Xây dựng giải thuật thích nghi điều khiển tối ưu máy phát điện đồng bộ trên cơ sở công nghệ mạng nơ rôn
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.12 MB, 180 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
HÃÃÃI
NGÔ CAO CƯỜNG
XÂY DỰNG GIẢI THUẬT THÍCH NGHI
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU
MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ MẠNG NƠ RÔN
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH - 2008
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
HÃÃÃI
NGÔ CAO CƯỜNG
XÂY DỰNG GIẢI THUẬT THÍCH NGHI
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU
MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ MẠNG NƠ RÔN
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN
MÃ SỐ: 02.06.07
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TSKH HỒ ĐẮC LỘC
PGS.TS NGUYỄN NGỌC LÂM
TP. HỒ CHÍ MINH - 2008
LỜI CÁM ƠN
Luận án này được thực hiện tại
Bộ môn Hệ thống điện – Khoa Điện –Điện tử
Trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh
Em xin chân thành cảm ơn
PGS.TSKH HỒ ĐẮC LỘC
Thầy đã đònh hướng nghiên cứu và tân tụy hướng dẫn em trong suốt thời
gian qua, giúp em hoàn thành luận án này.
PGS.TS NGUYỄN NGỌC LÂM
Thầy đã luôn theo dõi, chỉ dẫn các phương pháp tiếp cận và giải quyết
các nội dung cần nghiên cứu trong đề tài.
PGS.TS NGUYỄN BỘI KHUÊ
Là người Thầy người Cha đã luôn bên cạnh chỉ dẫn, nâng đỡ em trong
học tập - nghiên cứu và công tác ngay từ những ngày đầu là sinh viên
đại học, học viên cao học cho đến nay.
PGS.TS NGUYỄN HOÀNG VIỆT
Thầy đã luôn theo dõi chỉ dẫn em trong công tác học tập - nghiên cứu
khi em còn là sinh viên đại học, cao học cho đến nay.
PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC
Thầy luôn nhiệt đóng góp – chỉ dẫn em trong nhiệm vụ nghiên cứu đề tài
luận án qua cả ba chuyên đề tiến sỹ.
TS VŨ PHAN TÚ
Người thầy - người anh luôn động viên, nâng đỡ em trong học tập nghiên
cứu và trong công tác hiện nay.
Sau cùng chân thànhcảm ơn tất cả Quý thầy cô trong Khoa
Điện – Điện tử đã luôn bên cạnh động viên – giúp đỡ em.
i
XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN
BAN GIÁM HIỆU
BAN CHỦ NHIỆM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
PHÒNG QUẢN LÝ SAU ĐẠI HỌC
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH
BAN GIÁM HIỆU
TẬP THỂ CBGVNV KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH
Đã luôn động viên và tạo điều kiện tốt nhất về vật chất cũng như tinh
thần để tôi hoàn thành luận án này.
…Với tất cả tầm lòng
Con cảm ơn Bố Lượng - Mẹ Bích và các anh chị em trong gia đình.
Cảm ơn Quỳnh Trang, Bách Lộc và con gái Sue đã ln bên cạnh, động viên giúp Bố
hồn thành luận án tốt nghiệp này.
…Với tất cả tính u thương
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi can đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Tác giả luận án
Ngô Cao Cường
iii
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .....................................................i
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU ..................................................................... viii
MỞ ĐẦU. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN ..........................................................................1
0.1. ĐẶT VẤN ĐỀ......................................................................................................2
0.2. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN ÁN ..................................................3
0.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ...................................................................................4
0.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................................................................4
0.5. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN ..............................................................................4
0.6. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN.............................................................5
CHƯƠNG 1. ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI..................................6
1.1. MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN .....7
1.2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI .......................................................21
1.2.1. Điều khiển thích nghi ..............................................................................21
1.2.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi .................................................26
1.3. ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MẠNG NƠ RÔN ................................................28
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .....................................................................................28
1.3.1. Quá trình phát triển .................................................................................28
1.3.2. Một số mạng nơ rôn thông dụng .............................................................34
1.3.3. Một số ứng dụng của mạng nơ rôn trong hệ thống điện .........................37
1.4. ĐẶT VẤN ĐỀ CHO LUẬN ÁN .......................................................................38
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG40 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRÊN CƠ
SỞ CÔNG NGHỆ MẠNG NƠ RÔN........................................................................40
2.1. XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRÊN CƠ SỞ CÔNG
NGHỆ MẠNG NƠ RÔN ..........................................................................................41
2.1.1. Đặt vấn đề ...............................................................................................41
2.1.2. Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi.............................41
2.1.3. Xác định luật điều khiển tối ưu (Bước 1)................................................42
2.1.4. Xây dựng mạng RBF(bước 2).................................................................46
2.1.5. Xác định luật chỉnh định tham số (bước 3).............................................47
2.2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ ĐA BIẾN
(MIMO).....................................................................................................................48
2.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ KẾT
NỐI VỚI HỆ THỐNG VÔ CÙNG LỚN..................................................................51
2.4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MÁY PHÁT ĐIỆN
ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ ĐỘC LẬP.......................................................59
CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐƯỢC
THIẾT KẾ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT......................................................66
3.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ KẾT
NỐI VỚI HỆ THỐNG VÔ CÙNG LỚN..................................................................67
3.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỘNG CƠ ..................77
3.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỘNG CƠ ĐIỆN DC
TRÊN CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐƯỢC ĐỀ XUẤT ...............................................78
3.4. KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ.............89
3.5. KHẢO SÁT TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ HỆ ĐỘNG CƠ DC - MÁY PHÁT
ĐIỆN ĐỒNG BỘ ......................................................................................................98
3.5.1 Giới thiệu mô hình ...................................................................................98
3.5.2. Khảo sát một số chế động hoạt động của hệ thống...............................100
CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT TRÊN MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM BỘ
ĐIỀU ÁP TẠI NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRỊ AN ................................................107
4.1. HỆ THỐNG SẢN XUẤT ĐIỆN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRỊ AN.............108
4.2. HỆ THỐNG KÍCH TỪ MÁY PHÁT ĐIỆN CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
TRỊ AN....................................................................................................................112
4.3 CÁC CHẾ ĐỘ CỦA HỆ THỐNG KÍCH THÍCH BẢO ĐẢM LÀM VIỆC MÁY
PHÁT ......................................................................................................................114
4.4. XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN ..............................115
4.5 GIỚI THIỆU THIẾT BỊ KIỂM NGHIỆM NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN TRỊ AN
.................................................................................................................................120
4.6. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI .................................................121
KẾT LUẬN .............................................................................................................128
CÁC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ [CTTG] ĐÃ CÔNG BỐ ......................................132
CÁC ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ..........................................................133
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................134
PHỤ LỤC............................................................................................................... 142
i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
MFĐ
: Máy phát điện.
T-G
: Tuabine-máy phát điện đồng bộ.
RBF
: Radial Basis Function (Mạng nơ rôn đối xứng xuyên tâm)
AGC
: Automatic Generation Control;
P
: Poportional (tỷ lệ);
PI
: Poportional-integral (tỷ lệ - tích phân);
PD
: Poportional-derivative(tỷ lệ - vi phân);
PID
: Poportional-integral-derivative (tỷ lệ - tích phân – vi phân);
AVR
: Automatic Voltage Regulator
(Bộ điều khiển tự động điều khiển điện áp);
PSS
: Power System Stabilizers (Bộ ổn định công suất)
F-NN
: Fuzzy – neural network (Mạng nơ rôn mờ)
SISO
: Simple Input Simple Output (Một đầu vào, một đầu ra);
MIMO
: Multiple Input Multiple Output (nhiều đầu vào, nhiều đầu ra);
MARC
: MODEL ADAPTIVE REFERENCE CONTROL
(Bộ điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn);
LTM
: Long Term Memory (Vùng nhớ dài hạn);
STM
: Short Term Memory (Vùng nhớ ngắn hạn);
ANN
: Artificial neural network (Mạng neuron nhân tạo);
DC
: Direct current (một chiều);
ĐC
: Động cơ;
R
: Regulator (Bộ điều chỉnh);
ii
AB
: Bộ thích nghi;
CS
: Bộ công suất;
Md
: Moment tải;
POT
: Độ vọt lố;
AVM (AVR) : Bộ điều chỉnh điện áp tự động;
AVN
: Bộ điều chỉnh điện áp dự phòng bằng tay;
QAE
: Máy cắt dập từ;
KT
: Kích từ.
iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển của hệ thống điện ...................................... 9
Hình 1.2. Sơ đồ khối mô tả phương trình (1.2)....................................................... 10
Hình 1.3. Sơ đồ khối điều khiển công suất và tần số ............................................... 11
Hình 1.4. Sơ đồ khối chức năng của máy phát và hệ thống điều khiển................... 13
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện áp ......................................................... 15
Hình 1.6. Cấu trúc điều khiển turbogenerator.......................................................... 18
Hình 1.7. Sơ đồ khối bộ điều khiển kích tư dùng nơ rôn......................................... 19
Hình 1.8. Sơ đồ điều khiển thích nghi gián tiếp....................................................... 27
Hình 1.9. Sơ đồ điều khiển thích nghi trực tiếp ....................................................... 27
Hình 1.10. mô hình hóa nơ rôn nhân tạo.................................................................. 29
Hình 1.11. Mức kích hoạt cho nơ rôn nhân tạo ....................................................... 30
Hình 1.12. Học có giám sát...................................................................................... 32
Hình 1.13. Học củng cố............................................................................................ 33
Hình 1.14. Học không có giám sát........................................................................... 34
Hình 1.15. Cấu trúc mạng nơ rôn cấu trúc truyền ngược......................................... 35
Hình 3.1. Giao diện chương trình mô phỏng điều khiển máy phát điện kết nối hệ
thống vô cùng lớn dùng mạng RBF ......................................................................... 68
Hình 3.2. File chương trình khai báo và cập nhật thông số ..................................... 68
Hình 3.3. Cấu trúc mạng nơ rôn điều khiển máy phát ............................................. 69
Hình 3.4. Cấu trúc mạng điều khiển tín hiệu điều khiển (u2) công suất ................. 69
Hình 3.5. Cấu trúc một nơ rôn lớp ẩn ...................................................................... 70
Hình 3.6. Cấu trúc mạng nơ rôn phần khối (sub) trên hình 3.4 ............................... 70
iv
Hình 3.7. Đáp ứng công suất và sai số công suất với bộ điều khiển mạng nơ rôn với
mô hình tóan không cấy nhiễu ................................................................................. 71
Hình 3.8. Đáp ứng điện áp và sai số điện áp với bộ điều khiển mạng nơ rôn với mô
hình tóan không cấy nhiễu ....................................................................................... 72
Hình 3.9. Đáp ứng công suất và sai số công suất với bộ điều khiển mạng nơ rôn với
mô hình tóan có cấy nhiễu ....................................................................................... 73
Hình 3.10. Đáp ứng điện áp và sai số điện áp với bộ điều khiển mạng nơ rôn với mô
hình tóan có cấy nhiễu.............................................................................................. 74
Hình 3.11. Quá trình quá độ điện áp đầu cực máy phát với các hệ số điều khiển γ
khác nhau ................................................................................................ 75
Hình.3.13. Đáp ứng điện áp phát Eq theo điện áp đặt thay đổi (không cấy nhiễu).. 76
Hình.3.14. Đáp ứng tần số phát khi thay đổi công suất tải (không cấy nhiễu)........ 77
Hình.3.15. Đáp ứng tần số phát khi thay đổi công suất tải (có cấy nhiễu) .............. 77
Hình 3.16. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi động cơ điện DC ................ 79
Hình 3.17. Giao diện chương trình chạy mô phỏng điều khiển dùng mạng RBF ... 80
Hình 3.18. Vận tốc động cơ ..................................................................................... 81
Hình 3.19. Biến thiên tốc độ có dạng hình sin......................................................... 81
Hình 3.20. Đáp ứng vận tốc động cơ khi tải biến thiên. .......................................... 82
Hình 3.21. Đáp ứng vận tốc động cơ khi các thông số ma sát biến đổi.................. 83
Hình 3.22. Giao diện chương trình chạy mô phỏng điều khiển động cơ PID và
RBF…..................................................................................................... 84
Hình 3.23. Đáp ứng tốc độ của động cơ cho bởi hai bộ điều khiển......................... 84
Hình 3.24. Đáp ứng tốc độ của động cơ cho bởi hai bộ điều khiển......................... 85
v
Hình 3.25. Đáp ứng tốc độ của động cơ cho bởi hai bộ điều khiển khi giảm tải liên
tục…………………………………………………………………….. 86
Hình 3.26. Đáp ứng tốc độ của động cơ khi tốc độ đặt thay đổi bởi hai bộ điều khiển
….…………………………………………………………………………………..87
Hình 3.27. Đáp ứng tốc độ của động cơ khi tốc độ đặt thay đổi bởi hai bộ điều khiển
….…………………………………………………………………………………. 88
Hình 3.28. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống mô hình vật lý...................................... ..90
Hình 3.29. Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ kéo .................................. ..91
Hình 3.30. Sơ đồ nguyên lý điều khiển kích từ đảm bảo điện áp tải ..................... ..91
Hình 3.31. Hệ động cơ- máy phát và tải… .......................................................... ..92
Hình 3.32. Bộ công suất điều khiển hệ. ................................................................ ..92
Hình 3.33. Giao diện chương trình điều khiển với khâu hiểu chỉnh PID ................ 93
Hình 3.34. Giao diện chương trình điều khiển dùng mạng RBF ........................... ..93
Hình 3.35. Đáp ứng tốc độ khi khởi động không tải với khâu hiệu chỉnh PID ..... ..94
Hình 3.36. Đáp ứng tốc độ khi khởi động không tải với mạng RBF…................. . 94
Hình 3.37. Đáp ứng tốc độ khi khởi động có tải với khâu hiệu chỉnh PID
................................................................................................................................ ..94
Hình 3.38. Đáp ứng tốc độ khi khởi động có tải với mạng RBF ........................... ..94
Hình 3.39. Đáp ứng điện áp trên tải khi thay đổi tải cực đại dùng khâu PID…… ..95
Hình 3.40. Đáp ứng điện áp trên tải khi thay đổi tải cực đại với RBF .................. ..95
Hình 3.41. Đáp ứng tốc độ động cơ khi thay đổi cực đại dùng khâu PID ............. ..95
Hình 3.42. Đáp ứng tốc độ động cơ khi thay đổi cực đại dùng RBF………………95
Hình 3.43. Đáp ứng tốc độ khi giảm tải liên tục rồi tăng liên tục dùng PID ......... ..96
Hình 3.44. Đáp ứng tốc độ khi giảm tải liên tục rồi tăng liên tục dùng RBF ........ ..96
vi
Hình 3.45. Đáp ứng điện áp trên tải khi tải giảm liên tục tăng liên tục dùng
PID……...…………………………………………………………….. 96
Hình 3.46. Đáp ứng điện áp trên tải khi tải giảm liên tục tăng liên tục dùng
RBF………………………………………………………..…………...96
Hình 3.47. Sơ đồ khối hệ thống máy phát điện đồng bộ…………………………...98
Hình 3.48. Hệ thống tải R-L-C............................................................................... ..98
Hình 3.49. hệ thống MFĐ và động cơ .................................................................. ..98
Hình 3.50. Mô hình vật lý hệ động cơ điện DC – MFĐ ........................................ ..99
Hình 3.51. Chương trình điều khiển máy phát Ac và động cơ DC dùng RBF .... .100
Hình 3.52. Đáp ứng áp phát khởi động không tải máy phát - giải thuật PID ...... ..101
Hình 3.53. Đáp ứng áp phát khởi động không tải máy phát – mạng RBF........... ..101
Hình 3.54. Quan sát áp phát khi khởi động mạch kích từ- không tải dùng RBF. ..101
Hình 3.55. Đáp ứng áp trên tải R khi tải tăng giảm- giải thuật PID .................... ..102
Hình 3.56. Đáp ứng áp trên tải R khi tải tăng giảm- mạng RBF ......................... ..102
Hình 3.57. Đáp ứng áp trên tải C khi tải tăng giảm – giải thuật PID ................. ..103
Hình 3.58. Đáp ứng áp trên tải C khi tải tăng giảm – mạng RBF ...................... ..103
Hình 3.59. Đáp ứng áp trên tải L khi tải tăng giảm – giải thuật PID …………….103
Hình 3.60. Đáp ứng áp trên tải L khi tải tăng giảm – mạng RBF ...................... ..103
Hình 3.61. Đáp ứng áp trên tải RLC khi tăng giảm – giải thuật PID .................. ..104
Hình 3.62. Đáp ứng áp trên tải RLC khi tăng giảm – mạng RBF........................ ..104
Hình 4.1. Toàn cảnh nhà máy thủy điện Trị An .................................................... 108
Hình 4.2. Đập tràn nhìn từ phía thượng lưu........................................................... 109
Hình 4.3. Đập tràn nhìn từ phía hạ lưu .................................................................. 109
vii
Hình 4.4. Stator máy phát ...................................................................................... 110
Hình 4.5. Máy biến thế chính…………………………………………………..…110
Hình 4.6. Trạm phân phối ngoài trời 220Kv.......................................................... 111
Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý nhà máy thủy điện Trị An ........................................... 112
Hình 4.8. Sơ đồ mạch động lực hệ thống kích từ nhà máy thủy điện Trị An ........ 113
Hình 4.9. Nguồn cung cấp điện áp kích thích........................................................ 120
Hình 4.10. Khâu hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển .................................................... 120
Hình 4.11. Mạch động lực điều khiển điện áp ...................................................... 121
Hình 4.12. Sơ đồ điều khiển áp kích từ.................................................................. 121
Hình 4.13. Giao diện phần mềm điều khiển kích từ máy phát .............................. 122
Hình 4.14. Đáp ứng điện áp phát khởi động kích từ không tải.............................. 123
Hình 4.15. Đáp ứng điện áp phát khởi động kích từ không tải (trị biên độ).......... 123
Hình 4.16. Đáp ứng điện áp phát khởi động kích từ có tải .................................... 124
Hình 4.17. Đáp ứng điện áp phát khởi động kích từ có tải (trị biên độ)................ 124
Hình 4.18. Đáp ứng điện áp khi thay đổi tải ......................................................... 125
Hình 4.19. Đáp ứng điện áp khi khởi động không tải (trị biên độ)........................ 125
Hình 4.20. Đáp ứng điện áp khi trị áp đặt thay đổi................................................ 126
Hình 4.21. Đáp ứng điện áp khi trị áp đặt thay đổi (trị biên độ)............................ 126
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 3.1: thống kế kết quả mô phỏng các đáp ứng tốc động cơ dùng PID và RBF.
................................................................................................................................ 89
Bảng 3.2: tổng hợp kết quả thực nghiệm trên mô hình hệ động cơ – máy phát DC
................................................................................................................................ 97
Bảng 3.3: thống kế so sánh một số trường hợp vận hành khảo sát trên mô hình
phòng thí nghiệm với máy phát hoạt động độc lập................................................ 104
Trang 1
MỞ ĐẦU.
GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
Trong phần mở đầu, giới thiệu luận án được trình bày với các tiểu mục sau:
Đặt vấn đề;
Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án;
Phạm vi nghiên cứu;
Điểm mới của luận án;
Giá trị thực tiễn của luận án.
Trang 2
0.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Máy phát điện (MFĐ) đồng bộ cung cấp năng lượng điện cho hệ thống,
nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện trong sản xuất và đời sống. Cùng với sự phát
triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, yêu cầu nâng cao chất lượng điện năng
luôn là một đòi hỏi quan trọng và cấp thiết. Chính vì vậy, việc cải tiến hệ thống điều
khiển và qui trình vận hành MFĐ là một hướng giải quyết thích hợp và hiệu quả cho
phép nâng cao chất lượng điện năng.
Máy phát điện đồng bộ là một đối tượng động phi tuyến với các thông số
biến đổi và làm việc trong điều kiện nhiễu ngẫu nhiên lớn (trong đó có kể đến sự
thay đổi của phụ tải theo thời gian, sự cố thoáng qua…). Tuy nhiên, trong quá trình
thiết kế hệ thống điều khiển MFĐ đồng bộ với các bộ điều khiển truyền thống như
PD, PI hoặc PID, mô hình toán học của MFĐ đồng bộ đã được tuyến tính hoá. Điều
này dẫn đến trong một số trường hợp, đặc biệt là khi MFĐ đồng bộ làm việc trong
chế độ nhiễu lớn (phụ tải thay đổi bất định, sự cố trên hệ thống điện,…), các chỉ tiêu
về chất lượng điều khiển (điện áp, tần số) không được đảm bảo.
Hiện nay trên thế giới, các phương pháp điều khiển hiện đại được đề nghị áp
dụng cho MFĐ như: điều khiển thích nghi, điều khiển tối ưu. Các công nghệ tính
toán mới như: công nghệ mạng nơ rôn, hệ mờ, cũng được sử dụng như là công cụ
thực hiện giải thuật điều khiển. Nhiều công trình khoa học được công bố nhằm
chứng minh tính khả thi, cũng như chất lượng điều khiển của các hệ thống nêu trên.
Tuy nhiên, các vấn đề mang tính nguyên lý, đặc biệt là việc chứng minh tính
ổn định cũng như định lượng các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống dựa trên lý thuyết
điều khiển thích nghi với công nghệ mạng nơ rôn, logic mờ chưa được giải quyết
triệt để. Vì vậy việc phát triển các nghiên cứu về tính chất của hệ thống điều khiển
thích nghi trên cơ sở ứng dụng công nghệ mạng nơ rôn, logic mờ là cần thiết. Đó
cũng là nội dung chính của luận án này.
Trang 3
0.2. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN ÁN
Mục tiêu của luận án :
1. Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển MFĐ đồng bộ làm việc trong các
chế độ nhiễu và sự cố.
2. Áp dụng phương pháp thiết kế giải tích hệ thống điều khiển thích nghi MFĐ
đồng bộ. Đảm bảo tính ổn định và chất lượng điều khiển của hệ thống.
3. Ứng dụng công nghệ mạng nơ rôn làm cơ sở cho việc thực hiện giải thuật
điều khiển thích nghi cho MFĐ đồng bộ.
4. Triển khai các kết quả nghiên cứu cho một đối tượng cụ thể.
Để đạt được các mục tiêu trên, các nhiệm vụ sau được đề xuất:
1. Nghiên cứu hệ thống điều khiển MFĐ đồng bộ làm việc trong các chế độ
nhiễu và sự cố. Từ đó đề xuất giải pháp điều khiển tối ưu theo các chỉ tiêu
chất lượng cho trước.
2. Nghiên cứu tổng quát phương pháp giải tích thiết kế hệ thống điều khiển véc
tơ thích nghi đối tượng động phi tuyến có mô hình không tường minh và làm
việc trong chế độ nhiễu ngẫu nhiên.
3. Đề xuất phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi trên cơ sở công
nghệ mạng nơ rôn.
4. Chứng minh bằng giải tích tính ổn định và các chỉ tiêu chất lượng của hệ
thống điều khiển thích nghi.
5. Thiết kế và Đánh giá hệ thống điều khiển đối tượng tiêu biểu trên cơ sở
phương pháp được đề xuất
6. Thiết kế hệ thống điều khiển MFĐ đồng bộ trên cơ sở phương pháp được đề
xuất.
7. Đánh giá hệ thống điều khiển được thiết kế.
Trang 4
8. Ứng dụng phương pháp được đề xuất thiết kế hệ thống điều khiển MFĐ đồng
bộ của nhà máy thủy điện Trị An. Đánh giá hệ thống điều khiển trên mô hình
vật lý.
0.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Xây dựng phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi các đối tượng
động phi tuyến không có mô hình toán học tường minh, làm việc trong chế độ nhiễu
ngẫu nhiên. Ứng dụng công nghệ mạng nơ rôn thực hiện giải thuật thích nghi. Khảo
sát hệ thống điều khiển cho một số đối tượng tiêu biểu. Điều khiển MFĐ đồng bộ
dựa trên phương pháp được đề xuất.
0.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Giải tích toán học là phương pháp được sử dụng xuyên suốt trong luận án.
Phương pháp mô phỏng được sử dụng để khảo sát hệ thống điều khiển trên mô
hình. Các phương pháp đo lường, thống kê, phân tích được sử dụng trong khi khảo
sát hệ thống vật lý.
0.5. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN
1. Đề xuất phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi các đối tượng
động phi tuyến không có mô hình toán học tường minh và làm việc trong chế
độ nhiễu ngẫu nhiên.
2. Xây dựng mô hình điều khiển tổ hợp Turbine - Máy phát điện đồng bộ cho
bài toán thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi.
3. Thiết kế hệ thống điều khiển tổ hợp Turbine-MFĐ đồng bộ trên cơ sở
phương pháp được đề xuất.
4. Chứng minh tính ổn định của hệ thống được thiết kế bằng phương pháp giải
tích trên cơ sở định lý Lyapunov 2.
Trang 5
0.6. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN
1. Hệ thống điều khiển tổ hợp Turbine-MFĐ đồng bộ có thể được triển khai
trên thực tế.
2. Các khảo sát trên mô hình vật lý cho thấy tính ổn định cũng như chất lượng
của hệ thống điều khiển. Như vậy các hệ thống được thiết kế có thể được
triển khai trong công nghiệp.
3. Các kết quả lý thuyết mở ra hướng nghiên cứu thiết kế các hệ thống điều
khiển thích nghi-tối ưu các đối tượng phi tuyến.
4. Phương pháp được đề xuất có thể áp dụng trong bài toán thiết kế hệ thống
điều khiển thích nghi các đối tượng động phi tuyến như động cơ, cánh tay
máy v.v.
Bản Luận án bao gồm :
Mở đầu, Giới thiệu luận án (5 trang)
Chương 1. Tổng quan về điều khiển máy phát điện đồng bộ và các phương pháp
thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi( 34 trang)
Chương 2. Thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi máy phát điện đồng bộ trên cơ
sở công nghệ mạng nơ rôn (26 trang)
Chương 3. Khảo sát hệ thống điều khiển thích nghi được thiết kế theo phương pháp
đề xuất (42 trang)
Chương 4. ứng dụng giải thuật trên mô hình thí nghiệm bộ điều áp tại nhà máy thủy
điện Trị An (21 trang)
Kết luận (4 trang)
Danh mục công trình tác giả
Danh mục tài liệu tham khảo
Phụ lục.
Trang 6
CHƯƠNG 1.
ĐIỀU KHIỂN
MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
Nội dung Chương 1 giới thiệu những vấn đề chính liên quan đến đề tài luận án - về
điều khiển máy phát điện đồng bộ, - về quá trình phát triển của điều khiển thích
nghi cùng một số ứng dụng mạng nơ rôn trong hệ thống điện. Từ đó, luận án đề
xuất nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển thích nghi.
Trang 7
1.1. MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN
Máy phát điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng, thông thường sử
dụng nguyên lý cảm ứng điện từ. Nguồn cơ năng sơ cấp dẫn động có thể là các
động cơ, turbine hơi, turbine nước, động cơ đốt trong, turbine gió hoặc các nguồn
cơ năng khác. Máy phát điện giữ một vai trò then chốt trong các thiết bị cung cấp
điện.
Tùy vào nguồn năng lượng sơ cấp chúng ta có các loại MFĐ turbine nước
(trong nhà máy thuỷ điện), MFĐ turbine hơi (trong nhà máy nhiệt điện) và MFĐ
turbine khí (trong nhà máy khí điện) . Các máy phát điện turbine hơi hoặc turbine
khí thường được chế tạo với tốc độ cao (3000 vòng/phút đối với máy có tần số 50
Hz, và 3600 vòng/ phút đối với máy 60 Hz). Hầu hết các máy phát điện turbine hơi
và máy phát điện turbine khí là loại trục nằm ngang, chế tạo theo kiểu cực ẩn. Loại
này có rotor dài hơn nhiều so với đường kính.
Thông thường với đa số các máy có đường kính lớn hơn 1 mét, lõi thép stator
được chế tạo thành nhiều cung, bằng thép silicon cao cấp, có tính định hướng, phủ
chất cách điện để giảm thiểu tổn thất điện năng. Người ta thường không ghép thành
một khối như các máy điện cỡ nhỏ, mà làm thành nhiều lớp, có khe hở ở giữa để
thông gió làm mát.
Cuộn dây stator được làm từ các thanh dẫn bằng đồng xếp nằm trong các
rãnh, hai đầu nối lại với nhau thành các vòng dây. Các thanh dẫn thường không phải
là thanh đặc nguyên khối, mà được làm từ các dây dẹp quấn bện theo kiểu Roebel,
sao cho mỗi thanh nhỏ trong bó đều có một chiều dài bằng nhau, dù có phải uốn
lượn theo nhiều hướng khác nhau. Các dây nối ra ngoài và dây nối giữa các pha, các
vòng dây với nhau được cố định chắc chắn hai đầu bằng các vật liệu cách điện có
độ bền điện và độ bền cơ học cao.
Rotor của MFĐ có dạng trụ có xẻ rãnh, quấn nhiều cuộn dây kích từ đồng
tâm. Hai đầu chỗ các mối hàn nối các thanh và các cuộn dây với nhau được bảo vệ
Trang 8
bằng một vòng thép hình trụ, gọi là vòng hộ hoàn. Các dây dẫn ra ngoài được dẫn
xuyên qua dọc theo trục máy để đưa ra phía đầu rotor. Từ đó có thể nối vào các
vành nhận điện, để có thể đưa dòng điện từ bên ngoài vào qua các chổi than. Dòng
điện đưa vào rotor máy phát điện thường là dòng điện một chiều, gọi là dòng kích
thích.
Thông thường, hai đầu của rotor đều có lắp đặt cánh quạt để thổi chất khí đi
vào theo các đường dẫn đặt sẵn, để làm mát máy. Chất khí đó có thể là không khí tự
nhiên, thông với môi trường bên ngoài, hoặc khí hydrogen, tuần hoàn kín. Trong
trường hợp tuần hoàn kín, có thể phải lắp đặt thêm một số bộ trao đổi nhiệt, để làm
mát chất khí đó bằng nước. Các máy phát điện turbine hơi và máy phát điện turbine
khí có thể chế tạo từ một vài MW đến 700 MW.
Máy phát điện có thể có các chế độ vận hành khác nhau như sau:
• Phát điện độc lập, cung cấp điện cho một nhóm tải tập trung;
• Phát điện song song. Hòa đồng bộ với các máy khác, cung cấp cho một
nhóm tải;
• Hòa đồng bộ với lưới. Cung cấp công suất lên lưới điện;
• Phát vô công, làm máy bù đồng bộ.
Trên hình 1.1 giới thiệu cấu trúc hệ thống điều khiển của hệ thống điện.
Hầu hết các hệ thống điện hiện nay trên thế giới là các hệ thống có công suất
rất lớn với hàng trăm, hàng ngàn máy phát điện cung cấp cho một số lượng cực lớn
các hộ tiêu thụ thông qua mạng điện lớn và phức tạp. Đặc tính vận hành của hệ
thống như vậy trong các chế độ là rất phức tạp và thường khác xa đặc tính vận hành
của một số thiết bị hay một nhóm thiết bị. Việc khảo sát sự làm việc của máy phát
động bộ trong hệ thống như vậy thường sử dụng mô hình máy phát nối với hệ thông
vô cùng lớn hoặc mô hình hệ nhiều máy. Tại mỗi nút tải của hệ thống điện cũng có
vô số các thiết bị tiêu thụ điện nối vào với các đặc tính khác nhau nên xem xét đặc
tính tải tại mỗi nút hệ thống là tải tổng hợp. Các lý thuyết khảo sát các chế độ làm
Trang 9
việc của các hệ thống điện phức tạp ngày nay đã phát triển rất phong phú và đạt
được những kết quả khả quan nhờ vào sự phát triển của kỹ thuật máy tính.
Hệ thống điều khiển trung tâm
- Ước lượng trạng thái
- Điều khiển luồng công suất
- Giải quyết tiết kiệm
- Giải quyết an ninh
Máy phát (Generation)
Truyền tải và phân phồi
TẢI
(in power station)
Điều khiển thay đổi nấc
Trong trường hợp
Điều khiển turbine
Bù công suất phản kháng
bình thường không
Điều khiển điện áp
HVDC, FACTS
điều khiển
MẠNG ĐIỆN
Hình 1.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển của hệ thống điện
Với hệ thống lớn việc vận hành điện khiển MFĐ đồng bộ rất phức tạp, đòi
hỏi đảm bảo chỉ tiêu chất lượng điện năng nghiêm ngặt. Thông thường để điều
khiển đảm bảo chất lượng điện năng cho hệ thống , ta phải đảm bảo việc phát điện
của các máy phát kết nối với hệ thống [68]. Điều khiển turbine đảm bảo tần số
(công suất thực), điều khiển kích từ (công suất phản kháng) nhằm đảm bảo điện áp
phát. Chính vì vậy việc tìm hiểu các phương pháp điều khiển máy phát đảm bảo các
chỉ tiêu chất lượng điện năng luôn được các nhà khoa học nghiên cứu.
Nhằm cải thiện chất lượng điện năng, nhiều thiết bị cũng như công nghệ điều
khiển nhằm tối ưu vận hành – điều khiển MFĐ đồng bộ được đề xuất bởi các nhà
