Nghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbinemáy phát thủy điện

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................3
DANH MỤC CÁC BẢNG ...............................................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ĐỒ THỊ ........................................................................5
MỞ ĐẦU ..........................................................................................................................9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ..........................................................................................12
1.1
Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc turbine thủy lực.........................................12
1.1.1
Bộ điều tốc có đặc tính điều chỉnh khơng đổi ............................................13
1.1.2
Bộ điều tốc với đặc tính điều chỉnh có độ dốc ...........................................13
1.2
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước........................................................14
1.2.1
Các nghiên cứu trong nước .......................................................................15
1.2.2
Tình hình nghiên cứu ngồi nước..............................................................15
1.3
Nội dung nghiên cứu ........................................................................................18
1.4
Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................18
1.5
Cấu trúc của luận án .........................................................................................19
1.6
Kết luận chương 1 ............................................................................................19
CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HỆ THỐNG..........................................................................20
2.1
Giới thiệu .........................................................................................................20
2.2
Mơ hình hệ thống thủy lực-turbine....................................................................20

2.2.1
Turbine thủy lực .......................................................................................20
2.2.2
Mơ hình tuyến tính hóa .............................................................................24
2.2.3
Mơ hình phi tuyến có xét đến tổn thất của cột nước...................................29
2.3
Mơ hình động học của máy phát và hệ thống điện.............................................33
2.3.1
Mơ hình động học của máy phát làm việc với tải độc lập ..........................33
2.3.2
Mơ hình động học của máy phát làm việc có nối lưới................................36
2.4
Kết luận chương 2 ............................................................................................37
CHƯƠNG 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ...........................................................................................38
3.1
Bộ điều khiển PID ............................................................................................38
3.1.1
Các thành phần của bộ điều khiển PID......................................................38
3.1.2
Tổng hợp bộ điều khiển PID ở chế độ làm việc với tải độc lập ..................39
3.2
Mô phỏng và kết quả ........................................................................................46
3.2.1
Thông số mô phỏng ..................................................................................46
3.2.2
Mô phỏng trường hợp máy phát làm việc với tải độc lập (mạch vòng điều
khiển tốc độ (tần số))................................................................................................47
3.2.3

Mơ phỏng trường hợp máy phát làm việc có nối lưới (mạch vịng điều khiển
cơng suất).................................................................................................................52
3.3
Giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống ..........................................57
3.3.1
Mục tiêu giải pháp ....................................................................................57

1


3.3.2
3.3.3

Cơ sở lý thuyết..........................................................................................57
Mạng nơron thích nghi dựa trên hệ thống suy luận mờ (ANFIS) ...............63

3.3.4
3.3.5

Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho bộ điều tốc turbine thủy lực ............67
Nhận dạng mơ hình turbine thủy lực .........................................................67

3.3.6
Bài tốn điều khiển ...................................................................................72
3.3.7
Mô phỏng và kết quả khi sử dụng bộ điều khiển PID nơron (NNC)...........74
3.4
Kết luận chương 3 ............................................................................................89
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG THỬ NGHIỆM ........................90
4.1

Thiết lập mơ hình hệ thống hardware-in-the-loop (HIL) ...................................90
4.1.1
Mơ hình mơ phỏng HIL ............................................................................90
4.1.2
Xây dựng mơ hình hệ thống mơ phỏng HIL ..............................................90
4.1.3
Các đặc trưng của Realtime Windows Target............................................91
4.2
Sử dụng card NI PCI MIO 16E-1 trao đổi dữ liệu với thiết bị ngoài.................92
4.3
Thiết kế bộ điều tốc điện-thủy lực.....................................................................93
4.3.1
Hệ thống mạch lực điều khiển servo motor ...............................................93
4.3.2
Bộ vi xử lý................................................................................................96
4.3.3
Nguyên lý làm việc ...................................................................................98
4.3.4
Mô phỏng hệ thống servo motor trên hệ điều hành thời gian thực............100
4.3.5
Kết quả thực nghiệm...............................................................................100
4.4
Kết luận chương 4 ..........................................................................................110
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..................................................................111
5.1
Kết quả...........................................................................................................111
5.2
Bàn luận .........................................................................................................111
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................................113
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................114

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................117
PHỤ LỤC .....................................................................................................................118
Phụ lục 1 Biểu thức tính các thơng số đầu ra của ANFIS............................................118
Phụ lục 2 Chương trình nhận dạng và điều khiển trong Matlab...................................121
Phụ lục 3 Chương trình điều khiển mạch vịng vị trí cánh hướng................................124

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Thơng
số

Giải thích

Ap
Lp
a

Tiết diện ngang của đường ống áp lực [m2]
Chiều dài đường ống áp lực [m]
Vận tốc sóng áp lực trong đường ống [m/s]

ag

ρ

Gia tốc trọng trường [m/s2]
Trọng lượng riêng của nước [kg/m3]

Tw'

Hằng số thời gian khởi động của nước với tải bất kỳ [s]

Twp

Qbase

Hằng số thời gian khởi động của nước với tải định mức trong đường ống áp
lực [s]
Hằng số thời gian của van phụ và secvomoto
Hằng số thời gian của van chính
Hệ số giảm cột áp trong [pu] (p1: đường ống áp lực
Hằng số giảm cột áp do ma sát
Hệ số khuếch đại của turbine
Lưu lượng nước cơ sở (m3/s)

H base

Chiều cao cột áp cơ sở (m)

α / ∆α

Độ mở cánh hướng nước [pu]/ sai lệch độ mở cánh hướng [pu]

Pm / ∆ Pm

Công suất cơ [pu]/sai lệch công suất cơ [pu]

∆ω

Sai lệch tốc độ roto [pu]

NNC
ANFIS

Neural Network Controller
Adaptive Network Fuzzy Inference System

Tp
Tg
flp
kf
At

3


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Thông số cơ bản của nhà máy thủy điện RyNinh [3] .........................................46
Bảng 3.2 Thông số chất lượng điều khiển mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID
........................................................................................................................................52
Bảng 3.3 Thông số chất lượng điều khiển của mạch vịng cơng suất khi sử dụng bộ điều
khiển PI ...........................................................................................................................57
Bảng 3.4 Tóm tắt hai q trình trong phương pháp học hybrid cho ANFIS.......................63
Bảng 3.5 So sánh ANFIS với các mơ hình GMDH và Fuzzy trong mơ hình hóa hàm phi
tuyến [21] ........................................................................................................................66
Bảng 3.6 So sánh mơ hình ANFIS với mơ hình NN trong nhận dạng trực tiếp đối tượng
[21]..................................................................................................................................66
Bảng 3.7 Thông số chất lượng của bộ điều khiển PID và NNC trong mạch vòng tốc độ ..81

Bảng 3.8 Thông số chất lượng điều khiển của bộ PI và bộ NNC trong chế độ nối lưới .....87
Bảng 4.1 Thông số chất lượng điều khiển thực nghiệm của bộ điều khiển PID và NNC
trong chế độ máy phát làm việc với tải độc lập ( P L = 0,8(pu) ) ......................................105
Bảng 4.2 Thông số chất lượng điều khiển thực nghiệm của bộ điều khiển PI và NNC trong
chế độ máy phát nối lưới ( P L = 0,8(pu) ) .......................................................................110

4


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc turbine thủy lực.........................................12
Hình 1.2 Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc có độ dốc cố định ......................................13
Hình 1.3 Đặc tính điều chỉnh hai tổ máy làm việc song song ...........................................14
Hình 2.1 Sơ đồ các khối chức năng trong nhà máy thủy điện...........................................20
Hình 2.2 Turbine thủy lực Kaplan ...................................................................................21
Hình 2.3 Đường đặc tính cơng tác của turbine thủy lực ...................................................22
Hình 2.4 Đặc tính vịng quay của turbine thủy lực...........................................................23
Hình 2.5 Đặc tính cột nước của turbine thủy lực..............................................................23
Hình 2.6 Đặc tính tải của turbine Francis ........................................................................24
Hình 2.7 Đặc tính tải của turbine Pump...........................................................................24
Hình 2.8 Mơ hình đơn giản của nhà máy thủy điện..........................................................25
Hình 2.9 Đáp ứng của turbine (TB) thủy lực tuyến tính khi đóng mở cánh hướng đột ngột
........................................................................................................................................28
Hình 2.10 Đáp ứng cơng suất của TB thủy lực tuyến tính khi đóng mở cánh hướng khơng

đột ngột............................................................................................................................29
Hình 2.11 Đáp ứng cơng suất của TB thủy lực tuyến tính khi thơng số Tw thay đổi ........29
Hình 2.12 Quan hệ giữa độ mở lý tưởng ( α ) và độ mở thực ( α )[32] .............................31
Hình 2.13 Mơ hình hệ thống turbine thủy lực phi tuyến có tính tổn thất của cột nước [32]
........................................................................................................................................32

Hình 2.14 Đáp ứng công suất của turbine thủy lực phi tuyến khi đóng mở cánh hướng ..32
Hình 2.15 Sơ đồ mơ hình hóa máy phát điện làm việc với tải độc lập [27].......................33
Hình 2.16 Mơ hình động học của máy phát điện làm việc với tải độc lập ........................35
Hình 2.17 Sơ đồ máy phát nối với hệ thống điện ............................................................36
Hình 2.18 Mơ hình động học của máy phát điện làm việc ở chế độ nối lưới ....................37
Hình 3.1 Sơ đồ mạch vịng điều khiển tốc độ máy phát [3]..............................................39
Hình 3.2 Sơ đồ mạch vịng điều khiển vị trí cánh hướng [3] ...........................................40
Hình 3.3 Cấu trúc mạch vịng tốc độ với turbine tuyến tính .............................................42
Hình 3.4 Mạch vịng điều khiển cơng suất [3] .................................................................44
Hình 3.5 Sơ đồ mạch vịng điều khiển máy phát làm việc với tải độc lập.........................48
Hình 3.6 Đáp ứng của mạch vịng tốc độ với mơ hình turbine tuyến tính khi sử dụng bộ

điều khiển PID tại điểm làm việc (V 0 , α 0 , H 0 ) .................................................................49
Hình 3.7 Đáp ứng của mạch vịng tốc độ với mơ hình turbine phi tuyến khi sử dụng PID
tại điểm làm việc (V 0 , α 0 , H 0 ) .........................................................................................49
Hình 3.8 Đáp ứng của mạch vịng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID trong T/H 1......50
Hình 3.9 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID trong T/H 2......51
Hình 3.10 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID trong T/H 3....51
Hình 3.11 Sơ đồ thay thế tương đương máy phát điện nối với hệ thống...........................52

5


Hình 3.12 Sơ đồ mạch vịng điều khiển máy phát khi nối lưới.........................................53
Hình 3.13 Đáp ứng của mạch vịng cơng suất với mơ hình turbine tuyến tính khi sử dụng
bộ điều khiển PI trong trường hợp chiều cao cột áp định mức ..........................................54
Hình 3.14 Đáp ứng của mạch vịng cơng suất với mơ hình turbine phi tuyến khi sử dụng
bộ điều khiển PI trong trường hợp chiều cao cột áp định mức ..........................................54
Hình 3.15 Đáp ứng của mạch vịng cơng suất khi sử dụng bộ điều khiển PI trong T/H1 ..55
Hình 3.16 Đáp ứng của mạch vịng cơng suất khi sử dụng bộ điều khiển PI trong T/H2 ..56

Hình 3.17 Đáp ứng của mạch vịng cơng suất khi sử dụng bộ điều khiển PI trong T/H3 .56
Hình 3.18 Cấu trúc tổng quát của một nơron ...................................................................58
Hình 3.19 Cấu trúc mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp ..................................................58
Hình 3.20 Mơ hình hệ thống suy luận mờ của Tagaki, Sugeno biểu diễn R1, R2 [21].....64
Hình 3.21 Cấu trúc ANFIS tương ứng với mơ hình mờ Tagaki, Sugeno biểu diễn R1, R2 .....64
Hình 3.22 Cấu trúc mạch vòng điều khiển khi sử dụng bộ điều khiển NNC.....................67
Hình 3.23 Sơ đồ tổng qt mơ hình nhận dạng [2]...........................................................68
Hình 3.24 Cấu trúc bộ nhận dạng ANFIS 4-4-4-4-1 ........................................................68
Hình 3.25 Cấu trúc bộ điều khiển PID nơron (NNC) .......................................................72
Hình 3.26 Đầu ra của đối tượng và đầu ra của mơ hình ANFIS nhận dạng .....................74
Hình 3.27 Sai lệch giữa đầu ra của đối tượng và đầu ra của ANFIS trong quá trình nhận
dạng.................................................................................................................................75
Hình 3.28 Thay đổi giá trị tâm hàm liên thuộc của ANFIS trong quá trình nhận dạng......75
Hình 3.29 Thay đổi giá trị độ rộng hàm liên thuộc của ANFIS trong quá trình nhận dạng76
Hình 3.30 Thay đổi giá trị các thông số đầu ra của ANFIS trong quá trình nhận dạng .....76
Hình 3.31 Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ máy phát khi sử dụng bộ điều khiển
NNC ................................................................................................................................77
Hình 3.32 Sơ đồ mơ phỏng mạch vòng điều khiển tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển NNC
........................................................................................................................................77
Hình 3.33 Đáp ứng của mạch vịng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong T/H1...78
Hình 3.34 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI, KD của bộ điều khiển NNC trong T/H1.78
Hình 3.35 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng NNC trong T/H2.........................79
Hình 3.36 Thơng tin Jacobi và thơng số KP, KI, KD của bộ điều khiển NNC trong T/H2.79
Hình 3.37 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong T/H3...80
Hình 3.38 Thơng tin Jacobi và thông số KP, KI, KD của bộ điều khiển NNC trong T/H3.80
Hình 3.39 So sánh đáp ứng tốc độ của hệ thống làm việc trong T/H1 khi sử dụng bộ điều
khiển PID và bộ điều khiển NNC .....................................................................................81
Hình 3.40 So sánh đáp ứng tốc độ của hệ thống làm việc trong T/H 2 khi sử dụng bộ điều
khiển PID và bộ điều khiển NNC .....................................................................................82
Hình 3.41 So sánh đáp ứng tốc độ của hệ thống làm việc trong T/H 3 khi sử dụng bộ điều

khiển PID và bộ điều khiển NNC .....................................................................................82

6


Hình 3.42 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều khiển cơng suất khi sử dụng bộ điều khiển NNC
........................................................................................................................................83
Hình 3.43 Sơ đồ mơ phỏng mạch vịng điều khiển cơng suất khi sử dụng bộ điều khiển
NNC ................................................................................................................................83
Hình 3.44 Đáp ứng của mạch vịng cơng suất với khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong
T/H1 ................................................................................................................................84
Hình 3.45 Thơng tin Jacobi và thông số KP, KI của bộ điều khiển NNC trong T/H1 ........84
Hình 3.46 Đáp ứng của mạch vịng cơng suất khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong T/H2
........................................................................................................................................85
Hình 3.47 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI của bộ điều khiển NNC trong T/H2 ........85
Hình 3.48 Đáp ứng của mạch vịng cơng suất với khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong
T/H3 ................................................................................................................................86
Hình 3.49 Thơng tin Jacobi và thơng số KP, KI của bộ điều khiển NNC trong T/H3 ........86
Hình 3.50 So sánh đáp ứng cơng suất của hệ thống làm việc trong T/H 1 khi sử dụng bộ

điều khiển PI và bộ điều khiển NNC ................................................................................87
Hình 3.51 So sánh đáp ứng công suất của hệ thống làm việc trong T/H 2 khi sử dụng bộ
điều khiển PI và bộ điều khiển NNC ................................................................................88
Hình 3.52 So sánh đáp ứng công suất của hệ thống làm việc trong T/H 3 khi sử dụng bộ
điều khiển PI và bộ điều khiển NNC ................................................................................88
Hình 4.1 Mơ hình tổng quan hệ thống mơ phỏng HIL .....................................................90
Hình 4.2 Sơ đồ khối của Card NI PCI MIO 16E-1...........................................................92
Hình 4.3 Sơ đồ các chân của Card NI PCI MIO 16E-1 .................................................93
Hình 4.4 Sơ đồ mạch hệ thống dầu thủy lực [3]...............................................................94
Hình 4.5 Các thành phần chính của hệ thống dầu thủy lực...............................................94

Hình 4.6 Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển hệ thống bơm dầu thủy lực......................95
Hình 4.7 Mạch điều khiển bơm dầu tự động và điều khiển van thủy lực ..........................96
Hình 4.8 Sơ đồ chân tín hiệu của Card Arduino Uno .......................................................97
Hình 4.9 Lưu đồ thuật tốn điều khiển mạch vịng vị trí cánh hướng ...............................98
Hình 4.10 Bộ điều khiển mạch vịng vị trí cánh hướng ....................................................98
Hình 4.11 Servo motor và cảm biến vị trí ........................................................................99
Hình 4.12 Đáp ứng bước nhảy của bộ điều khiển vị trí trong hệ thời gian thực ..............100
Hình 4.13 Mơ hình mơ phỏng thực nghiệm HIL khi sử dụng PID trong trường hợp máy
phát làm việc với tải độc lập...........................................................................................101
Hình 4.14 Mơ hình mơ phỏng thực nghiệm HIL khi sử dụng NNC trong trường hợp máy
phát làm việc với tải độc lập...........................................................................................102
Hình 4.15 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID
trong T/H1 .....................................................................................................................102
Hình 4.16 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển NNC
trong trường hợp chiều cao cột áp ổn định, công suất tải thay đổi...................................103

7


Hình 4.17 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID
trong T/H2 .....................................................................................................................103
Hình 4.18 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển NNC
trong T/H2 .....................................................................................................................104
Hình 4.19 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID
trong T/H3 .....................................................................................................................104
Hình 4.20 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển NNC
trong T/H3 .....................................................................................................................105
Hình 4.21 Mơ hình mô phỏng thực nghiệm HILsử dụng bộ điều khiển PI trong trường
hợp máy phát nối lưới ....................................................................................................106
Hình 4.22 Mơ hình mô phỏng thực nghiệm HILsử dụng bộ điều khiển NNC trong trường

hợp máy phát nối lưới ....................................................................................................106
Hình 4.23 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng điều khiển cơng suất khi sử dụng bộ điều
khiển PI trong T/H1 .......................................................................................................107
Hình 4.24 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng điều khiển cơng suất khi sử dụng bộ điều
khiển NNC trong T/H1 ..................................................................................................107
Hình 4.25 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng điều khiển cơng suất khi sử dụng bộ điều
khiển PI trong T/H2 .......................................................................................................108
Hình 4.26 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều
khiển NNC trong T/H2 ..................................................................................................108
Hình 4.27 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều
khiển PI trong T/H3 .......................................................................................................109
Hình 4.28 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều
khiển NNC trong T/H3 ..................................................................................................109

8


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Thủy điện là nguồn điện có được từ q trình biến đổi năng lượng của nước (thủy
năng) ở dạng thế năng và động năng thành cơ năng làm quay turbine-máy phát tạo ra điện
năng. Trong các trạm thủy điện, bộ điều tốc là một trong những thành phần quan trọng, nó
có chức năng chính là điều chỉnh năng lượng đầu vào để giữ cho tốc độ quay của turbine
(hay tần số lưới điện) ổn định:
- Trong chế độ tổ máy vận hành độc lập hoặc tham gia điều tần (chế độ Speed), bộ
điều tốc có nhiệm vụ: Điều chỉnh cơng suất phát (có giám sát tần số) cân bằng với công
suất tải (hoặc công suất yêu cầu trong phạm vi thay đổi công suất của máy phát) để đưa tần
số (tốc độ quay roto máy phát) về định mức khi có sự thay đổi của biến đầu vào (chiều cao
cột áp) và biến đầu ra (công suất tải).
- Trong chế độ tổ máy vận hành bám lưới (Power control), theo lệnh tăng hoặc

giảm công suất phát vào lưới, bộ điều tốc có nhiệm vụ điều chỉnh công suất phát để đáp
ứng công suất yêu cầu (không giám sát tần số).
Về công suất nhà máy phân chia theo công suất lắp đặt, cách phân loại này phụ
thuộc từng quốc gia. Ở Việt Nam sự phân loại theo tiêu chuẩn TCVN-5090 gồm:
- Nhà máy thuỷ điện lớn: P ≥ 1000MW
- Nhà máy thuỷ điện vừa: 15MW < P < 1000MW
- Nhà máy thuỷ điện nhỏ: P≤ 15MW
Các nhà máy thủy điện lớn và vừa, thường có hồ chứa nước với dung lượng đủ lớn,

điều này đảm bảo cho chiều cao cột áp ít có sự thay đổi trong quá trình làm việc của hệ
thống. Vì vậy, trong các nhà máy thủy điện này, hiện nay đang sử dụng bộ điều tốc với
thuật toán điều chỉnh PID vẫn đảm bảo được chất lượng điều khiển theo yêu cầu.
Các nhà máy thủy điện nhỏ (đặc biệt ở miền Trung Tây Nguyên), có đặc điểm
khác với nhà máy thủy điện trung bình và nhà máy thủy điện lớn là: hồ chứa thường có
dung lượng nhỏ hoặc khơng có hồ chứa (sử dụng thượng lưu làm hồ chứa); thường được
xây dựng trên những con sơng có độ dốc lịng sơng lớn, lịng sơng hẹp; lưu lượng nước
thay đổi rất nhanh trong mùa mưa bão. Với những đặc điểm này sẽ dẫn đến chiều cao cột
áp thay đổi nhanh. Trong điều kiện làm việc có chiều cao cột áp khơng ổn định cộng với
nhu cầu điện năng (phụ tải của các máy phát điện) luôn thay đổi trong phạm vi rộng, thì bộ
điều tốc với thuật tốn điều khiển PID (có các tham số cố định) sẽ rất khó khăn trong việc
điều chỉnh giữ cân bằng giữa năng lượng đầu vào và đầu ra của hệ thống, làm cho đáp ứng
có dao động lớn (hoặc có trường hợp mất ổn định).
Xuất phát từ những đặc điểm trên, tôi chọn đối tượng nghiên cứu cho đề tài của
mình là nhà máy thủy điện nhỏ, khơng có hồ chứa nước lớn (hoặc sử dụng thượng lưu làm
hồ chứa) nhằm giải quyết khó khăn mà bộ điều tốc của những nhà máy này đang gặp phải.
Bài toán nghiên cứu đặt ra là cần thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho bộ bộ điều tốc để

9

quyết tốt hai vấn đề là nhiễu cột áp đầu vào và nhiễu tải đầu ra, để cải thiện và nâng cao
chất lượng điều khiển hệ thống.
Hiện nay, có nhiều phương pháp và sơ đồ điều khiển thích nghi khác nhau, tơi chọn
phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp để nghiên cứu và áp dụng cho hệ thống này.
Trong đó, bộ điều khiển lựa chọn là một nơron tuyến tính có cấu trúc theo ngun tắc của
bộ điều khiển PID (PI); mơ hình của đối tượng (gồm cả nhiễu đầu vào và đầu ra) sẽ được
nhận dạng trực tiếp (on-line) bằng mạng ANFIS (Adaptive Network Base Fuzzy Inference
System), trên cơ sở đó thơng số của bộ điều khiển PID (PI) sẽ được điều chỉnh thích nghi
trong q trình làm việc của hệ thống.
Với các lý do trên, tôi đã chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu ứng dụng mạng
mờ nơ-ron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbine-máy phát thủy điện”.

2. Mục đích của đề tài
Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho bộ điều tốc turbine-máy phát thủy lực, nhằm
nâng cao chất lượng điều khiển cho nhà máy thủy điện có các thơng số đầu vào và đầu ra
thay đổi trong phạm vi rộng.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài là: Nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của
các thông số (chiều cao cột áp, công suất phụ tải điện) đến sự ổn định của hệ thống turbinemáy phát thủy lực. Trên cơ sở đó thiết kế bộ điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng điều
khiển cho nhà máy thủy điện có công suất nhỏ, làm việc trong các trường hợp chiều cao cột áp
và công suất khác nhau ở hai chế độ máy phát vận hành với tải độc lập (mạch vòng điều khiển
tốc độ (tần số)) và máy phát vận hành có hịa lưới (mạch vịng điều khiển cơng suất).

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu áp dụng lý thuyết điều khiển thông minh với
những công cụ như lý thuyết mờ, mạng nơron, kết hợp giữa lý thuyết mờ và mạng nơron
vào việc thiết kế bộ điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng điều khiển cho đối tượng
phi tuyến và có các thông số bất định.
- Ý nghĩa thực tiễn: Do nhu cầu về điện ngày càng tăng trong xu hướng Cơng

nghiệp hóa ở Việt Nam, và nâng cao khả năng đáp ứng nhanh cùng với đó là giảm chi phí
cho việc truyền tải điện năng đến những vùng cách xa các nhà máy điện có cơng suất lớn,
nên trong những năm gần đây, việc phát triển thủy điện, đặc biệt là thủy điện có cơng suất
nhỏ đang bùng nổ với số lượng lớn trên nhiều vùng miền trong cả nước. Việc thiết kế bộ

điều khiển thích nghi dựa trên các cơng cụ nói trên để giải quyết được hai vấn đề lớn của
hệ thống thủy điện là nhiễu cột áp đầu vào và nhiễu tải đầu ra, nhằm nâng cao chất lượng
cung cấp điện năng từ đó góp phần tăng hiệu suất làm việc của các thiết bị điện là cần thiết
trong thực tế.

10


5. Các kết quả mới đạt được
Đề tài nghiên cứu có tính kế thừa, tham khảo kết quả của các cơng trình nghiên cứu
của các Nhà Khoa học trong và ngồi nước đã cơng bố và đạt được các kết quả cụ thể sau:
- Xây dựng mơ hình hồn chỉnh hệ thống thủy lực-turbine trong hệ thủy điện, đây là hệ
có tính phi tuyến cao và về bản chất là hệ pha không cực tiểu (đáp ứng ngược với chiều tác
động của tín hiệu điều khiển).
- Xây dựng và tính tốn tham số của bộ điều khiển tuyến tính từ mơ hình trên, ứng
dụng với các chế độ vận hành của hệ turbine-máy phát thủy điện: bao gồm bộ điều khiển
PID (cho mạch vòng điều khiển tốc độ) và bộ điều khiển PI (cho mạch vịng điều khiển
cơng suất) nhằm đáp ứng yêu cầu chất lượng điều khiển đặt ra trong hệ thống điều tốc.
- Mô phỏng và chỉ ra sự sai lệch của hệ thống khi các tham số đầu vào (chiều cao cột
áp) và đầu ra (phụ tải điện) thay đổi trong phạm vi rộng. Về bản chất hệ thống PID truyền
thống sẽ dao động mạnh và trong một vài trường hợp sẽ gây ra quá điều chỉnh lớn, thậm
chí có trường hợp mất ổn định.
- Sử dụng ANFIS (Adaptive Neural Base Fuzzy Inference System) nhận dạng trực tiếp
hệ thống kết hợp với một nơron có cấu trúc của bộ điều khiển PID hoặc PI, nhằm tạo ra
công cụ mạnh trong việc thiết kế bộ điều khiển thích nghi áp dụng cho các đối tượng phi

tuyến có tham số bất định và đặc tính thay đổi. Theo đó, các thông số của bộ điều khiển sẽ
được cập nhật theo thuật toán huấn luyện trực tuyến mạng nơron nhân tạo.
- Xây dựng hoàn chỉnh bộ điều tốc điện-thủy lực, với cấu tạo đơn giản, luôn phát huy
được những ưu điểm của phần điện (tác động nhanh, chính xác) và phần thủy lực (có thể
tạo ra được lực đóng cắt lớn, bền vững và an toàn trong vận hành).
- Xây dựng mơ hình thực nghiệm HIL (Hardware-In-The-Loop), trong đó sử dụng card
điều khiển NI PCI MIO 16E-1 làm trung tâm. Nhờ phương pháp này, người dùng có thể dễ
dàng mơ phỏng các mơ hình thủy điện khác nhau, đưa ra các kịch bản sai hỏng khác nhau,
và thuận tiện cho việc đánh giá tính ưu việt của bộ điều khiển mới.

11


1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1

Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc turbine thủy lực
Đối với lưới điện hiện đại, u cầu tần số điện khơng đổi (50Hz), hay nói chính xác

hơn, phạm vi biến đổi rất nhỏ, dưới 1%. Vì vậy nó địi hỏi tốc độ quay của turbine (máy
phát) không được thay đổi. Song khi phụ tải thay đổi, mô men quay (tương ứng công suất
phát của turbine) và mô men cản (tương ứng với công suất phụ tải) sẽ mất cân bằng làm
tốc độ quay của turbine thay đổi. Muốn tốc độ quay của turbine không đổi phải tạo nên cân
bằng mới giữa mô men quay và mô men cản.
Để thay đổi công suất trên trục turbine, người ta thường thay đổi lưu lượng qua
turbine bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng dòng của turbine phản kích hay thay đổi độ
mở vịi phun của turbine xung kích. Việc tăng hay giảm độ mở turbine có thể được thao tác
bằng tay khi yêu cầu chính xác tần số khơng cao, lực đóng mở khơng lớn. Để đảm bảo chất
lượng điện (điện áp và tần số) cũng như đảm bảo yêu cầu dừng máy cấp tốc, người ta phải
tiến hành thao tác điều chỉnh turbine một cách tự động, tức là bộ phận điều chỉnh lưu lượng

qua turbine phải được thao tác bằng động cơ sevor có lực thao tác lớn nhờ áp lực dầu từ
các ống dẫn dầu áp lực. Hệ thống dầu áp lực này được điều khiển, khống chế từ thiết bị
điều tốc. Ba bộ phận này hợp lại thành hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ quay của
turbine, hay còn gọi là bộ điều tốc.
Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc thể hiện mối quan hệ giữa công suất tác dụng
(mô men) và tốc độ quay của turbine. Giả thiết họ đường đặc tính tĩnh của turbine và họ
đặc tính tĩnh của phụ tải được xác định như trên hình 1.1

Hình 1.1 Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc turbine thủy lực

Trong đó: 1, 2, 3, là họ đường đặc tính hở tĩnh của bộ điều tốc (tương ứng với các độ mở
cánh hướng α1 , α 2 , α3 ); 1’, 2’, 3’ là họ đường đặc tính tĩnh của phụ tải; K là đường đặc tính

điều chỉnh hệ kín của bộ điều tốc turbine thủy lực.
Quá trình điều chỉnh như sau: Khi công suất phụ tải trong hệ thống điện thay đổi, đặc tính
tĩnh của phụ tải sẽ dịch chuyển. Nếu cơng suất phụ tải tăng, đặc tính sẽ dịch chuyển đến

12


đường 2’ và sẽ cắt 1 tại 02 (Pm2,ω2). Nếu cơng suất phụ tải giảm, đặc tính tải sẽ chuyển đến
đường 3’ và sẽ cắt 1 tại 03 (Pm3,ω3).
Như vậy khi phụ tải thay đổi sẽ làm tốc độ quay của turbine thay đổi ∆ω = ω3 – ω2
thường có giá trị lớn hơn giá trị cho phép.

Để đảm bảo chất lượng điện năng, bắt buộc phải thay đổi đặc tính của turbine. Cụ
thể, khi phụ tải tăng phải dịch chuyển đặc tính của turbine sang đường 2, và ngược lại khi
phụ tải giảm phải dịch chuyển đặc tính tĩnh của turbine sang đường 3, khi đó điểm cắt giữa
đặc tính phụ tải và đặc tính của turbine tương ứng là các điểm 04 (Pm4,ω4) và 05 (Pm5,ω4)
nhờ có sự dịch chuyển đặc tính tĩnh của turbine mà khi đó sai lệch tốc độ ∆’ω = ω5 - ω4

<∆ω = ω3 – ω2. Tập hợp các điểm 05, 01, 04 tạo thành đặc tính điều chỉnh (K) của turbine.

Điều chỉnh tần số (hay số vòng quay) của turbine được thực hiện bằng cách thay đổi năng
lượng vào turbine, nó liên quan trực tiếp tới tiêu hao năng lượng, hiệu suất từng tổ máy và
liên quan chặt chẽ với điều chỉnh và phân phối công suất tác dụng giữa các tổ máy phát và
giữa các nhà máy điện. Có thể chia thành hai bộ điều tốc điển hình là bộ điều tốc có đặc
tính điều chỉnh khơng đổi và bộ điều tốc với đặc tính điều chỉnh có độ dốc.
1.1.1 Bộ điều tốc có đặc tính điều chỉnh khơng đổi
Bộ điều tốc có đặc tính điều chỉnh khơng đổi có đặc điểm là ln giữ được tần số
(số vịng quay của turbine) cố định với mọi mức công suất trong giới hạn cho phép của
máy phát và chỉ dùng trong trường hợp một tổ máy làm việc với tải độc lập hoặc tổ máy
làm nhiệm vụ điều tần. Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc loại này được minh họa như
hình vẽ 1.2a

a) Đặc tính điều chỉnh khơng đổi
b) Đặc tính điều chỉnh có độ dốc
Hình 1.2 Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc có độ dốc cố định

1.1.2 Bộ điều tốc với đặc tính điều chỉnh có độ dốc
Bộ điều tốc với đặc tính điều chỉnh có độ dốc có thể sử dụng khi có từ hai máy phát
điện trở lên và có đặc điểm là điều chỉnh tần số có độ lệch xác định. Dạng đặc tính điều
chỉnh của bộ điều tốc này như hình 1.2b
Trong đó: ωNL : Tốc độ khi không tải; ωFL : Tốc độ khi đầy tải; ω®m : Tốc độ định mức;
∆ω : Biến thiên tốc độ; ∆P : Biến thiên công suất

Tỉ số giữa biến thiên tốc độ và biên thiên cơng suất được gọi là độ dốc của đặc tính điều
chỉnh ( β ):

13

∆ω
(1.1)
∆P
Thơng số β đặc trưng cho đặc tính điều chỉnh tốc độ, nó có thể được biểu diễn theo đơn vị

β=

phần trăm (phần trăm thay đổi tần số cho phần trăm thay đổi công suất phụ tải):

β% =

 ω − ωFL 
%∆ω
.100 =  NL
 .100
% ∆P
 ω®m 

(1.2)

Hiện nay, phần lớn các tổ máy trong các trạm thủy điện thường làm việc song song
trong một hệ thống lưới điện chung. Sự làm việc song song của các tổ máy phải đảm bảo

điều kiện về dòng điện, định áp theo quy định, khi thay đổi độ mở cánh hướng sẽ khơng
làm thay đổi số vịng quay của nó mà chỉ phân bố lại công suất giữa các tổ máy. Mỗi bộ
điều tốc đều có đường đặc tính điều chỉnh với độ dốc cho phép từ 2% đến 6% (trừ tổ máy
tham gia điều tần có β = 0 ).
Xét trường hợp hai tổ máy làm việc song song, đặc tính điều chỉnh có độ dốc như
nhau, cùng kiểu turbine, khi đó cơng suất nhận của biểu đồ phụ tải sẽ được chia đều cho

hai tổ máy. Đặc tính điều chỉnh trong trường hợp này như hình 1.3a

a, Đặc tính điều chỉnh có cùng độ dốc

b, Đặc tính điều chỉnh khác độ dốc
Hình 1.3 Đặc tính điều chỉnh hai tổ máy làm việc song song

Nếu hai tổ máy làm việc song song mà độ dốc của đặc tính điều chỉnh khác nhau
( β1 ≠ β2 ) thì phần phụ tải ∆P1 (của tổ máy 1) và ∆P2 (của tổ máy 2) sẽ khác nhau và được
xác định theo biểu thức (1.3):

∆Pk =

∆ω
.P
β k .ωdm max

(1.3)

Trong đó: ∆Pk , βk phần phụ tải, độ dốc đặc tính điều chỉnh của tổ máy thứ k;
ωdm tốc độ quay định mức (314 rad/s).
Từ biểu thức (1.3) thấy rằng, đặc tính điều chỉnh của tổ máy nào có độ dốc nhỏ sẽ nhận
cơng suất lớn hơn và ngược lại. Đặc tính điều chỉnh trong trường hợp này như hình 1.3b

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
Cơng nghệ sản xuất thủy điện đã xuất hiện trên thế giới từ những năm đầu của thế
kỷ 20. Có thể khẳng định rằng hệ thống điều tốc cho turbine-máy phát thủy điện là một
trong những hệ thống cổ điển và có sự phát triển khơng ngừng cả về số lượng và chất

14


lượng. Với chức năng và nhiệm vụ quan trọng, bộ điều tốc turbin-máy phát của nhà máy
thủy điện luôn được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu.

1.2.1 Các nghiên cứu trong nước
Hiện nay, trong nước cũng đã có những cơng trình nghiên cứu về hệ điều tốc
turbine thủy lực, nhưng chưa được công bố đầy đủ. Rất nhiều cơng trình chuyển giao cơng
nghệ và có xu hướng thiên về lắp đặt chỉnh định hệ thống.
Nguyễn Hồng Quang [3] đã nghiên cứu thành công bộ điều khiển nhúng áp dụng
cho hệ điều tốc turbine - máy phát thủy điện có cơng suất vừa và nhỏ. Theo đó, nhóm thực
hiện đề tài đã thiết kế, chế tạo bộ điều khiển PID số đảm bảo hoạt động tin cậy và có độ
chính xác cao trong các trường hợp hệ thống có các thơng số ổn định hoặc biến động nhỏ.
Các tác giả Đoàn Quang Vinh, Đặng Trung Thi [4] đã nghiên cứu bộ điều khiển
PID có chỉnh định mờ áp dụng cho hệ thống turbine-máy phát vận hành với tải độc lập.
Với những ưu điểm của điều khiển mờ, phương pháp điều khiển này đã khắc phục được
hạn chế của điều khiển PID kinh điển-đó là khả năng bền vững trước sự thay đổi của các
tham số của hệ thống trong q trình mơ hình hóa cũng như trong quá trình vận hành. Tuy
nhiên, trong nghiên cứu này chỉ nghiên cứu với mơ hình là tuyến tính hóa lân cận điểm làm
việc với sự thay đổi nhỏ của phụ tải và chưa xét đến trường hợp có nhiễu đầu vào là chiều
cao cột áp.

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều cơng trình khoa học nghiên cứu về bộ điều
khiển cho bộ điều tốc turbine-máy phát thủy điện. Các cơng trình nghiên cứu này đều
nhằm mục đích cải thiện và nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống.
Thuật toán điều khiển PI, PID truyền thống vẫn đang được các nhà khoa học quan
tâm nghiên cứu cải tiến, phát triển bằng các công cụ khác nhau để tối ưu hóa thơng số của
các bộ điều khiển này.

Các dạng mơ hình của turbine thủy lực tuyến tính và phi tuyến khơng có tháp điều
áp được giới thiệu trong cơng trình nghiên cứu của Gagan Singh và D.S. Chauhan [13].
Theo đó, nhóm tác giả đã xác định mơ hình tuyến tính hóa cho mỗi thành phần của hệ
thống thủy lực. Từ đó thiết kế bộ điều khiển PID số cho các mạch vòng điều khiển tần số
và công suất của hệ thống. Ưu điểm của phương pháp này là đã tách mơ hình tốn của hệ
thống thành các mơ hình đơn giản để điều khiển đảm bảo được tính ổn định cao. Tuy
nhiên, trong bài báo này các tác giả mới chỉ dừng lại ở mơ hình tuyến tính hóa và phạm vi
thay đổi cơng suất nhỏ (10%).
Thiết kế bộ điều khiển có bộ bù nhiễu tải cũng được nhiều tác giả đề cập, trong đó
phải kể đến S. Hagihara [28] đã thiết kế bộ điều khiển ổn định PID cho hệ thống turbinemáy phát thủy lực có kết hợp sử dụng bù tĩnh. Phương pháp thiết kế dựa theo tiêu chuẩn ổn
định của Routh-Hurwitz. Kết quả đạt được của nghiên cứu này là xác định được quỹ tích
các nghiệm của phương trình đặc tính làm cho hệ thống ổn định bền vững hơn.

15


Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của lý thuyết điều khiển thông
minh cùng với sự hỗ trợ tích cực của máy tính và các cơng cụ như: mạng nơron nhân tạo,
hệ thống suy diễn mờ, sự kết hợp giữa mạng nơron và hệ mờ, thông số của bộ điều khiển
PI, PID đã được tối ưu hóa bằng các phương pháp thông minh khác nhau nhằm đem lại
chất lượng điều khiển tốt hơn, cụ thể:
Yamamoto T, Kanedam M, Oki T, Watanbe E, Tanaka K [33], Cheng Y-C, Ye LuQ, Chuang Fu, Cai W-Y [7], đã nghiên cứu bộ điều khiển PID thông minh, dựa trên khả
năng học của mạng nơron nhân tạo để nhận dạng và tối ưu thơng số của bộ điều khiển. Cịn
trong nghiên cứu của Zhang [34], đã thiết kế bộ điều khiển mờ thông minh để cải thiện
chất lượng của bộ điều khiển PID ứng dụng cho bộ điều tốc của nhà máy thủy điện có cơng
suất trung bình và lớn vận hành ở chế độ nối lưới.

Để khắc phục khó khăn khi điều khiển hệ có đặc điểm pha khơng cực tiểu, Iwan
Setiawan, Ardyono Priyadi, Mauridhi Hery Purnomo [17], đã nghiên cứu thành cơng bộ
điều khiển thích nghi bằng cách sử dụng mạng nơron nhận dạng sự thay đổi của phụ tải

điện của hệ turbine-máy phát thủy điện để điều chỉnh thông số của bộ điều khiển. Kết quả
đạt được của công trình nghiên cứu này là cho đáp ứng tần số nhanh theo sự thay đổi của
tải và đã khắc phục một phần đáp ứng của khâu pha không cực tiểu trong trường hợp phụ
tải điện thay đổi đột ngột.
Trên cơ sở đặc tính tốc độ của turbine đồi, J. Fraile-Ardanuy, J. R. Wilhelmi, J.
Fraile-Mora, J. I. Pérez và I. Sarasúa [18], đã sử dụng mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp
ANN (Artificial Neural Netwok) có cấu trúc 2-5-1 (với đầu vào là lưu lượng nước và góc
mở cánh hướng, đầu ra là tốc độ tối ưu) để học hàm nội suy tối ưu tốc độ từ đường cong
tốc độ của turbine này. Từ đó thiết kế bộ điều khiển tốc độ hệ turbine-máy phát thủy điện
có cơng suất nhỏ vận hành độc lập. Kết quả đạt được của cơng trình nghiên cứu này là đáp
ứng tốc độ ổn định nhanh về giá trị đặt chỉ sau vài giây.
Với đặc điểm là xử lý và tính tốn song song, mạng nơron nhân tạo ngày càng được
ứng dụng nhiều trong điều khiển các đối tượng có tính phức tạp. Các tác giả Lie Jasa,
Ardyono Priyadi, Mauridhi Hery Purnomo [24], đã sử dụng mạng nơron có cấu trúc tương
ứng bộ điều khiển PID, trọng số của mạng được điều chỉnh theo thuật toán Brandt-Lin để thiết
kế bộ điều khiển cho bộ điều tốc của tổ máy có cơng suất nhỏ vận hành độc lập. Kết quả
mô phỏng cho thấy đáp ứng tần số không dao động, lượng quá điều chỉnh nhỏ hơn so với
khi sử dụng bộ điều khiển PID thường và hệ thống ổn định sau 35s khi tải thay đổi 3%.
Các phương pháp điều khiển như điều khiển trượt, điều khiển biến, điều khiển dự
báo, sử dụng thuật toán di truyền …vv cũng đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên
cứu ứng dụng trong bộ điều tốc của nhà máy thủy điện:
Dianwei Qian và các cộng sự [11], đã đưa ra một nghiên cứu về mơ hình và các vấn
đề điều khiển hệ turbine thủy lực trong nhà máy thủy điện sử dụng turbine Francis. Nhóm
tác giả đã trình bày một phương pháp tiếp cận mới về việc thiết kế bộ điều khiển cho bộ
điều tốc turbine thủy lực, đó là bộ điều khiển trượt SMC (Sliding Mode Control). Luật điều

16


khiển của SMC gồm hai thành phần: Luật chuyển mạch điều khiển và luật điều khiển

tương đương sử dụng thuật tốn di truyền để tìm thơng số tối ưu cho bề mặt trượt. Kết quả
mô phỏng cho thấy bộ điều khiển SMC có khả năng ổn định hệ thống trong trường hợp có
nhiễu phụ tải đầu ra và có tính khả thi cao.
Ilyas Eker và các cộng sự [16] trình bày bộ điều khiển nhiều tầng đa biến, bộ điều
khiển đã được các tác giả chứng minh là tốt hơn so với các bộ điều khiển PI hay PID thông
thường. Tuy nhiên, bộ điều khiển này được thiết kế với mơ hình hệ thống thủy lực turbine
turbine tuyến tính, hơn nữa bộ điều khiển đa tầng thường phức tạp nên khó thực hiện trong
thực tế. Orelind [26], giới thiệu bộ điều khiển kỹ thuật số cho hệ thống thủy điện. Thơng số
tối ưu của bộ điều khiển được tính từ các điểm vận hành khác nhau bằng cách giảm thiểu hàm
mục tiêu bậc hai. Sau đó, các hệ số của bộ điều khiển được xác định dựa vào độ mở cánh
hướng và giá trị sai lệch về tốc độ.
Arnautovic, Skataric [19], đã trình bày một phương pháp thiết kế bộ điều khiển
cho nhà máy thủy điện với loại turbine Kaplan. Các tác giả đã đề xuất phương pháp tuyến
tính hóa từng đoạn trên đường đặc tính làm việc của turbine để tính tốn bộ điều khiển.
Batlle và các cộng sự [5], đề xuất thiết kế các bộ điều khiển bằng cách sử dụng các kỹ
thuật dựa trên hàm Lyapunov cho mơ hình phi tuyến của nhà máy thủy điện khơng có tác dụng
của tháp điều áp trong trường hợp cột nước trong đường ống áp lực không đàn hồi.
Dewi Jones và Sa’ad Mansoor [9] đề xuất bộ điều khiển dự báo căn cứ vào sai lệch
tần số và công suất cơ của turbine. Các tác giả đã chứng minh rằng điều khiển dự báo đạt

được sự cải thiện đáng kể trong việc điều khiển công suất của nhà máy thủy điện với các
trường hợp hằng số thời gian khởi tạo của nước (Tw) trong đường ống áp lực thay đổi và
mơ hình hệ thống turbine thủy lực có dạng tuyến tính.
Chen Jian, Liang Gui-shu, Dong Qing [6], giới thiệu về bộ điều khiển bền vững kết
hợp với bù để điều khiển tốc độ turbine máy phát thủy lực khi hằng số thời gian khởi tạo
của nước (Tw) trong đường dẫn thay đổi trong khoảng [0.9 s ÷ 1.1s ] . Kết quả của cơng trình
nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng tín hiệu bù vào bộ điều khiển turbine máy phát thủy lực
thì đặc tính tốc độ, cơng suất của turbine ổn định hơn.
Dhaliwal [10], đã sử dụng phương pháp không gian trạng thái để nghiên cứu ảnh
hưởng của hệ số vi phân đến sự làm việc ổn định của tổ máy làm việc độc lập. Các tác giả

đã kết luận rằng nếu tăng hệ số vi phân cao có thể sẽ làm cho hệ thống mất ổn định.
Trong nghiên cứu của Clifton và các đồng nghiệp [8], đã trình bày phương pháp mơ
hình hóa tối ưu bộ điều tốc, theo đó các tác giả chỉ ra rằng có thể nâng cao hiệu suất của
turbine thủy lực bằng cách sử dụng mơ hình bộ điều tốc bậc cao.
Lansberry JE, Wozniak L [23], đã sử dụng thuật toán di truyền (GA) để tối ưu hóa
bộ điều tốc turbine thủy lực. Thuật tốn tự chỉnh thích nghi được xây dựng dựa trên sự
thay đổi của hằng số thời gian Tw và phụ tải điện.
Qua nghiên cứu các tài liệu cũng như tìm hiểu về các cơng trình nghiên cứu của các
tác giả trong và ngồi nước có liên quan cho thấy, các cơng trình nghiên cứu này đều nhằm

17


nâng cao độ chính xác, thơng minh hóa của bộ điều khiển. Tuy nhiên, các cơng trình
nghiên cứu chỉ giới thiệu chủ yếu về bộ điều tốc trong chế độ hoạt động độc lập (không nối
lưới) với bộ điều khiển tần số được thiết kế từ các mơ hình tuyến tính hóa của hệ thống
thủy lực, mỗi cơng trình nghiên cứu đều có ưu điểm và hạn chế trong các ứng dụng, đó là
chưa đề cập hết các yếu tố ngẫu nhiên của tải hay biến động của cột nước ở những nhà máy
thủy điện cơng suất nhỏ khơng có hồ chứa lớn.

Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng mạng mờ nơ-ron để xây dựng thuật toán điều khiển
hệ điều tốc turbine-máy phát thủy điện” sẽ nghiên cứu kết hợp bộ nhận dạng ANFIS và bộ
điều khiển PID thích nghi một nơ-ron nhằm tạo ra một cơng cụ hữu ích trong việc thiết kế
bộ điều khiển áp dụng cho đối tượng là mơ hình turbine thủy lực phi tuyến có tham số thay
đổi (như chiều cao cột áp, phụ tải điện). Mơ hình của đối tượng sẽ được nhận dạng bằng
một bộ nhận dạng ANFIS, từ đó độ nhạy đáp ứng của đối tượng đối với tín hiệu điều khiển
(cịn gọi là thông tin Jacobian) sẽ được ước lượng thông qua bộ nhận dạng ANFIS. Thông
tin Jacobian là cơ sở để tính tốn các gradient của giải thuật cập nhật trực tuyến bộ trọng số
của một nơron tuyến tính, cấu hình theo nguyên tắc của bộ điều khiển PID. Tức là, thông
số của bộ điều khiển PID sẽ được điều chỉnh thích nghi trong q trình điều khiển.

1.3

Nội dung nghiên cứu
- Trước hết khảo sát, phân tích xây dựng mơ hình tốn của đối tượng là hệ thống

thủy lực-turbine-máy phát cơng suất nhỏ, có xét đến tổn thất cột áp trong đường ống.
- Sau đó sử dụng mơ hình tuyến tính hóa của đối tượng để tổng hợp bộ điều khiển
PID, PI cho mạch vòng điều khiển tốc độ và mạch vịng điều khiển cơng suất khi hệ thống
vận hành ở các chế độ và các điều kiện làm việc khác nhau. Mô phỏng, đánh giá chất
lượng điều khiển hệ thống trong các trường hợp đó.
- Tiếp theo nghiên cứu ứng dụng mạng nơron và mạng nơron có cấu trúc dựa trên hệ
thống suy luận mờ ANFIS (Adaptive Network Fuzzy Inference System), thiết kế bộ điều
khiển PID, PI thích nghi đảm bảo có các thơng số tự động cập nhật giá trị theo sự thay đổi
các tham số đầu vào và đầu ra của hệ thống.
- Thiết kế, lắp đặt bộ điều tốc điện-thủy lực thực tế để phục vụ cho việc thực nghiệm
trong phịng thí nghiệm.
- Xây dựng mơ hình mô phỏng thực nghiệm HIL (Hardware-In-The-Loop) để kiểm
định các thuật tốn điều khiển và kết quả mơ phỏng của hệ thống trong miền thời gian thực.

1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp thực nghiệm trên
mơ hình thực.
- Sử dụng các cơng cụ hỗ trợ như: mơ hình tốn học, lý thuyết điều khiển hệ thống,
phân tích và thiết kế hệ thống bằng phần mềm trên máy tính, các mơ hình vật lý và bán vật
lý với các phần mềm vi xử lý để phân tích đánh giá và so sánh các kết quả đạt được giữa lý
thuyết và thực nghiệm.

18

1.5 Cấu trúc của luận án
Nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong các chương:
Chương 1. Tổng quan: Phân tích đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc trong các chế
độ vận hành khác nhau, đánh giá tóm tắt về các kết quả nghiên cứu trong và ngồi nước,
những vấn đề cịn tồn tại và hướng giải quyết của luận án.
Chương 2. Mơ hình động học hệ thống thủy lực: Nội dung chủ yếu nghiên cứu về
mô hình tốn của các thành phần trong hệ thống thủy lực, trên cơ sở đó xây dựng mơ hình
của đối tượng. Mơ hình hệ thống được xác định dưới hai dạng đó là: mơ hình tuyến tính
hóa (sử dụng để tính tốn thơng số bộ điều khiển) và mơ hình phi tuyến có tính đến tổn thất
cột áp (sử dụng trong q trình phân tích và đánh giá chất lượng hệ thống trong chương 3).
Chương 3. Bộ điều khiển PID và nâng cao chất lượng hệ thống: Trước hết sử dụng
mơ hình turbine thủy lực tuyến tính hóa để xây dựng cấu trúc và tổng hợp bộ điều khiển PID,
PI cho các mạch vòng điều khiển trong các chế độ vận hành khác nhau. Phân tích đánh giá
chất lượng điều khiển hệ thống thông qua việc mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink.
Sau đó ứng dụng ANFIS và mạng nơron để thiết kế bộ điều khiển thích nghi NNC. Mơ
phỏng, so sánh chất lượng điều khiển giữa bộ điều khiển PID, PI và bộ điều khiển NNC.
Chương 4. Xây dựng mô hình mơ phỏng thực nghiệm: Để có cơ sở kết luận tính ưu
việt của bộ điều khiển NNC, nội dung chương 4 đề cập đến việc xây dựng, lắp đặt bộ điều
tốc điện-thủy lực thực tế, xây dựng mơ hình mơ phỏng thực nghiệm HIL trong hệ thời gian
thực có sự kết hợp giữa mơ hình hệ thống được xây dựng trong máy tính với thiết bị thực
thơng qua card đa năng NI PCI MIO 16E-1.
Chương 5 Kết quả và bàn luận: Trình bày tóm tắt các kết quả trong quá trình
nghiên cứu, đánh giá, bàn luận về các kết quả đạt được.

1.6 Kết luận chương 1
- Bộ điều chỉnh turbine (bộ điều tốc) có 3 chế độ vận hành cơ bản: chế độ vận hành

độc lập; chế độ vận hành song song (có bám lưới) và chế độ điều tần (chỉ áp dụng cho
những trạm thủy điện có hồ chứa dung tích đủ lớn). Đặc tính điều chỉnh và nhiệm vụ của

bộ điều tốc trong các chế độ vận hành là khác nhau.
- Hiện nay, trong nước cũng như nước ngồi đã có nhiều cơng trình khoa học nghiên
cứu về bộ điều tốc cho các nhà máy thủy điện với các bộ điều khiển khác nhau như: PID
số, điều khiển dự báo, điều khiển trượt, điều khiển thích nghi…vv, nhằm phát triển và nâng
cao chất lượng của các bộ điều khiển. Tuy nhiên, với mỗi cơng trình nghiên cứu vẫn còn
các vấn đề mở cần được phát triển tiếp theo.

19


2 CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HỆ THỐNG
2.1 Giới thiệu
Trong các nhà máy thủy điện, về cơ bản gồm ba tuyến chính như: Tuyến thượng
lưu, tuyến năng lượng và tuyến hạ lưu. Trong đó, tuyến năng lượng có vai trị quan trọng
trong việc biến đổi thủy năng thành điện năng và điều khiển đảm bảo chất lượng điện năng
theo yêu cầu. Để có cơ sở tính tốn thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống, việc đầu tiên ta
phải xác định được mơ hình hệ thống thủy lực-turbine (gồm đường ống và turbine) và sau
đó là mơ hình động học của máy phát và hệ thống điện trong các chế độ vận hành. Các
khối chức năng chính của nhà máy thủy điện như hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ các khối chức năng trong nhà máy thủy điện

Trong đó: Nước từ hồ chứa thượng lưu được dẫn vào hệ thống đường ống, tại đây nước
được gia tốc tới vận tốc lớn. Qua hệ thống cánh hướng, nước được dẫn vào turbine thuỷ
lực làm quay turbine, đồng thời làm quay roto của máy phát điện (thông thường trục của
turbine được nối cứng với trục máy phát điện). Từ đầu cực máy phát, dòng điện được tăng
áp qua máy biến áp lực và dẫn lên trạm phân phối cho các phụ tải hoặc hòa vào lưới điện
quốc gia (Hệ thống điện). Bộ điều tốc là một trong những thành phần quan trọng nhất trong
nhà máy thủy điện, nó có nhiệm vụ điều khiển lưu lượng nước vào turbine qua hệ thống
cánh hướng để giữ ổn định tần số (chế độ vận hành không nối lưới) hoặc cơng suất (chế độ

vận hành có nối lưới) theo u cầu.

2.2 Mơ hình hệ thống thủy lực-turbine
Mơ hình hệ thống thủy lực-turbine sẽ được xây dựng dưới hai dạng: Dạng mơ hình
tuyến tính và dạng mơ hình phi tuyến, dựa trên mối quan hệ giữa các thành phần trong
đường ống như vận tốc nước, chiều cao cột áp, lưu lượng với công suất phát của turbine.

2.2.1 Turbine thủy lực
Như đã trình bày ở trên, turbine thủy lực là một trong những thiết bị chính trong
nhà máy thủy điện, turbine làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng của dòng nước (thủy năng)
thành cơ năng làm quay turbine và máy phát điện. Tuỳ thuộc dạng năng lượng dòng chảy

20


qua bánh xe công tác của turbine, người ta chia turbine thủy lực thành hai loại, đó là:
turbine xung lực và turbine phản lực.
Trong turbine xung lực chỉ có thành phần động năng của dòng chảy tác dụng lên
bánh xe cơng tác cịn thế năng bằng khơng. Hệ turbine này phát ra cơng suất nhờ động
năng của dịng chảy, áp suất cửa ra và cửa vào của turbine bằng áp suất khí quyển. Các loại
turbine xung lực hiện nay gồm: turbine gáo, turbine tia nghiêng, turbine tác dụng kép.
Khác với turbine xung lực, turbine phản lực làm việc với tác dụng của cả hai thành
phần động năng và thế năng của dòng chảy, áp suất tại cửa vào lớn, áp suất ở cửa ra nhỏ.
Các loại turbine phản lực phổ biến hiện nay gồm: turbine tâm trục, turbine hướng trục cánh
quay, turbine cánh chéo, turbine cánh kép.
Hiện nay ở Việt Nam, phần lớn các nhà máy thủy điện đều sử dụng loại turbine
phản lực trục đứng do nó phù hợp với dải cột nước có độ cao từ 40m đến 600m. Hình ảnh
của turbine Kaplan thuộc loại turbine phản lực hướng trục cánh quay, trục đứng được minh
họa như hình 2.2

Hình 2.2 Turbine thủy lực Kaplan

Cánh hướng có chức năng điều chỉnh lượng nước vào turbine, cánh hướng có thể
quay quanh trục để thay đổi độ mở của bộ phận hướng nước;
Bánh xe công tác là bộ phận quan trọng nhất làm biến đổi thuỷ năng thành cơ năng
làm quay trục roto turbine, trục roto turbine được nối cứng với trục roto của máy phát điện.

2.2.1.1 Sự tổn thất năng lượng và hiệu suất của turbine
Tổn thất trong turbine cơ bản gồm có tổn thất dung tích, tổn thất thủy lực và tổn
thất cơ khí.
Tổn thất dung tích là dịng chảy qua turbine có một phần lưu lượng rị rỉ qua khe hở
giữa phần động và phần tĩnh của turbine. Phần lưu lượng này khơng tham gia vào q trình
biến đổi năng lượng.
Tổn thất thủy lực bao gồm tổn thất do hiện tượng va đập thủy lực ở mép vào bánh
xe công tác; tổn thất do ma sát thủy lực trong đường ống dẫn nước; tổn thất động năng ở
cửa ra của ống thoát nước.

21


Tổn thất cơ khí là tổn thất năng lượng do ma sát cơ khí ở các ổ trượt, ổ đỡ, trong các
đệm chống thấm giữa các bộ phận chuyển động và bộ phận không chuyển động của turbine.
Theo [27], công suất của turbine thủy lực được xác định theo (2.1)

P = 9.81.ηq .ηtl .ηcg .Q.H .ρ

(2.1)

Trong đó:

η q là hiệu suất dung tích

ηtl là hiệu suất thủy lực
ηcg là hiệu suất cơ khí
H là cột nước tác dụng (m)
Q : là lưu lượng dòng nước qua turbine (m3/s)

ρ là trọng lượng riêng của nước (kg/m3)
2.2.1.2 Đặc tính của turbine
Đường biểu thị mối quan hệ giữa các thông số của turbine gọi là đường đặc tính
của turbine.
a. Đường đặc tính cơng tác: Biểu thị mối quan hệ giữa η , Q, α theo P ; η , P, α theo Q ;

η , Q, P theo α trong điều kiện số vòng quay và chiều cao cột áp là hằng số. Các đại lượng
khơng thứ ngun, tính theo đơn vị %, được minh họa trên hình 2.3

Hình 2.3 Đường đặc tính cơng tác của turbine thủy lực

Nhận xét:
- Đặc tính cơng suất (Hình 2.3a): Khi hiệu suất và cơng suất turbine bằng 0 thì độ mở và
lưu lượng vẫn khác 0, vì rằng muốn phát ra một cơng suất tác dụng nào đó thì cần phải có
một lưu lượng khơng tải tương ứng với độ mở nhỏ nhất nào đó để khắc phục những tổn
thất nhất định trong turbine. Mặt khác ta thấy, hiệu suất làm việc lớn nhất không ứng với
giá trị công suất lớn nhất mà ứng với một giá trị công suất nhỏ hơn.
- Trên hai đường đặc tính lưu lượng và độ mở (Hình 2.3 b,c): Ta thấy hiệu suất và công
suất tác dụng bằng 0 ứng với lưu lượng và độ mở luôn nhỏ hơn 100%.
b. Đường đặc tính tốc độ: Biểu thị mối quan hệ giữa η , Q, P theo ω ở điều kiện cột nước
và độ mở là hằng số, được minh họa trên hình 2.4

22

Hình 2.4 Đặc tính vịng quay của turbine thủy lực

Trên đường đặc tính tốc độ ta thấy, hiệu xuất cao nhất không trùng với lưu lượng và công
suất lớn nhất, khi tốc độ tăng thì các thơng số sẽ thay đổi.
c. Đặc tính cột nước: Biểu thị mối quan hệ giữa P theo H ở điều kiện tốc độ và độ mở là
hằng số, được minh họa trên hình 2.5

Hình 2.5 Đặc tính cột nước của turbine thủy lực

Cột nước của turbine ln thay đổi trong q trình vận hành, trên đồ thị hình 2.5 ta thấy,
ứng với cơng suất bằng 0 thì cần có một cột áp nào đó đặc trưng cho tổn thất thủy lực ở
chế độ không tải. Nhìn chung, khi chiều cao cột nước tăng thì công suất của turbine tăng và
ngược lại khi cột nước giảm thì cơng suất giảm (cùng độ mở cánh hướng
d. Đặc tính tải của turbine Francis và turbine Pump
Đặc tính tải của turbine thủy lực được xây dựng dựa trên quan hệ giữa công suất
kéo ( Pm ), lưu lượng nước ( Q ) với tốc độ của turbine ( ω ) tại một giá trị cụ thể của độ mở
cánh hướng. Theo [31], ta có:
∆Q =

∂Q
ω ∂Q 
∂Q
 Q
.∆α + 
−
.
.∆ω
 .∆H +

∂α
∂ω
 2.H 2 H ∂ω 

(2.2)

∂P
∂P
 P ω ∂P 
.∆α +  −
.
.∆ω
 .∆H +
∂α
∂ω
 H 2 H ∂ω 

(2.3)

∆P =

Với mỗi loại turbine sẽ có đặc tính riêng, đặc tính tải của turbine thủy lực loại phản
lực (Francis) và turbine loại xung lực (Pump) được minh họa như trên hình 2.6 và 2.7 [31].

23


a. Đặc tính Pm=f(ω)
b. Đặc tính Q=f(ω)
Hình 2.6 Đặc tính tải của turbine Francis

a. Đặc tính Pm =f(ω)

b. Đặc tính Q=f(ω)
Hình 2.7 Đặc tính tải của turbine Pump

Như vậy, đặc tính tải của turbine thủy lực có dạng phi tuyến, ở vùng làm việc với tốc độ
cao thì tính phi tuyến càng mạnh. Công suất của turbine phụ thuộc vào độ mở cánh hướng.

Đặc tính của turbine loại Francis cứng hơn đặc tính của turbine Pump.
2.2.2 Mơ hình tuyến tính hóa
Để dễ dàng cho việc tổng hợp bộ điều khiển, ta sẽ xây dựng mơ hình tuyến tính hóa
của hệ thống thủy lực-turbine. Mơ hình được xây dựng ở điều khiện cột áp tĩnh và dựa trên
một số giả thiết sau:
- Bỏ qua trở kháng thủy lực trong đường ống;
- Thành ống không đàn hồi, nước không nén được;
- Vận tốc của nước trong đường ống tỉ lệ với độ mở cánh hướng và căn bậc hai chiều cao
cột áp;
- Công suất turbine tỉ lệ với chiều cao cột nước và lưu lượng dòng chảy;
- Hệ thống thủy lực của nhà máy gồm các thành phần như hình 2.8

24


Hình 2.8 Mơ hình đơn giản của nhà máy thủy điện

Trong đó:
H : Chiều cao cột áp từ mặt thống hồ chứa tới turbine (m);
V : Vận tốc dòng nước trong đường ống áp lực (m/s);

L : Chiều dài ống dẫn nước (m).
Với những giả thiết trên, mơ hình của hệ thống thủy lực-turbine được xây dựng dựa trên 3
phương trình cơ bản sau [27]:
- Phương trình vận tốc nước trong đường ống áp lực:

V = KU .α . H

(2.4)

Trong đó:

α : Độ mở cánh hướng (%);
KU : Hệ số tỉ lệ.

Gọi (V0 , α 0 , H 0 ) là điểm làm việc của hệ thống. Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc
ta có:
∆V =

∂V
∂V
.∆H +
.∆α
∂H
∂α

(2.5)

Tính tốn các đạo hàm riêng:
∂V
1 ∂V

= KU .α .
;
= KU . H
∂H
2 H ∂α
Chia cả 2 vế của (2.5) cho V0 = KU .α 0 . H 0 ta có:

∆V ∆H ∆α
1
=
+
⇔ ∆V = ∆ H + ∆α
V0
2H 0 α 0
2

(2.6)

- Phương trình cơng suất cơ của turbine:

Pm = K p .H .V

(2.7)

Trong đó:
Pm : Cơng suất cơ của turbine (W); K p : Hệ số tỉ lệ .
Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc và chia cả 2 vế cho P0 m = K p .V0 .H 0 , ta được:

25