Luận án nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết vùng trên cơ sở logic mờ và mạng nơron nhân tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
---------------------------

NGUYỄN DUY TRUNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN
LIÊN KẾT VÙNG TRÊN CƠ SỞ LOGIC MỜ VÀ
MẠNG NƠRON NHÂN TẠO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
---------------------------

NGUYỄN DUY TRUNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN
LIÊN KẾT VÙNG TRÊN CƠ SỞ LOGIC MỜ VÀ
MẠNG NƠRON NHÂN TẠO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số ngành: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. GS.TS Lê Hùng Lân
2. PGS.TS Nguyễn Văn Tiềm

HÀ NỘI, 2020


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là thành quả cơng trình nghiên cứu của riêng tơi
trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh. Các kết quả được viết chung với các
tác giả khác đều được sự đồng ý của đồng tác giả trước khi đưa vào luận án.
Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 2020
Tác giả

Nguyễn Duy Trung


ii

LỜI CÁM ƠN
Trong q trình làm luận án, Tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến tập thể
hướng dẫn GS.TS Lê Hùng Lân, PGS.TS Nguyễn Văn Tiềm, đã trực tiếp định
hướng và hướng dẫn luận án.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tập thể bộ môn Điều
khiển học, khoa Điện - Điện tử, phòng Sau đại học, trường Đại học Giao thông

Vận tải, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình học tập và nghiên
cứu thực hiện đề tài luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các bạn đồng nghiệp tại khoa Điều khiển
và Tự động hóa đặc biệt là Ban giám hiệu Trường Đại học Điện lực nơi tôi công
tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi được yên tâm học tập, nghiên cứu.
Cuối cùng tôi muốn gửi lời cảm ơn thân thương nhất tới gia đình nhỏ
thân u của tơi, là nơi tơi ln nhận được sự ủng hộ động viên, khích lệ kịp
thời, và luôn đồng hành kề vai sát cánh bên tôi để tơi có thể vững tâm hồn
thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu luận án.
Tác giả


iii

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan ...................................................................................................... i
Lời cám ơn ........................................................................................................ ii
Mục lục ............................................................................................................. iii
Danh mục kí hiệu và từ viết tắt ........................................................................ vi
Danh mục các bảng ........................................................................................ viii
Danh mục các hình ........................................................................................... ix
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY
ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG ĐỂ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ LƯỚI .............................. 8
1.1. Giới thiệu về thủy điện Việt Nam .......................................................... 8
1.2. Hệ thống tự động hóa trong nhà máy thủy điện .................................. 11
1.3. Bài tốn điều khiển tần số và cơng suất tác dụng trong hệ thống điện 13
1.4. Bài toán điều khiển tần số phát điện khi có liên kết vùng ................... 18

1.5. Tổng quan các nghiên cứu ................................................................... 20
1.6. Chọn tên đề tài và hướng nghiên cứu .................................................. 30
1.7. Mục tiêu luận án ................................................................................... 31
1.8. Kết luận chương 1 ................................................................................ 32
CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ THỐNG TUABIN
MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG .............................................. 34
2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống thủy điện đơn vùng ....................................... 34
2.1.1. Mô hình đường ống áp lực ............................................................ 35
2.1.2. Mơ hình hệ thống servo điện - thủy lực ........................................ 35
2.1.3. Mơ hình tuabin thủy lực ................................................................ 36
2.1.4. Mơ hình máy phát điện ................................................................. 37


iv

2.1.5. Khảo sát động học hệ thống .......................................................... 39
2.2. Mô hình hệ thống thủy điện liên kết hai vùng ..................................... 41
2.3. Mơ hình hệ thống điều khiển tốc độ tuabin máy phát thủy điện liên kết
hai vùng ....................................................................................................... 46
2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................ 49
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN
LIÊN KẾT VÙNG TRÊN CƠ SỞ LOGIC MỜ ĐỂ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TẢI... 50
3.1. Bộ điều khiển mờ luật PID................................................................... 50
3.2. Các giải thuật tối ưu hóa tham số bộ điều khiển .................................. 53
3.2.1. Thuật tốn tối ưu hóa bầy đàn PSO .............................................. 53
3.2.2. Thuật toán di truyền GA ............................................................... 56
3.2.3. Thuật toán tiến hóa vi phân DE .................................................... 58
3.3. Thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng để ổn định
tần số khi tải thay đổi .................................................................................. 60
3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển FLC1 và FLC2 loại PI ............................. 61

3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển FLC1 và FLC2 loại PD ............................ 64
3.3.3. Tối ưu hóa các tham số bộ điều khiển mờ .................................... 65
3.3.4. Mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2
vùng ......................................................................................................... 66
3.4. Kết luận chương 3 ................................................................................ 76
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO ĐIỀU KHIỂN TỐC
ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG ĐỂ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TẢI .. 78
4.1. Đặt vấn đề ............................................................................................ 78
4.2. Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo để tổng hợp bộ điều khiển tốc độ tuabin
thủy điện liên kết vùng ................................................................................ 79
4.2.1. Những khái niệm cơ bản về mạng nơ ron nhân tạo ...................... 79
4.2.2. Các phương pháp huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo ................... 81


v

4.3. Các chiến lược điều khiển tốc độ tuabin trong bài toán điều khiển tần số
hệ thống thủy điện ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo .................................. 86
4.3.1. Chiến lược điều khiển tần số - tải sử dụng bộ điều khiển NARMAL2 ............................................................................................................ 86
4.3.2. Bộ điều khiển LFC dựa trên MRAC ............................................. 90
4.3.3. MPC ứng dụng ANN cho LFC ..................................................... 91
4.4. Các kết quả mô phỏng .......................................................................... 94
4.4.1. Điều khiển thủy điện liên kết hai vùng sử dụng bộ điều khiển nơ ron 94
4.4.2. Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển NARMA và MRAC .......... 95
4.4.3. Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển MPC ................................ 100
4.5. Kết luận chương 4 .............................................................................. 104
CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU
KHIỂN THÔNG MINH TỐC ĐỘ TUABIN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ......... 105
5.1. Đặt vấn đề .......................................................................................... 105
5.2. Tổng hợp và phân tích các giải pháp điều khiển cho nhà máy thủy điện

đơn vùng và liên kết vùng ......................................................................... 106
5.2.1. Sơ đồ mô phỏng nhà máy thủy điện đơn vùng ứng dụng bộ điều
khiển mờ và mạng nơ ron ..................................................................... 106
5.2.2. Mơ hình hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng
để ổn định tần số tải .............................................................................. 108
5.3. Kết luận chương 5 .............................................................................. 128
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 130
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ ........................................... 131
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 132
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 144


vi

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Ý nghĩa

i

: Vùng thứ i

[pu]

: Đơn vị tương đối

∆ Ptie,i

: Sai lệch của công suất đường dây, pu.

∆fi

: Biến thiên của tần số lưới điện, pu.

∆PD,i

: Lượng biến thiên công suất tải, pu.

∆ω

: Sai lệch tốc độ rotor máy phát [pu]

ACE1

: Sai lệch điều khiển vùng 1

ACE2

: Sai lệch điều khiển vùng 2

ACEi

: Sai lệch điều khiển vùng i

f

: Tần số thực của lưới điện, Hz

ag

: Gia tốc trọng trường [m/s2 ]

Di

: Hệ số tắt dần dao động của phụ tải,

FLC

: Fuzzy logic control

fn

: Tần số danh định của lưới điện, fn = 50Hz

Hi

: Hằng số quán tính của máy phát thứ i

Pmi

: Công suất cơ đầu vào tương ứng với máy phát thứ i,

Ri

: Hệ số điều chỉnh của máy phát thứ i, pu.

Tg,i

: Hằng số thời gian của bộ điều tốc, [s]

Tw,i

: Hằng số thời gian khởi động của nước cho tuabin thứ i [s]

Twp

: Hằng số thời gian khởi động của nước với tải định mức trong
đường ống áp lực [s]

Tp

: Hằng số thời gian của van phụ và secvo, [s]

δi

: Góc cơng suất của máy phát thứ i, rad

ρ

: Trọng lượng riêng của nước [kg/m3]

ω0

: Tốc độ góc của máy phát điện tại thời điểm làm việc, rad/s

ωi

: Tốc độ của máy phát thứ i, rad/s

vii

Kí hiệu
PSO
NARMA-L2

Nghĩa tiếng Anh
Particle swarm optimization
Nonlinear Autoregressive Moving Average

Nghĩa tiếng Việt
Tối ưu hóa bầy đàn
Điều khiển hồi qui

Model reference adaptive

Điều khiển thích nghi với mơ

control

hình mẫu

MPC

Model predictive control.

Điều khiển dự báo

ANN

Artificial Neural Network

Mạng nơ ron nhân tạo

GA

Genetic Algorithm

Thuật toán di truyền

DE

Differential Evolution

Tiến hóa vi phân

AGC

Automatic generation control

Điều khiển tự động máy phát

IAE

Integral of absolute error

Tích phân sai số tuyệt đối

MRAC

ITAE
ISE
ITSE

Integral of time multiplied by Tích phân tích thời gian với sai
absolute error

số tuyệt đối

Integral of squared error

Tích phân bình phương sai số

Integral of time multiplied by Tích phân tích thời gian với
squared error

bình phương sai số


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
TT

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1. Thời gian tối thiểu duy trì vận hành phát điện tương ứng với các dải

tần số của hệ thống điện [3] ............................................................ 14
Bảng 1.2. Tổng hợp các nghiên cứu gần đây về LFC/AGC ........................... 27
Bảng 3.1. Bảng luật mờ đề xuất cho bộ điều khiển mờ kiểu PI ..................... 63
Bảng 4.1 So sánh ba phương pháp học của mạng nơ ron nhân tạo ................ 83
Bảng 4.2. Tham số lựa chọn cho mơ hình mẫu............................................... 88
Bảng 4.3. Kết quả so sánh dựa trên một số tiêu chuẩn điều khiển trong trường
hợp mô phỏng đầu tiên.................................................................... 99
Bảng 4.4. So sánh chất lượng các bộ điều khiển dựa trên hai tiêu chuẩn điều
khiển IAE và ISE cho trường hợp mô phỏng thứ hai ................... 100
Bảng 4.5. Kết quả so sánh dựa trên một số tiêu chí điều khiển .................... 103
Bảng 5.1. So sánh các bộ điều khiển dựa trên chỉ tiêu chất lượng ITAE cho đáp
ứng sai lệch tốc độ máy phát......................................................... 127
Bảng 5.2. So sánh các bộ điều khiển dựa trên chỉ tiêu chất lượng ITAE cho độ
lệch công suất trao đổi đường dây giữa hai vùng ......................... 128


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH
TT

Tên hình

Trang

Hình 1.1. Mơ hình nhà máy thủy điện ............................................................ 10
Hình 1.2. Hệ thống tự động hóa cho nhà máy thủy điện ................................ 11
Hình 1.3. Sơ đồ khối nhà máy thủy điện đơn vùng ........................................ 12
Hình 1.4. Đặc tính tĩnh của tuabin .................................................................. 16
Hình 1.5. Mơ hình hệ thống điều khiển tuabin thủy điện liên kết hai vùng ... 19

Hình 1.6. Hệ thống LFC .................................................................................. 25
Hình 1.7. Tiến trình thực hiện luận án ............................................................ 32
Hình 2.1. Mơ hình nhà máy thủy điện ............................................................ 34
Hình 2.2. Mơ hình chức năng hệ thống thủy điện đơn vùng .......................... 35
Hình 2.3. Mô phỏng đáp ứng hàm quá độ của bộ điều tốc khi Tg thay đổi ... 36
Hình 2.4. Mơ phỏng đặc tính làm việc của tuabin khi Tw thay đổi ............... 37
Hình 2.5. Mạch vịng điều khiển tần số .......................................................... 38
Hình 2.6. Mơ hình máy phát điện ................................................................... 38
Hình 2.7. Đáp ứng quá độ của đặc tính máy phát - phụ tải ............................ 39
Hình 2.8. Mơ hình hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện đơn vùng .... 40
Hình 2.9. Đáp ứng các khâu của sơ đồ hệ thống thủy điện đơn vùng ............ 40
Hình 2.10. Hệ thống thủy điện liên kết hai vùng ............................................ 41
Hình 2.11. Mơ hình thủy điện liên kết hai vùng khi chưa thiết kế bộ điều khiển
cho hai khu vực ............................................................................... 43
Hình 2.12. Mơ hình mơ phỏng hệ thống thủy điện liên kết hai vùng ............. 43
Hình 2.13. (a) Vùng 1 ..................................................................................... 44
Hình 2.13. (b) Vùng 2 ..................................................................................... 45
Hình 2.14. Mơ hình cấu trúc hệ thống điều khiển tuabin thủy điện liên kết
hai vùng .......................................................................................... 46
Hình 2.15. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thủy điện liên kết hai vùng ........ 48


x

Hình 3.1. Bộ điều khiển mờ theo luật PID dùng thuật tốn chỉnh định
PID mờ ........................................................................................... 52
Hình 3.2. Hệ thống điều khiển mờ theo luật PD ............................................. 52
Hình 3.3. Hệ thống điều khiển theo luật PI..................................................... 53
Hình 3.4. Lưu đồ thuật tốn điển hình cho giải thuật tối ưu PSO .................. 55
Hình 3.5. Giải bài tốn dùng GA .................................................................... 56

Hình 3.6. Lưu đồ giải thuật di truyền .............................................................. 57
Hình 3.7. Sơ đồ chức năng của mạng lưới thủy điện liên kết hai khu vực ..... 60
Hình 3.8. Kiến trúc bộ điều khiển logic mờ loại PI điển hình cho bộ điều
khiển ............................................................................................... 62
Hình 3.9. Cấu trúc bộ điều khiển logic mờ kiểu PD kết hợp giải thuật tối
ưu PSO ........................................................................................... 64
Hình 3.10. Cấu trúc bộ điều khiển logic mờ kiểu PI kết hợp giải thuật
tối ưu PSO ..................................................................................... 65
Hình 3.11. Thơng số của bộ điều khiển PID ................................................... 66
Hình 3.12. Kiến trúc mờ kiểu PI xây dựng trên MATLAB ............................ 67
Hình 3.13. Xây dựng các hàm liên thuộc cho đầu vào sai lệch E(t) ............... 68
Hình 3.14. Xây dựng các hàm liên thuộc cho đầu vào đạo hàm của sai
lệch DE(t) ...................................................................................... 68
Hình 3.15. Mờ hóa đầu ra của bộ điều khiển mờ kiểu PI ............................... 69
Hình 3.16. Quan hệ vào/ra của bộ điều khiển mờ kiểu PI đã đề xuất ............ 69
Hình 3.17. Kết quả mơ phỏng cho một nhà máy thủy điện đơn vùng ............ 71
Hình 3.18. So sánh ba bộ điều khiển FLC cho trường hợp nhà máy thủy điện
đơn vùng.......................................................................................... 71
Hình 3.19. Đáp ứng sai lệch tốc độ máy phát đồng bộ cho nhà máy đơn vùng
sử dụng bộ điều khiển logic mờ, khi tải thay đổi 4%. .................... 72
Hình 3.20. Sự hội tụ của thuật toán PSO ........................................................ 74


xi

Hình 3.21. Cập nhật các hệ số chỉnh định bằng thuật tốn PSO .................... 74
Hình 3.22. So sánh ba bộ điều khiển mờ ứng dụng các thuật toán tối ưu hóa
sinh học khác nhau (PSO, GA và DE) ............................................ 75
Hình 3.23. Các hàm mục tiêu trong hệ thống thủy điện liên kết hai vùng áp
dụng bộ điều khiển logic mờ ứng dụng ba thuật tốn tối ưu hóa ... 76

Hình 4.1. Học có giám sát ............................................................................... 81
Hình 4.2. Học củng cố..................................................................................... 82
Hình 4.3. Học khơng có giám sát .................................................................... 83
Hình 4.4. Mạng Perceptron ............................................................................. 84
Hình 4.5. Kiến trúc mạng nơ ron .................................................................... 85
Hình 4.6. Mơ hình mơ phỏng NARMA sử dụng ANN .................................. 86
Hình 4.7. Mơ hình mẫu xây dựng trên Simulink ............................................ 87
Hình 4.8. Đáp ứng vào/ra của mơ hình mẫu với một trường hợp thay đổi phụ
tải ..................................................................................................... 89
Hình 4.9. Mơ hình mơ phỏng thủy điện liên kết 2 vùng sử dụng bộ điều khiển
NARMA - L2 dựa trên ANN .......................................................... 89
Hình 4.10. Cấu trúc điều khiển của mơ hình MRAC áp dụng ANN .............. 91
Hình 4.11. Mơ hình MPC dựa trên ANN được áp dụng cho vùng điều khiển
thứ i ................................................................................................. 91
Hình 4.12. Cấu trúc điều khiển của các hệ thống thủy điện áp dụng bộ điều
khiển LFC ....................................................................................... 93
Hình 4.13. Quá trình huấn luyện của hai bộ điều khiển LFC dựa trên ANN kết quả điển hình ............................................................................. 96
Hình 4.14. Kết quả mơ phỏng cho kịch bản mơ phỏng đầu tiên .................... 97
Hình 4.15. Sai lệch công suất trao đổi trên đường dây trong trường hợp mơ
phỏng đầu tiên ................................................................................. 98
Hình 4.16. Hàm mục tiêu cho kịch bản mô phỏng đầu tiên ........................... 98


xii

Hình 4.17. Kết quả mơ phỏng cho kịch bản thứ hai ....................................... 99
Hình 4.18. Các hàm mục tiêu cho trường hợp mơ phỏng thứ hai................. 100
Hình 4.19. Q trình huấn luyện của hai bộ điều khiển LFC dựa trên ANN kết quả điển hình ........................................................................... 101
Hình 4.20. Kết quả mơ phỏng nhà máy thủy điện liên kết hai khu vực ....... 102
Hình 4.21. Cơng suất trao đổi trên đường dây và hàm mục tiêu (a) công suất

liên kết; (b) Hàm mục tiêu ............................................................ 103
Hình 5.1. Mơ hình các bộ điều khiển ứng dụng cho đơn vùng ..................... 106
Hình 5.2. Đáp ứng sai lệch tốc độ máy phát đồng bộ cho hệ thống điện đơn
vùng sử dụng các bộ điều khiển thơng minh đã đề xuất ............... 107
Hình 5.3. So sánh đáp ứng sai lệch tốc độ máy phát khi sử dụng các bộ điều
khiển ứng dụng logic mờ, mạng nơ ron và PID - đơn vùng ......... 107
Hình 5.4. Mơ hình các bộ điều khiển ứng dụng cho liên kết 2 vùng ............ 108
Hình 5.5. Thay đổi tải cho mỗi vùng ............................................................ 109
Hình 5.6. Đáp ứng độ lệch tốc độ cho vùng 1 sử dụng các bộ điều khiển tốc độ
tuabin khác nhau ........................................................................... 110
Hình 5.7. Đáp ứng độ lệch tốc độ cho vùng 2 sử dụng các bộ điều khiển tốc độ
tuabin khác nhau ........................................................................... 111
Hình 5.8. Tín hiệu điều khiển vị trí van ở vùng 1 ......................................... 112
Hình 5.9. Tín hiệu điều khiển vị trí van vùng 2 ............................................ 113
Hình 5.10. Độ lệch cơng suất cơ cho khu vực 1 ........................................... 114
Hình 5.11. Độ lệch cơng suất cơ cho khu vực 2 ........................................... 115
Hình 5.12. Độ lệch tốc độ cho khu vực 1 ..................................................... 116
Hình 5.13. Độ lệch tốc độ cho khu vực 2 ..................................................... 117
Hình 5.14. Độ lệch công suất trên đường dây của khu vực 1,2 .................... 119
Hình 5.15. Sai lệch vùng điều khiển khu vực 1 ............................................ 121
Hình 5.16. Sai lệch tín hiệu vùng ACE1 - giá trị tuyệt đối ........................... 123


xiii

Hình 5.17. Chỉ tiêu ITAE cho tín hiệu sai lệch điều khiển vùng 1 ............... 124
Hình 5.18. Sai lệch vùng điều khiển khu vực 2 ............................................ 125
Hình 5.19. Sai lệch tín hiệu vùng ACE 2- giá trị tuyệt đối ........................... 126
Hình 5.20. Chỉ tiêu ITAE cho tín hiệu sai lệch điều khiển vùng 2 ............... 127

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Đối với hệ thống điện Việt Nam hiện nay việc nâng cao công suất và ổn
định hệ thống để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện đang cần thiết và rất cấp bách.
Để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện cho các phụ tải và nâng cao chất lượng điện
năng, Chính phủ cùng các Bộ, ngành, địa phương đã đưa ra rất nhiều chính sách
ưu đãi khuyến khích các tổng cơng ty, doanh nghiệp tư nhân và doanh nghiệp
nước ngoài đầu tư xây dựng nhà máy phát điện để cung cấp cho hệ thống điện
Việt Nam, đặc biệt ưu tiên năng lượng tái tạo nhằm nâng cao chất lượng điện
năng, đảm bảo an toàn, an ninh năng lượng Quốc gia.
Trong hệ thống điện hiện nay bao gồm các nguồn phát điện khác nhau
như: nhiệt điện, thủy điện, năng lượng mặt trời, năng lượng gió v.v..., trong
đó năng lượng thủy điện đang chiếm khoảng 23% công suất phát vào lưới điện
Quốc gia.
Thủy điện là nguồn điện được phát điện thông qua việc biến đổi năng lượng
từ nước dưới dạng thế năng biến đổi thành cơ năng làm quay tuabin - máy phát để
phát ra điện cung cấp cho phụ tải. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành phụ tải
luôn gặp những biến động như: sự cố lưới điện, thay đổi công suất, tần số, chế độ
làm việc của phụ tải và tổ máy, dẫn đến sự mất ổn định của hệ thống điện. Do vậy,
nhiệm vụ của bộ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện là phải giữ sao cho công suất
và tần số lưới điện luôn ổn định khi tải thay đổi.
Ở chế độ phát điện độc lập trong tồn bộ q trình phát điện việc điều
chỉnh công suất và tần số ổn định khi tải thay đổi là nhiệm vụ chính của tổ máy
phát thủy điện. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành tổ máy thì cơng suất, tần số
lưới ln thay đổi dẫn đến làm mất ổn định hệ thống điện. Do vậy, bộ điều tốc
có nhiệm vụ tham gia điều khiển đóng/mở cánh hướng để giữ cho cơng suất, tần
số lưới ổn định.

2

Với các nhà máy thủy điện nhỏ hiện nay đang thực hiện chế độ vận
hành phát độc lập và phát khu vực cung cấp cho phụ tải, trong quá trình vận
hành khi tải thay đổi, chiều cao cột áp thay đổi cùng tổn thất đường ống dẫn
đến thay đổi tốc độ, tần số máy phát. Việc nghiên cứu để ổn định công suất,
tần số máy phát ở chế độ phát độc lập đã được nhiều nhà nghiên cứu, chuyên
gia trong, ngồi nước quan tâm và có những cơng trình nghiên cứu tương đối
cơ bản và hoàn thiện.
Đối với các nhà máy liên kết đa vùng trên thế giới một số nhà khoa học
đã quan tâm nghiên cứu và đạt những kết quả bước đầu trên cơ sở ứng dụng việc
tính toán mềm.
Ở nước ta hiện nay, việc xây dựng hệ thống lưới điện thơng minh địi hỏi
phải tích hợp nhiều nguồn năng lượng đa dạng để đảm bảo an ninh năng lượng
Quốc gia, do vậy việc kết nối các nguồn điện và nhà máy thủy điện là quan trọng
và cần thiết. Tuy nhiên, bài toán nghiên cứu về ổn định tần số tải trong thủy điện
liên kết vùng chưa được các nhà khoa học trong nước đề cập giải quyết.
Bài toán này sẽ được NCS tập trung giải quyết trong luận án với đề tài:
“Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển tốc độ tuabin thuỷ điện liên kết vùng
trên cơ sở logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo”
2. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu, xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy
điện liên kết vùng.
Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển tốc độ tuabin thuỷ điện liên kết
vùng trên cơ sở logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo nhằm nâng cao chất lượng
điều khiển.
3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu thực tế quy trình cơng nghệ phương thức vận hành của hệ

thống tự động hóa thủy điện.


3

Nghiên cứu xây dựng và khảo sát mơ hình mơ phỏng của tuabin máy phát
thủy lực trên cơ sở công cụ mô phỏng Matlab/Simulink với các tham số thực tế
của tổ máy, sử dụng các thuật tốn điều khiển thơng minh mới.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu thiết bị, công nghệ tuabin nhà máy thủy điện đơn vùng và
liên kết vùng.
- Nghiên cứu quy trình vận hành nhà máy và hệ thống điện, nghiên cứu
các dạng sự cố của tổ máy và sự ảnh hưởng của các thông số như: Sự cố, chế độ
vận hành của tổ máy, công suất, tần số máy phát khi tải thay đổi, liên kết với các
nhà máy trong vùng cấp điện.
- Thiết kế bộ điều khiển logic mờ loại PI dựa trên các thuật toán tối ưu như :
Tối ưu hóa bầy đàn (PSO), thuật tốn di truyền (GA), tiến hóa vi phân (DE).
- Tổng hợp bộ điều khiển nơ ron kết hợp với các thuật toán điều khiển dự
báo (ANN - MPC), hồi quy phi tuyến (NARMA), điều khiển thích nghi với mơ
hình tham chiếu (MRAC) ứng dụng trong điều khiển tần số tải của hệ thống thủy
điện liên kết hai vùng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Ý nghĩa khoa học: Phát triển các thuật toán điều khiển thông minh trên
cơ sở ứng dụng điều khiển mờ và mạng nơ ron, ứng dụng trong tổng hợp bộ điều
khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng khi phụ tải thay đổi.
* Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu là cơ sở để thực nghiệm tiến tới chế tạo các bộ điều
khiển thông minh nhằm nâng cao chất lượng điều khiển của bộ điều khiển tuabin
thủy điện cho các nhà máy thủy điện hiện nay của Việt Nam, góp phần giữ ổn
định cơng suất, tốc độ (tần số) của tuabin máy phát thủy điện khi tải thay đổi và

nâng cao hiệu suất làm việc.
6. Các kết quả mới đạt được
- Tổng hợp được bộ điều khiển mờ tối ưu loại PI cho điều khiển tốc độ


4

(tần số) tuabin thủy điện liên kết 2 vùng với 03 giải thuật tối ưu: Tối ưu hóa bày
đàn PSO, thuật tốn di truyền GA và tiến hóa vi phân DE.
- Tổng hợp được bộ điều khiển nơ ron tối ưu cho điều khiển tốc độ (tần
số) tuabin thủy điện liên kết 2 vùng với 03 thuật toán: Điều khiển dự báo MPC,
hồi quy phi tuyến NARMA và điều khiển thích nghi với mơ hình tham chiếu
MRAC. Các tham số chỉnh định được xác định thơng qua thuật tốn tối ưu hóa
bày đàn PSO.
- Thiết lập được mơ hình mẫu cho bài tốn điều khiển tần số phụ tải mơ
hình nhà máy thủy điện đơn vùng và hai vùng điều khiển.
7. Nội dung nghiên cứu
Luận án được thiết kế cấu trúc gồm: Phần mở đầu và 5 chương, phần kết
luận và kiến nghị, danh mục và các cơng trình nghiên cứu, phụ lục các hình vẽ
và mục lục tài liệu tham khảo.
Chương 1. Tổng quan về điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết
vùng để ổn định tần số lưới
Chương 1 của luận án mô tả hoạt động của hệ thống tự động hóa trong
nhà máy thủy điện, phân tích bài tốn điều khiển tốc độ tuabin thủy điện, tổng
quan các nghiên cứu trong nước và ngoài nước về thiết kế hệ thống điều khiển
tốc độ tuabin thủy điện đơn vùng và đa vùng.
Trên cơ sở những phân tích đó luận án đặt ra mục tiêu thiết kế hệ thống
điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết hai vùng để ổn định tần số tải trên cơ
sở ứng dụng một số thuật tốn điều khiển thơng minh như logic mờ, mạng nơ
ron, thuật toán tối ưu như PSO, GA, DE…

Các kết quả được công bố [CT5] trong danh mục cơng trình khoa học của
luận án.


5

Chương 2: Mơ hình động lực học của hệ thống tuabin máy phát thủy
điện liên kết vùng
Trong chương này luận án tổng hợp mơ hình tốn học của hệ thống điều
khiển tuabin thủy điện, phân tích các thành phần, các khối chức năng cơ bản
trong hệ thống. Luận án tập trung phân tích đặc thù của mơ hình hệ thống khi
có liên kết 2 vùng, đề xuất mơ hình và cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ
tuabin thủy điện liên kết 2 vùng. Đây là cơ sở để trong những chương tiếp
theo của luận án sẽ đề xuất một số thuật tốn điều khiển thơng minh sử dụng
trong tổng hợp các bộ điều khiển hệ thống nhằm bảo đảm được mục tiêu điều
khiển đã đề ra.
Các kết quả được cơng bố [CT4] trong danh mục cơng trình khoa học của
luận án
Chương 3. Thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết
vùng trên cơ sở logic mờ để ổn định tần số tải
Chương 3 của luận án đưa ra thiết kế bộ điều khiển mờ FLC loại PI và PD
để điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng. Các tham số chỉnh định
của hai bộ điều khiển mờ trong hệ thống được xác định bằng các thuật toán tối
ưu: PSO, GA, DE. Kết quả mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink cho
thấy các bộ điều khiển mờ PI hoặc PD đều có hiệu quả hơn bộ điều khiển PID
kinh điển. Đồng thời thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO thể hiện tốc độ hội tụ
nhanh nhất trong bài toán đặt ra. Hai trường hợp mô phỏng số được triển khai
trong phần mềm MATLAB/Simulink cũng được triển khai cho hai hệ thống thủy
điện để khẳng định tính khả thi của các bộ điều khiển FLC được đề xuất.
Các kết quả được công bố [CT1] trong danh mục cơng trình khoa học của

luận án


6

Chương 4. Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo điều khiển tốc độ tuabin
thủy điện liên kết vùng để ổn định tần số tải
Trong chương này, luận án nghiên cứu thiết kế 03 bộ điều khiển tiêu biểu
ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo cho bài toán điều khiển tốc độ (tần số) tuabin thủy
điện liên kết hai vùng, đó là các bộ điều khiển sử dụng mạng nơ ron nhân tạo kết
hợp 03 thuật toán điều khiển: điều khiển dự báo MPC, hồi quy phi tuyến NARMA,
điều khiển thích nghi với mơ hình tham chiếu MRAC.
Kết quả mơ phỏng sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink đã chứng tỏ được
ưu thế vượt trội của ba bộ điều khiển thông minh này so với bộ điều khiển kinh điển
PID. Khi đánh giá và so sánh từng bộ điều khiển ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo,
có thể nhận thấy là:
Bộ điều khiển NARMA-L2 có thời gian huấn luyện mạng nhanh hơn do
khơng cần quá trình nhận dạng đối tượng điều khiển khi đối tượng điều khiển đã
được tuyến tính hóa.
Bộ điều khiển MRAC yêu cầu hai quá trình: nhận dạng đối tượng điều khiển
và huấn luyện mạng nơ ron cho bộ điều khiển.
Bộ điều khiển MPC chỉ cần quá trình nhận dạng đối tượng điều khiển, tuy
nhiên do là bộ điều khiển dự báo nên cần nhiều thời gian khi chạy mô phỏng.
Các tham số chỉnh định được tối ưu hóa trên cơ sở sử dụng thuật tốn tối ưu
hóa bầy đàn PSO.
Kết quả mô phỏng 3 hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2
vùng để ổn định tần số tải với các thuật toán trên đều cho thấy cả 3 bộ đều có chất
lượng tốt hơn nhiều so với bộ điều khiển PID kinh điển.
Các kết quả được công bố [CT2], [CT3] trong danh mục công bố cơng trình
khoa học của luận án.

7

Chương 5. Phân tích và đánh giá hiệu quả các giải pháp điều khiển thông
minh tốc độ tuabin nhà máy thủy điện
Trong chương này, luận án đã mô phỏng, so sánh, phân tích, đánh giá các
bộ điều khiển thơng minh (mờ và nơ ron) đã đề xuất ở các chương trước cho
mục đích điều khiển thủy điện đơn vùng và liên vùng để đưa ra các khuyến cáo
cần thiết trong ứng dụng thực tế cụ thể.
Kết quả được công bố [CT6], trong danh mục cơng bố cơng trình khoa học
của luận án.
Kết luận
Các kết quả đạt được của luận án
Tác giả đã nghiên cứu, khảo sát, thiết kế và đưa ra được những kết quả
mới như sau:
- Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển tuabin thủy lực liên kết 2 vùng.
- Thiết kế các bộ điều khiển logic mờ tối ưu loại PI và PD trên cơ sở áp dụng
các thuật toán tối ưu bày đàn PSO, thuật toán tiến hóa GA và tiến hóa vi phân DE
cho hệ thống điều khiển tuabin thủy lực liên kết 2 vùng.
- Tổng hợp được 03 bộ điều khiển mạng nơ ron nhân tạo MPC, MRAC,
NARMA - L2 cho hệ thống điều khiển tuabin thủy lực liên kết 2 vùng.
- Mô phỏng, so sánh, đánh giá các giải pháp điều khiển thông minh
đề xuất.
- Xây dựng chương trình mơ phỏng trên máy tính để so sánh, đánh giá các
giải pháp điều khiển đề ra trong luận án, đưa ra các khuyến nghị cần thiết trong
ứng dụng thực tế.
- Mơ phỏng, phân tích, đánh giá các bộ điều khiển thông minh được thiết
kế so với bộ điều khiển truyền thống PID, cho thấy bộ điều khiển thông minh
dựa trên logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo có chất lượng tốt hơn.

8

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN THỦY ĐIỆN
LIÊN KẾT VÙNG ĐỂ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ LƯỚI
1.1. Giới thiệu về thủy điện Việt Nam
Năng lượng điện là dạng năng lượng thứ cấp được tạo ra từ nhiều nguồn
năng lượng thứ cấp khác nhau như nhiệt năng (dầu, khí đốt, than, năng lượng
phóng xạ, năng lượng mặt trời...), thủy năng (sơng, suối, sóng biển, thủy
chiều...), năng lượng gió... Đây là loại năng lượng đóng vai trị quan trọng và
được sử dụng trên khắp thế giới trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống ngày nay
như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, sinh hoạt. Việc sử dụng dạng năng
lượng khác để biến thành điện năng của mỗi nước là tùy vào tình hình tài
nguyên và đường lối phát triển của nước đó. Thuỷ năng là một dạng năng
lượng tái tạo được. Đây là đặc tính ưu việt nhất của nguồn năng lượng này,
các nguồn năng lượng khác như: Nguyên tử, than, dầu... khơng thể tái tạo
được. Trong q trình biến đổi năng lượng, chỉ có thuỷ năng sau khi biến đổi
thành cơ năng và nhiệt năng lại được tái tạo thành dạng thủy năng, còn các
dạng năng lượng khác trong quá trình biến đổi khơng tự tái tạo trong tự nhiên.
Con người sử dụng nguồn thuỷ năng để phục vụ cho đời sống và sản xuất, đặc
biệt là để phát 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 cao độ 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 công suất thủy điện vào khoảng 25.000 - 26.000 MW, tương ứng với


9

khoảng 90 -100 tỷ kWh điện năng/năm. Tuy nhiên, trên thực tế, tiềm năng về
cơng suất thủy điện có thể khai thác còn nhiều hơn. Theo kinh nghiệm khai thác
mà thủy điện trên thế giới, công 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/năm.
Ngồi mục tiêu cung cấp điện, các nhà máy thủy điện còn có nhiệm vụ cắt
và chống lũ cho hạ du trong mùa mưa bão, đồng thời cung cấp nước phục vụ sản
xuất và nhu cầu dân sinh trong mùa khô.
Ở nước ta, thủy điện chiếm một tỷ trọng cao trong cơ cấu sản xuất điện.
Hiện nay, mặc dù ngành điện đã phát triển đa dạng hóa nguồn điện, nhưng thủy
điện vẫn đang chiếm một tỷ trọng đáng kể. Năm 2014, thủy điện chiếm khoảng
32% trong tổng sản xuất điện. Theo dự báo của Quy hoạch điện VII (QHĐ VII)
thì đến các năm 2020 và 2030 tỷ trọng thủy điện vẫn còn khá cao, tương ứng
là 23%.
Trong thời kì đổi mới hiện nay, nền cơng nghiệp nước ta đóng một vị
trí rất quan trọng trong q trình cơng nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước,
ngành điện là ngành tiên phong ln đi trước một bước và xây dựng các
nhà máy, nhiệt điện, thủy điện, điện gió điện mặt trời, điện hạt nhân. Trong
số các nguồn điện thì thủy điện ln đạt sản lượng cao nhất chiếm một tỉ
trọng lớn trong ngành điện. Do vậy nhà máy thủy điện ln được Chính
phủ và các Bộ ngành, Tập đoàn Điện lực quan tâm và đầu tư rất lớn. Tại
các khu vực, miền Bắc, miền Trung, miền Nam, công suất của nhà máy
thủy điện theo TCVN 5090 được phân chia thành 3 loại, thủy điện lớn có
cơng suất P> 1000MW, thủy điện trung bình có công suất 15MW< P
<1000MW, thủy điện nhỏ P<15MW.

10

Hình 1.1. Mơ hình nhà máy thủy điện
Một số nhà máy thủy điện lớn có thể kể đến như: nhà máy thủy điện Sơn
La là nhà máy thủy điện lớn nhất Việt Nam và khu vực Đông Nam Á, được xây
dựng ngày 2/12/2005, công suất lắp đặt 2400MW, nhà máy thủy điện Hịa Bình
cơng suất 1920MW được xây dựng và khánh thành năm 1994, nhà máy thủy
điện Lai Châu công suất lắp đặt 1200MW, thủy điện Huội Quảng công suất lắp
đặt 520MW, thủy điện Yaly công suất lắp đặt 720MW, thủy điện Hàm Thuận Đa Nhim khởi công năm 1997, hồn thành 2001, cơng suất 300MW, nhà máy
thủy điện Tun Quang công suất 342 MW.v.v... là những thủy điện chiến lược
đa mục tiêu. Bên cạnh đó là những nhà máy thủy điện vừa và thủy điện nhỏ cũng
tham gia vào thị trường phát điện Việt Nam. Có thể thấy thủy điện ln đóng
một vai trị rất quan trọng trong q trình phát triển kinh tế của đất nước. Chính
vì vậy mà khâu đầu tư, chế tạo thiết bị, quản lí vận hành cho các nhà máy đòi
hỏi rất cao về yêu cầu kỹ thuật công nghệ và an ninh năng lượng của Quốc gia.
Nhà máy thủy điện có bộ điều tốc (được ví như là trái tim của nhà máy) làm
nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ và tần số máy phát. Trong hệ thống nhà máy dù chỉ