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.
