Tài liệu ứng dụng logic mờ để nâng cao chất lượng điều khiển công suất nhà máy thủy điện đăkrơsa (tt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HUY QUYỀN ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT NHÀ MÁY C C THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA R L T. U D Chuyên ngành: kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Mã số: 8520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2020 Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA C C Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Lê Tiến Dũng R L T. U D Phản biện 1: ………………………………………………………………… TS. Phan Văn Hiền Phản biện 2: ………………………………………………………………… TS. Đỗ Văn Cần Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 19 tháng 12 năm 2020 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu và truyền thông - Đại học Bách Khoa – Đại Học Đà Nẵng - Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay Năng lượng là lĩnh vực quan trọng đối với sự phát triển của một quốc gia nói riêng trên toàn thế giới nói chung, các nguồn năng lượng được tạo ra từ thủy điện, năng lượng tái tạo luôn là nguồn năng lượng sạch, ổn định, chi phí thấp và ít ảnh hưởng đến môi trường luôn được các Quốc gia trên toàn thế giới quan Tâm phát triển. Chính vì vậy đòi hỏi phải có những giải pháp kỹ thuật các vấn đề trên một cách linh hoạt và hiệu quả. Nhà máy thủy điện Đăkrơsa với lợi thế địa lý có độ dốc lớn, là khu vực có tiềm năng lớn về thuỷ điện có lượng mưa trung bình hàng năm lớn, hệ thống sông suối dày đặc với độ dốc lớn, thung lũng hẹp, nước chảy xiết và là nơi đầu nguồn của các sông lớn có tiềm năng thủy điện. Nhà máy thủy điện Đăkrơsa rất phù hợp làm đối tượng R L T. nghiên cứu trong đề tài này. 2. Mục tiêu nghiên cứu C C U D Đề tài này đề cập đến việc xây dựng mô hình toán học của một nhà máy thủy điện điển hình có chung đường ống áp lực, không có hồ chưa, khả năng điều tiết theo giờ của các khâu thiết bị trong nhà máy thủy điện Đăkrơsa gồm các hạng mục công trình gồm : Đường ống áp lực, Van cầu, máy phát điện, các ống rẽ nhánh. Thông qua đề tài nghiên cứu này, Tôi hiểu rõ hơn phương pháp xây dựng bộ điều khiển cũng như các phần tử chức năng trong nhà máy thủy điện để đáp ứng các điều kiện về sự thay đổi cột áp lớn trong quá trình vận hành, khả năng điều chỉnh công suất thích ứng về những thay đổi các yếu tố đầu vào như lưu lượng, cột áp đến hiệu suất và sự ổn định của thiết bị khi hòa lưới. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là hệ thống thiết bị, hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Đăkrơsa; 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết; Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học các khâu trong hệ thống thiết bị nhà máy thủy điện Đăkrơsa; 2 - Dựa trên mô hình toán học, nghiên cứu và áp dụng lý thuyết điều khiển để tự động chỉnh định các tham số của bộ điều khiển nhằm nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển. Sử dụng công cụ Matlab để mô phỏng, đánh giá và rút ra kết luận - 5. Bố cục đề tài Luận văn được chia thành 04 chương: Chương 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện Đăkrơsa Chương 2: Mô hình toán học các khâu trong hệ thống nhà máy thủy điện Đăkrơsa Chương 3: Đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển nhà máy C C Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả. R L T. 6. Tài liệu nghiên cứu Tài liệu nghiên cứu sử dụng cho luận văn này là các bài báo, luận văn của các U D tác giả trong nước và nước ngoài về vấn đề mô hình hóa nhà máy thủy điện và các phương pháp nâng cao chất lượng điều của nhà máy thủy điện. Tài liệu kỹ thuật của nhà máy. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA 1.1 Tổng quan về nhà máy thủy điện Đăkrơsa 1.1.1 Vị trí địa lý công trình thủy điện Đăkrơsa 1.2.1 Hồ chứa nƣớc thủy điện Đăkrơsa 1.2.2 Đập thủy điện Đăkrơsa : 1.2.3 Nhà máy thủy điện Đăkrơsa 1.3 Thiết bị thuỷ lực chính của nhà máy thuỷ điện gồm: 1.3.1 Hệ thống turbine nhà máy thủy điện Đăkrơsa C C R L T. 1.3.2. Máy phát nhà máy thủy điện Đăkrơsa U D 1.3.3 Hệ thống điều tốc thủy điện Đăkrơsa: Sơ đồ nguyên lý điều khiển của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện được mô tả như hình a. Các chế độ làm việc của hệ thống điều tốc Quá trình khởi động : Khi có lệnh khởi động tổ máy đưa đến bộ điều tốc, bộ điều tốc sẽ thực hiện khởi động tổ máy theo chương trình cài đặt sẵn. Ban đầu bộ điều tốc sẽ gửi lệnh đi mở cánh hướng thực tế khoảng từ 8% ÷ 24% độ mở cánh hướng tùy theo cột nước tại thời điểm khởi động, trong giai đoạn này bộ điều tốc làm việc ở chế độ Opening-Control. Khi tốc độ tổ máy đạt 90% tốc độ định mức bộ điều chỉnh PID được 4 đưa vào hoạt động (bộ điều tốc chuyển sang chế độ “Speed Control Noload”) chương trình điều tốc sẽ điều khiển tốc độ tổ máy tăng dần và đạt tốc độ định mức. Độ mở cánh hướng sẽ thay đổi tùy theo cột nước hiện tại của từng tổ máy. Chế độ điều tần (Frequency Control) Ở chế độ điều tần máy phát sẽ tự động điều chỉnh tần số của hệ thống ổn định xung quanh giá trị định mức. Chế độ điều chỉnh công suất tác dụng (Power control) Chế độ cố định công suất là chế độ mà điều tốc nhận giá trị đầu vào là giá trị SET công suất, giá trị SET này được gửi tới điều tốc, điều tốc sẽ quy đổi giá trị công suất SET này ra một độ mở tương ứng với tín hiệu cột nước hiện tại để đi điều khiển cách hướng mở ở một giá trị tại thời điểm công suất được SET. Trong quá trình làm việc nếu cột nước có sự thay đổi khi đó điều tốc sẽ thực hiện nhận tín hiệu phản hồi tốc độ về và cột nước thực tế để đi điều khiển cánh hướng mở/đóng lại sao cho luôn luôn duy trì được giá trị công suất SET được giữ cố định. Trong quá trình làm việc nếu tần số lưới C C R L T. dao động vượt quá giá trị cho phép thì tổ máy sẽ chuyển sang chế độ điều tần. U D Chế độ điều chỉnh độ mở cánh hướng (Opening control) Chế độ này máy phát chạy với độ ở cánh hướng đặt sẵn nếu tần số lưới thay đổi quá giá trị cho phép thì chuyển sang chế độ điều tần. b. Thông số và đặc tính của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Đăkrơsa. Đối với hệ thống điện Việt Nam hiện nay thì quy định về tần số của hệ thống là 50 ± 0,2 Hz. Tần số phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor máy phát. 5 CHƢƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA 2.1 Đặt vấn đề 2.2 Mô hình toán học các khối chức năng của nhà máy 2.2.1 Đƣờng ống chính 2.2.2 Van Servo 2.2.3 Các đƣờng ống phụ 2.2.4 Lƣu lƣợng đƣờng ống nhánh 2.2.5 Turbine 2.3 Mô hình toán học tổng nhà máy thủy điện Đăkrơsa C C U D R L T. 6 CHƢƠNG 3 ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐĂKRƠSA ỨNG DỤNG LOGIC MỜ 3.1. Đặt vấn đề Bộ điều khiển của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Đăkrơsa được vẽ lại như Hình 3.1. Trong đó hệ thống điều tốc vận hành như sau: C C R L T. U D Hình 3-1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc Việc đáp ứng nhanh của hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Đăkrơsa sẽ góp phần vào việc ổn định tần số và cung cấp nguồn điện nhanh chóng cho hệ thống điện. Điều đó phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính điều tốc của các tổ máy; Tuy nhiên Nhà máy Thủy điện Đăkrơsa là nhà máy có hồ điều tiết ngày, bộ điều khiển hệ thống điều tốc là PID với các tham số được cài đặt từ đầu sẽ có ảnh hưởng không nhỏ trong quá trình vận hành, đặc biệt là quá trình khởi động của các tổ máy, với thời gian kéo dài sẽ không đáp ứng kịp thời khi có sự yêu cầu huy động để tham gia ổn định cho hệ thống điện tại thị trấn Đăk Tô; Từ các yếu tố trên tác giã đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Đăkrơsa ứng dụng logic mờ nhằm đạt được chất lượng điều khiển tốt hơn trong quá trình khởi động tổ máy để nhanh chóng đáp ứng công suất khi có yêu cầu. do đó cần phải cải thiện hiện tượng quá điều chỉnh và xác lập nhanh giá trị đặt công suất khi 7 làm việc ở chế độ Power Control, tác giả đề xuất phương án cải thiện hiện tượng quá điều chỉnh và xác lập chậm công suất ở chế độ Power control bằng bộ điều khiển tự chỉnh định các tham số bộ PID. 3.2. Tổng quan về logic mờ ứng dụng trong điều khiển 3.2.2. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ 3.2.3. Tổng hợp bộ điều khiển mờ a) Thiết kế của bộ điều khiển mờ Bộ điều khiển mờ có hai biến trạng thái đầu vào và một biến đầu ra. Mỗi biến này được chia thành nhiều giá trị tập mờ. Số giá trị mờ trên mỗi biến được chọn để phủ hết các khả năng cần thiết sao cho khả năng điều khiển là lớn nhất trong khi chỉ cần một số tối thiểu các luật điều khiển mờ. Ở đây ta chọn hai biến trạng thái vào là: Sai lệch C C giữa công suất và công suất phản hồi “E”, tốc độ biến thiên của tín hiệu sai lệch công suất “dE” và biến ngôn ngữ ra “U” là đại lượng bù vào tín hiệu điều khiển độ mở cánh R L T. hướng; U D b) Định nghĩa tập mờ - Định nghĩa các biến ngôn ngữ vào ra Biến ngôn ngữ vào là tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển mờ cụ thể là lượng sai lệch công suất “E” và tốc độ biến thiên của tín hiệu sai lệch công suất “dE”; Biến ngôn ngữ ra “U” là đại lượng bù vào tín hiệu điều khiển độ mở cánh hướng; - Xác định miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ vào ra; Miền giá trị vật lý phải bao hàm hết các khả năng giá trị mà biến ngôn ngữ vào ra có thể nhận được, ta chọn:  E = [0; 1];  dE = [-0.5; 0];  U = [0; 1]. - Chọn số lượng tập mờ là các giá trị sau:  E = ZE PM PB;  dE = GN GV GC ZE;  U =  ZE PS PM PB; 8 Trong đó:  GN : Âm;  GV : Âm vừa  GC : Âm ít  ZE : Không;  PS : Dương ít;  PM : Dương vừa;  PB : Dương lớn; - Xác định dạng hàm thuộc: Việc xác định hàm thuộc là rất quan trọng, vì các quá trình làm việc của bộ điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào dáng của hàm thuộc. Mặc dù không có một chuẩn mực nào cho việc lựa chọn nhưng thông thường có thể chọn hàm thuộc có dạng hình học đơn giản như hình thang, tam giác với nguyên tắc là các hàm thuộc này có miền phủ lên nhau đồng thời hợp các miền thuộc phải phủ kín miền giá trị vật lý để trong C C R L T. quá trình điều khiển không xuất hiện các khoảng trống. Xuất phát từ các yêu cầu trên trong mô hình này ta chọn các hàm thuộc là hình tam giác và hình thang. Các hàm U D thuộc được chọn cho biến ngôn ngữ vào ra như Hình 3.9, Hình 3.10 và Hình 3.11. 9 Hình 3.7. Hàm thuộc cho sai lệch E. C C R L T. U D Hình 3- 8. Hàm thuộc cho sai lệch dE. Hình 3.9 Hàm thuộc cho đầu ra U. 10 c) Xây dựng luật hợp thành Với 3 tập mờ của biến đầu vào E và 4 tập mờ của biến đầu vào dE, ta xây dựng được 3x4 = 12 luật điều khiển. Các luật điều khiển được biểu diễn dưới dạng mệnh đề: IF…THEN…các luật này được xây dựng theo 2 nguyên tắc sau: - Sai lệch E càng lớn thì tác động điều khiển càng lớn; - Tích phân sai lệch dE càng lớn thì tác động điều khiển càng lớn; Bảng 3. 1. Luật mờ của bộ điều khiển mờ Sai lệch tần số (E) U Sai lệch tích phân tần số (dE) ZE PM PB GN PM PB PB GV PM GC R L T. C C ZE U D PS ZE PM PB PS PM PS PM Luật hợp thành xây dựng trên Matlab như Hình 3.12. Hình 3.10 Luật hợp thành trên Matlab d) Chọn luật hợp thành 11 Ta chọn luật hợp thành MAX-MIN, biểu diễn dưới dạng Ruler như Hình 3.13. C C R L T. Hình 3. 11 Biểu diễn dưới dạng Ruler e) Giải mờ U D Kết quả giải mờ như Hình 3.12. 12 C C R L T. Hình 3.12. Giải mờ U D 3.3. Giải pháp đề xuất ứng dụng logic mờ để nâng cao chất lƣợng điều khiển công suất nhà máy thủy điện Đăkrơsa Qua phân tích thực trạng thuật toán điều khiển PID đang sử dụng của hệ điều tốc tại nhà máy cùng với các chế độ vận hành, chúng ta thấy việc sử dụng các thông số cố định của thuật toán P, I, D sẽ chưa mang lại hiệu quả tối ưu. Để chất lượng điều khiển được nâng cao hơn nữa, trong luận văn này đề xuất ứng dụng logic mờ để tự động chỉnh định tham số của bộ điều khiển PID trong chế độ vận hành Power Control. Cấu trúc bộ điều khiển gồm có 2 phần là bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ. Bộ điều khiển mờ có 2 đầu vào e(t) và biến thiên e(t) và 3 đầu ra là ba hệ số của bộ điều khiển PID là KP, KI và KD. Cấu trúc của bộ điều khiển được thể hiện như Hình 3.8. 13 No load ĐK tốc độ ở chế độ không tải Cánh hƣớng ĐK độ mở không tải Điều tốc Load ĐK tốc độ khi online(PID) ĐK tốc độ khi online(PID) e ∆Kp de/dt ∆Ki ∆Kd ĐK công suất online(PID+Fuzz y) Hình 3.8 : Cấu trúc bộ điều khiển dùng thuật toán PID+ Puzzy C C PUZZY R L . Kp Xd+ e - T U D de/dt Ki PID Kd x Bộ điều khiển Phản Hồi Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý của phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc mà luận văn đề xuất CHƢƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Mô phỏng hệ thống điều tốc hiện tại của Nhà máy 4.1.1 Mô phỏng các phần tử của hệ thống trên Matlab-Simullink a) Mô phỏng bộ điều khiển Mô phỏng bộ điều khiển hệ thống điều tốc Nhà máy thủy điện Đăkrơsa trên Matlab-Simulink như hình: 14 Hình 4-1 Mô hình bộ điều khiển trước cải tiến NMTĐ Đăkrơsa trên Matlab b) Mô phỏng van servo C C R L T. U D Hình 4-22 Mô hình hóa van servo trên Matlab - Tín hiệu vào là tín hiệu điều khiển u1 - Tín hiệu ra là độ mở cánh hướng G1 c) Mô phỏng cột nước tổng Hình 4-3 Mô hình hóa cột nước tổng trên Matlab - Tín hiệu vào là cột nước tổng, lưu lượng qua 3 đường ống và hệ số tổn hao kp - Tín hiệu ra là cột nước thực tế vào 3 đường ống d) Mô phỏng năng lượng thủy lực vào turbine 15 Hình 4-4 Mô hình hóa năng lượng thủy lực trên Matlab - Tín hiệu vào: là cột nước tổng HD và độ mở cánh hướng G1 - Tín hiệu ra là: cột nước H1 và lưu lượng G1 e) Mô phỏng công suất cơ đặt vào máy phát C C R L T. U D Hình 4-53 Mô hình hóa công suất cơ trên Matlab f) Mô phỏng của tổ máy 1 - Tín hiệu vào: cột nước H1, lưu lượng Q1 và lưu lượng không tải Qnl - Tín hiệu ra: là công suất cơ Pmec1 Hình 4-6 Sơ đồ mô phỏng 1 tổ máy phát điện trên Matlab Mô phỏng máy phát và lưới điện một tổ máy Hệ thống điện tại nhà máy lúc vận hành bình thường: 16 Hình 4-7 Sơ đồ mạch nhất thứ lưới điện nhà máy - Mô hình trên Matlab: C C R L T. U D Hình 4-8 Mô phỏng lưới điện và máy phát của một tổ máy trên Matlab g) Mô phỏng máy phát và lưới điện cả hệ thống: Hình 4-9 Mô phỏng cả hệ thống điện nhà máy thủy điện Đăkrơsa và lưới điện 17 4.1.2 Kết quả mô phỏng hệ thống điều tốc trên Matlab-Simullink với bộ điều khiển hiện tại Đakrosa là nhà máy thủy điện nhỏ. Với tình hình vận hành thực tế hiện nay nhà máy liên tục phải dừng và khởi động lại do nhiều yếu tố. Vì thế việc huy động nhanh công suất cơ để nhanh chóng đạt đến công suất đặt phát lên lưới bằng việc điều khiển độ mở cánh hướng là hết sức quan trọng. Trong đồ án này chúng tôi sẽ mô phỏng khả năng huy động công suất của các tổ máy với bộ điều khiển hiện tại với công suất đặt định mức là 2.5MW trên một tổ máy. Đồ thị kết quả được chuẩn hóa sang từ 0 – 100 tương ứng với 0 – 2.5MW Đáp ứng tần số Wm Độ mở cánh hướng CH Công suất cơ Pmec Kết quả mô phỏng tổ máy với bộ điều khiển hiện tại C C R L T. U D Hình 4-10. Kết quả mô phỏng các tổ máy chưa cải tiến Trên Hình 4-10 là kết quả đáp ứng tần số Wm (đường nét liền màu đen), công suất cơ Pmec (đường nét đứt chấm) và độ mở cánh hướng (đường nét đứt rời) của tổ máy phát với bộ điều khiển hiện tại của nhà máy, chưa cải tiến. Chúng ta thấy đáp ứng giá trị thực tiến đến giá trị mong muốn còn hơi chậm. Với nhu cầu huy động nhanh 18 công suất cơ nhằm đưa công suất phát lên lưới theo yêu cầu thì với bộ điều khiển hiện tại việc đáp ứng nhanh vẫn thực hiện được nhưng chưa thực sự tối ưu vì thế cần phải đề suất cải tiến thêm ở khâu điều khiển công suất cơ để huy động công sức làm quay Turbine nhanh nhất có thể. 4.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống với thuật toán điều khiển đề xuất PID + FUZZY C C Hình 4-11. Mô phỏng bộ điều khiển PID kết hợp Fuzzy trên Matlab-Simullink - R L T. Mô phỏng toàn bộ hệ thống trên Matlab-Simullink như hình 4.12. U D Hình 4.12. Mô phỏng toàn bộ hệ thống trên Matlab-Simullink 4.3 Kết quả mô phỏng hệ thống điều tốc trên Matlab-Simullink sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp FUZZY - Kết quả mô phỏng đặc tính với bộ điều khiển khi sử dụng PID + FUZZY như hình 4.12.