Điều khiển tự chỉnh định tham số bộ điều khiển pid cho hệ thống điều tốc nhà máy thuỷ điện srêpốk 3

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

MAI ĐÌNH THÀNH

ĐIỀU KHIỂN TỰ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU
KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY
THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

MAI ĐÌNH THÀNH

ĐIỀU KHIỂN TỰ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU
KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY
THỦY ĐIỆN SRÊPỐK
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. Lê Tiến Dũng

Đà Nẵng – Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đề tài luận văn “ Điều khiển tự chỉnh định tham số bộ điều
khiển PID cho Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3” do Thầy giáo
PGS.TS. Lê Tiến Dũng hướng dẫn là cơng trình nghiên cứu của bản thân tơi tự
thực hiện; trong đó tơi có sử dụng 1 số tài liệu để tham khảo và trích dẫn. Các
số liệu của NMTĐ Srêpốk 3 và kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và
chưa được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào. Tác giả xin hồn tồn chịu
trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Học viên

Mai Đình Thành


ĐIỀU KHIỂN TỰ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ
THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPÔK 3
Học viên: Mai Đình Thành. 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 Srêpôk 3 nằm trên sông Srêpốk thuộc tỉnh Đắl Lắk, góp
phần đáng kể trong việc cung cấp điện cho lưới điện khu vực và quốc gia. Trong luận
văn này, tác giả nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống điều tốc nhà máy
Thủy điện Srêpôk 3 trên cơ sở giữ nguyên các bản chất phi tuyến của hệ thống để mơ
hình mơ tả sát với thực tiễn nhà máy. Trên cơ sở mơ hình tốn học xây dựng và sự hiểu
biết về bản chất hệ thống cũng như kinh nghiệm vận hành bảo trì hệ thống, tác giả đề
xuất một phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện

Srêpôk 3 bằng phương pháp tự chỉnh định tham số bộ điều khiển PID dựa trên sự kết
hợp của PID và thuật toán điều khiển mờ. Hiệu quả của thuật tốn đề xuất được thử
nghiệm bằng mơ hình mơ phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Kết quả cho thấy đặc
tính điều chỉnh của hệ thống ở chế độ power control tốt hơn so với bộ điều khiển củ,
ngoài thời gian quá độ tốt hơn thì độ quá điều chỉnh và sai lệch tỉnh củng nhỏ hơn; đảm
bảo được các tiêu chí về chất lượng điều khiển, đáp ứng nhanh khi có u cầu về cơng
suất nhằm góp phần tham gia vào việc ổn định cho hệ thống điện khu vực và Quốc gia.
Từ khóa - Nhà máy thủy điện; Hệ thống điều tốc; Logic mờ; Mơ hình hóa; Mơ phỏng

SELF TUNING CONTROL OF PID CONTROLLER PARAMETERS FOR
GOVERNOR SYSTEM OF SREPOK3 HYDRO POWER PLANT
Abstract - Srepok 3 Hydropower Plant is located on the Srepok River in Dak Lak
Province, contributing significantly to the supply of electricity to the regional and
national grid. In this thesis, the author studies to builds the mathematical model of the
governor system of Srepok 3 hydropower plant on basis of maintain the nonlinear
nature of the system so that the model conforms to the plant reality. Based on the
construction mathematical model and the understanding of the system as well as the
experience of operating and maintaining the system, the author proposes a method for
improving the control algorithm of the governor system of Srepok 3 hydropower plant
by algorithm self-tuning PID controller parameters, method based on the combination
of PID and a fuzzy control algorithm. The effect of the proposed algorithm is tested by
simulation model on Matlab / Simulink. The results show that the control characteristics
of the system in the power control mode is better than the control of the tuber, not only
the transition time better but also 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 the regional and 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 tiêu nghiên cứu ................................................................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................1
4. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................2
5. Bố cục đề tài ............................................................................................................2
6. Tài liệu nghiên cứu ..................................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 VÀ HỆ
THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3................................. 3
1.1. Tổng quan về nhà máy thủy điện Srêpốk 3 .......................................................3
1.1.1.

Vị trí địa lý nhà máy thủy điện Srêpốk 3 ................................................3

1.1.2.

Giới thiệu các thiết bị trong nhà máy thủy điện Srêpốk 3 ......................3

1.2. Tổng quan về Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 ..........................8
1.2.1

Chức năng của hệ thống điều tốc nhà máy Srêpốk 3 ..............................8

1.2.2

Thông số của hệ thống điều tố ................................................................8

1.2.3

Sơ đồ của hệ thống điều tốc ..................................................................10

1.2.4

Hệ thống dầu áp lực ..............................................................................11

1.2.5

Hệ thống điều khiển điều tốc ................................................................11

1.2.6

Quá trình khởi động, các chế độ làm việc của hệ thống điều tốc .........13

1.2.7

Đường đặc tính của điều tốc .................................................................15

CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY
THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 ........................................................................................ 19
2.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................19
2.2. Xây dựng mơ hình các phần tử trong hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện ...20
2.2.1

Các phương trình động học của hệ thống thủy lực ...............................20

2.2.2

Mơ hình Turbine ...................................................................................24

2.2.3

Mơ hình đường ống áp lực....................................................................28


2.2.4

Mơ hình hóa hệ thống máy phát – tải ...................................................29

2.2.5

Mơ hình hóa van hướng ........................................................................33

2.3. Tổng hợp mơ hình ............................................................................................35
2.3.1.

Mơ hình tốn học hệ thống thủy lực .....................................................36

2.3.2.

Mơ hình tổng thể của hệ thống .............................................................36

2.4. Kết luận chương 2 ............................................................................................38
CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ
THỐNG ĐIỀU TỐC ............................................................................................... 39
3.1. Cấu trúc điều khiển và hoạt động của hệ thống điều tốc tại nhà máy thủy điện
Srêpốk 3 .................................................................................................................39
3.1.1.

Bộ điều khiển đang làm việc hiện tại ở nhà máy ..................................39

3.1.2.

Vấn đề còn tồn tại và sự cấp thiết phải cải thiện chất lượng hoạt động

của hệ thống ..................................................................................................

40

3.2. Giới thiệu về lý thuyết điều khiển....................................................................41
3.2.1.

Giới thiệu bộ điều khiển PID ................................................................41

3.2.2.

Giới thiệu về điều khiển mờ .................................................................44

3.3. Đề xuất thuật toán điều khiển nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc ............49
3.3.1.

Đề xuất phương án ................................................................................50

3.3.2.

Thiết kế bộ điều khiển mờ ....................................................................50

CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ..................................... 58
4.1. Mô phỏng hệ thống điều tốc với thực trạng của nhà máy (khi chưa đưa vào giải

pháp nâng cao chất lượng).....................................................................................58
4.1.1

Bảng thông số mô phỏng hệ tống điều tốc nhà máy thủy điện .............58

4.1.2

Mô phỏng cột nước ...............................................................................58

4.1.3

Mô phỏng đường ống áp lực .................................................................59

4.1.4

Mô hình turbine ....................................................................................59

4.1.5

Mơ phỏng hệ thống thủy lực .................................................................59

4.1.6

Mơ phỏng servo van hướng ..................................................................60

4.1.7

Mô phỏng tải máy phát .........................................................................60

4.1.8

Mơ phỏng hệ thống điều khiển .............................................................61

4.1.9

Mơ phỏng mơ hình toàn hệ thống điều tốc nhà máy ............................62

4.1.10 Kết quả mô phỏng khởi động tổ máy ...................................................63
4.1.11 Kết quả mô phỏng hòa lưới tổ máy ......................................................64
4.1.12 Đáp ứng của hệ thống thủy lực .............................................................64
4.1.13 Hệ thống thực nhà máy đang làm việc .................................................65
4.2. Kết quả mô phỏng Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 với bộ điều
khiển tự chỉnh định tham số bộ điều khiển PID ....................................................66
4.2.1.

Mô hình mơ phỏng tổng hợp của hệ thống điều tốc trên Matlab –

Simulink .............................................................................................................66
4.2.2.

Mô phỏng bộ điều khiển Hệ thống điều tốc .........................................66

4.2.3.

Mô phỏng bộ điều khiển tự chỉnh định tham số bộ điều khiển PID ở

chế độ Power Control của hệ thống điều tốc Srêpốk 3 ......................................67
4.2.4.

Kết quả mô phỏng q trình khởi động và hịa lưới trên Matlab-

Simulink .............................................................................................................68
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 71


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU:
CÁC CHỮ VIẾT TẮT:
NMTĐ: Nhà máy thủy điện
GCB: Máy cắt đầu cực máy phát
MBA: Máy biến áp
SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition
HMI: Human Machine Interface
CNS: Control Network System
AC: Alternatal Current
DC: Direct Current


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu bảng
1.1.
1.2.
2.1.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
4.1.

Tên bảng
Bảng thông số turbine nhà máy thủy
điện Srêpốk 3
Bảng thông hệ thống điều tốc NMTĐ
Srêpốk 3
Bảng tính tốn tổn thất cột nước đường
ống áp lực
Tóm tắt ảnh hưởng của thay đơi tham
số Kp, Ki và Kd
Luật hợp thành bộ điều khiển mờ cho
Kpp
Luật hợp thành bộ điều khiển mờ cho
Kip
Luật hợp thành bộ điều khiển mờ cho
Kdp
Bảng tham số mô phỏng của nhà máy
thủy điện Srêpốk 3

Trang

9
9
24
43
56
56
56
58

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số hiệu hình vẽ

Tên hình vẽ, đồ thị

Trang

1.1.

Sơ đồ khối hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 3

10

1.2.

Van chính hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 3

11

1.3.

Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc NMTĐ
Srêpốk 3

12

1.4.

Bộ PLC hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 3

12

1.5.
1.6.

Tủ điều tốc NMTĐ Srêpốk 3
Đường đặc tính khởi động tổ máy

13
14

1.7.

Đường đặc tính điều chỉnh tĩnh của điều tốc hoạt động
với độ dốc

16

1.8.

Đặc tính Speed Drop khi 2 tổ máy làm việc song song
có cùng bp với (f1< fđm)

17

1.9.

Đặc tính Speed Drop khi 2 tổ máy làm việc song song
có cùng bp với (f2> fđm)

17

1.10.

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

18

2.1.

Mặt cắt nhà máy thủy điện với đập, đường ống áp lực
và hạ lưu

19

2.2.

Sơ đồ mô tả lưu lượng nước (Q) chảy trong đường ống
áp lực

21

2.3.

Đường đặc tính cơng suất/góc mở van hướng với
Turbine

26

2.4.
2.5.

Mơ hình tải máy phát điện
Mơ hình động học van hướng

33
34

2.6.

Đáp ứng van hướng theo tín hiệu điều khiển

34

2.7.

Mơ hình tốn học tổng thể hệ thống thủy lực

36


Số hiệu hình vẽ

Tên hình vẽ, đồ thị

Trang

2.8

Hình 2.8. Mơ hình phi tuyến hệ thống điều tốc turbine
thủy điện

37

3.1.

Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc

39

3.2.

Hiện tượng quá điều chỉnh ở chế độ Power Control

41

3.3.
3.4.
3.5.

Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
Đặc tính các khâu điều khiển PID
Cấu trúc bộ điều khiển mờ

41
43
44

3.6.

Cấu trúc hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ

45

3.7.

Sơ đồ khối chức năng các bộ điều khiển mờ

45

3.8.
3.9.

Hàm liên thuộc của luật hợp thành
Giải mờ theo phương pháp trọng tâm

47
48

3.10.

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống bộ điều tốc theo phương
án đề xuất

50

3.11.

Cấu trúc bộ điều khiển tự chỉnh định tham số PID

51

3.12.

Đáp ứng step của hệ thống điều khiển PID

52

3.13.

Xây dựng hàm liên thuộc cho sai lệch e, de

54

3.14.

Xây dựng hàm liên thuộc cho đáp ứng đầu ra Kpp, Kdp

55

3.15.

Xây dựng hàm liên thuộc cho đáp ứng đầu ra Kpi

55

3.16.

Xây dựng luật hợp thành trên phần mềm Matlab

57

4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.

Sơ đồ mô phỏng cột nước
Sơ đồ mô phỏng đường ống áp lực
Sơ đồ mô phỏng turbine
Sơ đồ mô phỏng hệ thống thủy lực
Sơ đồ mô phỏng servo van hướng
Sơ đồ mô phỏng tải máy phát

59
59
70
60
60
60

4.7.

Mô phỏng bộ điều khiển hệ thống điều tốc

61

Số hiệu hình vẽ

Tên hình vẽ, đồ thị

Trang

4.8.

Mơ phỏng tổng thể hệ thống điều tốc

63

4.9.

Mô phỏng chế độ khởi động tổ máy

63

4.10.

Mơ phỏng tổ máy hịa lưới

64

4.11.

Đáp ứng của các thơng số hệ thống thủy lực

65

4.12.

Q trình khởi động thực tế của tổ máy

65

4.13.

Mơ phỏng mơ hình tổng hợp hệ thống trên MatlabSimulink

66

4.14.

Mô phỏng bộ điều khiển tự chỉnh định tham số bộ PID

67

4.15.

Mô phỏng bộ điều khiển chỉnh định tham số bộ PID ở
chế độ Power Control trên Matlab-Simulink

67

4.16.

Đường tốc độ của turbine khi sử dụng bộ điều khiển tự

chỉnh tham số PID trên Matlab-Simulink

68

4.17.

Công suất cơ Pmec của turbine khi dùng bộ điều khiển
tự chỉnh định tham sô bộ PID ở chế độ Power Control
trên Matlab-Simulink

68

4.18

4.19

Công suất cơ Pmec của turbine khi dùng bộ điều
khiểnPID thuần túy và bộ điều khiển tự chỉnh định
tham sô bộ PID ở chế độ Power Control
Công suất cơ Pmec của turbine khi dùng bộ điều
khiểnPID thuần túy và bộ điều khiển tự chỉnh định
tham sô bộ PID ở chế độ Power Control

69

70


1

MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài
Đặc thù của hệ thống điện Việt Nam thì vào mùa khơ phụ tải ở Miền Nam

thường rất cao nhưng nguồn điện ở khu vực này không đủ cung cấp cho phụ tải và do
giới hạn truyền tải của đường dây 500kV Bắc – Nam nên việc đáp ứng công suất
nhanh và ổn định lúc phụ tải tăng đột ngột đóng vai trị hết sức quan trọng và cấp
thiết.
Việc đáp ứng nhanh của hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện góp phần vào
việc ổn định tần số và cung cấp nguồn điện nhanh chóng cho hệ thống điện. Điều đó
phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính điều tốc của các tổ máy thủy điện.
Việc đáp ứng nhanh của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 góp
phần rất lớn vào việc ổn định công suất khu vực tây nguyên và cung cấp nguồn điện
ổn định cho miền nam.
Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 do Trung quốc sản xuất, được
đưa vào vận hành từ năm 2009 tuy nhiên trong q trình vận hành vẫn chưa nắm được
hồn tồn công nghệ cũng như bản chất vật lý và các thuật toán điều khiển trong hệ
thống.
Từ các yếu tố trên ta thấy cần đề xuất cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống
điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3.
2.

Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng được mơ hình tốn học mơ tả gần như đúng với hệ thống điều tốc

thực của nhà máy.
Đề xuất cải tiến bộ điều khiển trên cơ sở ứng dụng điều khiển mờ để cải thiện
chất lượng hệ thống điều tốc có xét đến yếu tố cột nước thay đổi.

Xây dựng mơ hình và mơ phỏng tồn hệ thống 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;


2

Phạm vi nghiên cứu là vấn đề điều khiển hệ thống điều tốc sử dụng bộ điều
khiển tự chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để điều khiển Hệ thống điều tốc
NMTĐ Srêpốk 3.
Giới hạn nghiên cứu: Khi máy phát kết nối với lưới ở chế độ Power Control.
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;
- Dựa trên các mơ hình toán học, nghiên cứu và áp dụng lý thuyết điều khiển
để tự động chỉnh định các tham số của bộ điều khiển PID nhằm nâng cao chất lượng
hệ thống điều tốc.
- Sử dụng công cụ Matlab để mô phỏng, đánh giá và rút ra kết luận
5.

Bố cục đề tài
Luận văn được chia thành 04 chương:
Chương 1: Tổng quan về nhà máy thủy điện Srêpôk 3 và Hệ thống điều tốc

nhà máy thủy điện Srêpơk 3
Chương 2: Mơ hình tốn học của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpôk
3.
Chương 3: Đề xuất phương pháp nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc Nhà
máy Thủy điện Srêpôk 3
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả.
6.

Tài liệu nghiên cứu
Tài liệu nghiên cứu sử dụng cho luận văn này là các bài báo, luận văn của các

tác giả trong nước và nước ngồi về vấn đề mơ hình hóa nhà máy thủy điện và các
phương pháp nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống điều tốc, tài liệu kỹ thuật của
nhà máy thủy điện Srêpơk 3. Ngồi ra tác giả cịn tham khảo 1 số giáo trình về lý
thuyết điều khiển như: Phân tích và điều khiển hệ phi tuyến, lý thuyết điều khiển mờ,
Mơ hình hóa hệ thống đo lường và điều khiển, tổng hợp hệ thống điều khiển truyền
động điện


3

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
1.1.1. Vị trí địa lý nhà máy thủy điện Srêpốk 3

Nhà máy thủy điện Srêpốk 3 năm trên sông Srêpôk Cách thành phố Bn Ma

Thuột khoảng 30km về phía Tây Bắc. Diện tích lưu vực 9410 km2. Nhà máy nằm
cách đập chính khoảng 3,5 km về phía hạ lưu. Nhà máy là bậc thang thứ 7 tính từ
thượng lưu sơng chính Srêpơk. Phía thượng lưu có các NMTĐ Krơng Nơ 2, Krơng
Nơ 3; Bn Tua Srah; Chưpơng Krơng; Bn Kuốp, Hịa Phú; Cụm nhà máy Drây
Hlinh 1, Drây Hlinh 2, Drây Hlinh 3; phía hạ lưu có NMTĐ Srêpơk 4 và Srêpơk 4A.
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 của nhà máy có chức năng điều
tiết ngày.
Nhà máy thủy điện Srêpốk 3 có tổng cơng suất lắp máy là 220MW bao gồm 2
tổ máy với tua bin Francis kiểu trục đứng, 2 máy phát đồng bộ cực lồi. điện lượng
trung bình nhiều năm 1.062,2 triệu kWh cung cấp cho lưới điện Quốc gia. Nhà máy
được xây dựng trên địa phận xã Tân Hịa huyện Bn Đơn tỉnh Đăk Lăk và xã Eapo
huyện CưJut tỉnh Đăk Nông.
1.1.2. Giới thiệu các thiết bị trong nhà máy thủy điện Srêpốk 3
Các hạng mục thiết bị của Cơng trình thủy điện Srêpốk 3 bao gồm: tuyến năng
lượng, thiết bị nhà máy, thiết bị trạm phân phối 220kV, Kênh xả.
a. Tuyến năng lượng
- Hồ chứa: Hồ chứa có chức năng tích và chứa nước để tạo năng lượng chạy
máy.
Các thông số cơ bản của Hồ chứa:


Dung tích hồ chứa

: 218.99 x 106 m3.



Diện tích lưu vực

: 9410 km2.


4



Mực nước dâng bình thường

: 272 m.



Cột nước hữu ích

: 4 m.



Cột nước tính tốn

: 59 m.

- Đập chính: Đập chính có nhiệm vụ ngăn sơng để tích nước, đập chính cơng
trình thủy điện Srêpốk 3 gồm 01 đập chính và 04 đập phụ.
Các thông số cơ bản của Đập chính


Cao trình đỉnh đập

:52.5 m



Chiều dài đỉnh đập

:478.9 m

- Đập tràn: Đập tràn dùng tích nước và xả nước để điều tiết – xả lũ hồ chứa.
Các thơng số chính của Đập tràn.


Kiểu đập

: Bê tơng cốt thép có cửa van cung điều tiết.



Số lượng cửa tràn

: 5 cửa (kích thước mỗi cửa:15x16,5 m).



Dài

: 89 m



Ngưỡng tràn

: 277.5 m

- Cửa nhận nước: Cửa nhận nước có nhiệm vụ dẫn nước từ hồ chứa vào
Đường hầm áp lực.
- Đường hầm áp lực: Nối với cửa lấy nước là đường hầm dẫn nước có kết cấu
bằng bê tơng cốt thép đặt trong nền đá cứng lớp IIB. Đường hầm dẫn nước NMTĐ
Srêpốk 3 gồm 2 đường hầm song song nhau, đường kính trong đường hàm là D =
8.0m. Chiều dài mỗi hầm L=593m chia làm 3 đoạn, Đoạn 1 dài 73m trong đó đoạn
đầu dài 30m độ dốc i=0%, đoạn tiếp theo có độ dốc i = 90% dài 43m được làm bằng
thép lót và bên ngồi là bê tơng cốt thép. Đoạn 2 là đoạn nằm ngang, dài 442m (độ
dốc i=1%), làm bằng bê tông cốt thép. Đoạn 3 dài 78m dài làm bằng thép lót (độ dốc
i= 0%) nối với buồng xoắn của nhà máy.
b. Thiết bị Nhà máy
- Turbine:
Turbine của nhà máy thủy điện Srêpốk 3 là loại Turbine Fancis trục đứng kiểu
tâm trục do Trung Quốc sản xuất.
Các thơng số chính của Turbine


5



Kiểu

: HLA904B-LJ-485



Công suất Turbine định mức

: 112,25 MW



Tốc độ định mức

: 125 v/p/



Số cánh bánh xe công tác

: 13



Số cánh hướng tĩnh, cánh hường động

: 24

- Máy phát:
Máy phát điện của NMTĐ Srêpốk 3 là loại máy phát điện đồng bộ 3 pha rotor
cực lồi trục đứng, cách điện cho cuộn dây là cấp F (1550C), làm mát bằng gió tuần
hồn và làm mát gió bằng nước.
Các thơng số chính của máy phát điện.



Hãng chế tạo

: Harbin – Trung Quốc.



Kiểu

: SF110-48/11200.



Công suất định mức (Sn)

: 129.4 MVA.



Công suất tác dụng định mức

: 110 MW.



Điện áp định mức

: 13800 V.



Dòng điện định mức

: 5414 A.



Tốc độ định mức của Rotor

: 125 v/ph.



Sơ đồ nối dây Stator

: Yn qua MBA trung tính.

- Máy biến áp chính T1, T2
Máy biến áp (MBA) chính T1, T2 của NMTĐ Srêpốk 3 được dùng để biến đổi
điện áp từ 13,8 kV lên điện áp 220 kV. Phía hạ áp 13,8 kV được nối với đầu cực máy
phát qua máy cắt đầu cực, phía cao áp 220kV được nối với trạm phân phối ngoài trời
220 kV qua các máy cắt trạm
Các thơng số chính của MBA T1, T2:


Hãng chế tạo

: CZXD-Trung Quốc.



Loại

: SF10-130000/230TH



Loại máy biến thế

: 3 pha.



Kiểu làm mát (70/100%)

: ONAN/ONAF.


6



Loại điều áp

: OFF LOAD.



Công suất định mức

: 130 MVA



Điện áp định mức của cuộn dây

: 230/13,8 kV.



Dòng điện định mức cuộn dây

: 326.3/5439 A



Tổ đấu dây

: Ynd-11



Điện thế ngắn mạch

: 13%



Tổn hao không tải

: 80 kW



Số lượng nấc

: ± 2 x 2,5%230 kV

- Hệ thống điều khiển giám sát
Hệ thống điều khiển và giám sát của nhà máy Srêpốk 3 do tập đoàn ABB chế
tạo và cung cấp. Hệ thống điều khiển chia làm 4 mức điều khiển.
Hệ thống gồm bao thành phần chính sau: Các bộ điều khiển (PLC) và các
Module I/O, giao diện người máy (HMI), các trạm điều khiển trung tâm. Các thành
phần của hệ thống liên kết với nhau thông qua hệ thống mạng quang.
Chức năng và nhiệm vụ của hệ thống điều khiển, giám sát NMTĐ Srêpốk 3 là
giám sát, điều khiển và thu thu số liệu của thiết bị ở nhà máy, trạm phân phối, đập
tràn và cửa nhận nước. Ngồi ra cịn còn kết nối với trung tâm điều độ quốc gia A0,
miền trung A3 để giám sát và điều khiển.
- Hệ thống kích từ
Hệ thống kích từ nhà máy thủy điện Srêpốk 3 là loại kích từ kỹ thuật số Exc
9000 do Guangzhou-China thiết kế chế tạo. Hệ thống kích từ có các chức năng sau:


Cung cấp dịng một chiều cho cuộn dây rotor máy phát



Giữ ổn định điện áp đầu cực máy phát;



Ngăn điện áp đầu cực máy phát tăng cao khi mất tải đột ngột;



Cải thiện ổn định động của hệ thống.

Máy biến áp kích từ: Máy biến thế kích từ là loại máy biến thế kiểu biến áp
khơ. Thơng số của máy biến thế kích từ như sau:


Kiểu biến áp khô

: ZSCB9-1600/13.8



Công suất định mức

: 1600 kVA.


7



Điện áp định mức

: 13800  2  2,5%/ 480 V.



Tổ đấu dây

: YD-11.

Cầu chỉnh lưu: Là chỉnh lưu cầu 3 pha, Cầu chỉnh lưu Thyristor có nhiệm vụ
biến đổi điện áp 3 pha đầu cực máy mát thành điện áp 1 chiều DC.
Máy cắt kích từ: Máy cắt kích từ là loại máy cắt khơng khí. Q trình đóng cắt
máy cắt có thể được thực hiện tại chỗ hoặc từ xa.
Bộ điều khiển AVR: Có chức năng điều khiển các cầu chỉnh lưu, giữ điện áp
đầu cực máy phát ổn định.
Các thiết bị đo lường và bảo vệ
- Hệ thống Điều tốc
Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3 là loại kỹ thuật số do hãng
Wuhan Salian Hydropower control equipment thiết kế và sản xuất.
Cấu tạo của hệ thống điều tốc:


Tủ điều khiển.



Tủ bơm dầu áp lực.



Hệ thống dầu và van chính;



Servomotor.

c. Trạm phân phối 220kV và các hệ thống khác
- NMTĐ Srêpốk 3 có Trạm phân phối 220kV ngoài trời, sử dụng sơ đồ nối
điện tứ giác, Điện năng phát ra từ nhà máy sẽ được truyền tải bằng hai đường để về
trạm 220kV Krông Buk và về NMTĐ Srêpốk 4.
- Các hệ thống khác phục vụ cho quá trình vận hành thiết bị trong nhà máy
như sau:


Hệ thống điện tự dùng AC-DC: cung cấp nguồn AC và DC cho các hệ

thống thiết bị trong nhà máy;


Hệ thống chữa cháy Máy phát: Phục vụ chữa cháy máy phát;



Hệ thống chữa cháy Máy biến thế chính: phục vụ chữa cháy máy biến

áp chính; Hệ thống chữa cháy tịa nhà


Hệ thống khí nén cao áp: Cung cấp khí cho hệ thống điều tốc và phục


8

vụ q trình chạy bù;


Hệ thống khí nén hạ áp: Cung cấp khí cho hệ thống phanh tổ và phục

vụ quá trình sữa chữa, vệ sinh các thiết bị trong nhà máy;


Hệ thống bơm tiêu – tháo cạn: Phục vụ q trình bơm nước rị rỉ và

nước tháo cạn nhà máy khi vận hành và sửa chữa;


Hệ thống nước làm mát gối trục tổ máy: Phục vụ làm mát các gối trục

khối Turbine - Máy phát;


1.2.

Hệ thống điện áp một chiều 220 Vdc và hệ thống lưu điện UPS;

Tổng quan về Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Srêpốk 3
Hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Srêpốk 3 do hãng Wuhan Salian

Hydropower control equipment chế tạo, được trang bị bộ điều khiển số có chức năng
lập trình được. Hệ thống này gồm có một tủ điều khiển và một cơ cấu chấp hành trên
đó có các thiết bị như hệ thống dầu áp lực, van tỷ lệ, servomotor
1.2.1 Chức năng của hệ thống điều tốc nhà máy Srêpốk 3

Hệ thống điều tốc có chức năng chính là điều khiển và ổn định tốc độ turbine
thủy lực, để thực hiện được việc điều khiển này hệ thống điều tốc lấy tín hiệu phản
hồi tốc độ để so sánh với tín hiệu tốc độ đặt, khi có sự sai khác sẽ đưa ra tín hiệu đi
điều khiển sao cho tốc độ đầu ra ln ln duy trì ở giá trị tốc độ đặt.
Chức năng chính của hệ thống điều tốc trong quá trình làm việc như sau [3]:
- Tự động khởi động tổ máy và điều chỉnh tần số để hịa tổ máy vào lưới khi
có lệnh chạy máy.
- Ổn định tốc độ tổ máy khi không tải, khi hòa lưới và khi mất tải đột ngột
- Dừng máy bình thường và dừng khẩn cấp khi có sự cố
- Khi làm việc với lưới nó cho phép tổ máy đáp ứng nhanh theo sự thay đổi
của phụ tải để ổn định tốc độ tổ máy ở giá trị định mức.
- Các chế độ làm việc của hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 3 như sau: P
mode, GV mode, F mode, Isolated mode. Làm việc ở chế độ bù đồng bộ
1.2.2 Thông số của hệ thống điều tố
a. Thông số Turbine


9

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

Cơ cấu đóng mở

Servo

Hành trình servo mở tối đa

512 (mm)

Bảng 1.1. Bảng thông số turbine nhà máy thủy điện Srêpốk 3
b. Thông số của Hệ thống điều tốc
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%


10

Độ chính xác điều chỉnh cánh hướng

0.5 %

Thời gian mở cánh hướng hồn tồn

2 – 40 sec

Thời gian đóng

4 sec

Độ dốc Speed Droop (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)

Hằng số tỷ lệ (KP)

0.5 ÷ 20 (%)

Hằng số tích phân (KI)

0.05 ÷ 10 (1/s)

Hằng số vi phân (KD)

0 ÷ 10 (s)

Bảng 1.2. Bảng thông hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 3
1.2.3 Sơ đồ của hệ thống điều tốc

Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống điều tốc NMTĐ Srêpốk 3
Chức năng các khối trong hệ thống.
- Khối Tín hiệu: Đây là khối thu thập các tín hiệu đầu vào, bao
gồm: Cơng suất P, độ mở cánh hướng, tần số. Cột áp...
- Bộ Điều khiển: Đây là Bộ điều khiển của Hệ thống điều tốc, nhiệm vụ của
Bộ điều khiển là thu thập tất cả tín hiệu đầu vào, sau đó dựa trên các tham số đặt để
đưa tín hiệu đi điều khiển đến cơ cấu chấp hành;
- Cơ cấu chấp a. Cấu trúc bộ điều khiển mờ

Hình 3.5. Cấu trúc bộ điều khiển mờ
Về cấu trúc hệ thống điều khiển mờ khơng có gì khác so với các hệ thống điều
khiển tự động thơng thường. Sự khác biệt ở đây chính là bộ điều khiển mờ làm việc
theo luật dưới dạng tư duy gần con người. Hệ thống điều khiển được thiết kế mà
khơng cần biết trước mơ hình của đối tượng. Bộ điều khiển mờ gồm các thành phần
như hình 3.5.
Trong đó:
- Giao diện đầu vào bao gồm khâu mờ hóa và các khâu phụ trợ khác (khâu tỉ
lệ, tích phân, vi phân…) để thực hiện điều khiển tự động.
- Thiết bị hợp thành: Khâu triển khai các luật hợp thành R được xây dựng
trên cơ sở luật điều khiển.
- Giao diện đầu ra: Gồm khâu giải mờ và các khâu tác động đến đối tượng
điều khiển tác động trực tiếp tới đối tượng (như khâu khuếch đại, khâu hạn chế,…).


45

Hình 3.6. Cấu trúc hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ
Khối luật mờ và khối hợp thành là bộ phận chính của bộ điều khiển. khối này
đưa ra các luật từ kinh nghiệm của người thiết kế để điều khiển nhằm đạt được các

kết quả đầu ra mong muốn
b. Xây dựng mơ hình mờ cho đối tượng
Hiện nay có hai mơ hình mờ thường được sử dụng. Đó là mơ hình mờ
Mamdani và mơ hình mờ Sugeno. Mơ hình của Mamdani được coi là phương pháp
luận phổ biến nhất, có nhiều ưu điểm.
- Sơ đồ khối
Sơ đồ khối của bộ điều khiển gồm có 4 khối: khối mờ hóa (fuzzifiers), khối
hợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ (deffzzifiers). Mơ hình mờ Mamdani như
hình 3.7

Hình 3.7. Sơ đồ khối chức năng các bộ điều khiển mờ
Khối mờ hóa
Khâu mờ hóa có nhiệm vụ chuyển đổi một giá trị rõ hóa đầu vào x0 thành một
vector µ gồm các độ phụ thuộc của các giá trị rõ đó theo các giá trị mờ (tập mờ) đã
định nghĩa cho biến ngôn ngữ đầu vào.


46

Mờ hóa định nghĩa như sự ánh xạ (sự làm tương ứng) từ lập các giá trị thực
(giá trị rõ) x*  U  Rn thành lập các giá trị mờ ~ A' ở trong U. Hệ thống mờ như là
một bộ xấp xỉ vạn năng.
Có 3 phương pháp mờ hóa là: mờ hóa đơn trị, mờ hóa Gauss (Gaussian
fuzzifier) và mờ hóa hình tam giác (Triangular fuzzifier).
Mờ hóa hình tam giác (Triangular Fuzzifier). Mờ hóa hình tam giác là từ các
điểm giá trị thực x*  U lấy các gia trị trong tập mờ ~ A' với hàm liên thuộc dạng
hình tam giác, hoặc hình thang.
Khối hợp thành
Khâu thực hiện luật hợp thành gồm 2 khối đó là khối luật mờ và khối hợp
thành.

Khối luật mờ (suy luận mờ) bao gồm tập các luật “NẾU…THÌ” dựa vào các
luật mờ cơ sở được người thiết kế viết ra cho thích hợp với từng biến và giá trị của
các biến ngôn ngữ theo quan hệ mờ Vào/Ra.
Khối hợp thành dùng để biến đổi các giá trị mờ hóa của biến ngơn ngữ đầu
vào thành các giá trị mờ của biến ngôn ngữ đầu ra theo các luật hợp thành nào đó.
Hàm liên thuộc µA  B(y) của mệnh đề hợp thành A  B sẽ được ký hiệu là
R. Ngoài ra R cịn có một số tên gọi khác phụ thuộc vào cách kết hợp các mệnh đề
hợp thành (Max hay Sum) và quy tắc sử dụng trong từng mệnh đề hợp thành (Min
hay PROD):
- Luật hợp thành Sum-PROD, nếu các hàm liên thuộc thành phần được xác
định theo quy tắc hợp thành PROD và phép hợp được lấy theo công thức Lukasiewicz.
- Luật hợp thành Max-PROD, nếu các hàm liên thuộc thành phần được xác
định theo quy tắc hợp thành PROD và phép hợp giữa các mệnh đề hợp thành được
lấy theo luật Max.
R1: Nếu χ = A1 Thì γ = B1 hoặc
R2: Nếu χ = A2 Thì γ = B2 hoặc
…
RP: Nếu χ = AP Thì γ = BP


47

Trong đó các giá trị mờ A1, A2,…, AP có cùng tập nền X và B1, B2,…, BP có
cùng tập nền Y
Gọi hàm liên thuộc của Ak và Bk là µAk(x) và µBk(y) với k = 1, 2,…, p. Tổng
quát lại, thuật toán triển khai R = R1  R2  …  RP sẽ như sau:
- Xác định các vector µAk(x) và µBk(y), k = 1, 2,…, p theo
µTAk = (µAk(x1), µAk(x21),…, µAk(xnl))
µTBk = (µBk(y1), µBk(y21),…, µBk(ynl))
- Rời rạc hóa X tại n điểm x1, x2,…, xn và Y tại m điểm y1, y2,…,ym

Hình 3.8. Hàm liên thuộc của luật hợp thành
Xác định mơ hình cho luật điều khiển
Rk = µAk.µTBk = rijk với I = 1,…, n và j = 1,…, m

(3.6)

Trong đó phép nhân được thay bằng phép tính lấy cực tiểu Min khi sử dụng
quy tắc hợp thành Min
- Xác định luật hợp thành R = (Max {rijk k = 1, 2,…, p})

(3.7)

Từng mệnh đề nên được mơ hình hóa thống nhất theo một quy tắc chung, ví
dụ hoặc theo quy tắc Max-Min hoặc theo Max-PROD. Khi đó các luật điều khiển Rk
sẽ có một tên chung là luật hợp thành Max-Min hoặc luật hợp thành Max-PROD. Tên
chung này cũng sẽ là tên gọi của luật hợp thành R. Ngồi ra, khi cơng thức xác định
luật hợp thành R ở trên được thay bằng công thức: