Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng các giải pháp đo lường và điều khiển hiện đại nhằm nâng cao chất lượng ổn định tần số trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

ĐẶNG TIẾN TRUNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC GIẢI PHÁP ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU
KHIỂN HIỆN ĐẠI NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ỔN ĐỊNH TẦN
SỐ TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

ĐẶNG TIẾN TRUNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC GIẢI PHÁP ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU
KHIỂN HIỆN ĐẠI NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ỔN ĐỊNH TẦN
SỐ TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9 52 02 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. NGÔ DUY HƯNG
2. PGS. TS. PHẠM TUẤN THÀNH

HÀ NỘI – NĂM 2019


i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng dẫn của
TS. Ngô Duy Hƣng và PGS.TS. Phạm Tuấn Thành. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận án là trung thực, tự làm, không trùng lặp và chƣa đƣợc công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả

Đặng Tiến Trung


ii

LỜI CẢM ƠN

Trƣớc hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hƣớng dẫn khoa
học, TS. Ngô Duy Hƣng và PGS.TS. Phạm Tuấn Thành, đã hƣớng dẫn, định
hƣớng những nội dung cần giải quyết, chỉ dẫn phƣơng pháp giải quyết các vấn
đề cần nghiên cứu, động viên, giúp đỡ tơi hồn thành luận án này.

Tơi cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học và tập thể cán bộ giáo
viên Bộ môn Kỹ thuật điện, Khoa Kỹ thuật điều khiển đã giúp đỡ, đóng góp ý
kiến giúp tơi hồn thành nội dung nghiên cứu.
Tơi xin chân thành cảm ơn tới Đảng ủy, Ban giám đốc Học viện Kỹ thuật
Quân sự, các bạn bè đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện để tôi tập trung thực hiện
nghiên cứu, hồn thành luận án.
Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp
đỡ, khuyến khích để tơi có thêm nghị lực hồn thành luận án.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................ii
MỤC LỤC...........................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU........................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ..........................................................ix
MỞ ĐẦU.............................................................................................................................1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TURBINE
TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ .........................................8
1.1. Nhà máy thủy điện và vấn đề năng lƣợng cột nƣớc nơi đặt turbine ........... 8
1.2. Vấn đề điều khiển turbine ở nhà máy thủy điện và các nghiên cứu trong và
ngoài nƣớc liên quan đến điều khiển ở nhà máy thủy điện. ......................... 21
1.3. Vấn đề nghiên cứu của luận án .................................................................. 27
1.4. Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................... 27
CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG THUẬT TỐN NHẬN DẠNG THAM SỐ MƠ
HÌNH ĐỘNG HỌC MÔ TẢ TỔ HỢP TURBINE - MÁY PHÁT CỦA
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ ....................................................... 29
2.1. Xây dựng thuật tốn nhận dạng tham số mơ hình mơ tả quá trình điều

khiển tần số quay tổ hợp “Turbine+máy phát” ............................................ 30
2.1.1. Mơ hình mơ tả q trình điều khiển tần số quay tổ hợp “Turbine+máy
phát” .................................................................................................................. 30
2.1.2. Phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu. ............................................................ 35
2.1.3. Xây dựng thuật tốn nhận dạng tham số mơ hình mơ tả tổ hợp turbine +
máy phát điện. .................................................................................................. 38
2.1.4. Xây dựng thuật tốn nhận dạng tham số mơ hình mơ tả hệ thống quay cánh


iv

lái hƣớng ........................................................................................................... 44
2.2. Xây dựng thuật toán đánh giá năng lƣợng cột nƣớc.................................. 53
2.2.1. Bộ lọc Kalman ................................................................................................ 54
2.2.2. Xây dựng giải pháp và thuật toán xác định sự thay đổi năng lƣợng cột
nƣớc của nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ ...................................... 61
2.3. Kết luận chƣơng 2...................................................................................... 72
CHƢƠNG 3. TỔNG HỢP LUẬT ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ QUAY
TURBINE TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ ................. 73
3.1. Xây dựng thuật toán xác định tham số tối ƣu cho bộ điều khiển PID điều
chỉnh nguồn nƣớc cấp cho turbine nhà máy thủy điện vừa và nhỏ .............. 76
3.1.1. Xây dựng thuật toán xác định tham số tối ƣu cho bộ điều khiển PI cho
mạch vòng điều khiển cánh lái hƣớng. .......................................................... 77
3.1.2. Xây dựng thuật toán xác định tham số tối ƣu cho bộ điều khiển PI cho
mạch vòng điều khiển turbine. ....................................................................... 80
3.2. Xây dựng thuật toán backstepping ổn định tần số quay turbine ............... 81
3.3. Xây dựng thuật toán thiết lập điều khiển tối ƣu van cấp nƣớc cho turbine
nhà máy thủy điện vừa và nhỏ ...................................................................... 89
3.4. Ứng dụng lọc Kalman xây dựng thuật toán quan sát trạng thái phục vụ thiết
lập luật điều khiển tối ƣu. ............................................................................. 97

3.5. Xây dựng thuật toán cho thiết bị điều khiển turbine ............................... 102
3.6. Kết luận chƣơng 3 .................................................................................... 104
CHƢƠNG 4. MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM ....................................................... 106
4.1. Đối tƣợng mô phỏng ................................................................................ 107
4.2. Mô phỏng nhận dạng tham số mơ hình. .................................................. 109
4.3. Mơ phỏng luật điều khiển tối ƣu thích nghi. ........................................... 114
4.3.1. Mơ phỏng luật điều khiển tối ƣu ................................................................. 117


v

4.3.2. Mơ phỏng luật điều khiển tối ƣu thích nghi............................................... 121
4.3.3. Mô phỏng luật điều khiển tối ƣu khi tải thay đổi ...................................... 133
4.4. Kết luận chƣơng 4 .................................................................................... 137
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 139
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ............................................ 142
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 143
PHỤ LỤC 1
PHỤ LỤC 2
PHỤ LỤC 3
PHỤ LỤC 4


vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
1. Chữ viết tắt

Ý nghĩa

MEMS

Thiết bị vi cơ quán tính

PID

Proportional Integral Derivative - Bộ điều khiển PID

PI

Tỉ lệ và tích phân

NM

Nhà máy

NMTĐ

Nhà máy thủy điện

2. Ký hiệu

Ý nghĩa

h

Chiều cao mức nƣớc

v

Tốc độ dòng chảy

p

Áp suất của dòng nƣớc



Trọng lƣợng riêng của nƣớc

E

Năng lƣợng của dịng nƣớc

Q

Lƣu lƣợng của dịng nƣớc

u

Tín hiệu điều khiển



Góc mở hệ thống cánh lái hƣớng

g

Gia tốc rơi tự do bởi lực hút trọng trƣờng của trái đất

p

Số đôi cực máy phát điện

f

Tần số lƣới điện

X (t )

Véc tơ trạng thái n chiều

w(t )

Véc tơ nhiễu p chiều

,

Tích vơ hƣớng hai véc tơ

F (t )

Ma trận động học

G(t )

Ma trận phân bố nhiễu


vii

H (t )

Ma trận đo

Q(t )

Ma trận cƣờng độ nhiễu

R(t )

Ma trận cƣờng độ nhiễu sai số đo

I

Ma trận đơn vị

 (.)

Hàm Đirắc

X (t )

Véc tơ trạng thái



Kỳ vọng toán học

JT

Momen quán tính của roto tổ máy thủy điện

Kc

Hệ số cản của turbine

Md

Momen chuyển động của turbine

Mc

Momen chuyển tải của máy phát điện

Jc

Momen quán tính của cả cụm cánh lái hƣớng

Kα

Hệ số cản tỷ lệ với tốc độ quay cánh lái hƣớng

Mu

Momen do xy lanh thủy lực tạo ra để quay cánh lái hƣớng

z2

Áp lực thủy tĩnh

s

Ký hiệu toán tử Laplas



Tín hiệu ra của con quay



Tốc độ quay thực của vật thể quay

c

Độ trơi của con quay



Nhiễu đo có dạng ồn trắng



Tích phân bình phƣơng sai số bám sát tần số chuẩn

∆

Ma trận Jacobi

min

Giá trị nhỏ nhất

 1

Phép tính ngƣợc của toán tử Laplas


viii

3. Chỉ số trên

Ý nghĩa

-1

Ma trận nghịch đảo

n

Không gian n chiều

m

Không gian m chiều

T

Chuyển vị ma trận

.

Đạo hàm bậc 1

4. Chỉ số dƣới

Ý nghĩa

i

Thứ tự thứ i

j

Thứ tự thứ j

n

Thứ tự thứ n


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Tên hình vẽ

Trang

Hình 1.1. Sơ đồ tính tốn tiềm năng của dịng sơng ........................................... 10
Hình 1.2. Sơ đồ NMTĐ kiểu đập ........................................................................ 13

Hình 1.3. Sơ đồ NMTĐ kênh dẫn ....................................................................... 14
Hình 1.4. Sơ đồ NMTĐ kênh dẫn (có hầm dẫn nƣớc) ........................................ 15
Hình 1.5. Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp ........................................................ 16
Hình 1.6. Turbine thủy lực .................................................................................. 18
Hình 1.7. Sơ đồ chức năng quá trình điều khiển tốc độ quay turbine ................ 20
Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển ổn định tốc độ quay turbine ....... 30
Hình 2.2. Sơ đồ mạch điều khiển vị trí hệ cánh lái hƣớng ................................. 31
Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển máy phát điện nhà máy thủy điện
vừa và nhỏ ........................................................................................................... 35
Hình 2.4. Bộ lọc Kalman liên tục tuyến tính ...................................................... 56
Hình 2.5. Bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng ...................................................... 60
Hình 2.6. Turbine mini và máy phát điện một chiều .......................................... 62
Hình 2.7. Sơ đồ bố trí các phần tử đo vi cơ qn tính ........................................ 65
Hình 2.8. Sơ đồ thuật tốn lọc Kalman ............................................................... 69
Hình 2.9. Thuật tốn xác định thời điểm nhận dạng và hiệu chỉnh luật điều khiển
cánh lái hƣớng cấp nƣớc ..................................................................................... 71
Hình 3.1. Sơ đồ chức năng quá trình điều khiển quay turbine máy phát điện.... 75
Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ thống ổn định tần số quay turbine máy phát thủy điện 77
Hình 3.3. Sơ đồ mạch vịng điều khiển vị trí cánh lái hƣớng ............................. 81
Hình 3.4. Lƣu đồ thuật tốn tổng hợp lệnh ổn định tần số quay turbine ............ 88


x

Hình 3.5. Lƣu đồ thuật tốn lọc Kalman xác định véc tơ trạng thái mơ hình động
học hệ thống điều khiển turbine ........................................................................ 101
Hình 3.6. Lƣu đồ thuật tốn hiệu chỉnh luật điều khiển tối ƣu thích nghi với sự
thay đổi của năng lƣợng cột nƣớc ..................................................................... 103
Hình 4.1. Sơ đồ chức năng hệ mơ phỏng .......................................................... 107
Hình 4.2. Cấu trúc nhận dạng tham số mơ hình................................................ 109

Hình 4.3. Đồ thị nhận dạng hằng số thời gian T của mô hình động học. ......... 113
Hình 4.4. Đồ thị nhận dạng hệ số khuyếch đại K ............................................. 113
Hình 4.5. Lƣu đồ thuật tốn hệ thống mơ phỏng q trình điều khiển thích nghi
........................................................................................................................... 116
Hình 4.6. Tần số quay turbine khi thực hiện luật điều khiển tối ƣu ................. 117
Hình 4.7. Góc quay cánh lái hƣớng khi điều khiển tối ƣu ................................ 117
Hình 4.8. Giá trị đánh giá chất lƣợng điều khiển J ........................................... 118
Hình 4.9. Giá trị đánh giá chất lƣợng J khi điều khiển khơng tối ƣu (Kx giảm)118
Hình 4.10. Tần số quay turbine khi thực hiện luật điều khiển khơng tối ƣu .... 119
Hình 4.11. Góc quay cánh lái hƣớng khi điều khiển không tối ƣu ( K x giảm). 119
Hình 4.12. Tần số quay turbine khi thực hiện luật điều khiển khơng tối ƣu .... 120
Hình 4.13. Góc quay cánh lái hƣớng khi điều khiển không tối ƣu ( K x tăng) .. 120
Hình 4.14. Giá trị đánh giá chất lƣợng J khi điều khiển không tối ƣu ( K x tăng)
........................................................................................................................... 121
Hình 4.15. Sự thay đổi tham số K .................................................................... 122
Hình 4.16. Sự thay đổi tham số T ..................................................................... 122
Hình 4.17. Hàm chỉ tiêu chất lƣợng J ............................................................... 123
Hình 4.18. Góc quay cánh lái hƣớng (độ) khi K và T tăng .............................. 123
Hình 4.19. Góc quay cánh lái hƣớng (độ) ở thời điểm K và T tăng ................ 124


xi

Hình 4.20. Tần số quay turbine (rad/s) khi K và T tăng. .................................. 124
Hình 4.21. Tần số quay turbine (rad/s) ở thời điểm K và T tăng..................... 125
Hình 4.22. Sự thay đổi tham số K .................................................................... 126
Hình 4.23. Sự thay đổi tham số T .................................................................... 126
Hình 4.24. Hàm chỉ tiêu chất lƣợng J ............................................................... 127
Hình 4.25. Góc quay cánh lái hƣớng (độ) khi K và T giảm ............................. 127
Hình 4.26. Góc quay cánh lái hƣớng (độ) ở thời điểm K và T giảm ............... 128

Hình 4.27. Tần số quay turbine (rad/s) khi K và T giảm. ................................. 128
Hình 4.28. Tần số quay turbine (rad/s) ở thời điểm K và T giảm.................... 129
Hình 4.29. Sự thay đổi tham số K .................................................................... 130
Hình 4.30. Sự thay đổi tham số T .................................................................... 130
Hình 4.31. Hàm chỉ tiêu chất lƣợng J ............................................................... 131
Hình 4.32. Góc quay cánh lái hƣớng (độ) khi K tăng và T giảm ..................... 131
Hình 4.33. Góc quay cánh lái hƣớng (độ) ở thời điểm K tăng và T giảm ....... 132
Hình 4.34. Tần số quay turbine (rad/s) khi K tăng và T giảm. ......................... 132
Hình 4.35. Tần số quay turbine (rad/s) ở thời điểm K tăng và T giảm........... 133
Hình 4.36. Góc quay cánh lái hƣớng (độ) khi tải yêu cầu giảm ....................... 134
Hình 4.37. Tần số quay turbine (rad/s) khi tải yêu cầu giảm ............................ 134
Hình 4.38. Sự thay đổi tần số quay turbine ở thời điểm tải thay đổi ............... 135
Hình 4.39. Góc quay cánh lái hƣớng (độ) khi tải yêu cầu tăng ........................ 136
Hình 4.40. Tần số quay turbine (rad/s) khi tải yêu cầu tăng ............................. 136
Hình 4.41. Sự thay đổi tần số quay turbine ở thời điểm tải thay đổi ............... 137


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Điện khí hóa tồn bộ nền kinh tế và đời sống là một trong những nhiệm vụ
trung tâm của đất nƣớc trên con đƣờng xây dựng một đất nƣớc hiện đại và văn
minh. Trong thời gian vừa qua đất nƣớc ta đã nỗ lực rất lớn trên con đƣờng điện
khí hóa, phấn đấu chỉ số điện năng tiêu thụ cho một ngƣời dân trong một năm đạt
chỉ tiêu của các nƣớc cơng nghiệp hóa. Đây thực sự là nhiệm vụ to lớn và đòi hỏi
mọi nguồn lực trong lĩnh vực điện năng. Cùng với nguồn nhiệt điện, điện gió,
điện mặt trời thủy điện phải đƣợc xây dựng và phát triển hài hòa để phù hợp với
sự phát triển của nền kinh tế ln tăng trƣởng ở mức độ trung bình cao (từ 6%8%) và nhu cầu đời sống ngƣời dân ngày càng tăng và trong điều kiện Quốc hội
đã thông qua nghị quyết ngừng triển khai dự án nhà máy điện hạt nhân, do bài

học từ khai thác điện hạt nhân của thế giới (bài học từ sự cố ở nhà máy điện
nguyên tử ở Ucraina (Liên Xô cũ) và nhà máy điện nguyên tử Nhật Bản sau sự
cố sóng thần năm 2012).
Ngành Thủy điện ở Việt Nam tuy ra đời muộn hơn nhiệt điện song hiện nay
đang phát triển mạnh và đã chiếm tỉ trọng lớn trong tổng nguồn điện năng. Đối
với miền Bắc sau khi xây dựng nhà máy thủy điện đầu tiên, nhà máy thủy điện
Thác Bà (năm 1972), hàng loạt nhà máy thủy điện đƣợc xây dựng và đƣa vào sử
dụng. Đối với miền Nam cũng vậy sau nhà máy thủy điện đầu tiên (Nhà máy
thủy điện Đa Nhim - năm 1964) hàng loạt nhà máy thủy điện cũng đƣợc xây
dựng ở Đồng Nai và Tây Nguyên, góp phần đáng kể vào tổng cơng suất điện.
Cùng với các nhà máy thủy điện công suất lớn và trung bình, các nhà máy
thủy điện cơng suất vừa và nhỏ cũng phát triển mạnh mẽ và rộng khắp ở các


2

vùng miền trên phạm vi của cả nƣớc. Nhà máy thủy điện cơng suất vừa và nhỏ
có ƣu điểm: Khai thác tiềm năng của nhiều con sông suối nhỏ ở các lƣu vực khác
nhau khắp đất nƣớc. Nhờ tính khởi động nhanh và dừng hoạt động cũng nhanh
nên các nhà máy thủy điện cơng suất vừa và nhỏ có giá trị rất lớn khi phủ đỉnh
công suất vào các giờ cao điểm.
Để xây dựng nhà máy thủy điện việc trƣớc tiên phải xác định đƣợc năng
lƣợng tích trong cột nƣớc của dịng sơng, năng lƣợng này gồm hai phần, phần thế
năng và động năng. Phần thế năng phụ thuộc nhiều vào mức nƣớc của hồ chứa,
còn động năng phụ thuộc vào dòng chảy và độ cao giữa mặt hồ và nơi đặt
turbine.
Tuy nhiên, đặc điểm cơ bản của các nhà máy thủy điện công suất vừa và
nhỏ là năng lƣợng tích trong cột nƣớc của dịng sơng thay đổi mạnh trong quá
trình khai thác sử dụng. Điều này ảnh hƣởng đến động học mơ tả hệ thống, địi
hỏi phải có cách tiếp cận khác khi thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển cho các nhà

máy thủy điện.
Qua quá trình xây dựng nhiều nhà máy thủy điện, năng lực của phía Việt
Nam ngày càng đƣợc nâng cao. Từ chỗ phía nƣớc ngoài làm chủ từ khâu khảo
sát, thiết kế đến xây dựng, phía Việt Nam thực hiện thi cơng dƣới sự giám sát
của đối tác nƣớc ngoài và nhận khai thác vận hành dƣới sự huấn luyện đào tạo
của phía nƣớc ngồi, đến nay phía Việt Nam đã làm chủ dự án, thậm chí cả trong
khâu khảo sát - thiết kế và tự chủ nhiều khâu trong thi công xây dựng.
Tuy nhiên riêng phần thiết bị nhiều bộ phận vẫn phải nhập ngoại, đặc biệt là
thiết bị turbine, máy phát điện và các thiết bị liên quan đến hệ thống điều khiển
tổ máy “turbine+máy phát”. Đây là yếu tố tạo giá thành cao cho nhà máy thủy
điện và khó khăn trong khai thác vận hành, đơi khi bị phía nƣớc ngoài ép giá khi


3

thiết bị nhà máy bị hỏng hóc. Ngồi ra thiết bị điều khiển tổ máy “turbine+máy
phát” bán cho Việt Nam thƣờng thuộc thế hệ cũ (vì nhiều lý do, trong đó có cả lý
do hạn chế về năng lực và phẩm chất đạo đức của cán bộ ở các cơ quan quản lý
và chủ đầu tƣ), vì vậy tính tối ƣu và thích nghi với sự thay đổi thƣờng khơng có,
do vậy thƣờng khơng khai thác hợp lý năng lƣợng của cột nƣớc dịng sơng.
Trong thời gian qua trong nhiều lĩnh vực chúng ta đã vƣơn lên tự chủ thiết
kế, chế tạo hoặc tích hợp các thiết bị điện tử hoặc điều khiển có hàm lƣợng học
thuật cao, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển các hệ truyền động điện. Đây là cơ
sở chúng ta nên bắt đầu bƣớc vào giai đoạn tự chủ thiết kế chế tạo thiết bị điều
khiển tổ máy gồm turbine và máy phát điện. Để thực hiện cơng việc có giá trị
thực tiễn và có tính học thuật khó này nên bắt đầu từ các nhà máy thủy điện công
suất vừa và nhỏ.
Để bƣớc vào giai đoạn tự chủ thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển tổ máy cần
phải nghiên cứu cơ sở học thuật của vấn đề điều khiển đối tƣợng điều khiển là tổ
máy phát điện ở nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ với đặc điểm năng

lƣợng cột nƣớc thay đổi thƣờng xuyên. Vì chúng ta đi sau đối tác nƣớc ngoài
trong lĩnh vực này, nên mạnh dạn ứng dụng các phƣơng pháp điều khiển hiện đại
(nhƣ điều khiển tối ƣu, điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, điều khiển trƣợt) để
thiết kế phần mềm cho thiết bị điều khiển. Đây thực sự là vấn đề đòi hỏi đội ngũ
cán bộ nghiên cứu khoa học, kỹ thuật và công nghệ phải giải quyết.
2. Mục đích nghiên cứu: Là xây dựng phƣơng pháp và thuật toán nhận
dạng và điều khiển cho thiết bị điều khiển tổ máy phát điện của các nhà máy
thủy điện công suất vừa và nhỏ làm cơ sở để vận hành và khai thác hiệu quả thiết
bị điều khiển của nƣớc ngoài sản xuất và làm cơ sở để xây dựng phần mềm khi
chúng ta tiến hành tự chủ trong việc thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển nêu trên.


4

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.
Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học để xác định cấu trúc phần
cứng và yêu cầu về tính năng và độ chính xác các thiết bị đo trong hệ thống điều
khiển tổ máy “turbine + máy phát điện” và đặc biệt là cơ sở để thiết lập phần
mềm cho hệ thống điều khiển này.
Kết quả nếu đƣợc áp dụng có thể nâng cao hiệu quả khai thác nguồn năng
lƣợng của dịng sơng và nâng cao vai trò tổ máy trong hệ thống nguồn cung ứng
điện năng trong lƣới điện.
4. Đối tƣợng nghiên cứu
Vấn đề nghiên cứu của luận án liên quan đến các vấn đề xử lý tín hiệu đo
lƣờng và điều khiển lƣu lƣợng nƣớc cấp cho turbine nhằm ổn định tần số quay
turbine ở các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án là ứng dụng các phƣơng pháp nhận
dạng để xác định tham số mơ hình mơ tả tổ hợp “turbine + máy phát điện” trên
cơ sở xử lý thông tin thu thập đƣợc từ các thiết bị đo trong hệ thống điều khiển tổ

máy, sử dụng một số công cụ lý thuyết điều khiển hiện đại để xử lý tín hiệu đo
lƣờng và tổng hợp lệnh điều khiển bộ phận điều chỉnh dòng nƣớc vào turbine để
ổn định tốc độ quay của rotor máy phát điện trong điều kiện đáp ứng đủ công
suất do lƣới điện yêu cầu
6. Phạm vi nghiên cứu.
Phạm vi nghiên cứu của luận án sẽ giải quyết các vấn đề sau:
- Xây dựng thuật toán xác định tham số mơ hình mơ tả hệ thống điều khiển
tổ máy phát điện trên cơ sở sử dụng phƣơng pháp tốn học xử lý các thơng tin từ
các phƣơng tiện đo trong hệ thống;


5

- Xây dựng thuật toán xác định tham số luật điều khiển đối với các thiết bị
điều khiển tổ máy đang sử dụng (không can thiệp quá sâu vào thiết bị của nƣớc
ngồi bán cho phía Việt Nam) để nâng cao tính hiệu quả của q trình khai thác
nguồn năng lƣợng thủy điện;
- Xây dựng thuật toán cho thiết bị điều khiển tổ máy khi phía Việt Nam chủ
động thiết kế và chế tạo thiết bị này;
- Mô phỏng đánh giá tính đúng đắn hoặc tính hiệu quả của một số thuật toán
đã đề xuất.
7. Nội dung luận án.
Luận án gồm: Phần mở đầu, 4 chƣơng, phần kết luận, phụ lục, danh mục
các cơng trình của NCS, danh mục tài liệu tham khảo, danh mục các chữ viết tắt
và ký hiệu, danh mục các hình vẽ đồ thị và mục lục.
Chƣơng 1: Tổng quan vấn đề điều khiển tốc độ turbine trong nhà máy
thủy điện vừa và nhỏ
Trong chƣơng này luận án giới thiệu sơ bộ sự phát triển của ngành thủy
điện Việt Nam, xác định vai trò to lớn của thủy điện trong tổng nguồn cung cấp
điện năng ở Việt Nam và trình bày vấn đề liên quan đến dự trữ năng lƣợng thủy

điện ở các dịng sơng. Luận án trình bày các kiểu nhà máy thủy điện và các thông
số năng lƣợng cơ bản của cột nƣớc ở nhà máy thủy điện. Luận án giới thiệu cấu
tạo và nguyên lý hoạt động của turbine cùng máy phát để tạo ra nguồn năng
lƣợng dƣới dạng điện năng, giới thiệu sơ đồ chức năng của tổ hợp “turbine+máy
phát điện” và những vấn đề liên quan đến điều chỉnh công suất phát. Luận án đi
sâu phân tích vấn đề có thể và nên chủ động trong việc thiết kế, chế tạo hoặc cải
tiến thiết bị điều khiển tổ máy phát điện (bao gồm turbine và máy phát điện) và
từ đó xác định những vấn đề cần giải quyết. Trong những vấn đề cần giải quyết


6

đã chọn một số vấn đề có tính học thuật để hình thành nội dung cho luận án tiến
sỹ kỹ thuật chuyên ngành “Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa”.
Chƣơng 2: Xây dựng thuật tốn nhận dạng tham số mơ hình động học
mơ tả tổ hợp turbine-máy phát điện của nhà máy thủy điện vừa và nhỏ.
Ở chƣơng này luận án đã giới thiệu hai cơng cụ tốn học, đó là phƣơng
pháp bình phƣơng tối thiểu và giải thuật của bộ lọc Kalman. Từ đó luận án đã sử
dụng phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu để xây dựng hai thuật tốn xác định các
tham số của hai mơ hình mô tả turbine và mô tả máy phát điện trên cơ sở xử lý
thông tin đo đƣợc trong hệ thống điều khiển turbine, đó là đo độ lớn điện áp tín
hiệu điều khiển hệ truyền động điện thủy lực hệ cánh lái hƣớng dịng nƣớc cấp
vào turbine, đo góc mở hệ cánh lái hƣớng và đo tần số quay của rotor máy phát
điện. Các tham số này là cơ sở để có mơ hình đầy đủ mơ tả hệ thống, giúp cho
việc xác định lệnh điều khiển, sẽ đƣợc giải quyết ở chƣơng 3. Trong chƣơng này
luận án cũng đã áp dụng bộ lọc Kalman để xây dựng thuật toán dùng thơng tin từ
các phần tử vi cơ qn tính (MEMS) để xác định năng lƣợng cột nƣớc và từ đó
xác định thời điểm cần nhận dạng tham số mơ hình và hiệu chỉnh luật điều khiển
van cấp nƣớc cho turbine máy phát điện.
Nội dung của chƣơng này đƣợc trình bày ở các cơng trình đã cơng bố trên

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, số 47, tr. 70-75 và số 50, tr. 62-69.
Chƣơng 3: Tổng hợp luật điều khiển ổn định tần số quay turbine trong
nhà máy thủy điện vừa và nhỏ.
Trong chƣơng này luận án đã áp dụng một số công cụ lý thuyết điều khiển
hiện đại để giải quyết hai vấn đề liên quan đến việc điều khiển dòng nƣớc cấp
cho turbine để ổn định tần số quay máy phát khi hiệu chỉnh công suất phát điện
theo yêu cầu của lƣới điện, đó là:


7

- Áp dụng công thức Parseval để xây dựng hàm số thể hiện tƣơng quan giữa
tham số tỉ lệ trong luật điều khiển PID với sai số bám sát khi ổn định tần số
quay của rotor máy phát khi điều chỉnh cơng suất phát và từ đó xác định đƣợc
tham số tỉ lệ tối ƣu. Đây chính là giải pháp sử dụng hợp lý các thiết bị điều khiển
hiện có ở các tổ hợp máy phát điện để nâng cao hiệu suất khai thác dữ trữ năng
lƣợng của cột nƣớc thủy điện;
- Áp dụng lý thuyết điều khiển tối ƣu xây dựng thuật tốn điều khiển cánh
lái hƣớng dịng nƣớc cấp vào turbine để ổn định tần số quay máy phát khi có sự
u cầu hiệu chỉnh cơng suất phát. Cùng với thuật tốn nhận dạng tham số mơ
hình đã giải quyết ở chƣơng 2 thuật toán này sẽ là cơ sở để xây dựng phần mềm
cho thiết bị điều khiển tổ máy phát điện khi chúng ta chủ động thiết kế chế tạo
thiết bị điều khiển tổ máy phát điện.
Nội dung của chƣơng này đƣợc trình bày ở các cơng trình đã cơng bố trong
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, số 53, tr. 38-48; Tạp chí Khoa học, Tập số
46, số 3A, tr. 17-23.
Chƣơng 4: Mô phỏng kiểm nghiệm.
Trong chƣơng này luận án sẽ dùng công cụ mô phỏng để kiểm nghiệm tính
đúng đắn của thuật tốn nhận dạng tham số mơ hình (đã đề xuất ở chƣơng 2) và
thuật tốn điều khiển tối ƣu thích nghi với sự thay đổi năng lƣợng của cột nƣớc

dịng sơng nơi đặt nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ (đã đề xuất ở chƣơng
3).
Nội dung của chƣơng này đƣợc trình bày ở các cơng trình đã cơng bố trong
Tạp chí KH và CN Năng lƣợng Trƣờng Đại học Điện lực, số 14, tr. 22-28.
Phụ lục: Trình bày các sơ đồ Simulink và chƣơng trình Matlab khi mơ
phỏng thuật tốn nhận dạng và thuật toán điều khiển tối ƣu.


8

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TURBINE TRONG
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ
1.1. Nhà máy thủy điện và vấn đề năng lƣợng cột nƣớc nơi đặt turbine
Hệ thống điện của tất cả các quốc gia đều có nhiều nhà máy điện cung cấp
điện năng cho tồn hệ thống, bao gồm nhà máy nhiệt điện (biến đổi năng lƣợng
hóa thạch trong quặng than đá, hoặc dầu mỏ, khí đốt thành điện năng), nhà máy
thủy điện (biến đổi thế năng và động năng của dòng nƣớc thành điện năng), nhà
máy điện nguyên tử (biến đổi năng lƣợng từ phản ứng của hạt nhân nguyên tử
thành điện năng), các trạm điện gió, điện mặt trời. Tỉ lệ đóng góp của các nguồn
năng lƣợng trong sơ đồ chung của cả hệ thống điện năng của các quốc gia khác
nhau phụ thuộc vào tiềm năng và chiến lƣợc phát triển điện năng của từng quốc
gia.
Đối với đất nƣớc Việt Nam của chúng ta thủy điện đang đƣợc khai thác
rộng khắp, chiếm một tỉ lệ lớn trong tổng nguồn điện năng của đất nƣớc. Trƣớc
năm 1954 thủy điện ở Việt Nam còn chiếm tỉ lệ nhỏ trong các lƣới điện khu vực,
nhƣ ở miền Bắc có nhà máy thủy điện Tà Sa, Na Ngần, Bàn Thạch, ở miền Nam
có nhà máy thủy điện Đa Nhim. Năm 1971 Nhà nƣớc Liên Xô đã giúp đỡ Nhà
nƣớc Việt Nam dân chủ cộng hòa xây dựng nhà máy thủy điện Thác Bà với công
suất 3x36=108MW, thủy điện năng bắt đầu chiếm tỉ trọng trong hệ thống điện.

Năm 1992 Nhà máy thủy điện Hịa Bình với 8 tổ máy có tổng cơng suất
(8x240MW) có thể hoạt động đủ cơng suất, trong khi đó tổng cơng suất tiêu thụ
của miền Bắc cực đại chỉ là 1000MW. Do vậy đƣờng dây siêu cao áp 500 kV
đƣợc xây dựng gấp rút để tải điện từ Bắc vào Nam. Song hành với việc xây dựng


9

nhà máy thủy điện Hịa Bình ở miền Bắc, ở miền Nam cũng do Liên Xô giúp đỡ
tiến hành xây dựng nhà máy thủy điện Trị An tại tỉnh Đồng Nai với 4 tổ máy có
tổng cơng suất (4x100=400MW).
Bắt đầu từ lúc này thủy điện năng chiếm tỉ trọng lớn trong hệ thống điện và
tiếp tục phát triển mạnh. Ngày 2 tháng 12 năm 2005 nhà máy thủy điện Sơn La
đƣợc khởi công xây dựng tại huyện Mƣờng La, tỉnh Sơn La, đến 9/2012 tổ máy
cuối cùng (tổ máy thứ 6) hòa lƣới điện. Nhà máy thủy điện Sơn La có 6 tổ máy
với tổng cơng suất (6x400=2400MW) trở thành nhà máy thủy điện lớn nhất Việt
Nam và lớn nhất Đông Nam Á. Nhà máy thủy điện Sơn La do phía Việt Nam
chủ trì trong thiết kế và thi cơng, đánh dấu sự trƣởng thành của ngành xây dựng
thủy điện Việt Nam. Tiếp theo tháng 1 năm 2011 Việt Nam khởi công xây dựng
nhà máy thủy điện Lai Châu, đến tháng 12 năm 2016 khánh thành nhà máy với 3
tổ máy có tổng cơng suất (3x400=1200MW). Ba nhà máy thủy điện (Lai Châu,
Sơn La, Hịa Bình) đã khai thác gần nhƣ tồn bộ tiềm năng về thủy điện của con
sơng Đà.
Bên cạnh các cơng trình nhà máy thủy điện lớn nêu trên, hàng loạt các nhà
máy thủy điện công suất trung bình cũng đƣợc xây dựng nhƣ Đa Nhim, Vĩnh
Sơn, Thác Mơ, Sông Hinh, Hàm Thuận, Sông Tranh… cũng đƣợc xây dựng và
đƣa vào vận hành. Các địa phƣơng cũng tiến hành xây dựng rất nhiều nhà máy
thủy điện công suất vừa và nhỏ, nhƣ các nhà máy Rào Quán, Sông Con 2, Đắc
Rinh, Ea Krong…
Để đi sâu vào vấn đề cần giải quyết trong luận án, cần xem xét tóm tắt

nguyên lý hoạt động biến đổi năng lƣợng của dòng nƣớc chảy thành năng lƣợng
dạng điện năng. Trái đất của chúng ta có bốn đại dƣơng chứa một khối lƣợng
cực lớn nƣớc dƣới dạng lỏng. Hàng ngày đại dƣơng đƣợc mặt trời chiếu sáng


10

làm bốc hơi một lƣợng nƣớc nhất định, dƣới tác động của ánh sáng mặt trời bầu
khí quyển vận động chuyển một lƣợng hơi nƣớc vào các vùng khác nhau của lục
địa. Lƣợng hơi nƣớc này rơi xuống các vùng có địa hình khác nhau của lục địa
dƣới dạng mƣa rơi hoặc tuyết rơi (đơi khi có cả mƣa dạng đá nƣớc). Một lƣợng
nƣớc nhất định thấm vào lòng đất, một lƣợng bị giữ lại ở các hồ, còn phần lớn
lƣợng nƣớc tạo thành dịng chảy ở các dịng sơng để trở lại về đại dƣơng. Việc
có dịng chảy là do lƣợng nƣớc ở nơi cao có thế năng lớn hơn thế năng của mặt
biển đại dƣơng. Động năng của dịng chảy làm quay các turbine có gắn với các
máy phát điện để phát ra điện năng.

Hình 1.1. Sơ đồ tính tốn tiềm năng của dịng sơng
Theo [1] việc tính toán nguồn năng lƣợng thủy điện đƣợc thể hiện nhƣ sau:
Một dịng chảy tự nhiên có sơ đồ mặt cắt thẳng đứng nhƣ hình 1.1. Xét hai mặt
cắt theo phƣơng ngang ở hai vị trí I và II bất kỳ. Ở mặt cắt I có chiều cao mức
nƣớc là h1 , tại đó tốc độ dịng chảy là V1 , áp suất của dịng nƣớc là p1 . Tƣơng tự
có các tham số đó tại vị trí II là h2 , V2 , p2 . Khối nƣớc có khối lƣợng w đang


11

chuyển động tại I, theo lý thuyết động lực học chất lỏng năng lƣợng chứa trong
khối nƣớc này sẽ là [1]:
E1  (h1 

p1





1V12
2g

) w

(1.1)

trong đó:  - khối lƣợng riêng của nƣớc (1000kg / m3 ), g  9,81 m / s 2 - gia tốc
trọng trƣờng,  i - hệ số hiệu chỉnh khi tính đến sự phân bố khơng đồng đều của
dịng chảy trên mặt cắt. Nếu tốc độ trên tồn mặt cắt nhƣ nhau thì i  1 , cịn
khơng thì nó đƣợc tính nhƣ sau:
u d

3

v3

(1.2)

trong đó: u - là vận tốc tại phần vi phân d của tiết diện mặt cắt, v - vận tốc
trung bình trên tồn bộ tiết diện mặt cắt, w - thể tích nƣớc tính bằng m3 . Theo lý
thuyết thủy khí động học, thành phần trong ngoặc ở cơng thức (1.1) đƣợc gọi là
cột áp, có thứ nguyên là m . Nó bao gồm thành phần cột áp thủy tĩnh (h1 

cột áp thủy động

1V12
2g

p1



) và

. Về trị số, độ cao của cột áp tỉ lệ thuận với năng lƣợng

chứa trong một đơn vị trọng lƣợng nƣớc dƣới dạng thế năng (cột áp thủy tĩnh) và
động năng (cột áp thủy động). Dễ dàng nhận thấy ở điều kiện lý tƣởng (dịng
chảy khơng bị tổn hao) chỉ chịu tác dụng của lực trọng trƣờng thì cột áp tại mọi
vị trí mặt cắt đều bằng nhau và năng lƣợng chứa trong khối nƣớc W sẽ không
đổi khi chuyển động. Đối với dịng chảy thực tế trên các dịng sơng, năng lƣợng
ln ln bị tổn thất (do bào mịn đất đá, vận chuyển phù sa và các nguyên nhân
khác). Vì vậy khi đến mặt cắt II , năng lƣợng chứa trong khối nƣớc W chỉ còn lại
là:


12

E2  (h2 

p2





 2V22
2g

) w

E1

(1.3)

Để biến năng lƣợng tích trong dịng chảy của dịng sơng thành điện năng
cần phải thiết kế và xây dựng nhà máy thủy điện và vận hành nhà máy. Việc xây
dựng nhà máy thủy điện là một công việc to lớn và phức tạp, trong đó có nhiệm
vụ xây dựng hệ thống tạo hồ chứa nƣớc và đƣờng dẫn dòng nƣớc để khai thác
đƣợc năng lƣợng của dịng nƣớc đạt hiệu quả cao nhất có thể. Để giải quyết vấn
đề này hiện nay có các loại nhà máy thủy điện sau: nhà máy thủy điện kiểu đập,
nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn, nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp.
Nhà máy thủy điện kiểu đập có ƣu điểm: Có thể tạo ra cơng suất rất lớn, do
có khả năng tận dụng đƣợc tồn bộ lƣu lƣợng của dịng sơng; Có hồ chứa nƣớc
điều tiết lũ phục vụ tƣới tiêu cho nông nghiệp và nhiều lợi ích khác. Các nhƣợc
điểm chính của nhà máy thủy điện kiêu đập: Vốn đầu tƣ lớn, thời gian xây dựng
dài; Vùng ngập nƣớc có thể ảnh hƣởng đến sinh thái mơi trƣờng (di dân nhiều,
thay đổi khí hậu vùng).