Luận án tiến sĩ 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 nghiên cứu giải pháp đo lường, điều khiển hiện đại nhằm nâng cao chất lượng ổn định tần số trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ.

• Tác giả: Đặng Tiến Trung
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Duy Hưng
• Trường học: Học viện Kỹ thuật Quân sự
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: 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
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan vấn đề điều khiển tốc độ turbine trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

Chương này trình bày tổng quan về ngành thủy điện tại Việt Nam, nhấn mạnh vai trò quan trọng của thủy điện trong hệ thống cung cấp điện năng. Giải pháp đo lường và giải pháp điều khiển được đề cập như những yếu tố then chốt trong việc duy trì độ ổn định tần số. Các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ có khả năng khai thác tiềm năng của nhiều con sông nhỏ, từ đó đóng góp vào tổng công suất điện. Đặc biệt, việc điều khiển turbine và máy phát điện là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu. "Năng lượng cột nước" là yếu tố chính ảnh hưởng đến động học của hệ thống, yêu cầu các phương pháp điều khiển hiện đại để tối ưu hóa hiệu suất. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp điều khiển hiện đại sẽ giúp nâng cao chất lượng và hiệu quả khai thác năng lượng thủy điện.

1.1. Tình hình phát triển ngành thủy điện

Ngành thủy điện ở Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là sau khi xây dựng các nhà máy thủy điện đầu tiên. Các nhà máy này không chỉ cung cấp điện mà còn góp phần vào việc phát triển kinh tế địa phương. Đo lường hiện đại và điều khiển hiện đại là những yếu tố quan trọng trong việc tối ưu hóa hoạt động của các nhà máy này. Việc áp dụng các công nghệ mới trong đo lường và điều khiển sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống. "Chất lượng ổn định tần số" là một trong những mục tiêu chính trong việc phát triển các nhà máy thủy điện, nhằm đáp ứng nhu cầu điện năng ngày càng tăng của xã hội.

II. Xây dựng thuật toán nhận dạng tham số mô hình động học

Chương này tập trung vào việc xây dựng các thuật toán nhận dạng tham số cho mô hình động học của tổ hợp turbine và máy phát điện. Giải pháp đo lường hiện đại được áp dụng để thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo, từ đó xác định các tham số cần thiết cho mô hình. Việc sử dụng bộ lọc Kalman giúp cải thiện độ chính xác trong việc nhận dạng tham số, từ đó nâng cao khả năng điều khiển. "Năng lượng cột nước" là yếu tố quan trọng trong việc xác định các tham số này. Các thuật toán được phát triển không chỉ giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển mà còn tạo cơ sở cho việc phát triển phần mềm điều khiển trong tương lai. "Chất lượng ổn định tần số" là mục tiêu cuối cùng của việc xây dựng các thuật toán này.

2.1. Phương pháp bình phương tối thiểu

Phương pháp bình phương tối thiểu được sử dụng để xác định các tham số mô hình mô tả quá trình điều khiển tần số quay của tổ hợp turbine và máy phát điện. Việc áp dụng phương pháp này giúp tối ưu hóa các tham số điều khiển, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống. Giải pháp điều khiển hiện đại sẽ được xây dựng dựa trên các tham số đã xác định, nhằm đảm bảo độ ổn định tần số trong quá trình vận hành. "Chất lượng ổn định tần số" là một trong những yếu tố quan trọng trong việc phát triển các nhà máy thủy điện, giúp đáp ứng nhu cầu điện năng ngày càng tăng của xã hội.

III. Tổng hợp luật điều khiển ổn định tần số quay turbine

Chương này trình bày các luật điều khiển nhằm ổn định tần số quay của turbine trong nhà máy thủy điện. Việc áp dụng các lý thuyết điều khiển hiện đại như điều khiển PID và điều khiển tối ưu giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Giải pháp điều khiển hiện đại được phát triển nhằm tối ưu hóa việc điều chỉnh dòng nước cấp cho turbine, từ đó duy trì độ ổn định tần số. Các thuật toán được xây dựng không chỉ giúp nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng mà còn tạo cơ sở cho việc phát triển phần mềm điều khiển trong tương lai. "Chất lượng ổn định tần số" là mục tiêu chính trong việc phát triển các luật điều khiển này.

3.1. Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu

Lý thuyết điều khiển tối ưu được áp dụng để xây dựng các thuật toán điều khiển cho hệ thống turbine. Việc xác định tham số tối ưu cho bộ điều khiển PID là rất quan trọng để đảm bảo độ ổn định tần số. Các thuật toán này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn tạo điều kiện cho việc phát triển các thiết bị điều khiển tự chủ trong tương lai. "Chất lượng ổn định tần số" là một trong những yếu tố quan trọng trong việc phát triển các nhà máy thủy điện, giúp đáp ứng nhu cầu điện năng ngày càng tăng của xã hội.

IV. Mô phỏng kiểm nghiệm

Chương này tập trung vào việc mô phỏng và kiểm nghiệm các thuật toán đã xây dựng. Việc mô phỏng giúp đánh giá tính đúng đắn và hiệu quả của các thuật toán trong việc điều khiển tần số quay của turbine. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng giải pháp điều khiển hiện đại có thể nâng cao đáng kể chất lượng ổn định tần số. Các mô phỏng này không chỉ giúp kiểm nghiệm các lý thuyết mà còn tạo cơ sở cho việc phát triển các thiết bị điều khiển trong tương lai. "Chất lượng ổn định tần số" là mục tiêu cuối cùng của việc mô phỏng và kiểm nghiệm các thuật toán này.

4.1. Đối tượng mô phỏng

Đối tượng mô phỏng bao gồm các hệ thống điều khiển turbine và máy phát điện trong nhà máy thủy điện. Việc mô phỏng giúp đánh giá hiệu quả của các thuật toán điều khiển đã xây dựng. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng giải pháp điều khiển hiện đại có thể nâng cao đáng kể chất lượng ổn định tần số. Các mô phỏng này không chỉ giúp kiểm nghiệm các lý thuyết mà còn tạo cơ sở cho việc phát triển các thiết bị điều khiển trong tương lai. "Chất lượng ổn định tần số" là mục tiêu cuối cùng của việc mô phỏng và kiểm nghiệm các thuật toán này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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. 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. 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. 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. 8 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TURBINE TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ 1.

Nhà máy thủy điện và vấn đề năng lƣợng cột nƣớc nơi đặt turbine Hệ thống điện của tất cả các quốc gia đều có nhiều nhà máy điện cung cấp điện năng cho toàn hệ thống, bao gồm nhà máy nhiệt điện (biến đổi năng lƣợng hóa thạch trong quặng than đá, hoặc dầu mỏ, khí đốt thành điện năng), nhà máy thủy điện (biến đổi thế năng và động năng của dòng nƣớc thành điện năng), nhà máy điện nguyên tử (biến đổi năng lƣợng từ phản ứng của hạt nhân nguyên tử thành điện năng), các trạm điện gió, điện mặt trời. Tỉ lệ đóng góp của các nguồn năng lƣợng trong sơ đồ chung của cả hệ thống điện năng của các quốc gia khác nhau phụ thuộc vào tiềm năng và chiến lƣợc phát triển điện năng của từng quốc gia. Đối với đất nƣớc Việt Nam của chúng ta thủy điện đang đƣợc khai thác rộng khắp, chiếm một tỉ lệ lớn trong tổng nguồn điện năng của đất nƣớc. Trƣớc năm 1954 thủy điện ở Việt Nam còn chiếm tỉ lệ nhỏ trong các lƣới điện khu vực, nhƣ ở miền Bắc có nhà máy thủy điện Tà Sa, Na Ngần, Bàn Thạch, ở miền Nam có nhà máy thủy điện Đa Nhim.

Năm 1971 Nhà nƣớc Liên Xô đã giúp đỡ Nhà nƣớc Việt Nam dân chủ cộng hòa xây dựng nhà máy thủy điện Thác Bà với công suất 3x36=108MW, thủy điện năng bắt đầu chiếm tỉ trọng trong hệ thống điện. Năm 1992 Nhà máy thủy điện Hòa Bình với 8 tổ máy có tổng công suất (8x240MW) có thể hoạt động đủ công suất, trong khi đó tổng công suất tiêu thụ của miền Bắc cực đại chỉ là 1000MW. Do vậy đƣờng dây siêu cao áp 500 kV đƣợc xây dựng gấp rút để tải điện từ Bắc vào Nam. Song hành với việc xây dựng 9 nhà máy thủy điện Hòa Bình ở miền Bắc, ở miền Nam cũng do Liên Xô giúp đỡ tiến hành xây dựng nhà máy thủy điện Trị An tại tỉnh Đồng Nai với 4 tổ máy có tổng công suất (4x100=400MW).

Bắt đầu từ lúc này thủy điện năng chiếm tỉ trọng lớn trong hệ thống điện và tiếp tục phát triển mạnh. Ngày 2 tháng 12 năm 2005 nhà máy thủy điện Sơn La đƣợc khởi công xây dựng tại huyện Mƣờng La, tỉnh Sơn La, đến 9/2012 tổ máy cuối cùng (tổ máy thứ 6) hòa lƣới điện. Nhà máy thủy điện Sơn La có 6 tổ máy với tổng công suất (6x400=2400MW) trở thành nhà máy thủy điện lớn nhất Việt Nam và lớn nhất Đông Nam Á. Nhà máy thủy điện Sơn La do phía Việt Nam chủ trì trong thiết kế và thi công, đánh dấu sự trƣởng thành của ngành xây dựng thủy điện Việt Nam.

Tiếp theo tháng 1 năm 2011 Việt Nam khởi công xây dựng nhà máy thủy điện Lai Châu, đến tháng 12 năm 2016 khánh thành nhà máy với 3 tổ máy có tổng công suất (3x400=1200MW). Ba nhà máy thủy điện (Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình) đã khai thác gần nhƣ toàn bộ tiềm năng về thủy điện của con sông Đà. Bên cạnh các công trình nhà máy thủy điện lớn nêu trên, hàng loạt các nhà máy thủy điện công suất trung bình cũng đƣợc xây dựng nhƣ Đa Nhim, Vĩnh Sơn, Thác Mơ, Sông Hinh, Hàm Thuận, Sông Tranh… cũng đƣợc xây dựng và đƣa vào vận hành. Các địa phƣơng cũng tiến hành xây dựng rất nhiều nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ, nhƣ các nhà máy Rào Quán, Sông Con 2, Đắc Rinh, Ea Krong… Để đi sâu vào vấn đề cần giải quyết trong luận án, cần xem xét tóm tắt nguyên lý hoạt động biến đổi năng lƣợng của dòng nƣớc chảy thành năng lƣợng dạng điện năng.

Trái đất của chúng ta có bốn đại dƣơng chứa một khối lƣợng cực lớn nƣớc dƣới dạng lỏng. Hàng ngày đại dƣơng đƣợc mặt trời chiếu sáng 10 làm bốc hơi một lƣợng nƣớc nhất định, dƣới tác động của ánh sáng mặt trời bầu khí quyển vận động chuyển một lƣợng hơi nƣớc vào các vùng khác nhau của lục địa. Lƣợng hơi nƣớc này rơi xuống các vùng có địa hình khác nhau của lục địa dƣới dạng mƣa rơi hoặc tuyết rơi (đôi khi có cả mƣa dạng đá nƣớc). Một lƣợng nƣớc nhất định thấm vào lòng đất, một lƣợng bị giữ lại ở các hồ, còn phần lớn lƣợng nƣớc tạo thành dòng chảy ở các dòng sông để trở lại về đại dƣơng.

Việc có dòng chảy là do lƣợng nƣớc ở nơi cao có thế năng lớn hơn thế năng của mặt biển đại dƣơng. Động năng của dòng chảy làm quay các turbine có gắn với các máy phát điện để phát ra điện năng. Sơ đồ tính toán tiềm năng của dòng sông Theo [1] việc tính toán nguồn năng lƣợng thủy điện đƣợc thể hiện nhƣ sau: Một dòng chảy tự nhiên có sơ đồ mặt cắt thẳng đứng nhƣ hình 1. Xét hai mặt cắt theo phƣơng ngang ở hai vị trí I và II bất kỳ.

Ở mặt cắt I có chiều cao mức nƣớc là h1 , tại đó tốc độ dòng chảy là V1 , áp suất của dòng nƣớc là p1. Tƣơng tự có các tham số đó tại vị trí II là h2 , V2 , p2 .