Ứng dụng hệ suy luận nơron mờ thích nghi anfis để điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện sê san 4
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.46 MB, 95 trang )
HÀ ĐỨC MINH
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
HÀ ĐỨC MINH
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
C
C
R
L
T.
ỨNG DỤNG HỆ SUY LUẬN NƠ-RON MỜ
DU
THÍCH NGHI (ANFIS) ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÊ SAN 4
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
KHÓA K37
Đà Nẵng - Năm 2020
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
HÀ ĐỨC MINH
ỨNG DỤNG HỆ SUY LUẬN NƠ RON MỜ
THÍCH NGHI ANFIS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÊ SAN 4
C
C
R
L
T.
DU
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 8520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
Tiến sỹ Nguyễn Quốc Định
Đà Nẵng - Năm 2020
LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình
nào khác.
Tác giả
Hà Đức Minh
C
C
DU
R
L
T.
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN .............................................4
1.1. Tình hình phát triển thuỷ điện .......................................................................4
1.2. Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy thuỷ điện Sê San 4 .....................6
1.3. Cấu tạo nhà máy thuỷ điện Sê San 4 ............................................................. 6
1.4. Hệ điều khiển công suất nhà máy thuỷ điện Sê San 4 ..................................7
1.5. Hệ thống điều tốc Neyrpic thuỷ điện Sê San 4: .............................................9
CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TUABIN .............................. 15
2.1. Đặt vấn đề ..........................................................................................................15
2.2. Các thơng số đặc tính chung tuabin thuỷ điện Sê San 4................................ 15
C
C
2.2.1. Cột áp Tuabin ............................................................................................... 15
R
L
T.
2.2.2. Lưu lượng Tuabin ....................................................................................... 15
2.2.3. Công suất. .....................................................................................................16
DU
2.2.4. Hiệu suất. .....................................................................................................16
2.2.5. Đường kính bánh xe cơng tác và số vòng quay của Tuabin ..................... 17
2.3. Hệ thống điều chỉnh tuabin nước ....................................................................17
2.3.1. Các yêu cầu với hệ thống điều tốc Tuabin. ................................................17
2.3.2. Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh Tuabin. ...............................................17
2.3.3. Đặc tính của hệ thống điều chỉnh Tuabin. .................................................19
2.3.4. Phân loại bộ điều tốc. ..................................................................................19
2.3.5. Cấu trúc của hệ thống điều chỉnh Tuabin .................................................20
2.3.6. Thơng số chính của điều tốc Tuabin tổ máy Sê San 4: ............................. 21
2.4. Mơ hình tốn học ............................................................................................... 21
2.4.1. Khâu Tuabin ................................................................................................ 21
2.4.2. Khâu khuếch đại .......................................................................................... 22
2.4.3. Các khâu đo. ................................................................................................ 22
2.5. Tổng hợp hệ thống ............................................................................................ 23
2.5.1. Tổng hợp mạch vòng vị trí: .........................................................................23
2.5.2. Tổng hợp mạch vịng điều chỉnh tốc độ...................................................... 23
2.5.3. Mô phỏng hệ thống điều chỉnh Tuabin. ..................................................... 24
CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ MẠNG NƠRON ...........................................25
3.1. Tổng quan về điều khiển mờ ............................................................................25
3.1.1. Tổng quan về điều khiển mờ .......................................................................25
3.1.2. Cấu trúc bộ điều khiển mờ ..........................................................................28
3.1.3. Tổng hợp bộ điều khiển mờ: .......................................................................29
3.2. Mạng nơron .......................................................................................................29
3.2.1. Nơron sinh học. ........................................................................................... 29
3.2.2. Mạng Nơron nhân tạo .................................................................................30
3.2.3. Cấu trúc mạng Nơron. .................................................................................32
3.2.4. Cấu trúc dữ liệu vào mạng. .........................................................................35
C
C
3.2.5. Huấn luyện mạng. ....................................................................................... 36
R
L
T.
3.3. Sự kết hợp giữa logic mờ và mạng nơron, công cụ Anfis .............................. 36
3.3.1 Khái niệm ......................................................................................................36
DU
3.3.2. Kết hợp điều khiển mờ và mạng nơron ...................................................... 37
3.3.3. Nơron mờ. ....................................................................................................38
3.3.4. Huấn luyện mạng Noron - Mờ....................................................................39
CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU TỐC TUABIN THỦY ĐIỆN .......................... 41
4.1. Mơ hình tuabin thủy điện .................................................................................41
4.2. Điều khiển PID tuabin thủy điện .....................................................................42
4.3. Điều khiển mờ tuabin thủy điện theo mơ hình MADAMI ............................ 44
4.3.1. Sơ đồ khối hệ điều khiển. ............................................................................44
4.3.2. Xác định các biến vào ra. ............................................................................44
4.3.3. Xác định tập mờ. .......................................................................................... 44
4.3.4. Xây dựng các luật điều khiển. .....................................................................46
4.3.5. Mơ hình mơ phỏng. ..................................................................................... 47
4.3.6. Kết quả mô phỏng. ....................................................................................... 47
4.4. Điều khiển mờ tuabin thủy điện theo mơ hình SUGENO ............................. 49
4.4.1. Sơ đồ khối hệ điều khiển. ............................................................................49
4.4.2. Xác định các biến vào ra. ............................................................................49
4.4.3. Xác định tập mờ. .......................................................................................... 50
4.4.4. Xây dựng các luật điều khiển. .....................................................................51
4.4.5. Mơ hình mơ phỏng. ..................................................................................... 53
4.4.6. Kết quả mô phỏng. ....................................................................................... 53
4.5. So sánh các phương án điều khiển ..................................................................54
4.6. Ứng dụng mạng nơron mờ điều khiển tuabin thủy điện ............................... 54
4.6.1. Công cụ ANFIS ........................................................................................... 54
4.6.2. Xây dựng tập dữ liệu.................................................................................... 58
4.6.3. Phương pháp huấn luyện và chuẩn hoá số liệu mạng ANFIS: ................59
4.6.4. Sơ đồ khối hệ điều khiển. ............................................................................60
4.6.5. Xác định các biến vào ra. ............................................................................60
C
C
4.6.6. Xác định tập mờ. .......................................................................................... 60
R
L
T.
4.6.7. Xây dựng các luật điều khiển. .....................................................................63
4.6.8. Mơ hình mơ phỏng. ..................................................................................... 64
DU
4.6.9. Kết quả mô phỏng. ....................................................................................... 65
4.6.10. Kết quả mô phỏng. ..................................................................................... 65
4.7. So sánh các phương pháp điều khiển với bộ điều khiển ANFIS ..................65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TÓM TẮT LUẬN VĂN
ỨNG DỤNG HỆ SUY LUẬN NƠRON MỜ THÍCH NGHI ANFIS ĐỂ ĐIỀU
KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÊ SAN 4
Học viên: Hà Đức Minh
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 8520216
Khóa: 37 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt - Do vị trí địa lý của Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm mưa nhiều,
nên đất nước ta có nguồn tài nguyên thủy năng tương đối lớn. Nhà máy thủy điện Sê San 4 nằm
trên khu vực Nam Tây nguyên, giữa hai tỉnh Gia Lai và Kon Tum công suất định mức 360MW.
Hệ thống điều tốc Nhà máy Sê San 4 hiện nay đang sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển dẫn
đến nhiều hạn chế như độ quá điều chỉnh, sai lệch bám và thời gian xác lập khá lớn, các hệ số của
bộ điều khiển PID luôn phải hiệu chỉnh cho phù hợp với thực tế. Do vậy đề tài "Ứng dụng hệ suy
luận nơron mờ thích nghi để điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Sê San 4" ứng dụng
lý thuyết điều khiển hiện đại mờ nơron cho phép ta sử dụng những ưu điểm của cả logic mờ và
mạng nơron như cho phép thiết kế hệ thống dễ dàng, tường minh cũng như cho phép học những
gì mà ta yêu cầu về bộ điều khiển giúp khắc phục những khuyết điểm của lý thuyết điều khiển
kinh điển. Đề tài đã xây dựng được bộ điều khiển mờ nơron thông qua công cụ ANFIS cho hệ
thống điều tốc nhà máy. Với bộ điều khiển mờ nơron các thông số về chất lượng điều chỉnh như
tần số sai lệch, độ quá điều chỉnh, tần số quá độ rất nhỏ và đạt được các tiêu chuẩn hòa lưới trong
hệ thống điện Việt Nam. Như vậy bộ điều khiển mờ nơron hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu
về chất lượng điều khiển cho hệ truyền động và có khả năng ứng dụng vào thực tế điều khiển.
C
C
R
L
T.
DU
Từ khóa – Nhà máy thủy điện Sê San 4; mờ nơron; hệ thống điều tốc; logic mờ; mạng
nơron.
APPLICATION OF ANFIS TO CONTROL SPEED ADJUSTMENT
SYSTEM OF SE SAN 4 HYDROPOWER PLANT
Abstract - Due to Vietnam's geographical location in the tropical climate, hot, humid and rainy, our
country has relatively large hydroelectric resources.Se San 4 Hydropower Plant is located in the South
Central Highlands, between Gia Lai and Kon Tum provinces with a rated capacity of 360 MW. The
Se San 4 factory speed control system is currently using a PID controller to control, leading to many
limitations such as over-adjustment, deviation and setting time is quite large, the coefficients of the
controller PID must always be adjusted to suit reality. Therefore, the topic "Application of anfis to
control speed adjustment system of Sesan 4 hydropower plant" applies modern control theory of
neural fuzzy, allowing us to use the advantages of both fuzzy and neural networks such as allowing for
easy and explicit system design as well as allowing learning what we require about the controller help
overcome the shortcomings of classical control theory. The project has built the neural fuzzy controller
through ANFIS tool for the speed control system. With the neural fuzzy controller, parameters of
tuning quality such as frequency of deviation, over-regulation, and transient frequency are very small
and meet grid-connection standards in Vietnam power system. Thus, the neural fuzzy controller
completely meets the requirements of control quality for the drive system and is capable of applying in
reality control.
Key words – Se San 4 Hydropower plant ; Fuzzy Neural ; Speed adjustment system;
Fuzzy logic; Neural Network.
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CBCNV : Cán bộ công nhân viên
TĐ : Thủy điện
mba : Máy biến áp
CB : Cảm biến
BĐC : Bộ điều chỉnh
BKĐ : Bộ khuếch đại
CCCH : Cơ cấp chấp hành
C
C
DU
R
L
T.
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng
Tên bảng
Trang
4.2
Các thông số chất lượng của hệ thống sử dụng bộ điều
khiển PID
Bảng luật hợp thành của bộ điều khiển mờ Madami
4.3
Các thông số chất lượng của hệ thống sử dụng bộ điều
khiển mờ Madami
48
4.4
Luật hợp thành của bộ điều khiển mờ Sugeno
52
4.5
Các thông số chất lượng của hệ thống sử dụng bộ điều
khiển mờ Sugeno
53
4.6
So sánh các thông số chất lượng các phương pháp điều
khiển(PID, Madami, Sugeno)
54
4.7
Luật hợp thành của bộ điều khiển mờ ANFIS
63
4.8
Các thông số chất lượng của hệ thống sử dụng bộ điều
khiển ANFIS
65
4.9
So sánh các thông số chất lượng các phương pháp điều
khiển (PID, Madami, Sugeno, ANFIS)
65
4.1
C
C
R
L
T.
DU
43
46
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình
Tên hình
Trang
1.1
Nhà máy thuỷ điện Sê San 4
6
1.2
Mơ hình tổ máy thuỷ điện Sê San 4
7
1.3
Gian máy nhà máy thuỷ điện Sê San 4
8
1.4
Thiết bị điều tốc điện TĐ Sê San 4
9
1.5
Sơ đồ khối hệ thống điều tốc TĐ Sê San 4
12
1.6
Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều tốc TĐ Sê San 4
2.1
Đường đặc tính cơ bản của tuabin
13
19
2.2
Sơ đồ nguyên lý của bộ điều tốc tác động trực tiếp
19
2.3
Sơ đồ nguyên lý của bộ điều tốc tác động gián tiếp
20
2.4
Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh
20
2.5
Mơ hình tốn học khối Tuabin
2.6
Hình vẽ động cơ thủy lực
2.7
Hàm truyền khối khuếch đại
22
2.8
Sơ đồ cấu trúc mạch vòng vị trí
23
2.9
Mạch vịng phản hồi tốc độ
23
2.10
24
2.11
Mơ hình tuabin thủy điện trong Matlab Simulink
Bộ điều tốc điều khiển bằng PID trong Matlab Simulink (f là
tần số, w là phản hồi tốc độ)
3.1
Hàm liên thuộc
26
3.2
Các dạng hàm thuộc
26
3.3
Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ
27
3.4
Cấu trúc của bộ điều khiển mờ căn bản
28
3.5
Mơ hình 2 nơron sinh học
30
3.6
Mơ hình nơron đơn giản
30
3.7
Mạng nơron 3 lớp
31
3.8
Cấu trúc huấn luyện mạng nơron
31
3.9
Mơ hình nơron đơn giản: khơng có độ dốc (a) và có độ dốc (b)
31
3.10
Mơ hình nơron với R đầu vào
32
3.11
Sơ đồ một nơron với 2 đầu vào
35
C
C
R
L
T.
DU
21
22
24
3.12
Mơ hình hệ mờ - nơron
37
3.13
Cấu trúc chung của hệ mờ - nơron
37
3.14
Nơron mờ
38
3.15
Nơron mờ AND
38
3.16
Nơron mờ OR
38
3.17
Các tập mờ (ví dụ)
39
4.1
Sơ đồ khối tuabin thủy điện
41
4.2
Mơ hình tuabin thủy điện
41
4.3
41
4.4
Khối tuabin trong Matlab Simulink
Bộ điều tốc tuabin thủy điện với bộ điều khiển R có thể là:
PID, Madami, Sugeno …
4.5
Mạch vịng phản hồi tốc độ
42
4.6
Mơ hình tuabin sử dụng bộ điều khiển PID
4.7
43
4.8
Mơ hình tuabin thủy điện
Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển PID (thời gian đáp
ứng là 5,6s và sai số chuẩn 2%)
4.9
Mơ hình hệ thống sử dụng điều khiển mờ (Madami)
44
4.10
Các đầu vào ra của bộ điều khiển mờ (Madami)
44
4.11
Các tập mờ của biến vào E của bộ điều khiển mờ Madami
45
4.12
Các tập mờ của biến vào dE của bộ điều khiển mờ Madami
45
4.13
Các tập mờ của biến ra U của bộ điều khiển mờ Madami
46
4.14
47
4.16
RuleViewer của bộ điều khiển FLC (Madami)
Tín hiệu vào ra được thể hiện trong không gian của bộ điều
khiển Madami
Đồ thị đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ
(Madami)
4.17
Mơ hình hệ thống sử dụng điều khiển mờ (Sugeno)
49
4.18
Các đầu vào ra của bộ điều khiển mờ (Sugeno)
49
4.19
Các tập mờ của biến vào E của bộ điều khiển mờ Sugeno
50
4.20
Các tập mờ của biến vào dE của bộ điều khiển mờ Sugeno
50
4.21
Các tập mờ cho biến ra U của bộ điều khiển mờ Sugeno
51
4.22
52
4.23
RuleViewer của bộ điều khiển FLC (Sugeno)
Tín hiệu vào ra trong khơng gian sử dụng bộ điều khiển
Sugeno
4.24
Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển mờ Sugeno
53
4.15
C
C
R
L
T.
DU
42
42
43
48
48
52
4.25
Đáp ứng của hệ thống sử dụng các bộ điều khiển PID, Madami
và Sugeno
54
4.26
Cấu trúc ANFIS
58
4.27
Quan hệ vào ra điển hình của nơron
58
4.28
Sơ đồ khối hệ điều khiển dung cơng cụ ANFIS trong Matlab
60
4.29
Các đầu vào ra của bộ điều khiển mờ (Sugeno)
60
4.30
Các tập mờ của biến vào E của bộ điều khiển mờ ANFIS
61
4.31
Các tập mờ của biến vào dE của bộ điều khiển mờ Sugeno
62
4.32
Các tập mờ cho biến ra U của bộ điều khiển mờ ANFIS
62
4.33
RuleViewer của bộ điều khiển ANFIS
63
4.34
Tín hiệu vào ra trong khơng gian sử dụng bộ điều khiển ANFIS
64
4.35
Đồ thị đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển ANFIS
Đáp ứng của hệ thống sử dụng các bộ điều khiển (PID,
Madami, Sugeno và ANFIS)
65
4.36
C
C
DU
R
L
T.
66
1
MỞ ĐẦU
1. Mở đầu
Nhà máy thủy điện Sê San 4 nằm trên khu vực Nam Tây nguyên, giữa hai tỉnh
Gia Lai và Kon Tum công suất định mức 360MW (3x120 MW), cung cấp điện năng
cho hệ thống điện Quốc gia qua đường dây 220kV. Việc đáp ứng nhanh của các tổ
máy khi có sự thay đổi tải đột ngột sẽ góp phần quan trọng nhằm đáp ứng nhanh cơng
suất cho phụ tải góp phần làm ổn định Hệ thống điện Quốc gia.
Các chức năng chính của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Sê San 4:
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
C
C
Điều chỉnh công suất tác dụng để ổn định hệ thống trong chế độ điều tần
R
L
T.
Dừng bình thường tổ máy, dừng sự cố tổ máy
Đặc điểm của nhà máy Sê San 4 là tổ máy có cơng suất lớn, độ thay đổi cột
nước nhỏ 5m (mực nước dâng bình thường 215m, mực nước chết 210m) nên hệ thống
điều tốc Sê San 4 đang lấy giá trị cột nước H = 56m cài đặt cho hệ thống điều tốc là
hằng số.
DU
Hệ thống điều tốc Nhà máy Sê San 4 hiện nay đang sử dụng bộ điều khiển PID
để điều khiển quá trình khởi động/dừng máy hoặc tăng/giảm tải của tổ máy, Bộ điều
khiển PID có hạn chế là độ quá điều chỉnh, sai lệch bám và thời gian xác lập khá lớn,
các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tính tốn cho một chế độ làm việc cụ thể của
hệ thống, ít có khả năng bền vững và sau khoảng thời gian vận hành thì bộ tham số
PID của bộ điều khiển khơng cịn phù hợp với hệ thống, do vậy trong q trình vận
hành ln phải hiệu chỉnh các hệ số này cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu
quả của bộ điều khiển.
Ngày nay, các hệ thống mờ và mạng nơron được ứng dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực của đời sống xã hội. Đặc biệt, trong lĩnh vực điều khiển và tự động hoá, hệ
mờ và mạng nơron ngày càng chiếm ưu thế và đã mang lại nhiều lợi ích to lớn. Với ưu
điểm cơ bản là có thể xứ lý với độ chính xác cao những thơng tin "khơng chính xác",
hệ mờ và mạng nơron là cơ sở của hệ "điều khiển thơng minh" và "trí tuệ nhân tạo".
Ứng dụng hệ mờ và mạng nơron để điều khiển bộ điều tốc nhà máy thủy điện
giúp nâng cao tính ổn định, độ chính xác của hệ thống là hướng tiếp cận mới hiện nay.
2
Đề tài "Ứng dụng hệ suy luận nơron mờ thích nghi điều khiển bộ điều tốc nhà
máy thủy điện Sê San 4 " sẽ cung cấp một phương pháp điều khiển mới, giúp nâng cao
chất lượng điều khiển điều tốc, đảm bảo tần số sai lệch nhỏ và thời gian quá độ ngắn.
Qua đó, nâng cao sự ổn định về chất lượng và hiệu quả của toàn hệ thống nhà máy
thủy điện.
Sau quá trình học tập và nghiên cứu tại Đại Học Đà Nẵng, tôi đã được đào tạo
và tiếp thu những kiến thức hiện đại, tiên tiến nhất trong lĩnh vực tự động hóa. Đồng
thời với sự hướng dẫn tận tâm của thầy nên tôi đã quyết định chọn đề tài:
" ỨNG DỤNG HỆ SUY LUẬN NƠRON MỜ THÍCH NGHI ANFIS ĐỂ ĐIỀU
KHIỂN BỘ ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SÊ SAN 4."
2. Mục đích nghiên cứu
Nâng cao khả năng điều khiển cho hệ thống điều tốc cho các nhà máy thủy
điện. Ứng dụng lý thuyết mạng nơron và điều khiển mờ vào đối tượng thực tế là bộ
điều tốc nhà máy thủy điện cơng suất trung bình. Xây dựng mơ hình mơ phỏng trên
phần mềm Matlab Simulink.
C
C
R
L
T.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
DU
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều tốc Tuabin nhà máy thủy điện Sê San 4.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là thiết kế bộ điều khiển nhằm ổn định tần số
máy phát Tuabine nhà máy thủy điện Sê San 4 cho một chế độ nối lưới.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết, thiết kế bộ điều khiển với công cụ ANFIS. Xây dựng mơ
hình, mơ phỏng và kiểm chứng trên phần mềm Matlab-Simulink.
Trên cơ sở kết quả thu được rút ra các đánh giá và kết luận.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận văn
Ý nghĩa khoa học: Đề tài “ỨNG DỤNG HỆ SUY LUẬN NƠ RON MỜ
THÍCH NGHI ANFIS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY
ĐIỆN SÊ SAN 4” là một hướng nghiên cứu mới để điều khiển điều tốc, đề tài này sẽ
góp phần hồn thiện cấu trúc điều khiển nhằm nâng cao khả năng điều tốc nhà máy
thủy điện và từ đó chúng ta có thể áp dụng cho các cơng tác thí nghiệm, vận hành, hiệu
chỉnh trong nhà máy thủy điện.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hồn thiện một
phương pháp điều khiển mới khắc phục được một số nhược điểm của các phương pháp
ĐK kinh điển, từ đó mở ra một khả năng áp dụng cài đặt vào các thiết bị điều khiển
trong thương mại, làm nâng cao hơn nữa chất lượng điều tốc nhà máy thủy điện.
3
6. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, bản luận văn được chia thành 4 chương:
Chương 1:
Tổng quan nhà máy thủy điện
Chương 2:
Tổng hợp hệ điều tốc tuabin
Chương 3:
Điều khiển mờ và mạng nơron
Chương 4:
Điều khiển điều tốc tuabin thủy điện
C
C
DU
R
L
T.
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
1.1. Tình hình phát triển thuỷ điện
- Tiềm năng thủy điện
Do vị trí địa lý của Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm mưa
nhiều, nên đất nước ta có nguồn tài nguyên thủy năng tương đối lớn. Phân bố địa hình
trải dài từ Bắc vào Nam với bờ biển hơn 3400 km cùng với sự thay đổi độ cao từ hơn
3100 m cho đến độ cao mặt biển đã tạo ra nguồn thế năng to lớn do chênh lệch địa
hình tạo ra.
Nhiều nghiên cứu đánh giá đã chỉ ra rằng, Việt Nam có thể khai thác được
nguồn cơng suất thủy điện vào khoảng 25.000 - 26.000 MW, tương ứng với khoảng 90
-100 tỷ kWh điện năng. Tuy nhiên, trên thực tế, tiềm năng về cơng suất thủy điện có
thể khai thác còn nhiều hơn.Theo kinh nghiệm khai thác thủy điện trên thế giới, cơng
suất thủy điện ở Việt Nam có thể khai thác trong tương lai có thể bằng từ 30.000 MW
đến 38.000 MW và điện năng có thể khai thác được 100 - 110 tỷ kWh.
C
C
R
L
T.
DU
- Các giai đoạn phát triển
+ Trước năm 1975
Trước năm 1954, các cơng trình thủy điện được người Pháp nghiên cứu khai
thác thủy điện - thủy lợi để phục vụ cho mục đích khai thác thuộc địa. Các cơng trình
thủy điện được lựa chọn tại các vị trí thuận lợi, có thể xây dựng nhanh, với chi phí
thấp, chưa có nghiên cứu sâu về quy hoạch tổng thể. Thời gian tiếp theo (1954 -1975),
với sự giúp đỡ của các chuyên gia Liên Xô và Trung Quốc, các nghiên cứu đánh giá
tiềm năng thủy điện cho lưu vực sông Hồng đã được thực hiện từ năm 1956. Ngày
19/8/1964, cơng trình thủy điện có quy mơ lớn đầu tiên với sự giúp đỡ của Liên Xô đã
được khởi công xây dựng: Thủy điện Thác Bà trên sông Chảy, công suất ban đầu 108
MW. Đây là cái nôi đào tạo đội ngũ CBCNV phát triển thủy điện cho ngành Điện sau
này.
Tại miền Nam, năm 1961, người Nhật tài trợ theo chương trình đền bù chiến
phí của chiến tranh thế giới thứ hai để xây dựng dự án Thủy điện Đa Nhim, công suất
160 MW. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của chiến tranh, Nhà máy phải ngừng hoạt động
vào năm 1965, sau gần một năm đưa vào vận hành.
+ Từ năm 1975 đến năm 1994
5
Giai đoạn 1975 - 1994, với sự giúp đỡ lớn lao từ nước bạn Liên Xô, Việt Nam
đã xây dựng thành cơng Thủy điện Hịa Bình, là dấu mốc quan trọng về khai thác thủy
năng to lớn cho đất nước. Tại miền Nam, công tác khắc phục Nhà máy Thủy điện Đa
Nhim được thực hiện khẩn trương, và cuối năm 1975, Nhà máy đã vận hành trở lại. Để
tiếp tục bổ sung nguồn điện cho miền Nam, ngày 30/4/1984, Thủy điện Trị An đã
chính thức khởi cơng xây dựng.
Trong giai đoạn này, tại miền Trung, một số thủy điện nhỏ và vừa cũng bắt đầu
được các đơn vị khảo sát - thiết kế trong nước bắt tay thực hiện như Thủy điện Đrây
H’linh (12 MW), Thủy điện Vĩnh Sơn (66 MW).
+ Từ 1995 đến năm 2005
Có thể nói, giai đoạn này là đỉnh cao trong sự nghiệp phát triển thủy điện của
đất nước. Nhiều cơng trình thủy điện được xây dựng và đưa vào vận hành, bao gồm cả
những công trình thủy điện lớn, đa mục tiêu: Thủy điện Ialy, Thủy điện Hàm Thuận Đa Mi, Thủy điện Sê San 3, Thủy điện Tuyên Quang…
C
C
R
L
T.
Giai đoạn này cũng chứng kiến sự phát triển vượt bậc và chuyển biến về chất
của kỹ thuật xây dựng thủy điện trên tất cả các lĩnh vực, từ quản lý dự án, tư vấn xây
dựng, thi công và vận hành nhà máy thủy điện. Từ việc phải phụ thuộc hoàn toàn vào
kỹ thuật từ nước ngoài, đội ngũ người Việt đã tự chủ được tất cả cơng đoạn để xây
dựng thành cơng các cơng trình thủy điện, với bất kể qui mô nào.
DU
Thời kỳ này đã xuất hiện hàng loạt thành tựu kỹ thuật hoàn toàn do các kỹ sư
trong nước làm chủ. Cùng với việc áp dụng thành công những kết cấu trong xây dựng
đập, cơng tác chế tạo thiết bị cơ khí thủy cơng cho các dự án thủy điện đã có tiến bộ
vượt bậc. Hầu như tồn bộ thiết bị cơ khí thủy công trong giai đoạn này là do các nhà
máy cơ khí trong nước đảm nhận.
+ Từ năm 2006 đến nay
Đây là giai đoạn tiếp nối quan trọng trong việc khai thác năng lượng thủy điện
của đất nước. Những dự án thủy điện lớn nhất được xây dựng và hoàn thành trong thời
kỳ này như: Thủy điện Sơn La (2400 MW), Thủy điện Lai Châu (1200 MW) và Thủy
điện Huội Quảng (560 MW). Phát triển thủy điện bắt đầu đi vào chiều sâu.
Hiện nay, Quy trình vận hành liên hồ chứa cho các bậc thang thủy điện đã được
thiết lập và được Thủ tướng Chính phủ ký quyết định ban hành cho tất cả các lưu vực
sơng có bậc thang thủy điện. Đến năm 2018, đã có tổng số 80 dự án thủy điện lớn và
thủy điện vừa vào vận hành với tổng cơng suất lắp máy là 15.999 MW.
Có thể nói, tới nay các dự án thủy điện lớn có cơng suất trên 100 MW hầu như
đã được khai thác hết. Các dự án có vị trí thuận lợi, chi phí đầu tư thấp cũng đã được
6
triển khai thi công. Một số nhà máy thủy điện đang được xây dựng mở rộng và các nhà
máy thủy điện tích năng sẽ được tiến hành đầu tư để phù hợp với cơ cấu nguồn điện
trong hệ thống điện quốc gia.
1.2. Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy thuỷ điện Sê San 4
Nguyên lý hoạt động của một nhà máy thủy điện Sê San 4 cơ bản giống với các
nhà máy thủy điện tại Việt Nam gồm có bốn giai đoạn chính:
- Tuyến năng lượng: gồm có 03 đường ống áp lực dẫn nước từ hồ chứa đến
tuabin của 03 tổ máy phát điện với công suất 3x120MW.
- Nguồn điện tạo ra từ các tuabin của máy phát điện được đưa qua Máy biến áp
15,75kV/220kV, được nối vào lưới điện 220kV Quốc gia đấu nối đến trạm 500kV
Pleiku 2.
- Cột nước của nhà máy TĐ Sê San 4 là 56m, thuộc loại cột nước trung bình.
C
C
R
L
T.
DU
Hình 1.1. Nhà máy thuỷ điện Sê San 4
1.3. Cấu tạo nhà máy thuỷ điện Sê San 4
- Đập và hồ chứa nước: hồ chứa TĐ Sê San 4 có dung tích tồn bộ là 893 triệu
m3 nước; đập gồm 02 phần chính: đập bê tông RCC và đập đất đồng chất.
- Ống dẫn nước: gồm 03 đường ống áp lực, tại mỗi đường ống có một cửa van
vận hành phục vụ đóng mở để đưa nước vào tuabin thủy lực.
- Tuabin : loại tuabin Fransic do hãng ALSTOM chế tạo, có 24 cánh hướng cố
định và 23 cánh hướng động để hướng nước về và làm quay bánh xe công tác của
tuabin, tuabin này gắn liền với máy phát điện ở phía trên nó nhờ một trục.
7
- Máy phát điện: Khi tuabin quay, làm cho rotor quay theo tức là các cực từ
rotor là các nam châm quay theo. Những nam châm khổng lồ này quay quanh cuộn
dây đồng (thanh dẫn stator), sản sinh ra dòng điện xoay chiều (AC) với cấp điện áp là
15,75kV.
- Biến áp lực: có 9 máy biến áp một pha 15,75kV/220kV (mỗi tổ mba được tích
hợp từ 3 mba 1 pha 50MVA) được đặt bên trong nhà máy điện tạo ra dịng điện xoay
chiều AC và chuyển đổi nó thành dịng điện có điện áp 220kV.
- Đường dây điện: để đưa điện từ TĐ Sê San 4 đến trạm 500kV Pleiku 2, sử
dụng một đường dây 220kV mạch kép dài 64km.
- Cống xả: Đưa nước chảy qua các đường ống – gọi là kênh , và chảy vào hạ
lưu sơng.
C
C
R
L
T.
DU
Hình 1.2. Mơ hình tổ máy thuỷ điện Sê San 4
1.4. Hệ điều khiển công suất nhà máy thuỷ điện Sê San 4
Hệ thống điều khiển của nhà máy thủy điện là một hệ DCS (Distribute Control
System - hệ thống điều khiển phân tán) gồm:
- Hệ thống máy tính server (là máy chủ chứa toàn bộ cơ sở dữ liệu của hệ
thống), trong các dự án quy mô lớn yêu cầu độ an tồn cao thì sẽ có chệ độ dự phịng
redundant server (primary server-standby server). Loại AlSPHA P320, do ALSTOM
sản xuất.
- Các máy tính vận hành (giao diện người máy) cho phép người vận hành giám
sát thông số, trạng thái, chế độ vận hành của các thiết bị trong nhà máy cũng như ra
lệnh điều khiển từ xa (remote control) đối với toàn bộ nhà máy hay từng hệ thống
8
riêng lẻ. Số lượng máy tính vận hành phụ thuộc quy mô và nhu cầu vận hành của nhà
máy, thường là 1 máy (nhà máy nhỏ), 2 máy (nhà máy vừa), hoặc nhiều hơn.
- Máy tính kỹ thuật (Engineering station) là máy tính dùng để bảo trì hệ thống
điều khiển, được cài đặt đầy đủ phần mềm và kết nối được vào hệ thống điều khiển.
Máy tính kĩ thuật thường là máy laptop, tuy nhiên với các nhà máy nhỏ có thể kết hợp
vào máy tính server để tiết kiệm chi phí.
- Máy in sự cố và hệ thống thời gian thực kết nối GPS để đồng bộ hóa thời gian
cho toàn bộ các thiết bị trong hệ thống.
- Các bộ PLC bao gồm bộ điều khiển (CPU) và module vào ra (I/O) là thành
phần trực tiếp nhận các tín hiệu trạng thái, xử lý logic và đưa ra lệnh điều khiển cho
các thiết bị của nhà máy thủy điện. Tùy thuộc quy mô của nhà máy thủy điện mà bộ
điều khiển (CPU) có thể là đơn (single cpu) hay dự phịng (redundant cpu), các
module vào ra có thể là loại tập trung (kết nối trực tiếp với cpu) hoặc là loại phân tán
(kết nối với cpu qua giao thức profibus, modbus,...).
C
C
R
L
T.
- Màn hình HMI (giao diện người máy) cho phép người vận hành giám sát
thông số, trạng thái, chế độ vận hành của các thiết bị trong nhà máy cũng như ra lệnh
điều khiển tại chỗ (local control) đối với toàn bộ nhà máy hay từng hệ thống riêng lẻ.
DU
Hình 1.3. Gian máy nhà máy thuỷ điện Sê San 4
9
1.5. Hệ thống điều tốc Neyrpic thuỷ điện Sê San 4: do hãng Alstom sản xuất
từ năm 2009.
C
C
R
L
T.
DU
Hình 1.4. Thiết bị điều tốc điện TĐ Sê San 4
1.5.1. giới thiệu chung:
Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Sê San 4 đảm bảo các chế độ làm việc sau
đây của tổ máy:
- Điều khiển các trình tự khởi động và dừng tuabin;
- Đồng bộ tuabin với lưới điện;
- Điều khiển công suất cung cấp bởi tổ máy đến hệ thống điện liên kết;
- Điều khiển tần số lưới ở mạng độc lập;
- Điều khiển các trình tự đặc biệt.
1.5.1.1. Cấu tạo của điều tốc điện:
Tủ điều tốc điện bao gồm các khối chức năng sau:
- UPC: Bộ điều khiển quá trình tổ máy (Unit Processing Controller).
- SPC: Bộ điều khiển q trình sécvơ (Servo Processing Controller).
- MMI: Giao diện người - máy (Man-Machine Interface).
- T.ADT: Khối đo lường tốc độ tuabin.
10
a. Bộ điều khiển quá trình tổ máy (UPC: Unit Processing Controller)
Bộ điều khiển quá trình tổ máy gồm 2 bộ, một bộ làm việc và một dự phòng,
đảm bảo 100% tính dự phịng của hệ thống.
Bộ điều khiển q trình của tổ máy UPC thực hiện theo thuật tốn đã cho tạo tín
hiệu điều khiển cho bộ điều khiển q trình séc vơ SPC.
b. Bộ điều khiển vị trí sécvơ (SPC: Secvo Positioner Controller)
Bộ điều khiển vị trí sécvơ gồm 2 bộ, một bộ làm việc và một dự phịng, đảm
bảo 100% tính dự phịng của hệ thống.
Bộ điều khiển q trình sécvơ (SPC) thực hiện theo thuật tốn đã cho để điều
khiển van kích thích
c. Thiết bị đo lường tốc độ T.ADT (Turbine autonomous tachometer)
Thiết bị đo lường tốc độ dùng để giám sát tốc độ tổ máy và tạo ra các ngưỡng
tốc độ phục vụ cho các lôgic điều khiển tổ máy.
d. Thiết bị giao diện người máy HMI (Human Machine Interface)
C
C
R
L
T.
Thiết bị giao diện người - máy là một màn hình cảm ứng dùng để tra cứu và
thay đổi các thông số của bộ điều khiển quá trình tổ máy UPC, bộ điều khiển quá trình
séc vô SPC và bộ đo lường tốc độ tổ máy T.ADT; đồng thời để tra cứu, xác nhận các
sự cố và truy cập đến các chế độ và các chức năng riêng.
1.5.1.2. Cấu tạo của hệ thống điều tốc cơ
DU
a. Cấu tạo của hệ thống điều tốc cơ: Hệ thống điều tốc cơ bao gồm các thiết
bị sau:
- Van phân phối chính AA001
- Van kích thích AA002
- Van khởi động/dừng AA003
- Van điều khiển đóng an tồn cánh hướng AA004
- Van điều khiển đóng cánh hướng 2 độ dốc AA005
- Van phân phối đóng cánh hướng 2 độ dốc AA006
- Bộ lọc dầu kép AT006
- Cảm biến áp lực dầu CP001T
- Đồng hồ áp lực dầu điều tốc CP001I
- Chuyển mạch áp lực CP001S.
b. Nguyên lý làm việc của các cơ cấu chính:
-Van chính AA001: Do có cấu tạo vi sai về tiết diện của van chính nên khi
phía khoang bên phải của AA001 có áp lực sẽ làm cho pittơng van dịch chuyển về
phía bên trái làm thơng đường dầu có áp lực đi mở cánh hướng. Ngược lại khi phía
11
khoang bên phải của AA001 mất áp lực sẽ làm cho pittơng van dịch chuyển về phía
bên phải làm thơng đường dầu có áp lực đi đóng cánh hướng.
- Van kích thích AA002: Nguyên lý làm việc của van kích thích dựa trên
nguyên tắc tác động tương hỗ giữa từ trường của cuộn dây và nam châm vĩnh cửu.
Nếu trong cuộn dây có dịng điện đi qua thì nó được dịch chuyển dưới tác động của
lực điện từ. Giá trị và hướng của sự dịch chuyển này tương ứng với giá trị và cực tính
của tín hiệu điện đưa tới cuộn dây. Sự chuyển dịch của cuộn dây làm cho pitông van
AA002 dịch chuyển sang trái hoặc sang tưong ứng với việc cung cấp dầu áp lực hoặc
xả dầu ở khoang bên trái của van AA001.
- Van khởi động/dừng AA003: Van khởi đơng/dừng AA003 tham gia vào q
trình khởi động, dừng bình thường cũng như dừng sự cố tổ máy. Khi có điện vào cuộn
dây mở của van AA003 thì pittông van dịch chuyển sang trái làm thông đường dầu
điều khiển từ van AA002 đến van AA001. Ngược lại khi cấp điện vào cuộn dây đóng
thì pittơng van AA002 sẽ dịch chuyển sang phải làm cho khoang trái của van AA001
thông với đường dầu xả.
- Bộ lọc dầu kép AT006: Bộ lọc dầu kép AT006 được dùng để lọc sạch dầu
đưa tới các cơ cấu của điều tốc cơ. Cấu tạo bộ lọc gồm có 2 bộ lọc dầu độc lập, bình
thường một bộ làm việc và bộ cịn lại ở vị trí dự phịng. Khi bộ lọc làm việc bị bẩn sẽ
chuyển sang bộ lọc dự phòng bằng cần gạt chuyển đổi.
C
C
DU
R
L
T.
12
MODBUS
MODBUS
HMI
Cảm biến tốc độ
Các đầu ra số
Các đầu vào số
Công suất tổ máy
Tần số tổ máy
Các đầu ra số
Dự phòng nóng
Cảm biến tốc độ
UPC (S)
UPC (N)
Tần số tổ máy
Tần số lưới
T.ADT
Cột áp
C
C
Các đầu vào số
Đầu ra tương tự
R
L
T.
SPC (S)
SPC (S)
DU
Biến đổi điện
thủy lực
I
I
S
Van phân phối
chính
I
S
Secvomotor
I
S
S
Hình 1.5. Sơ đồ khối hệ thống điều tốc TĐ Sê San 4
Các đầu ra số
S
*MEA20
CG210
CG212
C
I
`
BP007
BP005
*MEL10/AA760
Van cấp khí bù
BP004
BP006
V
Thiết bị bảo vệ
chống lồng tốc
*AA051
*MEA40
*AA030
CG710S
BP014
C
CP001S
BP011
C
*AA025
P
P
CP001T
I
CP001I
A B
P
AU008
BP008
X
CG001T
I
S
BP010
*AA006
*AA005
AU007
C
CL037S
CL036S
CL035S
CL034S
CL033S
CP016S
*AA002
*AA003
C
Y
*AA004
*MEX10
*DTB-L01
AU006
Y
*AA001
AU009
CL038S
L
CL031I
X
*DTB-V11
Q
*DTB-V10
AU031
P
P
I
CP033S
C
P
W CM001
P
AU004
I
P
CP031T
I
T
CT001T
C
AT001
CP011S
AU001
*AA009
M
*AA019
*AA037
AP001
AU032
*AA010
AA011
P
CP036S
*AA008
P
CP034S
*DTB-V01
*AA013
X
*DTB-V03
BP012
C
CG031S
CG032S
CG033S
CG034S
*AA007
*DTB-V02
BP001
BP013
Y
*AA045
C
C
AT006
CP031I
*DTB-V07
P=6.4MPa
V=4m3
*MHY
CP031S
CL032S
I
CP032S
CL031T
*DTB-V09
*DTB-V08
R
L
T.
CG209
CG211
I
CG201
CG202
CG203
CG204
CG201T
CG205
CG206
CE710
CE720
CG207
CG208
CP035S
*DTB-V04
CL031S
*DTB-B01
Đường ống hút
*DTB-V05
Đường ống khí
*AA015
C
BP002
*AA033
AA024
BP003
*K70-V16
*DTB-V06
AA038
AU005
AT003
*AA023
AT002
CP012S CP013S
AA017
AU002
*AA016
M
AP002
*K70-V14
*K70-L01
*K70-V15
*K70-V17
*DTB-B02
Đường ống áp lực
Đường ống xả và rị rỉ
AT004
I
L
CL001T
AT005
CP014S CP015S
AA021
AU003
*AA020
M
AP003
CL001S
CL002S
*DTB-B03
DU
AT007
CL001I
Ký hiệu:
13
Hình 1.6. Sơ đồ ngun lý hệ thống điều tốc TĐ Sê San 4
