Nghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơ-ron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbine-máy phát thủy điện

M
U
1. Lý do ch n
tài
- Th y i n là ngu n i n có
c t q trình bi n
i n
ng
l ng c a n c (th y n
ng)
d
ng th n
ng và ng n
ng thành c
n
ng làm quay turbine-máy phát t
o ra i n n
ng.
- Các nhà máy th y i n làm vi c trong iu ki n có chiu cao ct áp
khơng n nh cng vi nhu cu i n n
ng (ph ti c a các máy phát
i n) thay i trong ph
m vi rng, thì b iu tc vi thut tốn iu
khin PID (có các tham s c nh) s rt khó kh
n trong vi c iu
chnh gi cân bng gia n
ng l ng u vào và u ra c a h thng,
làm cho áp ng có dao ng ln (hoc có tr ng h p mt n nh).
- i t ng nghiên cu c a  tài c a là nhà máy th y i n nh!,
khơng có h cha n c ln (s∀ dng th ng l u làm h cha n c).
Vi mc tiêu là thi t k b iu khin thích nghi cho b iu tc

turbine th y l#c trong nhà máy th y i n này nhm gii quy t tt hai
vn  c a h thng th y i n là nhi∃u ct áp u vào và nhi∃u ti
u ra,  ci thi n và nâng cao cht l ng iu khin h thng.
Vi các lý do trên, tôi ã ch%n  tài nghiên cu là: Nghiên

c u ng d ng m ng m n -ron
xây d ng thu t toán i
u
khi n h i
u t
c turbine-máy phát th
y in.
2. M c ích c a
tài
Thi t k b iu khin thích nghi cho b iu tc turbinemáy phát th y l#c, nhm nâng cao cht l ng iu khin cho nhà
máy th y i n có các thơng s u vào và u ra thay i trong ph
m
vi rng.
3.
i t
ng và ph
m vi nghiên c
u
Nghiên cu ánh giá s# nh h
ng c a các thông s (chiu cao
ct áp, công sut ph ti i n) n s# n nh c a h thng turbine-máy
phát th y l#c trong nhà máy th y i n có cơng sut nh!, làm vi c trong
các tr ng h p chiu cao ct áp và công sut khác nhau,
hai ch 
vn hành c lp và ch  bám l i.

4. Ý ngha khoa h c và thc tin
Phát trin, cp nht và ng dng
c công c lý thuy t iu
khin hi n
i vào mt i t ng phc t
p.
 tài nghiên cu có tính th#c ti∃n cao xut phát t yêu cu
th#c t v vi c cn nâng cao cht l ng i n c a nhà máy th y i n


nh!, góp phn n nh và nâng cao n
ng sut và hi u qu làm vi c
c a các thi t b i n.
5. Tính mi c a
tài
 tài nghiên cu có tính k th a, tham kho k t qu c a các
cơng trình nghiên cu c a các Nhà khoa h%c trong và ngồi n c ã
cơng b và d# ki n các k t qu mi s
t
c là:
- Phân tích nh h
ng c a các bi n u vào (chiu cao ct áp) và
bi n u ra (công sut ph ti) n áp ng c a h thng turbinemáy phát th y i n.
- &ng dng lý thuy t và các công c iu khin thông minh thi t k
b iu khin thích nghi cho b iu tc turbine th y l#c.
- Thi t k , l∋p t b iu tc i n-th y l#c th#c t , m bo yêu cu
tác ng nhanh, chính xác, vn hành n gin, an tồn và có  tin
cây cao.
- Xây d#ng mơ hình th#c nghi m HIL (Hardware-In-The-Loop),
trong ó có s# tr giúp c a máy tính, các cơng c phn mm và card

thu thp d li u a n
ng NI PCI MIO 16E-1  trao i d li u gia
máy tính và thi t b th#c. Vi c thi t k mô hình, kim tra, kho sát h
thng vi các tr ng h p r i ro xy ra s
c th#c hi n d∃ dàng vi
 an tồn cao, khơng s h h!ng thi t b do s∀ dng mơ hình trên
máy tính.
CHNG 1: TNG QUAN
1.1
c tính i u chnh c a b i u t c
iu chnh tn s (hay s vòng quay) c a turbine
c th#c
hi n bng cách thay i n
ng l ng vào turbine, nó liên quan tr#c
ti p ti tiêu hao n
ng l ng, hi u sut t ng t máy và liên quan cht
ch vi iu chnh và phân phi công sut tác dng gia các t máy
phát và gia các nhà máy i n. Có th chia thành hai b iu tc in
hình là b iu tc có c tính iu chnh khơng i và b iu tc
vi c tính iu chnh có  dc.
1.1.1. B i u t c có c tính i u ch nh khơng i
B iu tc có c tính iu chnh khơng i có c im là
ln gi
c tn s (s vòng quay c a turbine) c nh vi m%i mc
công sut trong gii h
n cho phép c a máy phát và ch dùng trong
tr ng h p mt t máy làm vi c vi ti c lp hoc t máy làm
nhi m v iu tn.
1.1.2. B i u t c v i c tính i u ch nh có
d c

B iu tc vi c tính iu chnh có  dc có th s∀ dng
khi có t hai máy phát i n tr
lên và có c im là iu chnh tn
s có  l ch xác nh. Khi làm vi c
ch  song song, t máy nào
có c tính iu chnh turbine ít dc hn thì s nhn nhiu cơng sut
hn và ng c l
i.
1.2 Tình hình nghiên c
u trong và ngồi n
c
Các cơng trình nghiên cu c a các tác gi trong và ngoài n c
u nhm nâng cao  chính xác, thơng minh hóa c a b iu khin.
Tuy vy, m(i nghiên cu u có u im và h
n ch trong các ng
dng, ó là ch a  cp h t các y u t ng)u nhiên c a ti hay bi n
ng c a ct n c… Tt c các cơng trình nghiên cu ch gii thi u
ch y u v b iu tc trong ch  ho
t ng c lp (không ni
l i) vi b iu khin tn s
c thi t k t các mô hình tuy n tính
hóa c a h thng th y l#c. Hu h t các tài li u trong n c và n c
ngoài u  cp n vi c s∀ dng b iu khin PID truyn thng.
1.3. Ni dung nghiên c
u
- Phân tích xây d#ng mơ hình tốn c a i t ng là h thng
th y l#c-turbine-máy phát cơng sut nh!, có xét n t n tht ct áp
trong ng ng.

- T ng h p b iu khin PID, PI cho m
ch vòng iu khin
tc  và m
ch vịng iu khin cơng sut khi h thng vn hành

các ch  và các iu ki n làm vi c khác nhau. Mô ph!ng, ánh giá
cht l ng iu khin h thng trong các tr ng h p ó.
- &ng dng m
ng nron và m
ng nron có cu trúc d#a trên
h thng suy lun m ANFIS (Adaptive Network Fuzzy Inference
System), thi t k b iu khin PID, PI thích nghi m bo có các
thơng s t# ng cp nht giá tr theo s# thay i các tham s u
vào và u ra c a h thng.
- Thi t k , l∋p t b iu tc i n-th y l#c th#c t  phc v
cho vi c th#c nghi m trong phịng thí nghi m.
- Xây d#ng mơ hình mơ ph!ng th#c nghi m HIL (Hardware-InThe-Loop)  kim nh các thut tốn iu khin và k t qu mơ
ph!ng c a h thng trong min thi gian th#c.
1.4. Ph
ng pháp nghiên c
u
- K t h p gia ph ng pháp nghiên cu lý thuy t và ph ng
pháp th#c nghi m trên mơ hình th#c.
- S∀ dng các cơng c h( tr nh : mơ hình tốn h%c, lý thuy t
iu khin h thng, phân tích và thi t k h thng bng phn mm


trên máy tính, các mơ hình vt lý và bán vt lý vi các phn mm vi
x∀ lý  phân tích ánh giá và so sánh các k t qu
t

c gia lý
thuy t và th#c nghi m.
1.5. Cu trúc c a lun án
Ngoài phn m
u, k t lun và ki n ngh, ni dung c a lun
án
c trình bày trong 5 ch ng:
Ch ng 1. T ng quan: Phân tích c tính iu chnh c a b iu tc
trong các ch  vn hành khác nhau, ánh giá tóm t∋t v các k t qu
nghiên cu trong và ngoài n c, nhng vn  còn t n t
i và h ng
gii quy t c a lun án.
Ch ng 2. Mơ hình ng h%c h thng th y l#c: Ni dung ch y u
nghiên cu v mơ hình tốn c a các thành phn trong h thng th y
l#c, trên c s
ó xây d#ng mơ hình c a i t ng.
Ch ng 3. B iu khin PID và gii pháp nâng cao cht l ng iu
khin h thng: Phân tích ánh giá cht l ng iu khin h thng thông
qua vi c mơ ph!ng trên phn mm Matlab-Simulink. Sau ó ng dng
ANFIS và m
ng nron  thi t k b iu khin thích nghi NNC. Mơ
ph!ng, so sánh cht l ng iu khin gia b iu khin PID, PI và b
iu khin NNC.
Ch ng 4. Xây d#ng mơ hình mơ ph!ng th#c nghi m: Xây d#ng mơ
hình mơ ph!ng th#c nghi m HIL trong h thi gian th#c có s# k t
h p gia mơ hình h thng
c xây d#ng trong máy tính vi thi t b
th#c thơng qua card a n
ng NI PCI MIO 16E-1.
Ch ng 5 K t qu và bàn lun: Trình bày tóm t∋t các k t qu trong

quá trình nghiên cu, ánh giá, bàn lun v các k t qu
t
c.
CHNG 2: MƠ HÌNH H THNG
2.1. Gii thiu
 có c s
tính tốn thi t k b iu khin cho h thng, vi c
u tiên ta phi xác nh
c mô hình h thng th y l#c-turbine
(g m ng ng và turbine) và sau ó là mơ hình ng h%c c a máy
phát và h thng i n trong các ch  vn hành.
2.2 Mơ hình h th ng th y lc - turbine
2.2.1. Turbine th y l
c
Turbine th y l#c là mt trong nhng thi t b chính trong nhà
máy th y i n, turbine làm nhi m v bi n i n
ng l ng c a dòng
n c (th y n
ng) thành c n
ng làm quay turbine và máy phát i n.
Tu∗ thuc d
ng n
ng l ng dòng chy qua bánh xe công tác c a
turbine, ng i ta chia turbine th y l#c thành nhiu lo
i khác nhau.


Lun án s∀ dng lo
i turbine Francis  kho sát và nghiên cu vì
lo

i turbine này hi n nay rt ph bi n vì nó s∀ dng
c trong di
chiu cao ct áp rng.
2.2.2. Mơ hình tuyn tính hóa
- Mơ hình tuy n tính hóa lý t
ng:
1 − Tw s
∆ Pm
(2.17)
GTB ( s ) =
=
∆α 1 + 0.5Tw s
Trong ó: ∆ P m là thay i công sut c c a turbine (pu)
∆α là thay i  m
cánh h ng (%); Tw là hng s thi gian kh
i
t
o c a n c (s)
- Mơ hình tuy n tính khơng lý t
ng:
∆ P m b23 − byhTw s
(2.22)
GTB ( s ) =
=
1 + b11Tw s
∆α
Trong ó: b23 , byh , b11 là các h s ph thuc vào im làm vi c c
th.
Mơ hình h thng th y l#c - turbin tuy n tính hóa
c s∀ dng 

tính tốn thơng s c a b iu khin.
2.2.3. Mơ hình h
th ng turbine th y l
c phi tuyn có t n
th
t c t n c
Mơ hình h thng th y l#c–turbine phi tuy n
c xác nh
vi gi thi t ng ng d)n n c tuy t i cng (thành ng ng
khơng àn h i), n c khơng nén
c (Hình 2.13)

Hình 2.13 Mơ hình h th
ng turbine th
y l c phi tuyn có tính tn
tht c
a ct nc
Trong ó: V : Vn tc c a n c (pu); α : Góc m
cánh h ng
2

(%); H : Ct áp th y l#c t
i cánh h ng (pu); H lp = f p .V : T n tht


ct áp t
i turbine (pu); H 0 : Giá tr ban u c a ct áp (pu); At : H s
turbine; P m : Công sut c c a turbine (pu); V NL : Vn tc khơng ti
(pu).
2.3 Mơ hình ng h c c a máy phát và h th ng in

Mơ hình ng h%c c a máy phát và h thng i n
c xác
nh t ph ng trình chuyn ng quay c a h turbine-máy phát và