Đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện srêpốk 3 ứng dụng logic mờ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
..

TRẦN ĐỨC SỸ

ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
SRÊPỐK 3 ỨNG DỤNG LOGIC MỜ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN ĐỨC SỸ

ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
SRÊPỐK 3 ỨNG DỤNG LOGIC MỜ
Chuyên nghành
Mã số

: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Lê Tiến Dũng

Đà Nẵng – Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu tự bản thân tôi thực hiện.
Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Học viên

Trần Đức Sỹ


ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ
MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 ỨNG DỤNG LOGIC MỜ
Học viên: Trần Đức Sỹ. Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 8520216. Khóa: K33. Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt - Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 nằm trong hệ thống Thủy điện bậc thang trên

sơng Srêpốk, góp phần quan trọng trong việc cung cấp năng lượng điện cho lưới điện
quốc gia. Trong luận văn này, tác giả thực hiện nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn học
của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 trên cơ sở giữ nguyên các bản chất
phi tuyến của hệ thống để mơ hình mô tả sát với thực tiễn. Dựa trên cơ sở mơ hình tốn
học và sự hiểu biết về bản chất hệ thống, kinh nghiệm vận hành, quản lý nhà máy, tác giả
đề xuất một phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy
điện Srêpốk 3 sử dụng logic mờ. Hiệu quả của thuật toán đề xuất được thử nghiệm bằng
mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Kết quả cho thấy đặc tính khởi động của hệ
thống tốt hơn so với bộ điều khiển cũ, ngoài thời gian quá độ tốt hơn thì độ quá điều chỉnh

và sai lệch tĩnh cũng rất nhỏ; đảm bảo được các tiêu chí về chất lượng điều khiển, đáp
ứng nhanh chóng cơng suất khi có u cầu nhằm góp phần tham gia vào việc ổn định cho
hệ thống điện Quốc gia.
Từ khóa - Nhà máy thủy điện; Hệ thống điều tốc; Logic mờ; Mơ hình hóa; Mơ phỏng

PROPOSING AN IMPROVED CONTROL ALGORITHM FOR THE GOVERNOR
SYSTEM OF SREPOK 3 HYDROPOWER PLANT USING FUZZY LOGIC
SYSTEM
Abstract - Srepok 3 Hydropower Plant is located on the terraced hydropower system on
the Srepok river, contributing significantly to the supply of electricity to the national grid.
In this thesis, the author studies to construct mathematical model of the governor system
of the Srepok 3 hydropower plant on the basis of maintain the nonlinear of the system so
that the model is close to reality. Based on a mathematical model and an understanding
of the system, operation experience and plant management, the author propose a method
for improving the control algorithm for the governor system of Srepok 3 hydropower
plant uses fuzzy logic. The effect of the proposed algorithm is tested by simulation on the
Matlab/Simulink. The result show that the startup characteristic of the system better than
the old controller, In addition to the transitional time better then the over adjustment and
the static deviation is very small; To ensure of criterion of control quality, responding
quickly the power when have request to contribute to participate in the stability for
National power system.
Key words - Hydropower plant; Governor system; Fuzzy logic; Modeling; Simulation.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài.................................................................................................. 1
2. Mục đích nghiên cứu: ..................................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 2
4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................ 2

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài....................................................................... 3
6. Cấu trúc của luận văn ..................................................................................................... 3
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 VÀ HỆ
THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 ..................................... 4
1.1. Tổng quan về Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 .............................................................. 4
1.2. Tổng quan về hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 ................................. 4
1.2.1. Sơ đồ nguyên lý ................................................................................................... 4
1.2.2. Chức năng ............................................................................................................ 5
1.2.3. Thông số hệ thống hệ thống điều tốc-turbine .................................................... 5
1.2.4. Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc ....................................................................... 7
1.2.5. Sơ đồ hàm truyền ................................................................................................. 8
1.2.6. Quá trình khởi động và các chế độ làm việc của bộ điều tốc nhà máy Srêpốk
3............................................................................................................................. 9
1.2.7. Đặc tính của bộ điều tốc .................................................................................... 10
1.3. Kết luận chương 1 ...................................................................................................... 14
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 ........................................................................ 15
2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................... 15
2.2. Mơ hình tốn các khối chức năng .............................................................................. 16
2.2.1. Mơ hình Turbine thủy lực ................................................................................. 16
2.2.2. Mơ hình Turbine với cột nước không đàn hồi ................................................. 19
2.2.3. Tổn thất cột nước ............................................................................................... 22
2.2.4. Mơ hình hóa hệ thống tải máy phát .................................................................. 24
2.2.5. Mơ hình van hướng ........................................................................................... 28
2.3. Mơ hình các thành phần trong hệ thống .................................................................... 29
2.3.1. Số liệu tham số và các biến quá trình trong hệ thống ..................................... 29
2.3.2. Các phương trình động học phi tuyến của hệ thống........................................ 32
2.3.3. Mơ hình tổng thể của hệ thống điều tốc ........................................................... 32
2.4. Kết luận chương 2 ...................................................................................................... 34

CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ
THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 ................................... 35
3.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................... 35
3.2. Giới thiệu lý thuyết điều khiển mờ ............................................................................ 36
3.2.1. Giới thiệu chung ................................................................................................ 36
3.2.2. Bộ điều khiển mờ .............................................................................................. 40
3.2.3. Tổng hợp bộ điều khiển mờ .............................................................................. 42
3.3. Phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện
Srêpốk 3 ...................................................................................................................... 45
3.3.1. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển mới .................................................................. 45
3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ ................................................................................ 45
3.4. Kết luận chương 3 ...................................................................................................... 49
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .......................................... 50
4.1. Mô phỏng hệ thống điều tốc hiện tại của Nhà máy .................................................. 50
4.1.1. Mô phỏng các phần tử của hệ thống trên Matlab-Simullink .......................... 50
4.1.2. Kết quả mô phỏng hệ thống điều tốc trên Matlab-Simullink sử dụng bộ điều
khiển PID ........................................................................................................... 52
4.2. Mô phỏng hệ thống với thuật toán điều khiển đề xuất ............................................. 54
4.2.1. Mô phỏng hệ thống trên Matlab-Simullink ..................................................... 54
4.2.2. Kết quả mô phỏng hệ thống điều tốc trên Matlab-Simullink sử dụng bộ điều
khiển PID kết hợp FUZZY ............................................................................... 55
4.3. Kết luận chương 4 ...................................................................................................... 57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………...
BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG……………………………………………..
BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN……………………………………...
BẢN SAO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI……………………………………………..

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Thông số của hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3

5

1.2

Thông số hệ thống Turbine

6

2.1

Thơng số nhà máy

29

2.2

Các biến q trình và tham số

30

2.3

Giá trị các tham số được tính tốn

31

3.1

Luật mờ của bộ điều khiển mờ

48

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hiệu
hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

1.1

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện
Srêpốk 3

4

1.2

Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3

7

1.3

Sơ đồ hàm truyền bộ điều tốc

8

1.4

Đặc tính khởi động tổ máy

9

1.5

Đường đặc tính điều chỉnh tĩnh

11

1.6

Đặc tính Speed Drop (f1< fđm)

12

1.7

Đặc tính Speed Drop (f2>fđm)

12

1.8

Đặc tính Speed Drop khi 2 tổ máy làm việc song song khác bp

13

1.9

Đặc tính Speed level

14

2.1

Sơ đồ cấu trúc các phần tử thủy lực nhà máy Thủy điện

15

2.2

Mối quan hệ giữa độ mở lý tưởng và độ mở thực

22

2.3

Mơ hình cột nước và turbine

24

2.4

Mơ hình tải máy phát

28


2.5

Mơ hình van hướng

29

2.6

Mơ hình cột nước và turbine

33

2.7

Mơ hình van hướng, cột nước và turbine

33

2.8

Mơ hình tổng thể hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3

34

3.1

Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc

35

3.2

Mô tả các giá trị ngôn ngữ bằng tập mờ

37

3.3

Quy tắc hợp thành MIN (a), Quy tắc hợp thành PROD (b)

39

3.4

Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ

40

3.5

Xác định độ thỏa mãn đầu vào

41

3.6

Giải mờ theo phương pháp trọng tâm

42

3.7

Cấu trúc của bộ điều khiển mờ cơ bản

43

3.8

Nguyên lý của bộ điều khiển có thêm bộ điều khiển mờ

45

3.9

Hàm thuộc cho sai lệch E

47

3.10

Hàm thuộc cho sai lệch dE

47

3.11

Hàm thuộc cho đầu ra U

47

3.12

Luật hợp thành trên Matlab

48

3.13

Biểu diễn dưới dạng Ruler

49

3.14

Giải mờ

49

4.1

Mô phỏng bộ điều khiển trên Matlab-Simullink

50

4.2

Mô phỏng servo cánh hướng trên Matlab-Simullink

50

4.3

Mô phỏng hệ thống turbine thủy lực trên Matlab-Simullink

51

4.4

Mô phỏng tải máy phát trên Matlab-Simullink

51

4.5

Mơ phỏng tồn bộ hệ thống trên Matlab-Simullink

52

4.6

Kết quả mơ phỏng đặc tính khởi động

52

4.7

Kết quả mơ phỏng chế độ khởi động, hòa lưới và mang tải

53

4.8

Đặc tính nhà máy thủy điện Srêpốk 3

53

4.9

Mơ phỏng bộ điều khiển trên Matlab-Simullink

54

4.10

Mơ phỏng tồn bộ hệ thống trên Matlab-Simullink

54

4.11

Kết quả đặc tính tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID+FUZZY

55

4.12

So sánh kết quả đặc tính tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID và
PID+FUZZY

55

4.13

Kết quả mô phỏng đặc tính khởi động

56

4.14

Kết quả mơ phỏng chế độ khởi động, hòa lưới và mang tải

56


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Do đặc thù địa lý của Việt Nam nên các nguồn thủy điện lớn tập trung ở Miền Bắc,
tuy nhiên các nơi tiêu thụ là Miền Nam và ảnh hưởng của việc giới hạn truyền tải điện
lưới 500 kV nên các nhà máy thủy điện ở khu vực Nam Tây nguyên và Miền Nam đóng
vai trị quan trọng cấp nguồn cho phụ tải và đặc biệt lúc tăng phụ tải đột ngột.
Với việc phân bổ huy động nguồn trên hệ thống điện Việt Nam: Nhiệt điện chạy
nền, Thủy điện chạy phủ đỉnh do ưu điểm của các nhà máy thủy điện là thời gian khởi
động và dừng máy nhanh, tốc độ tăng/giảm tải nhanh.
Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 là Nhà máy nằm trong hệ thống Thủy điện bậc thang
trên sơng Srêpốk có diện tích lưu vực 9.410 km2, với hồ chứa có dung tích tồn bộ là
218.99 triệu m3, trong đó dung tích hữu ích là 62.85 triệu m3, hồ chứa làm nhiệm vụ
điều tiết ngày, được tích nước từ ngày 11/5/2010. Công suất lắp đặt của nhà máy là 220
MW, sản lượng điện trung bình hàng năm là 1.060 tỉ kwh.
Đặc điểm của nhà máy Srêpốk 3 là tổ máy có công suất lớn, độ thay đổi cột nước
nhỏ (4m/110MW) nên hệ thống điều tốc Srêpốk 3 đang lấy giá trị cột nước H cài đặt
cho hệ thống điều tốc là hằng số. Vì vậy, hệ thống điều tốc chỉ phụ thuộc vào các giá trị
Tần số lưới (fL) ; Công suất hệ thống (PL) ; Tần số đặt (fref) ; Công suất đặt (Pref) ; Độ mở
cánh hướng đặt (αref) . Khi có sự thay đổi cơng suất phụ tải thì độ mở cánh hướng sẽ thay
đổi theo để điều chỉnh công suất phát của tổ máy mà không xét đến cột nước hiện tại.
Việc đáp ứng nhanh của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 góp phần
rất lớn vào việc ổn định tần số hệ thống và cung cấp nguồn điện nhanh chóng cho phụ
tải Miền Nam.
Về vấn đề mơ hình hóa hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện:

 Tác giả Prabha Kundur đã mơ hình hóa các đối tượng tham gia trong hệ thống
điện trong đó có kể đến các dạng của nhà máy Thủy điện [9];

 Các tác giả German Ardul Munoz Hernandez, Sa'ad Petrous_Manso và Dewwi
Leuan Lones đã giới thiệu về mơ hình hóa và điều khiển các nhà máy Thủy điện [14];

 Lê Đình Tâm, nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Buôn

Kuốp ứng dụng điều khiển thích nghi, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Bách khoa,
Đại học Đà Nẵng [7].

 Tác giả FP de Mello cùng các cộng sự: Nghiên cứu các phương pháp điều khiển
có xét đến các yêu tố ảnh hưởng của sự đàn hồi của cột nước trong đường hầm. Tuy
nhiên trong mơ hình đã bỏ qua các yếu tố sự đàn hồi cột nước. Hơn nữa mơ hình toán


2
học của nhà máy bị đơn giản hóa thành mơ hình tuyến tính nên chưa mơ tả được chính
xác hệ thống thực vốn có bản chất phi tuyến [10];

 Tác giả Roshni Bhoi, Dr. S.M. Ali: Áp dụng phương pháp điều khiển PID và
xem hệ thống là tuyến tính [12].
Vấn đề điều khiển nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc:

 Các tác giả Nguyễn Văn Dũng, Trương Thị Bích Thanh đã đề xuất thuật điều
khiển bền vững H để điều khiển ổn định tốc độ turbine nhưng lại xem các thơng số của
hệ thống là tuyến tính [6];

 Các tác giả Lê Đức Dũng, Đoàn Quang Vinh đề xuất phương án khác có xét đến
hiệu ứng đàn hồi của cột nước trong ống áp lực được biểu diễn bằng hàm tốn học vơ
tỷ. Xây dựng mơ hình phi tuyến sau đó được xấp xỉ thành mơ hình tuyến tính [8];

Tuy nhiên nó chưa phù hợp để áp dụng với hệ thống điều tốc tại nhà máy thủy điện
Srêpốk 3. Cần tác giả thực hiện xây dựng mơ hình tốn học mô tả hệ thống, kiểm nghiệm
và điều chỉnh mô hình để mơ tả được chính xác hệ thống thực và đề xuất cải tiến thuật
toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 ứng dụng logic mờ.
2. Mục đích nghiên cứu:
Xây dựng mơ hình tốn học để mô tả hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk

3;
Đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hiện có của nhà máy để cải thiện chế độ khởi
động;
Xây dựng mơ hình và mơ phỏng tồn hệ thống kết quả trên phần mềm Matlab –
Simulink để phân tích và đánh giá kết quả.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Srêpốk 3;
Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát hệ thống điều tốc có xét đến yếu tố độ thay đổi cột
nước H(t) của nhà máy Thủy điện Srêpốk 3;
Giới hạn của đề tải: Mơ hình của hệ thống có kết nối lưới.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết;
Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện
Srêpốk 3;


3
Dựa trên các mơ hình tốn học, nghiên cứu và áp dụng lý thuyết điều khiển mờ để
đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhằm đạt được các tín hiệu đầu
ra bám theo các tín hiệu yêu cầu với chất lượng điều khiển tốt;
Sử dụng công cụ Matlab để mô phỏng, đánh giá và rút ra kết luận.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu và ứng dụng logic mờ vào thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà
máy Thủy điện Srêpốk 3;
6. Cấu trúc của luận văn
Chương 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện Srêpốk 3 và Hệ thống điều tốc nhà
máy thủy điện Srêpốk 3;
Chương 2: Xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện
Srêpốk 3;
Chương 3: Đề xuất phương pháp nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc nhà máy

thủy điện Srêpốk 3;
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả.


4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 VÀ HỆ THỐNG
ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3
1.1. Tổng quan về Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3
Cơng trình Thủy điện Srêpốk 3 được bố trí trên sơng Srêpốk thuộc xã Eapô - huyện
Cư Jút - tỉnh Đăk Nông và xã Tân Hịa - huyện Bn Đơn - tỉnh Đăk Lắk. Cách thành
phố Buôn Ma Thuột khoảng 30 km về phía Tây Bắc và cách thành phố Hồ Chí Minh
khoảng 400 km.
Sơng Srêpốk là một dịng sơng lớn nhất trong hệ thống sơng ngịi ở Đắk Lắk. Đây
là một phụ lưu quan trọng của sơng Mêkơng. Sơng được hình thành hoàn toàn trên địa
phận Đắk Lắk và được hợp thành từ hai dịng sơng nhỏ là sơng Krơng Ana (sơng Mẹ hay
sơng Cái) và sơng Krơng Nơ (cịn gọi là Krông Knô, sông Bố hay sông Đực). Sông chảy
qua các huyện Krông Ana, Buôn Đôn và Ea Súp của Đăk Lăk. Đây là con sơng đóng
vai trị quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế, xã hội của các tỉnh Đắk Lắk và Đăk
Nông cũng như của Tây Nguyên.
Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 là Nhà máy nằm trong hệ thống Thủy điện bậc thang
trên sơng Srêpốk có diện tích lưu vực 9.410 km2, với hồ chứa có dung tích tồn bộ là
218.99 triệu m3, trong đó dung tích hữu ích là 62.85 triệu m3, hồ chứa làm nhiệm vụ
điều tiết ngày, được tích nước từ ngày 11/5/2010. Công suất lắp đặt của nhà máy là 220
MW, sản lượng điện trung bình hàng năm là 1.060 tỉ kwh. Tổ máy số 1 hoà vào lưới
điện Quốc gia ngày 25/6/2010 và tổ máy số 2 hoà vào lưới điện Quốc gia vào ngày
24/9/2010.
1.2. Tổng quan về hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3
1.2.1. Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ nguyên lý điều khiển của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3

được mô tả như Hình 1.1.

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3


5
1.2.2. Chức năng
- Ổn định tốc độ cho tổ máy trong chế độ làm việc không tải và khi đã hịa lưới;
- Giữ cơng suất tác dụng theo một giá trị đặt trước trong chế độ cố định;
- Điều chỉnh công suất tác dụng để ổn định hệ thống trong chế độ điều tần;
-

Dừng bình thường tổ máy; dừng sự cố tổ máy;

1.2.3. Thông số hệ thống hệ thống điều tốc-turbine
a) Thông số hệ thống điều tốc [1]
Bảng 1.1. Thông số của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3
Hãng chế tạo

Wuhan Sanlian Hydropower Control

Mức độ quét bộ điều tốc số

0.02 s

Độ nhạy điều chỉnh tốc độ

< 0.02 %

Độ chính xác điều chỉnh tốc độ

0.001 %

Độ chính xác điều chỉnh cơng suất

1%

Độ chính xác điều chỉnh cánh hướng

0.5 %

Thời gian mở cánh hướng hoàn toàn

2 – 40 sec

Thời gian đóng

4 sec

Độ dốc Speed Drop (Bp)

0 ~ 10 %

Thời gian Servo đóng hồn tồn

3 ÷ 100 (s)

Thời gian Servo mở hồn tồn

3 ÷ 100 (s)

Dãi tần số cài đặt

49.2 ÷ 50.8 (Hz)

Thông số PID cài đặt chế độ Noload
Hằng số tỷ lệ (KP)

2.5

Hằng số tích phân (KI)

0.21

Hằng số vi phân (KD)

0.15

Thông số PID cài đặt chế độ Load
Hằng số tỷ lệ (KP)

1.95

Hằng số tích phân (KI)

0.25


6
Hằng số vi phân (KD)

0.1

Thông số PID cài đặt chế độ Freq
Hằng số tỷ lệ (KP)

3.75

Hằng số tích phân (KI)

0.5

Hằng số vi phân (KD)

0.3

Thời gian làm việc không tải

3 phút

b) Thông số hệ thống Turbine [1]
Bảng 1.2. Thông số hệ thống Turbine
Kiểu

HLA906-LJ-485, Francis, trục đứng

Số cánh bánh xe công tác

13 cánh

Đường kính ngồi bánh xe cơng tác

5130 (mm)

Đường kính trong bánh xe cơng tác

4850 (mm)

Vịng quay định mức

125 (vịng/phút)

Vịng quay lồng tốc

245 (vịng/phút)

Cột nước lớn nhất

66.6 (m)

Cột nước trung bình

62 (m)

Cột nước định mức

60 (m)

Cột nước nhỏ nhất

51 (m)

Công suất định mức Turbine

112.25 MW

Lưu lượng nước qua Turbine

206 (m3/s)

Chiều cao hút cho phép (Hs)

1.9 (m)

Số cánh hướng nước tĩnh

24 cánh

Số cánh hướng động

24 cánh

Chiều cao mỗi cánh

1475 mm

Độ mở cánh hướng

380 mm

Cơ cấu đóng mở

Servo

Hành trình servo mở tối đa

512 (mm)


7
1.2.4. Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc
Sơ đồ khối hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 như Hình 1.2.

Hình 1.2. Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3
Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 được trang bị:

 02 bộ PLC (A, B) làm việc hoàn toàn độc lập và có tính chất dự phịng nóng
cho nhau, khi một kênh bị sự cố thì kênh dự phịng khơng bị ảnh hưởng và vẫn làm việc
bình thường;
 Một (01) màn hình giám sát điều khiển kiểu cảm ứng (HMI) đặt tại tủ điều tốc;
 Modul đầu vào tương tự

 Modul đầu ra tương tự

 Modul đầu vào số

 Modul đầu ra số

: TSX AEY 800;
: TSX ASY 410;

: TSX DEY 16D2;
: TSX DSY 16T2;


8
 HUB, kết nối truyền thông giữa các CPU, giữa CPU với màn hình cảm ứng,
giữa các CPU với SCADA;
 Các modul đo lường:

 Một (01) module đo lường tần số lưới;

 Một (01) module đo lường tần số tổ máy;

 Một (01) cảm biến tiệm cận đo lường tần số tổ máy bằng cách đo tốc độ quay
Turbine.
1.2.5. Sơ đồ hàm truyền
Sơ đồ hàm truyền điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 như Hình 1.3.

Hình 1.3. Sơ đồ hàm truyền bộ điều tốc

 Ở chế độ điều khiển theo độ mở cánh hướng. Giá trị đặt của độ mở cánh hướng
được đặt ở ngõ Yc, được hiệu chỉnh bằng hệ số Kyg. Tín hiệu này sẽ được so sánh với
tín hiệu hồi tiếp về của độ mở cánh hướng thực (YPID). Tín hiệu trên được hiệu chỉnh
qua bộ (bp/Ey/Ep);

 Ở chế độ điều khiển công suất. Bộ điều tốc lấy tín hiệu độ sai lệch giữa cơng
suất đặt và công suất của hệ thống để đưa vào khối PID hiệu chỉnh để tìm được giá độ
mở cánh hướng tối ưu;

9
 Ở chế độ điều khiển tần số. Bộ điều tốc lấy tín hiệu độ sai lệch tốc độ tổ máy và
tốc độ hệ thống/tốc độ đặt để đưa vào khối PID hiệu chỉnh tốc độ.
1.2.6. Quá trình khởi động và các chế độ làm việc của bộ điều tốc nhà máy
Srêpốk 3
a) Quá trình khởi động
Máy phát ở chế độ dừng dự phịng. Lúc này khơng có lệnh khởi động, máy cắt đầu
cực mở;
Khi có tín hiệu khởi động tổ máy ở LCU, bộ điều tốc sẽ mở cánh hướng ở độ mở
35% và đợi tốc độ tổ máy tăng lên khoảng 90% tốc độ định mức. Lúc này bộ điều tốc
sẽ đóng cánh hướng đến độ mở khơng tải, và bộ PID đồng thời đưa vào hoạt động. Việc
đóng cánh hướng đến độ mở bao nhiêu phụ thuộc vào cột nước của hồ. Bộ điều tốc sẽ
tự động bám theo tần số lưới. Đặc tuyến khởi động tổ máy như Hình 1.4 sau:

Hình 1.4. Đặc tuyến khởi động tổ máy
b) Chế độ điều tần (frequency control)
Khi làm việc ở chế độ điều tần máy phát sẽ tự động điều chỉnh tần số của hệ thống
ổn định xung quanh giá trị định mức, điều chỉnh tần số theo đặc tính speep drop;
c) Chế độ điều chỉnh cơng suất tác dụng (Power control)
Ở chế độ này, máy phát công suất được đặt sẵn và ổn định phát công suất này nếu
tần số lưới thay đổi. Nhưng nếu tần số lưới dao động vượt quá ± 0.8Hz tổ máy sẽ chuyển
sang chế độ điều tần;


10
d) Chế độ điều chỉnh độ mở cánh hướng (Opening control)
Ở chế độ này, máy phát chạy với độ mở cánh hướng được đặt sẵn và chạy ở độ mở
này nếu tần số lưới thay đổi (công suất phát thay đổi). Nhưng nếu tần số lưới dao động
vượt quá ± 0.8Hz tổ máy sẽ chuyển sang chế độ điều tần.
1.2.7. Đặc tính của bộ điều tốc

Điện áp và tần số là hai chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng điện năng cũng
như an toàn trên hệ thống điện. Tần số tại mọi điểm trên hệ thống đều như nhau, vì vậy
nếu có sự dao động nào đối với tần số sẽ ảnh hưởng đến toàn hệ thống điện. Do đó nếu
khơng có điều chỉnh cơng suất do Turbine của các nhà máy điện phát ra thì sẽ dẫn đến
sự thay đổi tần số của lưới điện quá giới hạn cho phép. Phương trình cơ bản đặc trưng
cho sự chuyển động quay của rotor máy phát:

J

d
 Mq  Mc
dt

(1.1)

Với:
- Mq : Mô men lực chuyển động rotor tổ máy;
- Mc : Mô men cản chuyển động rotor tổ máy.
- J : Mơmen qn tính của rotor máy phát;
- ω : Mốc độ góc rotor tổ máy (ω = ᴫ.n/30);

d
 0 . Thì M q  M c . Trong đó
dt
Mơmen cản M c phụ thuộc vào phụ tải, M q thì phụ thuộc vào cơng suất của turbine.
Ta thấy muốn giữ cho tốc độ góc là hằng số thì

Sự biến đổi tần số chủ yếu do sự biến đổi của cơng suất tác dụng. Khi có sự thay
đổi phụ tải, công suất điện máy phát thay đổi gây ra sự chênh lệch giữa moment điện và
moment cơ trên trục máy phát và kết quả là sự sai lệch về tốc độ;

Vì vậy điều chỉnh cơng suất của Turbine thực chất là điều chỉnh lưu lượng nước
vào Turbine bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng. Nhiệm vụ của hệ thống điều tốc là
phải cảm nhận được sự thay đổi này để đảm bảo mang lại một sự cân bằng cần thiết
trong hệ thống.
a) Đường đặc tính điều chỉnh tĩnh của Turbine
Đường đặc tính điều chỉnh tĩnh của bộ điều tốc đó là mối liên hệ giữa số vịng quay
của turbine và phụ tải của nó n = f(P). Khả năng điều chỉnh công suất của Turbine khi
tốc độ quay thay đổi được xác định bởi độ dốc của đặc tính điều chỉnh của bộ điều chỉnh
tốc độ:


11

Hình 1.5. Đường đặc tính điều chỉnh tĩnh
Độ dốc R của bộ điều tốc được xác định:

R

nmax  nmin
ndm

(1.2)

Với:
- nmax: Số vịng quay khơng tải;
- nmin: Số vịng quay đầy tải;
- ndm: Số vịng quay định mức;
b) Đặc tính Speed Drop và Speed level
- Speed Drop (bp) được xác định bằng bằng công thức:

f
f
f Pdm
bp  dm 100  P 
P
f dm bp
Pdm

(1.3)

 Hai tổ máy làm việc song song:
Trường hợp hai tổ máy có cùng cơng suất và có cùng Speed Drop:

Xét 2 tổ máy mang tải là P1  P2 ứng với tần số f dm khi tần số hệ thống giảm, để

đưa tần số về tần số định mức f dm thì mỗi tổ máy sẽ tăng một lượng cơng suất P1  P2

. Có nghĩa là khi 2 tổ máy có cùng Speed Drop thì phụ tải sẽ được san sẽ đều cho 2 tổ
máy. Ta có đặc tính điều chỉnh như Hình 1.6, đường đặc tính làm việc mới là đường
a2b2 thay cho đường cũ là a1b1.


12
Khi tần số hệ thống tăng, để đưa tần số về tần số định mức f dm thì mỗi tổ máy sẽ

giảm một lượng công suất P1  P2 . Ta có đặc tính điều chỉnh như Hình 1.7, đường
đặc tính làm việc mới là đường a2b2 thay cho đường cũ là a1b1.

Hình 1.6. Đặc tính Speed Drop (f1< fđm)

Hình 1.7. Đặc tính Speed Drop (f2>fđm)

 Hai tổ máy làm việc song song có Speed Drop khác nhau
Xét 2 tổ máy làm việc song song có cùng cơng suất nhưng có Speed Drop khác
nhau, cơng suất ban đầu của 2 tổ máy là P1 và P2 , giả sử tổ máy 2 có Speed Drop lớn
hơn tổ máy 1 (bp2 > bp1), ta có:

f
f
bp1  dm 100, bp2 
P1
Pdm

f
f dm
100
P2
Pdm

(1.4)


13
Khi tần số hệ thống giảm xuống f1  f dm thì mỗi tổ máy sẽ đáp ứng tăng thêm

một lượng công suất P1  P2 , lượng công suất tăng thêm của mỗi máy là:

P1 
Hay:

f Pdm
f Pdm
, P2 
f dm bp1
f dm bp2
P1 bp2

P2 bp1

(1.5)

(1.6)

Như vậy lượng công suất tăng thêm của mỗi tổ máy sẽ tỷ lệ nghịch với Speed Drop
của nó. Nếu tổ máy nào có Speed Drop lớn hơn thì sẽ đáp ứng tăng thêm/giảm đi 1 lượng
cơng suất nhỏ hơn tổ máy cịn lại khi tần số giảm/tăng 1 lượng Δf .
Đặc tính Speed Drop khi 02 tổ máy làm việc song song khác bp được thể hiện như
Hình 1.8.

Hình 1.8. Đặc tính Speed Drop khi 2 tổ máy làm việc song song khác bp

 Speed Level chính là đường đặc tính Speed Drop nhưng nó thể hiện độ dốc phần
trăm mỗi dải cơng suất của tổ máy phát ứng với giá trị tần số định mức. Như vậy tập
hợp tất các các đường đặc tính Speed Drop của mỗi dải cơng suất tổ máy chính là đường
đặc tính Speed Level. Như Hình 1.9.


14

Hình 1.9. Đặc tính Speed level

1.3. Kết luận chương 1
Trong chương này tác giả đã giới thiệu tổng quan về nhà máy Thủy điện Srêpốk
3, tổng quan về bộ điều khiển hệ thống điều tốc hiện tại của nhà máy củng như các chế
độ làm việc, các đặc tính của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Srêpốk 3.


15
CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ
MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3
2.1. Đặt vấn đề
Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 với cấu trúc hệ thống thủy lực như Hình 2.1 bao
gồm: Hồ chứa, đường ống áp lực, turbine và đường ống xả nước xuống hạ lưu nhà máy.
Với đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 tác giả đã
nghiên cứu đối tượng trên mơ hình phi tuyến; do đường ống áp lực ngắn nên tác giả
nghiên cứu đối tượng khơng có sự đàn hồi của cột nước trong đường ống áp lực.
Để đạt được kết quả nghiên cứu khá hồn thiện; tác giả phân tích, nghiên cứu cụ
thể quá trình làm việc và các hiệu ứng động học đối với từng đối tượng thủy lực có mặt
trong hệ. Từ các nghiên cứu trên, tác giả xây dựng được mơ hình tốn học cho mỗi phần
tử để làm cơ sở phân tích, tìm hiểu sâu bản chất của đối tượng. Trên cơ sở đó, tác giả sẽ
đề xuất cải tiến thuật tốn điều khiển hệ thống điều tốc.

Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc các phần tử thủy lực nhà máy Thủy điện [14]


16
2.2. Mơ hình tốn các khối chức năng
2.2.1. Mơ hình Turbine thủy lực
Các đặc điểm tuabin và đường ống áp lực được xác định bởi ba phương trình cơ
bản sau đây:

 Vận tốc của nước trong đường ống áp lực.

 Công suất cơ tuabin.

 Gia tốc của cột nước.
a) Vận tốc nước trong đường ống áp lực [9]
U  KuG H

(2.1)

Trong đó:
- U: Vận tốc nước;
- G: Độ mở cánh hướng;
- H: Cột nước tại cánh hướng;
- Ku: Hệ số tỷ lệ.
Xét cánh hướng thay đổi nhỏ, ta có phương trình:

U 

U
U
H 
G
H
G

(2.2)

Thay thế các biểu thức tương ứng cho các đạo hàm riêng và chia cho giá trị

U 0  KuG0 H 0 ta được:

U H G


U 0 2 H 0 G0

(2.3)

Hay:

1
U   H  G
2

(2.4)

Trong đó các giá trị 0 là trạng thái cánh hướng ổn định ban đầu, biểu diễn Δ là
thể hiện độ sai lệch nhỏ, và dấu “−” chỉ trạng thái giá trị trong đơn vị tương đối.
b) Công suất cơ của turbine