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

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.
- Các nhà máy thủy điện làm việc trong điều kiện có chiều cao cột áp
khơng ổn định cộng với nhu cầu điện năng (phụ tải của các máy phát
điện) 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).
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài của là nhà máy thủy điện nhỏ,
không có hồ chứa nước lớn (sử dụng thượng lưu làm hồ chứa nước).
Với mục tiêu là thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho bộ điều tốc
turbine thủy lực trong nhà máy thủy điện này nhằm giải quyết tốt hai
vấn đề của hệ thống thủy điện là nhiễu cột áp đầu vào và nhiễu tải
đầu ra, để cải thiện và nâng cao chất lượng điều khiển 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 turbinemáy phát thủy lực, nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cho nhà
máy thủy điện có các thông số đầu vào và đầu ra thay đổi trong phạm
vi rộng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
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 turbine-máy
phát thủy lực trong nhà máy thủy điện có cơng suất nhỏ, làm việc trong
các trường hợp chiều cao cột áp và công suất khác nhau, ở hai chế độ
vận hành độc lập và chế độ bám lưới.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Phát triển, cập nhật và ứng dụng được công cụ lý thuyết điều
khiển hiện đại vào một đối tượng phức tạp.
Đề tài nghiên cứu có tính thực tiễn cao xuất phát từ yêu cầu
thực tế về việc cần nâng cao chất lượng điện của nhà máy thủy điện

1


nhỏ, góp phần ổn định và nâng cao năng suất và hiệu quả làm việc
của các thiết bị điện.
5. Tính mới của đề tài
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 dự kiến các kết quả mới sẽ đạt được là:
- Phân tích ảnh hưởng của các biến đầu vào (chiều cao cột áp) và
biến đầu ra (công suất phụ tải) đến đáp ứng của hệ thống turbinemáy phát thủy điện.
- Ứng dụng lý thuyết và các công cụ điều khiển thơng minh thiết kế
bộ điều khiển thích nghi cho bộ điều tốc turbine thủy lực.
- Thiết kế, lắp đặt bộ điều tốc điện-thủy lực thực tế, đảm bảo yêu cầu
tác động nhanh, chính xác, vận hành đơn giản, an tồn và có độ tin
cây cao.
- Xây dựng mơ hình thực nghiệm HIL (Hardware-In-The-Loop),
trong đó có sự trợ giúp của máy tính, các cơng cụ phần mềm và card
thu thập dữ liệu đa năng NI PCI MIO 16E-1 để trao đổi dữ liệu giữa
máy tính và thiết bị thực. Việc thiết kế mơ hình, kiểm tra, khảo sát hệ
thống với các trường hợp rủi ro xảy ra sẽ được thực hiện dễ dàng với
độ an tồn cao, khơng sợ hư hỏng thiết bị do sử dụng mơ hình trên
máy tính.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc
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.
1.1.2. Bộ điều tốc với đặc tính điều chỉnh có độ dốc

2


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. Khi làm việc ở chế độ song song, tổ máy nào có đặc
tính điều chỉnh turbine ít dốc hơn thì sẽ nhận nhiều cơng suất hơn và
ngược lại.
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
Các cơng trình nghiên cứu của các tác giả trong và ngồi
nước đều nhằm nâng cao độ chính xác, thơng minh hóa của bộ điều
khiển. Tuy vậy, mỗi 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… Tất cả 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. Hầu hết các tài liệu trong nước và
nước ngoài đều đề cấp đến việc sử dụng bộ điều khiển PID truyền
thống.
1.3. Nội dung nghiên cứu
- 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.
- 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.
- 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 mơ phỏng thực nghiệm HIL (Hardware-InThe-Loop) để kiểm định các thuật toán điều khiển và kết quả mô
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 mô hình thực.

3


- Sử dụng các công cụ hỗ trợ như: mô 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.
1.5. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung của luận án
được trình bày trong 5 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 ngoài nước, những vấn đề còn 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 mơ hình tốn của các thành phần trong hệ thống thủy
lực, trên cơ sở đó xây dựng mơ hình của đối tượng.
Chương 3. Bộ điều khiển PID và giải pháp nâng cao chất lượng điều
khiển hệ thống: 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 mơ hình mơ phỏng thực nghiệm: 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 thông qua card đa năng NI PCI MIO 16E-1.
Chương 5 Kết quả và bàn luận: Trình bày tóm tắt các kết quả trong
q trình nghiên cứu, đánh giá, bàn luận về các kết quả đạt được.
CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HỆ THỐNG
2.1. Giới thiệu
Để có cơ sở tính toán 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.
2.2 Mơ hình hệ thống thủy lực - turbine
2.2.1. Turbine thủy lực
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.

4


Tuỳ thuộc dạng năng lượng dòng chảy qua bánh xe công tác của
turbine, người ta chia turbine thủy lực thành nhiều loại khác nhau.
Luận án sử dụng loại turbine Francis để khảo sát và nghiên cứu vì
loại turbine này hiện nay rất phổ biến vì nó sử dụng được trong dải
chiều cao cột áp rộng.
2.2.2. Mơ hình tuyến tính hóa
- Mơ hình tuyến tính hóa lý tưởng:
1 − Tw s
∆ Pm
(2.17)
GTB ( s ) =
=
∆α 1 + 0.5Tw s
Trong đó: ∆ P m là thay đổi công suất cơ của turbine (pu)
∆α là thay đổi độ mở cánh hướng (%); Tw là hằng số thời gian khởi
tạo của nước (s)
- Mơ hình tuyến tính khơng lý tưởng:
∆ P m b23 − byhTw s
(2.22)

=
GTB ( s ) =
1 + b11Tw s
∆α
Trong đó: b23 , byh , b11 là các hệ số phụ thuộc vào điểm làm việc cụ
thể.
Mơ hình hệ thống thủy lực - turbin tuyến tính hóa được sử dụng để
tính tốn thơng số của bộ điều khiển.
2.2.3. Mơ hình hệ thống turbine thủy lực phi tuyến có tổn
thất cột nước
Mơ hình hệ thống thủy lực–turbine phi tuyến được xác định với giả
thiết đường ống dẫn nước tuyệt đối cứng (thành đường ống khơng
đàn hồi), nước khơng nén được (Hình 2.13)

Hình 2.13 Mơ hình hệ thống turbine thủy lực phi tuyến có tính tổn
thất của cột nước

5


Trong đó: V : Vận tốc của nước (pu); α : Góc mở cánh hướng
2

(%); H : Cột áp thủy lực tại cánh hướng (pu); H lp = f p .V : Tổn thất
cột áp tại turbine (pu); H 0 : Giá trị ban đầu của cột áp (pu); At : Hệ số
turbine; P m : Công suất cơ của turbine (pu); V NL : Vận tốc không tải
(pu).
2.3 Mô hình động học của máy phát và hệ thống điện
Mơ hình động học của máy phát và hệ thống điện được xác định từ
phương trình chuyển động quay của hệ turbine-máy phát và ở hai chế

độ vận hành khác nhau:
+ Mơ hình động học của máy phát và hệ thống điện trong chế độ vận
hành độc lập có dạng như hình 2.16
+ Mơ hình động học của máy phát và hệ thống điện trong chế độ vận
hành bám lưới có dạng như hình 2.17

Hình 2.16 Mơ hình máy phát
điện làm việc với tải độc lập

Hình 2.17 Mơ hình máy phát
điện làm việc bám lưới

CHƯƠNG 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ GIẢI PHÁP NÂNG
CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
3.1 Bộ điều khiển PID
3.1.1 Các thành phần của bộ điều khiển PID
Hàm truyền bộ điều khiển PID có dạng (3.1) [22]:

Gc ( s ) = K P +

KI
1
+ K D s = K P (1 +
+ TD s )
s
TI s

(3.1)

Luận án xác định tham số của bộ điều khiển PID theo phương pháp

gán điểm cực.
3.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển PID, PI
-Bộ điều khiển sử dụng trong mạch vòng tốc độ là bộ điều khiển PID
-Bộ điều khiển sử dụng trong mạch vịng điều khiển cơng suất sử
dụng bộ điều khiển PI, kết hợp với khâu feedfoward (Kpp).

6


- Thông số của bộ điều khiển PID và PI trong các mạch vòng điều
khiển được xác định theo phương pháp gán điểm cực (phụ lục 1, 2)
3.2 Mô phỏng và kết quả
3.2.1 Thông số mô phỏng
Bảng thông số mô phỏng được lấy theo số liệu của nhà máy thủy
điện Ryninh [3].
Để có cơ sở đánh giá chất lượng điều khiển của các bộ điều khiển
PID, PI trong quá trình làm việc. Ta tiến hành mô phỏng hệ thống
với mô hình phi tuyến trong các trường hợp cụ thể như sau:
a, Hệ thống có các thơng số ổn định
+ Đáp ứng của mạch vịng tốc độ:

Hình 3.7 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng PID tại điểm
làm việc (V 0 , α 0 , H 0 )
+ Đáp ứng của mạch vịng điều khiển cơng suất

Hình 3.14 Đáp ứng của mạch vịng cơng suất khi sử dụng bộ điều
khiển PI tại điểm làm việc (V 0 , α 0 , H 0 )

7

Kết quả mô phỏng cho thấy, trong điều kiện hệ thống có thơng số ổn
định, bộ điều khiển PID, PI có các thơng số được xác định tại một
điểm làm việc (V 0 , α 0 , H 0 ) đảm bảo được yêu cầu điều khiển của hệ
thống (thời gian đáp ứng nhanh, không dao động, không quá điều
chỉnh, sai lệch tĩnh bằng 0)
b, Hệ thống có các thơng số thay đổi trong quá trình làm việc
Xét các các trường hợp cụ thể sau:
+ Trường hợp 1 (T/H1): Công suất tải (hoặc giá trị đặt công suất)
thay đổi, chiều cao cột áp định mức:
- Đáp ứng của mạch vòng tốc độ:

Hình 3.8 Đáp ứng của mạch vịng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển
PID trong T/H 1
- Đáp ứng của mạch vịng cơng suất:

Hình 3.15 Đáp ứng của mạch vịng cơng suất khi sử dụng bộ điều
khiển PI trong T/H1

8


+ Trường hợp 2 (T/H2): Công suất tải (hoặc giá trị đặt công suất)
thay đổi, chiều cao cột áp tăng
- Đáp ứng mạch vịng tốc độ

Hình 3.9 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển
PID trong T/H 2
- Đáp ứng của mạch vịng cơng suất:

Hình 3.16 Đáp ứng của mạch vịng cơng suất khi sử dụng bộ điều
khiển PI trong T/H2
+ Trường hợp 3 (T/H): Công suất tải (hoặc giá trị đặt công suất) thay
đổi, chiều cao cột áp giảm
- Đáp ứng của mạch vòng tốc độ:

9


Hình 3.10 Đáp ứng của mạch vịng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển
PID trong T/H 3
- Đáp ứng của mạch vịng cơng suất

Hình 3.17 Đáp ứng của mạch vịng cơng suất khi sử dụng bộ điều
khiển PI trong T/H3
Nhận xét:
Qua các kết quả mơ phỏng các mạch vịng điều khiển khi sử dụng bộ
điều khiển PID, PI cho hệ thống turbine thủy lực, có thể khẳng định
rằng: Khi hệ thống có các thơng số đầu vào và đầu ra ổn định thì bộ
điều khiển PID, PI hồn tồn đáp ứng được yêu cầu về chất lượng.
Nhưng trong các trường hợp hệ thống có chiều cao cột áp và công
suất phụ tải điện thay đổi trong phạm vi rộng (20%) thì với bộ điều
khiển PID, PI (có các thơng số cố định) đáp ứng của hệ thống dao
động mạnh, có trường hợp mất ổn định.

10


3.3 Giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống
3.3.1 Mục tiêu cần đạt

Nghiên cứu ứng dụng mạng nơron thích nghi kết hợp với ANFIS
(Adaptive Network Fuzzy Inference System) nhận dạng trực tiếp hệ
thống turbine thủy lực phi tuyến để thiết kế bộ điều khiển nơron
thích nghi nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống trong các
chế độ vận hành khác nhau.
3.3.2 Cơ sở lý thuyết
Thực hiện giải pháp dựa trên các cơ sở lý thuyết:
- Cấu trúc và thuật toán huấn luyện mạng nơron nhân tạo
- Mạng nơron có cấu trúc dựa trên hệ thống suy luận mờ (ANFIS)
3.3.3 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho bộ điều tốc
turbine thủy lực
Kết hợp bộ nhận dạng ANFIS và một nơron có cấu trúc theo thuật
tốn PID (PI) nhằm tạo ra một bộ điều khiển thích nghi cho đối
tượng là mơ hình turbine thủy lực phi tuyến có tham số thay đổi (như
chiều cao cột áp, công suất phụ tải điện). Ngồi chức năng nhận
dạng, ANFIS cịn ước lượng độ biến thiên của đáp ứng theo tín hiệu
điều khiển làm cơ sở để tính tốn các gradient của giải thuật cập nhật
trực tuyến bộ trọng số của một nơron tuyến tính. Tức là, thơng số của
bộ điều khiển PID, PI sẽ được điều chỉnh thích nghi trong quá trình
điều khiển nhờ giải thuật huấn luyện trực tuyến mạng nơron nhân
tạo. Cấu trúc mạch vòng điều khiển được xây dựng như hình 3.22

Hình 3.22 Cấu trúc mạch vịng điều khiển khi sử dụng NNC
- Bộ nhận dạng trực tiếp đối tượng sử dụng mạng nơron có cấu trúc
dựa trên hệ thống suy luận mờ ANFIS (4-4-4-4-1), với phương pháp
huấn luyện kết hợp giữa lan truyền ngược và bình phương sai lệch
nhỏ nhất.

11

- Bộ điều khiển NNC là một nơron có cấu trúc theo thuật toán của bộ
điều khiển PID (hoặc PI với mạch vịng điều khiển cơng suất) có cấu
trúc như hình 3.25.

Hình 3.25 Cấu trúc bộ điều khiển PID nơron (NNC)
Trong đó các trọng số wij của mạng nơron sẽ được cập nhật thích nghi
trong q trình làm việc của hệ thống theo phương pháp gradient
descent (có sự kết hợp giữa tín hiệu sai lệch với tốc độ biến thiên của
đáp ứng theo tín hiệu điều khiển (thơng tin Jacobi được tính từ bộ
nhận dạng ANFIS)) điều đó cũng có nghĩa là các thông số của bộ điều
khiển PID nơron được cập nhật thích nghi theo sự thay đổi của đối
tượng.
Tín hiệu điều khiển:



∂y (k )
u (k + 1) = u (k ) +  w11 (k )+η kp e(k ) m
∆e1  ∆e1 +
∂u (k )




∂y (k )
+  w12 (k )+η ki e(k ) m
∆e2  ∆e2 +
∂u (k )




(3.109)



∂y (k )
+  w13 (k )+η kd e(k ) m
∆e3  ∆e3
∂u (k )


3.3.7 Mô phỏng và kết quả
Sử dụng bộ điều khiển NNC thay cho bộ điều khiển PID, PI ở các
mạch vòng điều khiển tốc độ và mạch vịng điều khiển cơng suất
tương ứng, trong các trường hợp hệ thống có các thơng số thay đổi.
a. Đáp ứng của mạch vòng điều khiển tốc độ khi sử dụng NNC
+ Trường hợp 1 (Chiều cao cột áp ổn định, phụ tải thay đổi đột

ngột)
- Đáp ứng mạch vịng tốc độ như hình 3.33:

12


Hình 0.1 Đáp ứng của mạch vịng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển
NNC trong T/H1

- Thông tin Jacobi và thơng số bộ điều khiển NNC như hình 3.34:

Hình 0.2 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI, KD của bộ điều khiển
NNC trong T/H1
+ Trường hợp 2: (Chiều cao cột áp tăng, phụ tải thay đổi đột

ngột)
- Đáp ứng mạch vịng tốc độ như hình 3.35:

13


Hình 0.3 Đáp ứng của mạch vịng tốc độ khi sử dụng NNC trong
T/H2
- Thông tin Jacobi và thông số bộ điều khiển NNC như hình 3.36:

Hình 0.4 Thơng tin Jacobi và thông số KP, KI, KD của bộ điều khiển
NNC trong T/H2
+ Trường hợp 3: (Chiều cao cột áp giảm, phụ tải thay đổi đột ngột)
- Đáp ứng mạch vịng tốc độ như hình 3.37

14


Hình 0.5 Đáp ứng của mạch vịng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển
NNC trong T/H3
- Thông tin Jacobi và thơng số bộ điều khiển NNC như hình 3.38

Hình 0.6 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI, KD của bộ điều khiển
NNC trong T/H3

15

So sánh chất lượng điều khiển mạch vòng tốc độ giữa hai bộ điều
khiển PID và NNC trong cùng điều kiện làm việc được cho trong
bảng 3.7
Bảng 0.1 Thông số chất lượng của bộ điều khiển PID và NNC trong
mạch vòng tốc độ

b. Đáp ứng của mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng NNC
+ Trường hợp 1:
- Đáp ứng cơng suất như hình 3.44

Hình 0.7 Đáp ứng của mạch vịng cơng suất với khi sử dụng bộ điều
khiển NNC trong T/H1
- Thông tin Jacobi và thông số bộ điều khiển NNC như hình 3.45

16


Hình 0.8 Thơng tin Jacobi và thơng số KP, KI của bộ điều khiển
NNC trong T/H1
+ Trường hợp 2:
- Đáp ứng cơng suất như hình 3.46

Hình 0.9 Đáp ứng của mạch vịng cơng suất khi sử dụng bộ điều
khiển NNC trong T/H2
- Thông tin Jacobi và thông số bộ điều khiển NNC như hình 3.47

17

Hình 0.10 Thơng tin Jacobi và thơng số KP, KI của bộ điều khiển
NNC trong T/H2
+ Trường hợp 3:
- Đáp ứng cơng suất như hình 3.48:

Hình 0.11 Đáp ứng của mạch vịng cơng suất với khi sử dụng bộ
điều khiển NNC trong T/H3
- Thông tin Jacobi và thông số bộ điều khiển NNC như hình 3.49

18


Hình 0.12 Thơng tin Jacobi và thơng số KP, KI của bộ điều khiển
NNC trong T/H3
Thông số chất lượng của bộ điều khiển PI và NNC (trong cùng điều
kiện làm việc) khi máy phát vận hành nối lưới được cho trong bảng
3.8.
Bảng 0.2 Thông số chất lượng điều khiển của bộ PI và bộ NNC trong
chế độ nối lưới

3.4 Kết luận chương 3
Khi hệ thống turbine thủy lực có các thơng số ổn định (hoặc thay đổi
nhỏ) trong q trình làm việc thì sử dụng bộ điều khiển PID, PI hoàn
toàn đáp ứng được yêu cầu chất lượng đề ra. Sử dụng bộ điều khiển
PID, PI trong các trường hợp hệ thống có chiều cao cột áp và phụ tải
điện thay đổi trong phạm vi rộng (thường gặp ở các thủy điện nhỏ) cho
đáp ứng dao động mạnh (có trường hợp mất ổn định).

19

Bộ điều khiển thích nghi được thiết kế dựa trên ANFIS nhận dạng trực
tiếp hệ thống kết hợp với nơron có cấu trúc PID và PI đã khắc phục
được các hạn chế của các bộ điều khiển PID, PI, nâng cao được chất
lượng điều khiển trong các trường hợp hệ thống turbine thủy lực phi
tuyến có yếu tố bất định.
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ
PHỎNG THỬ NGHIỆM
4.1 Thiết lập mơ hình hệ thống hardware-in-the-loop (HIL)
Hệ thống mơ phỏng HIL là cách thức mô phỏng được sử dụng trong
việc phát triển và kiểm tra các hệ thống thời gian thực. HIL trong
luận án gồm hai q trình song song, đó là q trình mơ phỏng hệ
thống hồn tồn như mơ phỏng "off-line" và kết hợp với quá trình
hoạt động của các thiết bị trong miền thời gian thực qua card đa năng
NI PCI MIO 16E-1. Thiết bị thực ở đây là bộ điều tốc điện-thủy lực
thực tế, và các cảm biến đo vị trí xi lanh.
Hệ thống mơ phỏng HIL được triển khai như hình 4.1

Hình 0.1 Mơ hình tổng quan hệ thống mô phỏng HIL
4.2. Kết quả thực nghiệm
Quá trình thực nghiệm được tiến hành ở các chế độ vận hành và các
điều kiện khác nhau của hệ thống với các bộ điều khiển PID, PI,
NNC. Kết quả cụ thể:
+ Kết quả thực nghiệm ở chế độ vận hành độc lập

20


Hình 4.15 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng tốc độ khi sử dụng

bộ điều khiển PID trong T/H1

Hình 4.16 Đặc tính thực của mạch vịng tốc độ khi sử dụng bộ điều
khiển NNC trong T/H1

Hình 4.17 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng tốc độ khi sử dụng
bộ điều khiển PID trong T/H2

21


Hình 4.18 Đặc tính thực của mạch vịng tốc độ khi sử dụng bộ điều
khiển NNC trong T/H2
+ Kết quả thực nghiệm ở chế độ vận hành nối lưới

Hình 4.23 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng cơng suất khi sử
dụng bộ điều khiển PI trong T/H1

Hình 4.24 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng cơng suất khi sử
dụng bộ điều khiển NNC trong T/H1

22


Hình 4.25 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng cơng suất khi sử
dụng bộ điều khiển PI trong T/H2

Hình 4.26 Đặc tính thực nghiệm của mạch vịng cơng suất khi sử
dụng bộ điều khiển NNC trong T/H2
4.3. Kết luận chương 4

- Bộ điều tốc điện-thủy lực được thiết kế đảm bảo hoạt động tin cậy,
chắc chắn và chính xác.
- Quá trình thực nghiệm được tiến hành với cả hai bộ điều khiển PID
(PI) và bộ điều khiển NNC ở chế độ máy phát làm việc với tải độc
lập và máy phát nối lưới. Qua đó cho thấy, trong điều kiện hoạt động
có biến đầu vào là chiều cao cột áp và biến đầu ra là phụ tải điện thay
đổi hoặc thay đổi giá trị công suất đặt, đáp ứng của hệ thống khi sử
dụng bộ điều khiển NNC cho chất lượng điều khiển tốt hơn nhiều so
với khi sử dụng bộ điều khiển PID, PI (Đáp ứng ít dao động, lượng
quá điều chỉnh và sai lệch tĩnh nhỏ)

23


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Luận án đã có những đóng góp khoa học cụ thể sau:
- Xây dựng mơ hình tuyến tính hóa và mơ hình phi tuyến (có xét đến
tổn thất cột áp trong đường ống) cho nhà máy thủy điện khơng có hồ
chứa lớn, khơng có tháp điều áp.
- Thiết kế bộ điều khiển phản hồi tuyến tính PID, PI cho hệ thống
vận hành ở chế độ làm việc với phụ tải độc lập (mạch vòng điểu
khiển tốc độ) và chế độ vận hành nối lưới (mạch vịng điều khiển
cơng suất).
- Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển
PID, PI trong các trường hợp hệ thống có các tham số thay đổi như:
công suất phụ tải điện, công suất đặt, chiều cao cột áp.
- Thiết kế bộ điều khiển nơron thích nghi NNC (PID-nơron, PI-nơron
có các thơng số cập nhật trực tiếp theo sự thay đổi tham số của hệ
thống) ứng dụng vào điều khiển hệ thống turbine thủy lực trong các

trường hợp hệ thống thủy lực có các thơng số thay đổi trong phạm vi
rộng cho kết quả tốt.
- Thiết kế hoàn chỉnh bộ điều tốc điện-thủy lực thực tế đảm bảo hoạt
động tin cậy, chắc chắn và chính xác phục vụ cho quá trình thực
nghiệm, kiểm tra, đánh giá chất lượng của các bộ điều khiển trong
miền thời gian thực.
- Xây dựng mơ hình thực nghiệm HIL (Hardware-In-The-Loop),
trong đó sử dụng phần mềm Matlab để tính tốn bộ điều khiển và
card đa năng NI PCI MIO 16E-1 để trao đổi dữ liệu giữa máy tính và
thiết bị thực nên việc thiết kế, tính tốn các phần tử đều được thực
hiện trong phần mềm sẽ đơn giản và dễ dàng hơn khi phải thiết kế
mạch thực mà vẫn đảm bảo được độ chính xác. Kết quả thực nghiệm
trên bộ điều tốc thực tế đã chứng minh được tính ưu việt của bộ điều
khiển NNC so với bộ điều khiển PID, PI tuyến tính về các yêu cầu
chất lượng điều khiển hệ thống điện, tạo ra khả năng ứng dụng cao
vào thực tế.
KIẾN NGHỊ
Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện và phát triển bộ điều khiển NNC để
có thể ứng dụng vào sản xuất thực tế trong các nhà máy thủy điện.

24