Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu là xây dựng phương pháp và thuật toán nhận dạng và điều khiển cho thiết bị điều khiển tổ máy phát điện của các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ làm cơ sở để vận hành và khai thác hiệu quả thiết bị điều khiển của nước ngoài sản xuất và làm cơ sở để xây dựng phần mềm khi chúng ta tiến hành tự chủ trong việc thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển nêu trên.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÕNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐẶNG TIẾN TRUNG 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2019
Công trình được hoàn thành tại: HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÕNG Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Ngô Duy Hưng 2. PGS.TS Phạm Tuấn Thành Phản biện 1: GS. TSKH Thân Ngọc Hoàn Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Quang Hoan Phản biện 3: TS Nguyễn Văn Thuấn Có thể tìm hiểu Luận án tại thư viện: 1. 2.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 1. Đặng Tiến Trung, Phạm Tuấn Thành (2017), Xây dựng thuật toán xác định tốc độ quay cho các thiết bị thuỷ điện khi sử dụng các phần tử đo vi cơ quán tính. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, số 47, tr. 70-75. 2. Đặng Tiến Trung, Phạm Tuấn Thành (2017), Xây dựng mô hình mô tả quá trình điều khiển cho các máy phát điện của nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, số 50, tr. 62-69. 3. Đặng Tiến Trung, Phạm Tuấn Thành (2017), Xây dựng thuật toán xác định tham số tối ưu cho bộ điều khiển PID cấp nước vào tuốc bin thủy điện, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, số 53, tr. 38-48. 4. Đặng Tiến Trung (2017), Xây dựng thuật toán mở cánh lái hướng cấp vào tuốc bin nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, Tạp chí KH và CN Năng lượng Trường Đại học Điện lực, số 14, tr. 22-28. 5. Đặng Tiến Trung (2019), Ứng dụng giải thuật Backstepping xây dựng thuật toán ổn định tần số quay turbine ở nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, Tạp chí KH và CN Năng lượng Trường Đại học Điện lực số 19, tr. 56-62.
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Điện khí hóa toàn bộ nền kinh tế và đời sống là một trong những nhiệm vụ trung tâm của đất nước trên con đường xây dựng một đất nước hiện đại và văn minh. Trong thời gian vừa qua đất nước ta đã nỗ lực rất lớn trên con đường điện khí hóa, phấn đấu chỉ số điện năng tiêu thụ cho một người dân trong một năm đạt chỉ tiêu của các nước công nghiệp hóa. Đây thực sự là nhiệm vụ to lớn và đòi hỏi mọi nguồn lực trong lĩnh vực điện năng. Cùng với nguồn nhiệt điện, điện gió, điện mặt trời thủy điện phải được xây dựng và phát triển hài hòa để phù hợp với sự phát triển của nền kinh tế luôn tăng trưởng ở mức độ trung bình cao (từ 6%- 8%) và nhu cầu đời sống người dân ngày càng tăng và trong điều kiện Quốc hội đã thông qua nghị quyết ngừng triển khai dự án nhà máy điện hạt nhân, do bài học từ khai thác điện hạt nhân của thế giới (bài học từ sự cố ở nhà máy điện nguyên tử ở Ucraina (Liên Xô cũ) và nhà máy điện nguyên tử Nhật Bản sau sự cố sóng thần năm 2012). Ngành Thủy điện ở Việt Nam tuy ra đời muộn hơn nhiệt điện song hiện nay đang phát triển mạnh và đã chiếm tỉ trọng lớn trong tổng nguồn điện năng. Đối với miền Bắc sau khi xây dựng nhà máy thủy điện đầu tiên, nhà máy thủy điện Thác Bà (năm 1972), hàng loạt nhà máy thủy điện được xây dựng và đưa vào sử dụng. Đối với miền Nam cũng vậy sau nhà máy thủy điện đầu tiên (Nhà máy thủy điện Đa Nhim - năm 1964) hàng loạt nhà máy thủy điện cũng được xây dựng ở Đồng Nai và Tây Nguyên, góp phần đáng kể vào tổng công suất điện. Cùng với các nhà máy thủy điện công suất lớn và trung bình, các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ cũng phát triển mạnh mẽ và rộng khắp ở các vùng miền trên phạm vi của cả nước. Nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ có ưu điểm: Khai thác tiềm năng của nhiều con sông suối nhỏ ở các lưu vực khác nhau khắp đất nước. Nhờ tính khởi động nhanh và dừng hoạt động cũng nhanh nên các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ có giá trị rất lớn khi phủ đỉnh công suất vào các giờ cao điểm. Để xây dựng nhà máy thủy điện việc trước tiên phải xác định được năng lượng tích trong cột nước của dòng sông, năng lượng này gồm hai phần, phần thế năng và động năng. Phần thế năng phụ thuộc nhiều vào 1
mức nước của hồ chứa, còn động năng phụ thuộc vào dòng chảy và độ cao giữa mặt hồ và nơi đặt turbine. Tuy nhiên, đặc điểm cơ bản của các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ là năng lượng tích trong cột nước của dòng sông thay đổi mạnh trong quá trình khai thác sử dụng. Điều này ảnh hưởng đến động học mô tả hệ thống, đòi hỏi phải có cách tiếp cận khác khi thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển cho các nhà máy thủy điện. Qua quá trình xây dựng nhiều nhà máy thủy điện, năng lực của phía Việt Nam ngày càng được nâng cao. Từ chỗ phía nước ngoài làm chủ từ khâu khảo sát, thiết kế đến xây dựng, phía Việt Nam thực hiện thi công dưới sự giám sát của đối tác nước ngoài và nhận khai thác vận hành dưới sự huấn luyện đào tạo của phía nước ngoài, đến nay phía Việt Nam đã làm chủ dự án, thậm chí cả trong khâu khảo sát - thiết kế và tự chủ nhiều khâu trong thi công xây dựng. Tuy nhiên riêng phần thiết bị nhiều bộ phận vẫn phải nhập ngoại, đặc biệt là thiết bị turbine, máy phát điện và các thiết bị liên quan đến hệ thống điều khiển tổ máy “turbine+máy phát”. Đây là yếu tố tạo giá thành cao cho nhà máy thủy điện và khó khăn trong khai thác vận hành, đôi khi bị phía nước ngoài ép giá khi thiết bị nhà máy bị hỏng hóc. Ngoài ra thiết bị điều khiển tổ máy “turbine+máy phát” bán cho Việt Nam thường thuộc thế hệ cũ (vì nhiều lý do, trong đó có cả lý do hạn chế về năng lực và phẩm chất đạo đức của cán bộ ở các cơ quan quản lý và chủ đầu tư), vì vậy tính tối ưu và thích nghi với sự thay đổi thường không có, do vậy thường không khai thác hợp lý năng lượng của cột nước dòng sông. Trong thời gian qua trong nhiều lĩnh vực chúng ta đã vươn lên tự chủ thiết kế, chế tạo hoặc tích hợp các thiết bị điện tử hoặc điều khiển có hàm lượng học thuật cao, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển các hệ truyền động điện. Đây là cơ sở chúng ta nên bắt đầu bước vào giai đoạn tự chủ thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển tổ máy gồm turbine và máy phát điện. Để thực hiện công việc có giá trị thực tiễn và có tính học thuật khó này nên bắt đầu từ các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ. Để bước vào giai đoạn tự chủ thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển tổ máy cần phải nghiên cứu cơ sở học thuật của vấn đề điều khiển đối tượng điều khiển là tổ máy phát điện ở nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ với đặc điểm năng lượng cột nước thay đổi thường xuyên. Vì chúng ta đi sau đối tác nước ngoài trong lĩnh vực này, nên mạnh dạn ứng 2
dụng các phương pháp điều khiển hiện đại (như điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, điều khiển trượt) để thiết kế phần mềm cho thiết bị điều khiển. Đây thực sự là vấn đề đòi hỏi đội ngũ cán bộ nghiên cứu khoa học, kỹ thuật và công nghệ phải giải quyết. 2. Mục đích nghiên cứu. Là xây dựng phương pháp và thuật toán nhận dạng và điều khiển cho thiết bị điều khiển tổ máy phát điện của các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ làm cơ sở để vận hành và khai thác hiệu quả thiết bị điều khiển của nước ngoài sản xuất và làm cơ sở để xây dựng phần mềm khi chúng ta tiến hành tự chủ trong việc thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển nêu trên 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học để xác định cấu trúc phần cứng và yêu cầu về tính năng và độ chính xác các thiết bị đo trong hệ thống điều khiển tổ máy “turbine + máy phát điện” và đặc biệt là cơ sở để thiết lập phần mềm cho hệ thống điều khiển này. Kết quả nếu được áp dụng có thể nâng cao hiệu quả khai thác nguồn năng lượng của dòng sông và nâng cao vai trò tổ máy trong hệ thống nguồn cung ứng điện năng trong lưới điện. 4. Đối tƣợng nghiên cứu Vấn đề nghiên cứu của luận án liên quan đến các vấn đề xử lý tín hiệu đo lường và điều khiển lưu lượng nước cấp cho turbine nhằm ổn định tần số quay turbine ở các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là ứng dụng các phương pháp nhận dạng để xác định tham số mô hình mô tả tổ hợp “turbine + máy phát điện” trên cơ sở xử lý thông tin thu thập được từ các thiết bị đo trong hệ thống điều khiển tổ máy, sử dụng một số công cụ lý thuyết điều khiển hiện đại để xử lý tín hiệu đo lường và tổng hợp lệnh điều khiển bộ phận điều chỉnh dòng nước vào turbine để ổn định tốc độ quay của rotor máy phát điện trong điều kiện đáp ứng đủ công suất do lưới điện yêu cầu. 6. Phạm vi nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu của luận án sẽ giải quyết các vấn đề sau: - Xây dựng thuật toán xác định tham số mô hình mô tả hệ thống điều khiển tổ máy phát điện trên cơ sở sử dụng phương pháp toán học xử lý các thông tin từ các phương tiện đo trong hệ thống; 3
- Xây dựng thuật toán xác định tham số luật điều khiển đối với các thiết bị điều khiển tổ máy đang sử dụng (không can thiệp quá sâu vào thiết bị của nước ngoài bán cho phía Việt Nam) để nâng cao tính hiệu quả của quá trình khai thác nguồn năng lượng thủy điện; - Xây dựng thuật toán cho thiết bị điều khiển tổ máy khi phía Việt Nam chủ động thiết kế và chế tạo thiết bị này; - Mô phỏng đánh giá tính đúng đắn hoặc tính hiệu quả của một số thuật toán đã đề xuất. 7. Bố cục luận án. Toàn bộ luận án gồm ......trang in khổ A4, trình bày trong 4 chương với:....hình vẽ, đồ thị minh họa, ...bảng biểu, ....tài liệu tham khảo. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TURBINE TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ 1.1. 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 lượng 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 nước thành điện năng), nhà máy điện nguyên tử (biến đổi năng lượng 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 lượng trong sơ đồ chung của cả hệ thống điện năng của các quốc gia khác nhau phụ thuộc vào tiềm năng và chiến lược phát triển điện năng của từng quốc gia. Để đi sâu vào vấn đề cần giải quyết trong luận án, cần xem xét tóm tắt nguyên lý hoạt động biến đổi năng lượng của dòng nước chảy thành năng lượng dạng điện năng. Việc có dòng chảy là do lượng nước ở nơi cao có thế năng lớn hơn thế năng của mặt biển đại dương. Động năng của dòng chảy làm quay các turbine có gắn với các máy phát điện để phát ra điện năng. 4
Hình 1.1. Sơ đồ tính toán tiềm năng của dòng sông Theo lý thuyết động lực học chất lỏng năng lượng chứa trong khối nước này sẽ là [1]: p V2 E1  (h1  1  1 1 ) w (1.1)  2g Có nhà máy kiểu kết hợp (đập và hồ chứa nhỏ) không có bể điều tiết để giảm kinh phí đầu tư. Khi này công suất phụ thuộc nhiều vào mức nước của hồ. Để biến đổi cơ năng của dòng nước thành điện năng có một bộ phận quan trọng, không thể thiếu, đó là turbine Hình 1.6. Turbine thủy lực Hình 1.5. Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp 1.2. Vấn đề điều khiển turbine ở nhà máy thủy điện và các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan đến điều khiển ở nhà máy thủy điện. Hiện nay luật điều khiển của hệ thống điều khiển turbine thường sử dụng luật PID sai lệch giữa tần số đo được và tần số chuẩn, tức là [44]: 5
t d (  0 ) u (t )  K P (  0 )  K I  ( ( )  0 )d  K D (1.10) 0 dt Vì vậy, để làm chủ trong khai thác hoặc trong sửa chữa và tiến tới tự chủ trong chế tạo thiết bị điều khiển turbine trong nhà máy thủy điện chúng ta phải đầu tư nghiên cứu sâu vấn đề điều khiển hệ thống cánh lái hướng. Nếu giải quyết thành công vấn đề nêu trên chúng ta sẽ tiến thêm một bước trong quá trình làm chủ trong xây dựng và khai thác vận hành nhà máy thủy điện, sẽ nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng của dòng sông, nâng cao công suất của nhà máy thủy điện. Khi đó chúng ta chỉ còn phải mua turbine mà không cần phải mua thiết bị điều khiển kèm theo, sẽ chủ động trong sửa chữa, bảo hành. Tuy nhiên để giải quyết thành công vấn đề này cần phải có những nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề đo lường và điều khiển cho hệ turbine và máy phát điện ở nhà máy thủy điện. 1.3. Vấn đề nghiên cứu của luận án Qua phân tích của các mục trên luận án xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án như sau. Mục tiêu luận án: Xây dựng phương pháp và thuật toán tổng hợp điều khiển hệ cánh lái hướng cấp lưu lượng nước vào turbine ở nhà máy thủy điện vừa và nhỏ nhằm thích nghi với sự thay đổi của cột nước và sự thay đổi của tải để đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật. Từ mục tiêu nêu trên xác định nội dung nghiên cứu gồm vấn đề đo lường và điều khiển, cụ thể là: - Xác định tham số mô hình mô tả các khâu trong hệ thống điều khiển tần số quay máy phát điện phụ thuộc vào năng lượng cột nước. - Đo năng lượng cột nước bằng các phương tiện đo hiện đại. - Xây dựng thuật toán điều khiển ổn định tần số quay máy phát trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ trên cơ sở áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại. - Mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng các thuật toán đã đề xuất. 1.4. Kết luận chƣơng 1 Trong chương này luận án đã: 6
- Giới thiệu một số vấn đề kỹ thuật liên quan đến điều khiển công suất một tổ máy của nhà máy thủy điện. Đã phân tích đặc điểm của nhà máy thủy điện vừa và nhỏ ảnh hưởng đến vấn đề điều khiển công suất tổ máy phát điện. - Đã phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến các vấn đề của hệ thống cung cấp điện năng nói chung và điều khiển turbine của máy phát thủy điện nói riêng. - Đã xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án là xây dựng phương pháp và thuật toán liên quan đến đo lường và điều khiển hệ cánh lái hướng để điều chỉnh lưu lượng nước cấp cho turbine ở nhà máy thủy điện vừa và nhỏ nhằm duy trì tần số điện áp phát ra của tổ máy trong điều kiện cột nước dòng sông và tải tiêu thụ thay đổi. CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG THAM SỐ MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC MÔ TẢ TỔ HỢP TURBINE - MÁY PHÁT CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ Trong chương này luận án sẽ trình bày thuật toán áp dụng phương pháp toán bình phương tối thiểu để nhận dạng tham số mô hình và thuật toán lọc Kalman để xác định tốc độ quay khi áp dụng các phần tử đo mới. 2.1. Xây dựng thuật toán nhận dạng tham số mô hình mô tả quá trình điều khiển tần số quay tổ hợp “Turbine+máy phát” 2.1.1. Mô hình mô tả quá trình điều khiển tần số quay tổ hợp “Turbine+máy phát” Theo [18], [30], [44] cấu trúc của quá trình điều khiển tốc độ quay turbine bằng việc quay cánh lái hướng được mô tả trên hình 2.1. ω0 Bộ điều khiển u Mạch vòng α Turbine thủy Pm Động học ω tốc độ quay vị trí cánh lái máy phát lực máy phát hướng điện ω Pe Cảm biến tốc độ Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển ổn định tốc độ quay turbine Phương trình mô tả quá trình động học của cấu trúc nêu trên như sau [1]: 7
d JT  K c  M d  M c (2.1) dt Momen chuyển động của turbine có thể coi là tỷ lệ thuận với lưu lượng Q nước cấp vào turbine, lưu lượng Q này tỷ lệ với góc mở cánh hướng, tức là : M d  K y . (2.2) Theo [1] hệ số K c phụ thuộc vào áp suất thủy tĩnh còn hệ số K y tỉ lệ với năng lượng cột nước, tức là: p V 2 Kc  .h (2.3) ; K y  m.E  m.(h   ) w (2.4)  2g Thay (2.2) vào (2.1) và chia hai vế phương trình (2.1) cho K c nhận được: d T    K  z1 (2.5) dt J K M trong đó: T  T , K  y , z1   c (2.6) Kc Kc Kc Mô hình mô tả tạo góc quay cánh lái hướng được viết như sau [1]: d 2 d J c 2  K  Mu  M A (2.7) dt dt Momen thủy tĩnh M A phụ thuộc vào áp lực của cột nước. Thay (2.8) vào (2.7) và chia hai vế phương trình (2.7) cho K nhận được : d 2 d T   KuU  z2 (2.9) dt 2 dt ở đây: Jc Kx MA T  , Ku  , z2   (2.10) K K K Ở đây T , K u không phụ thuộc vào năng lượng cột nước. Tham số z2 phụ thuộc vào M A , nên phụ thuộc vào năng lượng cột nước. 8
z2 z1 ω0 Thiết bị tổng u α α ω 1 1 hợp lệnh ổn Ku K s (T s  1) Ts  1 định tần số Thiết bị đo ω Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển máy phát điện nhà máy thủy điện vừa và nhỏ Qua các phân tích nêu trên cho thấy có 4 tham số T , K , z1 , z2 phụ thuộc vào năng lượng cột nước nơi đặt tổ máy, ngoài ra z1 còn phụ thuộc vào tải yêu cầu của lưới (trường hợp hòa lưới) và tải tiêu thụ (khi máy hoạt động độc lập). Các tham số này thay đổi chậm nên cần phải định kỳ xác định lại (nhận dạng). Sau đây luận án sẽ xây dựng thuật toán nhận dạng các tham số trên bằng việc áp dụng phương pháp toán số bình phương tối thiểu. 2.1.2. Phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu. Phương pháp toán bình phương tối thiểu là phương pháp tìm hàm số mô tả một quan hệ giữa hai biến số trên cơ sở thông tin dữ liệu thực tế nhận được (do đo đạc và ghi chép có được). Vấn đề này đã được trình bày ở nhiều tài liệu về toán [23], [24]. Trong luận án sẽ trình bày tóm tắt nội dung của phương pháp. 2.1.3. Xây dựng thuật toán nhận dạng tham số mô hình mô tả tổ hợp turbine + máy phát điện. Như trên đã phân tích các tham số K , T , z1 trong mô hình có tính chất thay đổi theo cao trình của hồ chứa nước và tải tiêu thụ. Trên cơ sở các thông tin đo được hoặc đọc được về góc mở cánh lái hướng  và tần số quay turbine  cần phải xây dựng thuật toán nhận dạng (xác định) các tham số K , T , z1 của mô hình mô tả quá trình phát điện của máy phát điện của nhà máy thủy điện vừa và nhỏ. Theo lý thuyết hệ phương trình vi phân tuyến tính [6], [8] có gần d  (i  1)   (i) đúng sau:  , do đó phương trình (2.5) có thể viết lại dt T như sau : 9
 (i  1)   (i) T   (i)  K (i)  z1 (i) (2.19) T Vậy: T K T T  (i  1)   (i)   (i)   (i)  z1 (i) (2.20) T T T Trong giai đoạn nhận dạng xác định các tham số K , T , z1 có thể coi tải tiêu thụ z1 (i) là đại lượng không biến đổi. Vậy có thể đặt: T .K T A1  ,(2.21); A2   , (2.22) T T T .z1 A3  (2.23) T Khi này phương trình (2.20) sẽ có dạng: (i  1)  (i)  A1 (i)  A2(i)  A3 (2.24) Từ (2.21), (2.22) và (2.23) có: T AT A A3T A T  ;K  1  1 ; z1   3 (2.25) A2 T A2 T A2 Từ việc đo, đọc dữ liệu góc mở cánh lái hướng ˆ (i) và tần số quay turbine ˆ (i) và từ phép toán bình phương tối thiểu sẽ xác định được các hệ số aij , i  1, 2,3, j  1, 2,3 và b j , j  1, 2,3 theo các công thức (2.39), (2.40), (2.41), (2.42), (2.43), (2,44) và từ đó xác định: b1a22 a33  b2 a32 a13  b3 a 12 a23  b3 a22 a13  b2 a12 a33  b1a23 a32 A1  (2.51) a11a22 a33  a13 a21a32  a12 a23 a31  a13 a22 a31  a12 a21a33  a11a23 a32 a11b2 a33  a13 a22b3  b1a 23 a31  a13b2 a31  a11a23b3  b1a22 a33 A2  (2.52) a11a22 a33  a13 a21a32  a12 a23 a31  a13 a22 a31  a12 a21a33  a11a23 a32 a11a22b3  b1a21a32  a 12 b2 a31  b1a22 a31  a12 a21b3  a11b2 a32 A3  (2.53) a11a22 a33  a13 a21a32  a12 a23 a31  a13 a22 a31  a12 a21a33  a11a23 a32 Sau khi xác định được A1 , A2 , A3 và từ bước đo T đã chọn theo các công thức ở (2.25) sẽ xác định được các tham số cần xác định K , T , z1 . 2.1.4. Xây dựng thuật toán nhận dạng tham số mô hình mô tả hệ thống quay cánh lái hƣớng Đối với mô hình dạng (2.9) các tham số T , Ku không thay đổi, không phụ thuộc vào năng lượng cột nước. Hai tham số này sẽ được xác 10
định trên cơ sở các tham số chế tạo cơ cấu cánh lái hướng. Vì vậy ở đây cần xác định nhiễu tải z2 (phụ thuộc vào áp lực cột nước). Sau đây luận án tiếp tục giải quyết vấn đề này. Từ việc đo, đọc dữ liệu góc mở cánh lái hướng ˆ (i) và từ giá trị lệnh điều khiển U (i) và cũng từ phép toán bình phương tối thiểu sẽ xác định được: N N N N ˆ (i  1)  ˆ (i)  U * (i) ˆ ( N  1)  ˆ (1)  U * (i) z2  Z  i 1 i 1 i 1  i 1 (2.89) NK NK trong đó: Ku K K U* (i)=[ 3 U (i  4)+ 2 u U (i  3)   u U (i  2) T T T (2.78) K K  u U (i  1)  u U (i )]T 2 T T Như vậy trên cơ sở đọc các chỉ số đo tần số quay turbine, đọc các chỉ số đo góc quay cánh lái hướng và các giá trị lệnh điều khiển, nhờ phương pháp số bình phương tối thiểu chúng ta đã xác định được các tham số T, K, z1, z2 của mô hình mô tả động học hệ thống khi có sự thay đổi mức năng lượng cột nước nơi đặt tổ máy phát thủy điện. 2.2. Xây dựng thuật toán đánh giá năng lƣợng cột nƣớc Trong mục này luận án đề xuất giải pháp sử dụng các phần tử đo vi cơ quán tính (MEMS) để đo tốc độ quay turbine mini, gắn trên dòng nước cấp vào tổ máy. Từ tốc độ quay đọc được có thể đánh giá (xác định) năng lượng cột nước. Tuy nhiên để dùng MEMS cần phải có bộ lọc Kalman trong khâu xử lý dữ liệu để khử sai số do độ trôi “không” và nhiễu gây ra [19]. Vì vậy trước khi đi vào xây dựng thuật toán đánh giá năng lượng cột nước xin trình bày cơ sở toán học của lý thuyết lọc Kalman. 2.2.1. Bộ lọc Kalman Năm 1960 Nhà khoa học Mỹ Kalman R.E. [2], [19] đề xuất thuật toán đánh giá trạng thái hệ động học tuyến tính trên cơ sở đo một số tham số đầu ra, thuật toán được gọi là bộ lọc Kalman. Thuật toán lọc Kalman được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xử lý tín hiệu rada, trong kỹ thuật điện tử và đặc biệt trong lý thuyết điều khiển tự 11
động. Trong mục này luận án sẽ trình bày các nội dung chính của lý thuyết về bộ lọc Kalman. Giả sử động học của hệ thống được mô tả bởi hệ phương trình vi phân tuyến tính: X (t )  F (t ) X (t )  G(t )w(t ) (2.90) Thủ tục của thuật toán đánh giá trạng thái X trên cơ sở véc tơ quan sát (đo được) Z theo Kalman [38] như sau: Xˆ  (k )  F ( Xˆ  (k  1)) (2.114) (k  1)  F / X (2.115) X  Xˆ  (k  1) Zˆ (k )  h( Xˆ  (k )) (2.116) H (k )  h / X (2.117) X  Xˆ  ( K ) P (k )  (k 1) P (k 1)T (k 1)  G(k 1)Q(k 1)GT (k  1) (2.118) K (k )  P (k ) H T (k )( H ( K ) P (k ) H T (k )  R(k ))1 (2.119) Xˆ  (k )  Xˆ  (k )  K (k )(Z (k )  Zˆ (k )) (2.120) P (k )  ( I  K (k ) H (k )) P (k ) (2.121) 2.2.2. Xây dựng giải pháp và thuật toán xác định sự thay đổi năng lƣợng cột nƣớc của nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ Như chương 1 đã phân tích nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ ở Việt Nam thường được xây dựng theo phương án tiết kiệm, không có bể điều tiết hoặc tháp điều áp. Vì vậy năng lượng của cột nước (gồm thế năng và động năng) thay đổi phụ thuộc vào lượng nước mưa nhận được của lưu vực dòng sông. Khi đó các tham số mô hình mô tả động học quá trình phát công suất điện năng của tổ máy phát điện cũng thay đổi. Mục 2.1 của chương này đã xây dựng hai thuật toán nhận dạng các tham số này. Tuy nhiên khi nào phải tiến hành việc nhận dạng và hiệu chỉnh luật điều khiển van cấp nước vào turbine là một vấn đề cần phải xác định. Để giải quyết vấn đề này cần đánh giá được năng lượng của cột nước, tức là phải đo và đánh giá được thế năng và động năng của cột nước. 12
Để giải quyết việc này xin đề xuất giải pháp sau: Bên cạnh turbine máy phát điện chính đặt một turbine siêu nhỏ để quay một máy phát điện một chiều với tải cố định. Khi này tốc độ quay của nó sẽ tỉ lệ với năng lượng của cột nước. Trên hình 2.6 mô tả sơ đồ giải pháp trên. Dưới áp lực của dòng nước turbine sẽ quay và làm rotor máy phát điện một chiều quay với tốc độ góc , trên rotor được cuốn các khung dây. Hình 2.6. Turbine mini và máy phát điện một chiều k ki T  M d (2.129) Rr Từ (2.129) cho thấy tốc độ quay tỉ lệ thuận với năng lượng của cột nước nơi đặt máy phát năng lượng thủy điện. Vì vậy nếu đo được tốc độ quay của turbine này sẽ đánh giá được năng lượng cột nước. Hiện nay thiết bị vi cơ quán tính (MEMS) đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đo lường, đặc biệt trong các thiết bị đo lường tư thế và vị trí của vật thể chuyển động (thiết bị dẫn đường). Các thiết bị đo vi cơ quán tính thường có kích thước và trọng lượng rất nhỏ, giá thành thấp. Tuy nhiên các phần tử đo này vẫn có nhược điểm cố hữu, chưa khắc phục được đó là: con quay vi cơ đo vận tốc góc luôn có độ trôi không (có tín hiệu đầu ra khi tốc độ quay thực của vật thể bằng không, tức là khi vật thể đứng yên) và nhiễu đo, còn gia tốc kế thì luôn luôn có nhiễu đo. Để khắc phục vấn đề này thường phải có giải pháp kết hợp chúng với nhau hoặc nhiều khi phải kết hợp với thiết bị đo khác. Như vậy từ việc ứng dụng các phần tử vi cơ quán tính (MEMS) với thuật toán lọc Kalman đã xác định được tốc độ quay của turbine mini. Vì turbine mini đặt trực tiếp vào cột nước (không qua van điều tiết), nên tốc độ quay này tỉ lệ thuận với năng lượng của cột nước. Đây là điểm khác 13
biệt với turbine máy phát điện (ở đó có van điều tiết để ổn định tốc độ quay – đây chính là nội dung của chương 3 luận án). Bắt đầu Bắt đầu Q, R, X0 Nhập ε, N Xˆ (  )  0   Xˆ (  ) (0)  X 0 k 1 T=0 G (2.137) T (i ) Đọc dữ liệu Xˆ (  )  k  (2.138)  k 1 (2.144) Tính M T (i ) Theo 2.146 Zˆ  k  (2.143) H k (2.145) Tính  2 Theo (2.147) Pk(  ) , Pk(  ) K (2.119) 2  k Có Từ thiết bị đo Không Z k  T=1 Xˆ   k  (2.120) Đưa ra Phát lệnh nhận dạng và T (i ) hiệu chỉnh luật điều khiển Đọc tín hiệu kết thúc k  k 1 Kết thúc Có Không Kết thúc KTPK Hình 2.9. Thuật toán xác định thời điểm nhận dạng và hiệu Hình 2.8. Sơ đồ thuật toán lọc Kalman chỉnh luật điều khiển cánh lái hướng cấp nước 2.3. Kết luận chƣơng 2 Để tổng hợp luật điều khiển van cấp nước cho turbine quay máy phát điện ở nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, không có bể điều tiết, cần phải xác định được tham số mô hình mô tả quá trình quay turbine và thời điểm có sự thay đổi của năng lượng cột nước của nguồn nước nơi đặt turbine và máy phát thủy điện. Chương 2 luận án đã giải quyết hai vấn đề nêu trên. 14
1. Trên cơ sở các tài liệu kinh điển và các công trình đã công bố đã xác định mô hình mô tả động học hệ điều khiển cánh lái hướng cấp nước cho turbine quay máy phát điện. Đối với nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ ở Việt Nam các tham số của mô hình này thay đổi do năng lượng cột nước biến động. Vì vậy cần phải có giải pháp xác định các tham số này. 2. Ứng dụng phương pháp toán bình phương tối thiểu đã xây dựng thuật toán xác định tham số mô hình toán mô tả quan hệ giữa độ mở van cấp nước với tốc độ quay turbine lai ghép với máy phát điện trên cơ sở thu thập thông tin về tín hiệu điều khiển, về góc mở van điều khiển và về tốc độ quay của turbine. 3. Ứng dụng giải thuật lọc Kalman để kết hợp thông tin của con quay vi cơ đo tốc độ góc với thông tin của phần tử đo gia tốc (gia tốc kế) xác định năng lượng cột nước và từ đó xác định thời điểm cần thiết phải nhận dạng xác định tham số mô hình và hiệu chỉnh luật điều khiển van cấp nước cho tổ máy phát thủy điện. CHƢƠNG 3. TỔNG HỢP LUẬT ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ QUAY TURBINE TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ Để ổn định tần số điện áp phát ra của máy phát điện trong nhà máy thủy điện cần điều khiển ổn định tần số quay của turbine. Do tải yêu cầu đối với máy phát thường xuyên thay đổi một cách ngẫu nhiên, khi này nếu lưu lượng nước cấp cho turbine không thay đổi thì tần số quay turbine sẽ thay đổi theo. Vì vậy, ở các nhà máy thủy điện luôn có các thiết bị điều khiển lưu lượng dòng nước cấp cho turbine để ổn định tần số quay. Trong thiết bị điều khiển này có bộ phận thu thập thông tin từ các thiết bị đo lường và xử lý thông tin để tạo lệnh điều khiển. Thuật toán xử lý thông tin tạo lệnh điều khiển là sản phẩm luôn được các nhà sản xuất chế tạo thiết bị giữ bản quyền, rất ít khi chuyển giao. Chính vì vậy, để chủ động trong khai thác vận hành nhà máy thủy điện chúng ta phải từng bước làm chủ vấn đề này. Trong chương này luận án sẽ trình bày ba thuật toán tổng hợp luật điều khiển cánh lái hướng của van cấp nước cho turbine. Hai thuật toán dùng cải tiến hiệu chỉnh tham số phần mềm ở các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ đang hoạt động, còn một thuật 15
toán dùng khi chủ động thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển thay thế cho thiết bị nước ngoài. Trong chương 2 đã cho thấy mô hình mô tả quan hệ giữa tín hiệu điều khiển quay cánh lái hướng và tần số quay của turbine như sau: d T    K  z1 (3.1) dt d  d 2 T   KuU  z2 (3.2) dt 2 dt ω0 Thiết bị tạo u Thiết bị tạo U Động cơ điện quay α ω Cơ cấu tạo tần lệnh ổn định lệnh điều Turbine + Máy cánh lái hướng số chuẩn ω0 tần số quay khiển vị trí phát điện dòng nước (Van) ω turbine u(α) cánh lái hướng Thiết bị đo góc α Thiết bị đo tần số quay Hình 3.1. Sơ đồ chức năng quá trình điều khiển quay turbine máy phát điện. Có thể có ba tình huống can thiệp vào sơ đồ chức năng nêu trên: - Tình huống 1: Thiết bị tạo lệnh ổn định tần số quay turbine và Cơ cấu tạo lệnh điều khiển vị trí cánh lái hướng chỉ cho phép cài đặt các tham số của luật điều khiển ổn định tần số quay turbine và của luật điều khiển vị trí cánh lái hướng. - Tình huống 2: Có thể chủ động thay đổi luật ổn định tần số quay turbine, tức là chủ động tạo ra luật hình thành tín hiệu u , không can thiệp vào Cơ cấu tạo lệnh điều khiển vị trí cánh lái hướng. - Tình huống 3: Có thể thay đổi cả hai cơ cấu điều khiển trong sơ đồ hình 3.1, tức là chủ động tạo ra luật hình thành tín hiệu U . Sau đây luận án lần lượt đi vào giải quyết ba tình huống trên. 3.1. Xây dựng thuật toán xác định tham số tối ƣu cho bộ điều khiển PID điều chỉnh nguồn nƣớc cấp cho turbine nhà máy thủy điện vừa và nhỏ Trong mục này luận án sẽ đi vào giải quyết vấn đề cài đặt các tham số cho luật điều khiển PID trong các thiết bị điều khiển hiện có, tương ứng với tình huống 1. 16
Bộ điều khiển Bộ điều khiển tốc độ vị trí z2 z1 ref  ref U 1  1  PID2 PID1 Ku K (T s  1) s T s  1 Đo α Đo ω Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ thống ổn định tần số quay turbine máy phát thủy điện Cần xác định các giá trị bộ tham số K P , TI , TD sao cho: tích phân bình phương sai số bám sát tần số chuẩn đạt giá trị nhỏ nhất, tức là:  J q   e2 (t )dt  min (3.6) 0 1 1 1 Đặt: K01  x ;  y; b ; a  2 xác định J q : TI 1 T T 1 1 1 1 xy x  xy 3 T T T T ax 2 y  abxy xb Jq     (3.19) 1 2 xy ( x 1 1  xy ) 2abx y  2ax y 1 2 2 2 2bx  2 xy T T T T J q 1  2b  2 y 2 J q bx  2bx  4 xy   0 (3.21) ;  0 (3.22) x (2bx  2 xy) 2 y (2bxy  2 xy 2 ) 2 Gỉải hệ phương trình (3.21), (3.22) sẽ xác định được x , y để đảm bảo biểu thức (3.6). Đây là tham số cần tìm. 3.2. Xây dựng thuật toán backstepping ổn định tần số quay turbine Trong mục này luận án áp dụng giải thuật backstepping để hình thành luật điều khiển u trong sơ đồ hình 3.1, tương ứng với tình huống 2. Như vậy trong mục này luận án sẽ ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại để xây dựng thuật toán mới cho khâu Cơ cấu tạo lệnh ổn định tần số quay turbine trong Sơ đồ chức năng hình 3.1. Theo tài liệu [18] cho thấy, “mạch vòng điều khiển vị trí cánh lái hướng” được rút gọn và xấp xỉ về khâu quán tính bậc nhất với hàm truyền có dạng như sau:  ( s) Ka Gvt ( s)   (3.27) u ( s) Ta s  1 Từ hàm truyền (3.27) cho phương trình sau: 17