Tài liệu ứng dụng hệ suy luận nơron mờ thích nghi anfis để điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện sê san 4

HÀ ĐỨC MINH ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ ĐỨC MINH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA C C R L T. ỨNG DỤNG HỆ SUY LUẬN NƠ-RON MỜ DU THÍCH NGHI (ANFIS) ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÊ SAN 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHÓA K37 Đà Nẵng - Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ ĐỨC MINH ỨNG DỤNG HỆ SUY LUẬN NƠ RON MỜ THÍCH NGHI ANFIS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÊ SAN 4 C C R L T. DU Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sỹ Nguyễn Quốc Định Đà Nẵng - Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Hà Đức Minh C C DU R L T. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN .............................................4 1.1. Tình hình phát triển thuỷ điện .......................................................................4 1.2. Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy thuỷ điện Sê San 4 .....................6 1.3. Cấu tạo nhà máy thuỷ điện Sê San 4 ............................................................. 6 1.4. Hệ điều khiển công suất nhà máy thuỷ điện Sê San 4 ..................................7 1.5. Hệ thống điều tốc Neyrpic thuỷ điện Sê San 4: .............................................9 CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TUABIN .............................. 15 2.1. Đặt vấn đề ..........................................................................................................15 2.2. Các thông số đặc tính chung tuabin thuỷ điện Sê San 4................................ 15 C C 2.2.1. Cột áp Tuabin ............................................................................................... 15 R L T. 2.2.2. Lưu lượng Tuabin ....................................................................................... 15 2.2.3. Công suất. .....................................................................................................16 DU 2.2.4. Hiệu suất. .....................................................................................................16 2.2.5. Đường kính bánh xe công tác và số vòng quay của Tuabin ..................... 17 2.3. Hệ thống điều chỉnh tuabin nước ....................................................................17 2.3.1. Các yêu cầu với hệ thống điều tốc Tuabin. ................................................17 2.3.2. Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh Tuabin. ...............................................17 2.3.3. Đặc tính của hệ thống điều chỉnh Tuabin. .................................................19 2.3.4. Phân loại bộ điều tốc. ..................................................................................19 2.3.5. Cấu trúc của hệ thống điều chỉnh Tuabin .................................................20 2.3.6. Thông số chính của điều tốc Tuabin tổ máy Sê San 4: ............................. 21 2.4. Mô hình toán học ............................................................................................... 21 2.4.1. Khâu Tuabin ................................................................................................ 21 2.4.2. Khâu khuếch đại .......................................................................................... 22 2.4.3. Các khâu đo. ................................................................................................ 22 2.5. Tổng hợp hệ thống ............................................................................................ 23 2.5.1. Tổng hợp mạch vòng vị trí: .........................................................................23 2.5.2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ...................................................... 23 2.5.3. Mô phỏng hệ thống điều chỉnh Tuabin. ..................................................... 24 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ MẠNG NƠRON ...........................................25 3.1. Tổng quan về điều khiển mờ ............................................................................25 3.1.1. Tổng quan về điều khiển mờ .......................................................................25 3.1.2. Cấu trúc bộ điều khiển mờ ..........................................................................28 3.1.3. Tổng hợp bộ điều khiển mờ: .......................................................................29 3.2. Mạng nơron .......................................................................................................29 3.2.1. Nơron sinh học. ........................................................................................... 29 3.2.2. Mạng Nơron nhân tạo .................................................................................30 3.2.3. Cấu trúc mạng Nơron. .................................................................................32 3.2.4. Cấu trúc dữ liệu vào mạng. .........................................................................35 C C 3.2.5. Huấn luyện mạng. ....................................................................................... 36 R L T. 3.3. Sự kết hợp giữa logic mờ và mạng nơron, công cụ Anfis .............................. 36 3.3.1 Khái niệm ......................................................................................................36 DU 3.3.2. Kết hợp điều khiển mờ và mạng nơron ...................................................... 37 3.3.3. Nơron mờ. ....................................................................................................38 3.3.4. Huấn luyện mạng Noron - Mờ....................................................................39 CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU TỐC TUABIN THỦY ĐIỆN .......................... 41 4.1. Mô hình tuabin thủy điện .................................................................................41 4.2. Điều khiển PID tuabin thủy điện .....................................................................42 4.3. Điều khiển mờ tuabin thủy điện theo mô hình MADAMI ............................ 44 4.3.1. Sơ đồ khối hệ điều khiển. ............................................................................44 4.3.2. Xác định các biến vào ra. ............................................................................44 4.3.3. Xác định tập mờ. .......................................................................................... 44 4.3.4. Xây dựng các luật điều khiển. .....................................................................46 4.3.5. Mô hình mô phỏng. ..................................................................................... 47 4.3.6. Kết quả mô phỏng. ....................................................................................... 47 4.4. Điều khiển mờ tuabin thủy điện theo mô hình SUGENO ............................. 49 4.4.1. Sơ đồ khối hệ điều khiển. ............................................................................49 4.4.2. Xác định các biến vào ra. ............................................................................49 4.4.3. Xác định tập mờ. .......................................................................................... 50 4.4.4. Xây dựng các luật điều khiển. .....................................................................51 4.4.5. Mô hình mô phỏng. ..................................................................................... 53 4.4.6. Kết quả mô phỏng. ....................................................................................... 53 4.5. So sánh các phương án điều khiển ..................................................................54 4.6. Ứng dụng mạng nơron mờ điều khiển tuabin thủy điện ............................... 54 4.6.1. Công cụ ANFIS ........................................................................................... 54 4.6.2. Xây dựng tập dữ liệu.................................................................................... 58 4.6.3. Phương pháp huấn luyện và chuẩn hoá số liệu mạng ANFIS: ................59 4.6.4. Sơ đồ khối hệ điều khiển. ............................................................................60 4.6.5. Xác định các biến vào ra. ............................................................................60 C C 4.6.6. Xác định tập mờ. .......................................................................................... 60 R L T. 4.6.7. Xây dựng các luật điều khiển. .....................................................................63 4.6.8. Mô hình mô phỏng. ..................................................................................... 64 DU 4.6.9. Kết quả mô phỏng. ....................................................................................... 65 4.6.10. Kết quả mô phỏng. ..................................................................................... 65 4.7. So sánh các phương pháp điều khiển với bộ điều khiển ANFIS ..................65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÓM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG HỆ SUY LUẬN NƠRON MỜ THÍCH NGHI ANFIS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÊ SAN 4 Học viên: Hà Đức Minh Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 8520216 Khóa: 37 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - 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. Nhà máy thủy điện Sê San 4 nằm trên khu vực Nam Tây nguyên, giữa hai tỉnh Gia Lai và Kon Tum công suất định mức 360MW. Hệ thống điều tốc Nhà máy Sê San 4 hiện nay đang sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển dẫn đến nhiều hạn chế như độ quá điều chỉnh, sai lệch bám và thời gian xác lập khá lớn, các hệ số của bộ điều khiển PID luôn phải hiệu chỉnh cho phù hợp với thực tế. Do vậy đề tài "Ứng dụng hệ suy luận nơron mờ thích nghi để điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Sê San 4" ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại mờ nơron cho phép ta sử dụng những ưu điểm của cả logic mờ và mạng nơron như cho phép thiết kế hệ thống dễ dàng, tường minh cũng như cho phép học những gì mà ta yêu cầu về bộ điều khiển giúp khắc phục những khuyết điểm của lý thuyết điều khiển kinh điển. Đề tài đã xây dựng được bộ điều khiển mờ nơron thông qua công cụ ANFIS cho hệ thống điều tốc nhà máy. Với bộ điều khiển mờ nơron các thông số về chất lượng điều chỉnh như tần số sai lệch, độ quá điều chỉnh, tần số quá độ rất nhỏ và đạt được các tiêu chuẩn hòa lưới trong hệ thống điện Việt Nam. Như vậy bộ điều khiển mờ nơron hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng điều khiển cho hệ truyền động và có khả năng ứng dụng vào thực tế điều khiển. C C R L T. DU Từ khóa – Nhà máy thủy điện Sê San 4; mờ nơron; hệ thống điều tốc; logic mờ; mạng nơron. APPLICATION OF ANFIS TO CONTROL SPEED ADJUSTMENT SYSTEM OF SE SAN 4 HYDROPOWER PLANT Abstract - Due to Vietnam's geographical location in the tropical climate, hot, humid and rainy, our country has relatively large hydroelectric resources.Se San 4 Hydropower Plant is located in the South Central Highlands, between Gia Lai and Kon Tum provinces with a rated capacity of 360 MW. The Se San 4 factory speed control system is currently using a PID controller to control, leading to many limitations such as over-adjustment, deviation and setting time is quite large, the coefficients of the controller PID must always be adjusted to suit reality. Therefore, the topic "Application of anfis to control speed adjustment system of Sesan 4 hydropower plant" applies modern control theory of neural fuzzy, allowing us to use the advantages of both fuzzy and neural networks such as allowing for easy and explicit system design as well as allowing learning what we require about the controller help overcome the shortcomings of classical control theory. The project has built the neural fuzzy controller through ANFIS tool for the speed control system. With the neural fuzzy controller, parameters of tuning quality such as frequency of deviation, over-regulation, and transient frequency are very small and meet grid-connection standards in Vietnam power system. Thus, the neural fuzzy controller completely meets the requirements of control quality for the drive system and is capable of applying in reality control. Key words – Se San 4 Hydropower plant ; Fuzzy Neural ; Speed adjustment system; Fuzzy logic; Neural Network. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CBCNV : Cán bộ công nhân viên TĐ : Thủy điện mba : Máy biến áp CB : Cảm biến BĐC : Bộ điều chỉnh BKĐ : Bộ khuếch đại CCCH : Cơ cấp chấp hành C C DU R L T. DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 4.2 Các thông số chất lượng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID Bảng luật hợp thành của bộ điều khiển mờ Madami 4.3 Các thông số chất lượng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ Madami 48 4.4 Luật hợp thành của bộ điều khiển mờ Sugeno 52 4.5 Các thông số chất lượng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ Sugeno 53 4.6 So sánh các thông số chất lượng các phương pháp điều khiển(PID, Madami, Sugeno) 54 4.7 Luật hợp thành của bộ điều khiển mờ ANFIS 63 4.8 Các thông số chất lượng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển ANFIS 65 4.9 So sánh các thông số chất lượng các phương pháp điều khiển (PID, Madami, Sugeno, ANFIS) 65 4.1 C C R L T. DU 43 46 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Nhà máy thuỷ điện Sê San 4 6 1.2 Mô hình tổ máy thuỷ điện Sê San 4 7 1.3 Gian máy nhà máy thuỷ điện Sê San 4 8 1.4 Thiết bị điều tốc điện TĐ Sê San 4 9 1.5 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc TĐ Sê San 4 12 1.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều tốc TĐ Sê San 4 2.1 Đường đặc tính cơ bản của tuabin 13 19 2.2 Sơ đồ nguyên lý của bộ điều tốc tác động trực tiếp 19 2.3 Sơ đồ nguyên lý của bộ điều tốc tác động gián tiếp 20 2.4 Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh 20 2.5 Mô hình toán học khối Tuabin 2.6 Hình vẽ động cơ thủy lực 2.7 Hàm truyền khối khuếch đại 22 2.8 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng vị trí 23 2.9 Mạch vòng phản hồi tốc độ 23 2.10 24 2.11 Mô hình tuabin thủy điện trong Matlab Simulink Bộ điều tốc điều khiển bằng PID trong Matlab Simulink (f là tần số, w là phản hồi tốc độ) 3.1 Hàm liên thuộc 26 3.2 Các dạng hàm thuộc 26 3.3 Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ 27 3.4 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ căn bản 28 3.5 Mô hình 2 nơron sinh học 30 3.6 Mô hình nơron đơn giản 30 3.7 Mạng nơron 3 lớp 31 3.8 Cấu trúc huấn luyện mạng nơron 31 3.9 Mô hình nơron đơn giản: không có độ dốc (a) và có độ dốc (b) 31 3.10 Mô hình nơron với R đầu vào 32 3.11 Sơ đồ một nơron với 2 đầu vào 35 C C R L T. DU 21 22 24 3.12 Mô hình hệ mờ - nơron 37 3.13 Cấu trúc chung của hệ mờ - nơron 37 3.14 Nơron mờ 38 3.15 Nơron mờ AND 38 3.16 Nơron mờ OR 38 3.17 Các tập mờ (ví dụ) 39 4.1 Sơ đồ khối tuabin thủy điện 41 4.2 Mô hình tuabin thủy điện 41 4.3 41 4.4 Khối tuabin trong Matlab Simulink Bộ điều tốc tuabin thủy điện với bộ điều khiển R có thể là: PID, Madami, Sugeno … 4.5 Mạch vòng phản hồi tốc độ 42 4.6 Mô hình tuabin sử dụng bộ điều khiển PID 4.7 43 4.8 Mô hình tuabin thủy điện Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển PID (thời gian đáp ứng là 5,6s và sai số chuẩn 2%) 4.9 Mô hình hệ thống sử dụng điều khiển mờ (Madami) 44 4.10 Các đầu vào ra của bộ điều khiển mờ (Madami) 44 4.11 Các tập mờ của biến vào E của bộ điều khiển mờ Madami 45 4.12 Các tập mờ của biến vào dE của bộ điều khiển mờ Madami 45 4.13 Các tập mờ của biến ra U của bộ điều khiển mờ Madami 46 4.14 47 4.16 RuleViewer của bộ điều khiển FLC (Madami) Tín hiệu vào ra được thể hiện trong không gian của bộ điều khiển Madami Đồ thị đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ (Madami) 4.17 Mô hình hệ thống sử dụng điều khiển mờ (Sugeno) 49 4.18 Các đầu vào ra của bộ điều khiển mờ (Sugeno) 49 4.19 Các tập mờ của biến vào E của bộ điều khiển mờ Sugeno 50 4.20 Các tập mờ của biến vào dE của bộ điều khiển mờ Sugeno 50 4.21 Các tập mờ cho biến ra U của bộ điều khiển mờ Sugeno 51 4.22 52 4.23 RuleViewer của bộ điều khiển FLC (Sugeno) Tín hiệu vào ra trong không gian sử dụng bộ điều khiển Sugeno 4.24 Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển mờ Sugeno 53 4.15 C C R L T. DU 42 42 43 48 48 52 4.25 Đáp ứng của hệ thống sử dụng các bộ điều khiển PID, Madami và Sugeno 54 4.26 Cấu trúc ANFIS 58 4.27 Quan hệ vào ra điển hình của nơron 58 4.28 Sơ đồ khối hệ điều khiển dung công cụ ANFIS trong Matlab 60 4.29 Các đầu vào ra của bộ điều khiển mờ (Sugeno) 60 4.30 Các tập mờ của biến vào E của bộ điều khiển mờ ANFIS 61 4.31 Các tập mờ của biến vào dE của bộ điều khiển mờ Sugeno 62 4.32 Các tập mờ cho biến ra U của bộ điều khiển mờ ANFIS 62 4.33 RuleViewer của bộ điều khiển ANFIS 63 4.34 Tín hiệu vào ra trong không gian sử dụng bộ điều khiển ANFIS 64 4.35 Đồ thị đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển ANFIS Đáp ứng của hệ thống sử dụng các bộ điều khiển (PID, Madami, Sugeno và ANFIS) 65 4.36 C C DU R L T. 66 1 MỞ ĐẦU 1. Mở đầu Nhà máy thủy điện Sê San 4 nằm trên khu vực Nam Tây nguyên, giữa hai tỉnh Gia Lai và Kon Tum công suất định mức 360MW (3x120 MW), cung cấp điện năng cho hệ thống điện Quốc gia qua đường dây 220kV. Việc đáp ứng nhanh của các tổ máy khi có sự thay đổi tải đột ngột sẽ góp phần quan trọng nhằm đáp ứng nhanh công suất cho phụ tải góp phần làm ổn định Hệ thống điện Quốc gia. Các chức năng chính của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Sê San 4:  Ổn định tốc độ cho tổ máy trong chế độ làm việc không tải và khi đã hòa lưới  Giữ công suất tác dụng theo một giá trị đặt trước trong chế độ cố định C C  Điều chỉnh công suất tác dụng để ổn định hệ thống trong chế độ điều tần R L T.  Dừng bình thường tổ máy, dừng sự cố tổ máy Đặc điểm của nhà máy Sê San 4 là tổ máy có công suất lớn, độ thay đổi cột nước nhỏ 5m (mực nước dâng bình thường 215m, mực nước chết 210m) nên hệ thống điều tốc Sê San 4 đang lấy giá trị cột nước H = 56m cài đặt cho hệ thống điều tốc là hằng số. DU Hệ thống điều tốc Nhà máy Sê San 4 hiện nay đang sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển quá trình khởi động/dừng máy hoặc tăng/giảm tải của tổ máy, Bộ điều khiển PID có hạn chế là độ quá điều chỉnh, sai lệch bám và thời gian xác lập khá lớn, các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, ít có khả năng bền vững và sau khoảng thời gian vận hành thì bộ tham số PID của bộ điều khiển không còn phù hợp với hệ thống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải hiệu chỉnh các hệ số này cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển. Ngày nay, các hệ thống mờ và mạng nơron được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội. Đặc biệt, trong lĩnh vực điều khiển và tự động hoá, hệ mờ và mạng nơron ngày càng chiếm ưu thế và đã mang lại nhiều lợi ích to lớn. Với ưu điểm cơ bản là có thể xứ lý với độ chính xác cao những thông tin "không chính xác", hệ mờ và mạng nơron là cơ sở của hệ "điều khiển thông minh" và "trí tuệ nhân tạo". Ứng dụng hệ mờ và mạng nơron để điều khiển bộ điều tốc nhà máy thủy điện giúp nâng cao tính ổn định, độ chính xác của hệ thống là hướng tiếp cận mới hiện nay. 2 Đề tài "Ứng dụng hệ suy luận nơron mờ thích nghi điều khiển bộ điều tốc nhà máy thủy điện Sê San 4 " sẽ cung cấp một phương pháp điều khiển mới, giúp nâng cao chất lượng điều khiển điều tốc, đảm bảo tần số sai lệch nhỏ và thời gian quá độ ngắn. Qua đó, nâng cao sự ổn định về chất lượng và hiệu quả của toàn hệ thống nhà máy thủy điện. Sau quá trình học tập và nghiên cứu tại Đại Học Đà Nẵng, tôi đã được đào tạo và tiếp thu những kiến thức hiện đại, tiên tiến nhất trong lĩnh vực tự động hóa. Đồng thời với sự hướng dẫn tận tâm của thầy nên tôi đã quyết định chọn đề tài: " ỨNG DỤNG HỆ SUY LUẬN NƠRON MỜ THÍCH NGHI ANFIS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN BỘ ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÊ SAN 4." 2. Mục đích nghiên cứu Nâng cao khả năng điều khiển cho hệ thống điều tốc cho các nhà máy thủy điện. Ứng dụng lý thuyết mạng nơron và điều khiển mờ vào đối tượng thực tế là bộ điều tốc nhà máy thủy điện công suất trung bình. Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink. C C R L T. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu DU Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều tốc Tuabin nhà máy thủy điện Sê San 4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài là thiết kế bộ điều khiển nhằm ổn định tần số máy phát Tuabine nhà máy thủy điện Sê San 4 cho một chế độ nối lưới. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, thiết kế bộ điều khiển với công cụ ANFIS. Xây dựng mô hình, mô phỏng và kiểm chứng trên phần mềm Matlab-Simulink. Trên cơ sở kết quả thu được rút ra các đánh giá và kết luận. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận văn Ý nghĩa khoa học: Đề tài “ỨNG DỤNG HỆ SUY LUẬN NƠ RON MỜ THÍCH NGHI ANFIS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÊ SAN 4” là một hướng nghiên cứu mới để điều khiển điều tốc, đề tài này sẽ góp phần hoàn thiện cấu trúc điều khiển nhằm nâng cao khả năng điều tốc nhà máy thủy điện và từ đó chúng ta có thể áp dụng cho các công tác thí nghiệm, vận hành, hiệu chỉnh trong nhà máy thủy điện. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện một phương pháp điều khiển mới khắc phục được một số nhược điểm của các phương pháp ĐK kinh điển, từ đó mở ra một khả năng áp dụng cài đặt vào các thiết bị điều khiển trong thương mại, làm nâng cao hơn nữa chất lượng điều tốc nhà máy thủy điện. 3 6. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận, bản luận văn được chia thành 4 chương: Chương 1: Tổng quan nhà máy thủy điện Chương 2: Tổng hợp hệ điều tốc tuabin Chương 3: Điều khiển mờ và mạng nơron Chương 4: Điều khiển điều tốc tuabin thủy điện C C DU R L T. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 1.1. Tình hình phát triển thuỷ 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 độ cao 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 - 26.000 MW, tương ứng với khoảng 90 -100 tỷ kWh điện năng. Tuy nhiên, trên thực tế, tiềm năng về công suất thủy điện có thể khai thác còn nhiều hơn.Theo kinh nghiệm khai thác 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 đến 38.000 MW và điện năng có thể khai thác được 100 - 110 tỷ kWh. C C R L T. DU - Các giai đoạn phát triển + Trước năm 1975 Trước năm 1954, các công trình thủy điện được người Pháp nghiên cứu khai thác thủy điện - thủy lợi để phục vụ cho mục đích khai thác thuộc địa. Các công trình thủy điện được lựa chọn tại các vị trí thuận lợi, có thể xây dựng nhanh, với chi phí thấp, chưa có nghiên cứu sâu về quy hoạch tổng thể. Thời gian tiếp theo (1954 -1975), với sự giúp đỡ của các chuyên gia Liên Xô và Trung Quốc, các nghiên cứu đánh giá tiềm năng thủy điện cho lưu vực sông Hồng đã được thực hiện từ năm 1956. Ngày 19/8/1964, công trình thủy điện có quy mô lớn đầu tiên với sự giúp đỡ của Liên Xô đã được khởi công xây dựng: Thủy điện Thác Bà trên sông Chảy, công suất ban đầu 108 MW. Đây là cái nôi đào tạo đội ngũ CBCNV phát triển thủy điện cho ngành Điện sau này. Tại miền Nam, năm 1961, người Nhật tài trợ theo chương trình đền bù chiến phí của chiến tranh thế giới thứ hai để xây dựng dự án Thủy điện Đa Nhim, công suất 160 MW. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của chiến tranh, Nhà máy phải ngừng hoạt động vào năm 1965, sau gần một năm đưa vào vận hành. + Từ năm 1975 đến năm 1994 5 Giai đoạn 1975 - 1994, với sự giúp đỡ lớn lao từ nước bạn Liên Xô, Việt Nam đã xây dựng thành công Thủy điện Hòa Bình, là dấu mốc quan trọng về khai thác thủy năng to lớn cho đất nước. Tại miền Nam, công tác khắc phục Nhà máy Thủy điện Đa Nhim được thực hiện khẩn trương, và cuối năm 1975, Nhà máy đã vận hành trở lại. Để tiếp tục bổ sung nguồn điện cho miền Nam, ngày 30/4/1984, Thủy điện Trị An đã chính thức khởi công xây dựng. Trong giai đoạn này, tại miền Trung, một số thủy điện nhỏ và vừa cũng bắt đầu được các đơn vị khảo sát - thiết kế trong nước bắt tay thực hiện như Thủy điện Đrây H’linh (12 MW), Thủy điện Vĩnh Sơn (66 MW). + Từ 1995 đến năm 2005 Có thể nói, giai đoạn này là đỉnh cao trong sự nghiệp phát triển thủy điện của đất nước. Nhiều công trình thủy điện được xây dựng và đưa vào vận hành, bao gồm cả những công trình thủy điện lớn, đa mục tiêu: Thủy điện Ialy, Thủy điện Hàm Thuận Đa Mi, Thủy điện Sê San 3, Thủy điện Tuyên Quang… C C R L T. Giai đoạn này cũng chứng kiến sự phát triển vượt bậc và chuyển biến về chất của kỹ thuật xây dựng thủy điện trên tất cả các lĩnh vực, từ quản lý dự án, tư vấn xây dựng, thi công và vận hành nhà máy thủy điện. Từ việc phải phụ thuộc hoàn toàn vào kỹ thuật từ nước ngoài, đội ngũ người Việt đã tự chủ được tất cả công đoạn để xây dựng thành công các công trình thủy điện, với bất kể qui mô nào. DU Thời kỳ này đã xuất hiện hàng loạt thành tựu kỹ thuật hoàn toàn do các kỹ sư trong nước làm chủ. Cùng với việc áp dụng thành công những kết cấu trong xây dựng đập, công tác chế tạo thiết bị cơ khí thủy công cho các dự án thủy điện đã có tiến bộ vượt bậc. Hầu như toàn bộ thiết bị cơ khí thủy công trong giai đoạn này là do các nhà máy cơ khí trong nước đảm nhận. + Từ năm 2006 đến nay Đây là giai đoạn tiếp nối quan trọng trong việc khai thác năng lượng thủy điện của đất nước. Những dự án thủy điện lớn nhất được xây dựng và hoàn thành trong thời kỳ này như: Thủy điện Sơn La (2400 MW), Thủy điện Lai Châu (1200 MW) và Thủy điện Huội Quảng (560 MW). Phát triển thủy điện bắt đầu đi vào chiều sâu. Hiện nay, Quy trình vận hành liên hồ chứa cho các bậc thang thủy điện đã được thiết lập và được Thủ tướng Chính phủ ký quyết định ban hành cho tất cả các lưu vực sông có bậc thang thủy điện. Đến năm 2018, đã có tổng số 80 dự án thủy điện lớn và thủy điện vừa vào vận hành với tổng công suất lắp máy là 15.999 MW. Có thể nói, tới nay các dự án thủy điện lớn có công suất trên 100 MW hầu như đã được khai thác hết. Các dự án có vị trí thuận lợi, chi phí đầu tư thấp cũng đã được 6 triển khai thi công. Một số nhà máy thủy điện đang được xây dựng mở rộng và các nhà máy thủy điện tích năng sẽ được tiến hành đầu tư để phù hợp với cơ cấu nguồn điện trong hệ thống điện quốc gia. 1.2. Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy thuỷ điện Sê San 4 Nguyên lý hoạt động của một nhà máy thủy điện Sê San 4 cơ bản giống với các nhà máy thủy điện tại Việt Nam gồm có bốn giai đoạn chính: - Tuyến năng lượng: gồm có 03 đường ống áp lực dẫn nước từ hồ chứa đến tuabin của 03 tổ máy phát điện với công suất 3x120MW. - Nguồn điện tạo ra từ các tuabin của máy phát điện được đưa qua Máy biến áp 15,75kV/220kV, được nối vào lưới điện 220kV Quốc gia đấu nối đến trạm 500kV Pleiku 2. - Cột nước của nhà máy TĐ Sê San 4 là 56m, thuộc loại cột nước trung bình. C C R L T. DU Hình 1.1. Nhà máy thuỷ điện Sê San 4 1.3. Cấu tạo nhà máy thuỷ điện Sê San 4 - Đập và hồ chứa nước: hồ chứa TĐ Sê San 4 có dung tích toàn bộ là 893 triệu m3 nước; đập gồm 02 phần chính: đập bê tông RCC và đập đất đồng chất. - Ống dẫn nước: gồm 03 đường ống áp lực, tại mỗi đường ống có một cửa van vận hành phục vụ đóng mở để đưa nước vào tuabin thủy lực. - Tuabin : loại tuabin Fransic do hãng ALSTOM chế tạo, có 24 cánh hướng cố định và 23 cánh hướng động để hướng nước về và làm quay bánh xe công tác của tuabin, tuabin này gắn liền với máy phát điện ở phía trên nó nhờ một trục. 7 - Máy phát điện: Khi tuabin quay, làm cho rotor quay theo tức là các cực từ rotor là các nam châm quay theo. Những nam châm khổng lồ này quay quanh cuộn dây đồng (thanh dẫn stator), sản sinh ra dòng điện xoay chiều (AC) với cấp điện áp là 15,75kV. - Biến áp lực: có 9 máy biến áp một pha 15,75kV/220kV (mỗi tổ mba được tích hợp từ 3 mba 1 pha 50MVA) được đặt bên trong nhà máy điện tạo ra dòng điện xoay chiều AC và chuyển đổi nó thành dòng điện có điện áp 220kV. - Đường dây điện: để đưa điện từ TĐ Sê San 4 đến trạm 500kV Pleiku 2, sử dụng một đường dây 220kV mạch kép dài 64km. - Cống xả: Đưa nước chảy qua các đường ống – gọi là kênh , và chảy vào hạ lưu sông. C C R L T. DU Hình 1.2. Mô hình tổ máy thuỷ điện Sê San 4 1.4. Hệ điều khiển công suất nhà máy thuỷ điện Sê San 4 Hệ thống điều khiển của nhà máy thủy điện là một hệ DCS (Distribute Control System - hệ thống điều khiển phân tán) gồm: - Hệ thống máy tính server (là máy chủ chứa toàn bộ cơ sở dữ liệu của hệ thống), trong các dự án quy mô lớn yêu cầu độ an toàn cao thì sẽ có chệ độ dự phòng redundant server (primary server-standby server). Loại AlSPHA P320, do ALSTOM sản xuất. - Các máy tính vận hành (giao diện người máy) cho phép người vận hành giám sát thông số, trạng thái, chế độ vận hành của các thiết bị trong nhà máy cũng như ra lệnh điều khiển từ xa (remote control) đối với toàn bộ nhà máy hay từng hệ thống 8 riêng lẻ. Số lượng máy tính vận hành phụ thuộc quy mô và nhu cầu vận hành của nhà máy, thường là 1 máy (nhà máy nhỏ), 2 máy (nhà máy vừa), hoặc nhiều hơn. - Máy tính kỹ thuật (Engineering station) là máy tính dùng để bảo trì hệ thống điều khiển, được cài đặt đầy đủ phần mềm và kết nối được vào hệ thống điều khiển. Máy tính kĩ thuật thường là máy laptop, tuy nhiên với các nhà máy nhỏ có thể kết hợp vào máy tính server để tiết kiệm chi phí. - Máy in sự cố và hệ thống thời gian thực kết nối GPS để đồng bộ hóa thời gian cho toàn bộ các thiết bị trong hệ thống. - Các bộ PLC bao gồm bộ điều khiển (CPU) và module vào ra (I/O) là thành phần trực tiếp nhận các tín hiệu trạng thái, xử lý logic và đưa ra lệnh điều khiển cho các thiết bị của nhà máy thủy điện. Tùy thuộc quy mô của nhà máy thủy điện mà bộ điều khiển (CPU) có thể là đơn (single cpu) hay dự phòng (redundant cpu), các module vào ra có thể là loại tập trung (kết nối trực tiếp với cpu) hoặc là loại phân tán (kết nối với cpu qua giao thức profibus, modbus,...). C C R L T. - Màn hình HMI (giao diện người máy) cho phép người vận hành giám sát thông số, trạng thái, chế độ vận hành của các thiết bị trong nhà máy cũng như ra lệnh điều khiển tại chỗ (local control) đối với toàn bộ nhà máy hay từng hệ thống riêng lẻ. DU Hình 1.3. Gian máy nhà máy thuỷ điện Sê San 4