4.8. Đáp ứng vào/ra của mô hình mẫu với một trường hợp thay đổi phụ tải ..................................................................................................... 89 Hình 4.9. Mô hình mô phỏng thủy điện liên kết 2 vùng sử dụng bộ điều khiển NARMA - L2 dựa trên ANN .......................................................... 89 Hình 4.10. Cấu trúc điều khiển của mô hình MRAC áp dụng ANN .............. 91 Hình 4.11. Mô hình MPC dựa trên ANN được áp dụng cho vùng điều khiển thứ i ................................................................................................. 91 Hình 4.12. Cấu trúc điều khiển của các hệ thống thủy điện áp dụng bộ điều khiển LFC ....................................................................................... 93 Hình 4.13. Quá trình huấn luyện của hai bộ điều khiển LFC dựa trên ANN - kết quả điển hình ............................................................................. 96 Hình 4.14. Kết quả mô phỏng cho kịch bản mô phỏng đầu tiên .................... 97 Hình 4.15. Sai lệch công suất trao đổi trên đường dây trong trường hợp mô phỏng đầu tiên ................................................................................. 98 Hình 4.16. Hàm mục tiêu cho kịch bản mô phỏng đầu tiên ........................... 98
xii Hình 4.17. Kết quả mô phỏng cho kịch bản thứ hai ....................................... 99 Hình 4.18. Các hàm mục tiêu cho trường hợp mô phỏng thứ hai................. 100 Hình 4.19. Quá trình huấn luyện của hai bộ điều khiển LFC dựa trên ANN - kết quả điển hình ........................................................................... 101 Hình 4.20. Kết quả mô phỏng nhà máy thủy điện liên kết hai khu vực ....... 102 Hình 4.21. Công suất trao đổi trên đường dây và hàm mục tiêu (a) công suất liên kết; (b) Hàm mục tiêu ............................................................ 103 Hình 5.1. Mô hình các bộ điều khiển ứng dụng cho đơn vùng ..................... 106 Hình 5.2. Đáp ứng sai lệch tốc độ máy phát đồng bộ cho hệ thống điện đơn vùng sử dụng các bộ điều khiển thông minh đã đề xuất ............... 107 Hình 5.3. So sánh đáp ứng sai lệch tốc độ máy phát khi sử dụng các bộ điều khiển ứng dụng logic mờ, mạng nơ ron và PID - đơn vùng ......... 107 Hình 5.4. Mô hình các bộ điều khiển ứng dụng cho liên kết 2 vùng ............ 108 Hình 5.5. Thay đổi tải cho mỗi vùng ............................................................ 109 Hình 5.6. Đáp ứng độ lệch tốc độ cho vùng 1 sử dụng các bộ điều khiển tốc độ tuabin khác nhau ........................................................................... 110 Hình 5.7. Đáp ứng độ lệch tốc độ cho vùng 2 sử dụng các bộ điều khiển tốc độ tuabin khác nhau ........................................................................... 111 Hình 5.8. Tín hiệu điều khiển vị trí van ở vùng 1 ......................................... 112 Hình 5.9. Tín hiệu điều khiển vị trí van vùng 2 ............................................ 113 Hình 5.10. Độ lệch công suất cơ cho khu vực 1 ........................................... 114 Hình 5.11. Độ lệch công suất cơ cho khu vực 2 ........................................... 115 Hình 5.12. Độ lệch tốc độ cho khu vực 1 ..................................................... 116 Hình 5.13. Độ lệch tốc độ cho khu vực 2 ..................................................... 117 Hình 5.14. Độ lệch công suất trên đường dây của khu vực 1,2 .................... 119 Hình 5.15. Sai lệch vùng điều khiển khu vực 1 ............................................ 121 Hình 5.16. Sai lệch tín hiệu vùng ACE1 - giá trị tuyệt đối ........................... 123
xiii Hình 5.17. Chỉ tiêu ITAE cho tín hiệu sai lệch điều khiển vùng 1 ............... 124 Hình 5.18. Sai lệch vùng điều khiển khu vực 2 ............................................ 125 Hình 5.19. Sai lệch tín hiệu vùng ACE 2- giá trị tuyệt đối ........................... 126 Hình 5.20. Chỉ tiêu ITAE cho tín hiệu sai lệch điều khiển vùng 2 ............... 127
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Đối với hệ thống điện Việt Nam hiện nay việc nâng cao công suất và ổn định hệ thống để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện đang cần thiết và rất cấp bách. Để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện cho các phụ tải và nâng cao chất lượng điện năng, Chính phủ cùng các Bộ, ngành, địa phương đã đưa ra rất nhiều chính sách ưu đãi khuyến khích các tổng công ty, doanh nghiệp tư nhân và doanh nghiệp nước ngoài đầu tư xây dựng nhà máy phát điện để cung cấp cho hệ thống điện Việt Nam, đặc biệt ưu tiên năng lượng tái tạo nhằm nâng cao chất lượng điện năng, đảm bảo an toàn, an ninh năng lượng Quốc gia. Trong hệ thống điện hiện nay bao gồm các nguồn phát điện khác nhau như: nhiệt điện, thủy điện, năng lượng mặt trời, năng lượng gió v.v..., trong đó năng lượng thủy điện đang chiếm khoảng 23% công suất phát vào lưới điện Quốc gia. Thủy điện là nguồn điện được phát điện thông qua việc biến đổi năng lượng từ nước dưới dạng thế năng biến đổi thành cơ năng làm quay tuabin - máy phát để phát ra điện cung cấp cho phụ tải. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành phụ tải luôn gặp những biến động như: sự cố lưới điện, thay đổi công suất, tần số, chế độ làm việc của phụ tải và tổ máy, dẫn đến sự mất ổn định của hệ thống điện. Do vậy, nhiệm vụ của bộ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện là phải giữ sao cho công suất và tần số lưới điện luôn ổn định khi tải thay đổi. Ở chế độ phát điện độc lập trong toàn bộ quá trình phát điện việc điều chỉnh công suất và tần số ổn định khi tải thay đổi là nhiệm vụ chính của tổ máy phát thủy điện. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành tổ máy thì công suất, tần số lưới luôn thay đổi dẫn đến làm mất ổn định hệ thống điện. Do vậy, bộ điều tốc có nhiệm vụ tham gia điều khiển đóng/mở cánh hướng để giữ cho công suất, tần số lưới ổn định.
2 Với các nhà máy thủy điện nhỏ hiện nay đang thực hiện chế độ vận hành phát độc lập và phát khu vực cung cấp cho phụ tải, trong quá trình vận hành khi tải thay đổi, chiều cao cột áp thay đổi cùng tổn thất đường ống dẫn đến thay đổi tốc độ, tần số máy phát. Việc nghiên cứu để ổn định công suất, tần số máy phát ở chế độ phát độc lập đã được nhiều nhà nghiên cứu, chuyên gia trong, ngoài nước quan tâm và có những công trình nghiên cứu tương đối cơ bản và hoàn thiện. Đối với các nhà máy liên kết đa vùng trên thế giới một số nhà khoa học đã quan tâm nghiên cứu và đạt những kết quả bước đầu trên cơ sở ứng dụng việc tính toán mềm. Ở nước ta hiện nay, việc xây dựng hệ thống lưới điện thông minh đòi hỏi phải tích hợp nhiều nguồn năng lượng đa dạng để đảm bảo an ninh năng lượng Quốc gia, do vậy việc kết nối các nguồn điện và nhà máy thủy điện là quan trọng và cần thiết. Tuy nhiên, bài toán nghiên cứu về ổn định tần số tải trong thủy điện liên kết vùng chưa được các nhà khoa học trong nước đề cập giải quyết. Bài toán này sẽ được NCS tập trung giải quyết trong luận án với đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển tốc độ tuabin thuỷ điện liên kết vùng trên cơ sở logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo” 2. Mục đích của đề tài Nghiên cứu, xây dựng mô hình hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết vùng. Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển tốc độ tuabin thuỷ điện liên kết vùng trên cơ sở logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo nhằm nâng cao chất lượng điều khiển. 3. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu thực tế quy trình công nghệ phương thức vận hành của hệ thống tự động hóa thủy điện.
3 Nghiên cứu xây dựng và khảo sát mô hình mô phỏng của tuabin máy phát thủy lực trên cơ sở công cụ mô phỏng Matlab/Simulink với các tham số thực tế của tổ máy, sử dụng các thuật toán điều khiển thông minh mới. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu thiết bị, công nghệ tuabin nhà máy thủy điện đơn vùng và liên kết vùng. - Nghiên cứu quy trình vận hành nhà máy và hệ thống điện, nghiên cứu các dạng sự cố của tổ máy và sự ảnh hưởng của các thông số như: Sự cố, chế độ vận hành của tổ máy, công suất, tần số máy phát khi tải thay đổi, liên kết với các nhà máy trong vùng cấp điện. - Thiết kế bộ điều khiển logic mờ loại PI dựa trên các thuật toán tối ưu như : Tối ưu hóa bầy đàn (PSO), thuật toán di truyền (GA), tiến hóa vi phân (DE). - Tổng hợp bộ điều khiển nơ ron kết hợp với các thuật toán điều khiển dự báo (ANN - MPC), hồi quy phi tuyến (NARMA), điều khiển thích nghi với mô hình tham chiếu (MRAC) ứng dụng trong điều khiển tần số tải của hệ thống thủy điện liên kết hai vùng. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn * Ý nghĩa khoa học: Phát triển các thuật toán điều khiển thông minh trên cơ sở ứng dụng điều khiển mờ và mạng nơ ron, ứng dụng trong tổng hợp bộ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng khi phụ tải thay đổi. * Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu là cơ sở để thực nghiệm tiến tới chế tạo các bộ điều khiển thông minh nhằm nâng cao chất lượng điều khiển của bộ điều khiển tuabin thủy điện cho các nhà máy thủy điện hiện nay của Việt Nam, góp phần giữ ổn định công suất, tốc độ (tần số) của tuabin máy phát thủy điện khi tải thay đổi và nâng cao hiệu suất làm việc. 6. Các kết quả mới đạt được - Tổng hợp được bộ điều khiển mờ tối ưu loại PI cho điều khiển tốc độ
4 (tần số) tuabin thủy điện liên kết 2 vùng với 03 giải thuật tối ưu: Tối ưu hóa bày đàn PSO, thuật toán di truyền GA và tiến hóa vi phân DE. - Tổng hợp được bộ điều khiển nơ ron tối ưu cho điều khiển tốc độ (tần số) tuabin thủy điện liên kết 2 vùng với 03 thuật toán: Điều khiển dự báo MPC, hồi quy phi tuyến NARMA và điều khiển thích nghi với mô hình tham chiếu MRAC. Các tham số chỉnh định được xác định thông qua thuật toán tối ưu hóa bày đàn PSO. - Thiết lập được mô hình mẫu cho bài toán điều khiển tần số phụ tải mô hình nhà máy thủy điện đơn vùng và hai vùng điều khiển. 7. Nội dung nghiên cứu Luận án được thiết kế cấu trúc gồm: Phần mở đầu và 5 chương, phần kết luận và kiến nghị, danh mục và các công trình nghiên cứu, phụ lục các hình vẽ và mục lục tài liệu tham khảo. Chương 1. Tổng quan về điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết vùng để ổn định tần số lưới Chương 1 của luận án mô tả hoạt động của hệ thống tự động hóa trong nhà máy thủy điện, phân tích bài toán điều khiển tốc độ tuabin thủy điện, tổng quan các nghiên cứu trong nước và ngoài nước về thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện đơn vùng và đa vùng. Trên cơ sở những phân tích đó luận án đặt ra mục tiêu thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết hai vùng để ổn định tần số tải trên cơ sở ứng dụng một số thuật toán điều khiển thông minh như logic mờ, mạng nơ ron, thuật toán tối ưu như PSO, GA, DE… Các kết quả được công bố [CT5] trong danh mục công trình khoa học của luận án.
5 Chương 2: Mô hình động lực học của hệ thống tuabin máy phát thủy điện liên kết vùng Trong chương này luận án tổng hợp mô hình toán học của hệ thống điều khiển tuabin thủy điện, phân tích các thành phần, các khối chức năng cơ bản trong hệ thống. Luận án tập trung phân tích đặc thù của mô hình hệ thống khi có liên kết 2 vùng, đề xuất mô hình và cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng. Đây là cơ sở để trong những chương tiếp theo của luận án sẽ đề xuất một số thuật toán điều khiển thông minh sử dụng trong tổng hợp các bộ điều khiển hệ thống nhằm bảo đảm được mục tiêu điều khiển đã đề ra. Các kết quả được công bố [CT4] trong danh mục công trình khoa học của luận án Chương 3. Thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết vùng trên cơ sở logic mờ để ổn định tần số tải Chương 3 của luận án đưa ra thiết kế bộ điều khiển mờ FLC loại PI và PD để điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng. Các tham số chỉnh định của hai bộ điều khiển mờ trong hệ thống được xác định bằng các thuật toán tối ưu: PSO, GA, DE. Kết quả mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink cho thấy các bộ điều khiển mờ PI hoặc PD đều có hiệu quả hơn bộ điều khiển PID kinh điển. Đồng thời thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO thể hiện tốc độ hội tụ nhanh nhất trong bài toán đặt ra. Hai trường hợp mô phỏng số được triển khai trong phần mềm MATLAB/Simulink cũng được triển khai cho hai hệ thống thủy điện để khẳng định tính khả thi của các bộ điều khiển FLC được đề xuất. Các kết quả được công bố [CT1] trong danh mục công trình khoa học của luận án