Luận án tiến sĩ kỹ thuật 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 nghiên cứu hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện bằng logic mờ và mạng nơron nhân tạo, ứng dụng liên kết vùng hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Duy Trung
• Người hướng dẫn: GS.TS Lê Hùng Lân
• Trường học: Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Điều khiển học
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện bằng logic mờ và mạng nơron nhân tạo
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện

Hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định tần số và công suất của lưới điện. Tuabin thủy điện là thiết bị chính biến đổi năng lượng nước thành điện năng. Logic mờ và mạng nơron nhân tạo được ứng dụng để tối ưu hóa quá trình điều khiển. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc nâng cao hiệu quả của hệ thống thủy điện thông qua các công nghệ điều khiển hiện đại.

1.1. Giới thiệu về thủy điện Việt Nam

Thủy điện chiếm khoảng 23% công suất phát điện tại Việt Nam. Hệ thống tự động hóa trong nhà máy thủy điện giúp tối ưu hóa quá trình vận hành. Các nhà máy thủy điện đơn vùng và liên kết vùng đều cần hệ thống điều khiển hiệu quả để đảm bảo ổn định tần số khi tải thay đổi.

1.2. Bài toán điều khiển tần số và công suất

Bài toán điều khiển tuabin tập trung vào việc duy trì ổn định tần số và công suất khi tải thay đổi. Kiểm soát tốc độ tuabin là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất của hệ thống. Các nghiên cứu gần đây đã đề xuất nhiều giải pháp sử dụng công nghệ điều khiển hiện đại như logic mờ và mạng nơron.

II. Mô hình động lực học của hệ thống tuabin thủy điện

Chương này tập trung vào việc xây dựng mô hình động lực học của hệ thống tuabin thủy điện. Mô hình đường ống áp lực, hệ thống servo điện - thủy lực, và mô hình tuabin thủy lực được phân tích chi tiết. Hệ thống thủy điện liên kết hai vùng được đề xuất để nâng cao hiệu quả điều khiển.

2.1. Mô hình hệ thống thủy điện đơn vùng

Mô hình hệ thống thủy điện đơn vùng bao gồm các thành phần chính như tuabin, máy phát điện, và hệ thống điều khiển. Khảo sát động học hệ thống giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành.

2.2. Mô hình hệ thống liên kết hai vùng

Hệ thống thủy điện liên kết hai vùng được thiết kế để tối ưu hóa quá trình điều khiển tần số và công suất. Mô hình điều khiển tốc độ tuabin được đề xuất để đảm bảo ổn định hệ thống khi tải thay đổi.

III. Thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin bằng logic mờ

Chương này trình bày việc thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển tốc độ tuabin thủy điện. Bộ điều khiển mờ luật PID được tối ưu hóa thông qua các thuật toán như tối ưu hóa bầy đàn (PSO), thuật toán di truyền (GA), và tiến hóa vi phân (DE). Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả vượt trội của bộ điều khiển mờ so với các phương pháp truyền thống.

3.1. Bộ điều khiển mờ loại PI và PD

Bộ điều khiển mờ loại PI và PD được thiết kế để điều khiển tốc độ tuabin. Các tham số của bộ điều khiển được tối ưu hóa bằng các thuật toán PSO, GA, và DE. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển mờ có hiệu quả cao trong việc ổn định tần số.

3.2. Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển

Các thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO), thuật toán di truyền (GA), và tiến hóa vi phân (DE) được sử dụng để tối ưu hóa tham số của bộ điều khiển mờ. PSO cho thấy tốc độ hội tụ nhanh nhất và hiệu quả cao nhất trong bài toán đặt ra.

IV. Ứng dụng mạng nơron nhân tạo trong điều khiển tuabin

Chương này nghiên cứu việc ứng dụng mạng nơron nhân tạo để điều khiển tốc độ tuabin thủy điện. Các bộ điều khiển như NARMA-L2, MRAC, và MPC được thiết kế và tối ưu hóa thông qua mạng nơron. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả vượt trội của các bộ điều khiển này trong việc ổn định tần số.

4.1. Bộ điều khiển NARMA L2 và MRAC

Bộ điều khiển NARMA-L2 và MRAC được thiết kế dựa trên mạng nơron nhân tạo. Các bộ điều khiển này cho thấy hiệu quả cao trong việc ổn định tần số khi tải thay đổi. Kết quả mô phỏng được thực hiện trên MATLAB/Simulink.

4.2. Bộ điều khiển MPC dựa trên ANN

Bộ điều khiển MPC được thiết kế dựa trên mạng nơron nhân tạo (ANN). Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả cao của bộ điều khiển này trong việc ổn định tần số và công suất của hệ thống thủy điện liên kết hai vùng.

V. Phân tích và đánh giá hiệu quả các giải pháp điều khiển

Chương này tổng hợp và phân tích hiệu quả của các giải pháp điều khiển đã đề xuất. Hệ thống điều khiển thông minh sử dụng logic mờ và mạng nơron cho thấy hiệu quả vượt trội so với các phương pháp truyền thống. Các kết quả mô phỏng được đánh giá dựa trên các tiêu chí như IAE, ISE, và ITAE.

5.1. So sánh các bộ điều khiển

Các bộ điều khiển sử dụng logic mờ và mạng nơron được so sánh với bộ điều khiển PID truyền thống. Kết quả cho thấy các bộ điều khiển thông minh có hiệu quả cao hơn trong việc ổn định tần số và công suất.

5.2. Đánh giá hiệu quả thực tiễn

Các kết quả nghiên cứu là cơ sở để phát triển các hệ thống điều khiển thông minh cho các nhà máy thủy điện tại Việt Nam. Các bộ điều khiển này góp phần nâng cao hiệu suất và ổn định hệ thống điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG ĐỂ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ LƯỚI 1. Giới thiệu về thủy điện Việt Nam Năng lượng điện là dạng năng lượng thứ cấp được tạo ra từ nhiều nguồn năng lượng thứ cấp khác nhau như nhiệt năng (dầu, khí đốt, than, năng lượng phóng xạ, năng lượng mặt trời.), thủy năng (sông, suối, sóng biển, thủy chiều.), năng lượng gió. Đây là loại năng lượng đóng vai trò quan trọng và được sử dụng trên khắp thế giới trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống ngày nay như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, sinh hoạt. Việc sử dụng dạng năng lượng khác để biến thành điện năng của mỗi nước là tùy vào tình hình tài nguyên và đường lối phát triển của nước đó.

Thuỷ năng là một dạng năng lượng tái tạo được. Đây là đặc tính ưu việt nhất của nguồn năng lượng này, các nguồn năng lượng khác như: Nguyên tử, than, dầu. không thể tái tạo được. Trong quá trình biến đổi năng lượng, chỉ có thuỷ năng sau khi biến đổi thành cơ năng và nhiệt năng lại được tái tạo thành dạng thủy năng, còn các dạng năng lượng khác trong quá trình biến đổi không tự tái tạo trong tự nhiên.

Con người sử dụng nguồn thuỷ năng để phục vụ cho đời sống và sản xuất, đặc biệt là để phát điện. Tiềm năng thủy điện Do vị trí địa lý của Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm mưa nhiều, nên đất nước ta có nguồn tài nguyên thủy năng tương đối lớn. Phân bố địa hình trải dài từ Bắc vào Nam với bờ biển hơn 3400 km cùng với sự thay đổi cao độ từ hơn 3100 m cho đến độ cao mặt biển đã tạo ra nguồn thế năng to lớn do chênh lệch địa hình tạo ra. Nhiều nghiên cứu đánh giá đã chỉ ra rằng, Việt Nam có thể khai thác được nguồn công suất thủy điện vào khoảng 25.000 MW, tương ứng với 9 khoảng 90 -100 tỷ kWh điện năng/năm.

Tuy nhiên, trên thực tế, tiềm năng về công suất thủy điện có thể khai thác còn nhiều hơn. Theo kinh nghiệm khai thác mà thủy điện trên thế giới, công suất thủy điện ở Việt Nam có thể khai thác trong tương lai có thể bằng từ 30.000 MW và điện năng có thể khai thác được 100 - 110 tỷ kWh/năm. Ngoài mục tiêu cung cấp điện, các nhà máy thủy điện còn có nhiệm vụ cắt và chống lũ cho hạ du trong mùa mưa bão, đồng thời cung cấp nước phục vụ sản xuất và nhu cầu dân sinh trong mùa khô. Ở nước ta, thủy điện chiếm một tỷ trọng cao trong cơ cấu sản xuất điện.

Hiện nay, mặc dù ngành điện đã phát triển đa dạng hóa nguồn điện, nhưng thủy điện vẫn đang chiếm một tỷ trọng đáng kể. Năm 2014, thủy điện chiếm khoảng 32% trong tổng sản xuất điện. Theo dự báo của Quy hoạch điện VII (QHĐ VII) thì đến các năm 2020 và 2030 tỷ trọng thủy điện vẫn còn khá cao, tương ứng là 23%. Trong thời kì đổi mới hiện nay, nền công nghiệp nước ta đóng một vị trí rất quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, ngành điện là ngành tiên phong luôn đi trước một bước và xây dựng các nhà máy, nhiệt điện, thủy điện, điện gió điện mặt trời, điện hạt nhân.

Trong số các nguồn điện thì thủy điện luôn đạt sản lượng cao nhất chiếm một tỉ trọng lớn trong ngành điện. Do vậy nhà máy thủy điện luôn được Chính phủ và các Bộ ngành, Tập đoàn Điện lực quan tâm và đầu tư rất lớn. Tại các khu vực, miền Bắc, miền Trung, miền Nam, công suất của nhà máy thủy điện theo TCVN 5090 được phân chia thành 3 loại, thủy điện lớn có công suất P> 1000MW, thủy điện trung bình có công suất 15MW< P <1000MW, thủy điện nhỏ P<15MW. Mô hình nhà máy thủy điện Một số nhà máy thủy điện lớn có thể kể đến như: nhà máy thủy điện Sơn La là nhà máy thủy điện lớn nhất Việt Nam và khu vực Đông Nam Á, được xây dựng ngày 2/12/2005, công suất lắp đặt 2400MW, nhà máy thủy điện Hòa Bình công suất 1920MW được xây dựng và khánh thành năm 1994, nhà máy thủy điện Lai Châu công suất lắp đặt 1200MW, thủy điện Huội Quảng công suất lắp đặt 520MW, thủy điện Yaly công suất lắp đặt 720MW, thủy điện Hàm Thuận - Đa Nhim khởi công năm 1997, hoàn thành 2001, công suất 300MW, nhà máy thủy điện Tuyên Quang công suất 342 MW.

là những thủy điện chiến lược đa mục tiêu. Bên cạnh đó là những nhà máy thủy điện vừa và thủy điện nhỏ cũng tham gia vào thị trường phát điện Việt Nam. Có thể thấy thủy điện luôn đóng một vai trò rất quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế của đất nước. Chính vì vậy mà khâu đầu tư, chế tạo thiết bị, quản lí vận hành cho các nhà máy đòi hỏi rất cao về yêu cầu kỹ thuật công nghệ và an ninh năng lượng của Quốc gia.

Nhà máy thủy điện có bộ điều tốc (được ví như là trái tim của nhà máy) làm nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ và tần số máy phát. Trong hệ thống nhà máy dù chỉ 11 xảy ra các dao động nhỏ cũng ảnh hưởng đến ổn định tổ máy, chất lượng đầu ra của nhà máy nên bộ điều khiển điều tốc của thủy điện rất quan trọng trong quá trình phát điện, luôn được quan tâm nghiên cứu. Hệ thống tự động hóa trong nhà máy thủy điện Trong [3] nhà máy thủy điện hệ thống tự động hóa có vai trò rất quan trọng, nó được thiết kế, trang bị kỹ thuật cao và phải đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành. Các quá trình phát điện được điều khiển một cách tự động và tối ưu quá trình sản xuất điện năng.

Ta có sơ đồ hệ thống tự động hóa trong nhà máy như sau: Hình 1. Hệ thống tự động hóa cho nhà máy thủy điện 12 Nguyên lí của sơ đồ hệ thống tự động hóa trong nhà máy phát điện là: hệ tuabin máy phát sẽ có nhiệm vụ phát ra điện, sau đó qua khâu biến đổi điện áp (máy biến áp) và truyền tải trên đường dây đi đến các phụ tải, trong đó quá trình vận hành phát điện được thực hiện tự động. Trong hệ thống tự động động hóa của nhà máy thì có các khối có chức năng như: Điều khiển tổ máy phát: Tổ máy có nhiệm vụ phát điện thông qua khâu tuabin máy phát và phát ra điện áp đầu ra của máy phát và tần số, trên cơ sở lịch trình đăng kí phát điện để phát công suất đưa lên hệ thống được điều độ chấp thuận để vận hành được đảm bảo kỹ thuật thuật và hiệu quả kinh tế trong vận hành khai thác. Điều khiển truyền tải là điều khiển công suất phản kháng để điều chỉnh điện áp trên đường dây.

Trong hệ thống điện sẽ có các nhà máy sẽ cùng phát điện lên lưới do vậy việc phối hợp cũng như tự động hóa trong hệ thống điện là rất quan trong và cần thiết để giảm chi phí vận hành nâng cao ổn định hệ thống. Để hiểu được hệ thống có cấu trúc phức tạp trước tiên ta đi nghiên cứu mô hình nhà máy thủy điện đơn vùng. Sơ đồ cấu trúc của mô hình hệ thống được thể hiện trên hình 1.3 [11], bao gồm các khâu: Thay đổi công suất f đặt e f Bộ điều khiển Điều tốc Tuabin Máy phát Hình 1. Sơ đồ khối nhà máy thủy điện đơn vùng Bộ điều khiển: Có nhiệm vụ tạo ra giá trị đặt thích hợp cho bộ điều tốc.

Các thuật toán điều khiển thông minh được quan tâm để thiết kế cho bộ điều khiển này. 13 Bộ điều tốc: Có nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ tuabin thủy điện để phục vụ cho điều chỉnh tốc độ (tần số) công suất của máy phát sao cho hệ thống điện luôn luôn ổn định. Tuabin: Công dụng dùng để dẫn động cho máy phát điện 3 pha, điều khiển tuabin được thực hiện bằng bộ điều tốc thuỷ lực, bánh xe công tác, cánh hướng, buồng xoắn, ống hút. Máy phát: Trục của máy phát điện được nối trực tiếp với trục tuabin nên máy phát sẽ quay cùng với tốc độ quay của tuabin, do vậy việc điều chỉnh tần số và điện áp của máy phát chính là việc điều khiển tốc độ của tuabin thủy lực.

Bài toán điều khiển tần số và công suất tác dụng trong hệ thống điện Với việc điều khiển tốc độ tuabin thủy điện để thay đổi tần số, trong quá trình vận hành khi phụ tải hệ thống thay đổi sẽ dẫn đến công suất, tần số thay đổi gây ra lệch công suất tải giữa các vùng làm mất ổn định hệ thống. Sự mất ổn định này tùy thuộc vào đặc tính dốc xuống của điều tốc và độ lệch tần số của tải, dù thay đổi tải xảy ra ở bất kể vị trí nào. Việc khôi phục tần số hệ thống về giá trị danh định đòi hỏi phải điều chỉnh bổ sung điểm đặt tham chiếu tải (thông qua tua bin máy phát). Thông qua điều khiển các điểm đặt tham chiếu tải của các khu vực phát điện được chọn, việc điều khiển công suất tua bin được phù hợp với các biến thiên của tải trên hệ thống theo mong muốn.

Mục tiêu chính của điều khiển tự động máy phát (AGC) là điều chỉnh tần số về giá trị danh định và duy trì công suất trao đổi giữa các vùng phát điện ở các giá trị danh định theo lịch trình. Chức năng này thường được gọi là điều khiển tần số tải (LFC), nhằm phân phối sự thay đổi cần thiết công suất và tần số các vùng một cách hợp lí để giảm thiểu chi phí vận hành. 14 Trong một hệ thống điện chức năng của AGC là khôi phục tần số về giá trị danh định. Điều này được thực hiện bằng cách thêm một điều khiển thiết lập lại hoặc tích hợp hoạt động trên các cài đặt tham chiếu tải các điều tốc của các tổ máy trên AGC cùng bổ sung bộ điều khiển tích phân để đảm bảo lỗi tần số bằng 0 ở trạng thái ổn định.

Công việc điều khiển bổ sung chậm hơn nhiều so với việc điều khiển tốc độ chính. Thực tế nó thay đổi sau khi điều khiển tốc độ chính đã ổn định tần số hệ thống. Theo thông tư 25/TT/BCT, ngày 30 tháng 11 năm 2016 trong bảng 1. Tổ máy phát điện của nhà máy điện phải có khả năng liên tục phát công suất tác dụng định mức trong dải tần số từ 49 Hz đến 51 Hz.