Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết vùng dựa trên logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo - Luận án tiến sĩ kỹ thuật

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 luan an 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.TS Lê Hùng Lân 2.TS Nguyễn Văn Tiềm HÀ NỘI, 2020 luan an i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là thành quả công trình nghiên cứu của riêng tôi 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 công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả Nguyễn Duy Trung luan an ii LỜI CÁM ƠN Trong quá trình làm luận án, Tôi 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 tôi trong suốt quá 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 yêu của tôi, là nơi tôi luôn nhận được sự ủng hộ động viên, khích lệ kịp thời, và luôn đồng hành kề vai sát cánh bên tôi để tôi có thể vững tâm hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu luận án. Tác giả luan an iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan.

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. Giới thiệu về thủy điện Việt Nam. Hệ thống tự động hóa trong nhà máy thủy điện.

Bài toán điều khiển tần số và công suất tác dụng trong hệ thống điện 13 1. Bài toán điều khiển tần số phát điện khi có liên kết vùng. Tổng quan các nghiên cứu. Chọn tên đề tài và hướng nghiên cứu.

Mục tiêu luận án. Kết luận chương 1. 32 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ THỐNG TUABIN MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG. Sơ đồ cấu trúc hệ thống thủy điện đơn vùng.

Mô hình đường ống áp lực. Mô hình hệ thống servo điện - thủy lực. Mô hình tuabin thủy lực. Mô hình máy phát điện.

37 luan an iv 2. Khảo sát động học hệ thống. Mô hình hệ thống thủy điện liên kết hai vùng. Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ tuabin máy phát thủy điện liên kết hai vùng.

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. Bộ điều khiển mờ luật PID. Các giải thuật tối ưu hóa tham số bộ điều khiển.

Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO. Thuật toán di truyền GA. Thuật toán tiến hóa vi phân DE. Thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng để ổn định tần số khi tải thay đổi.

Thiết kế bộ điều khiển FLC1 và FLC2 loại PI. Thiết kế bộ điều khiển FLC1 và FLC2 loại PD. Tối ưu hóa các tham số bộ điều khiển mờ. Mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng.

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. Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo để tổng hợp bộ điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết vùng. Những khái niệm cơ bản về mạng nơ ron nhân tạo.

Các phương pháp huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo. 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. Chiến lược điều khiển tần số - tải sử dụng bộ điều khiển NARMA- L2. Bộ điều khiển LFC dựa trên MRAC.

MPC ứng dụng ANN cho LFC. Các kết quả mô phỏng. Điều khiển thủy điện liên kết hai vùng sử dụng bộ điều khiển nơ ron 94 4. Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển NARMA và MRAC.

Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển MPC. 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. Tổng hợp và phân tích các giải pháp điều khiển cho nhà máy thủy điện đơn vùng và liên kết vùng.

Sơ đồ mô phỏng nhà máy thủy điện đơn vùng ứng dụng bộ điều khiển mờ và mạng nơ ron. Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2 vùng để ổn định tần số tải. Kết luận chương 5. 128 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

130 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ. 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 144 luan an 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 công 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 luan an vii Kí hiệu Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt PSO Particle swarm optimization Tối ưu hóa bầy đàn Nonlinear Autoregressive - NARMA-L2 Điều khiển hồi qui Moving Average Model reference adaptive Điều khiển thích nghi với mô MRAC 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 Integral of time multiplied by Tích phân tích thời gian với sai ITAE absolute error số tuyệt đối ISE Integral of squared error Tích phân bình phương sai số Integral of time multiplied by Tích phân tích thời gian với ITSE squared error bình phương sai số luan an viii DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 1.

Thời gian tối thiểu duy trì vận hành phát điện tương ứng với các dải tần số của hệ thống điện [3]. Tổng hợp các nghiên cứu gần đây về LFC/AGC. Bảng luật mờ đề xuất cho bộ điều khiển mờ kiểu PI .1 So sánh ba phương pháp học của mạng nơ ron nhân tạo. Tham số lựa chọn cho mô hình mẫu.

Kết quả so sánh dựa trên một số tiêu chuẩn điều khiển trong trường hợp mô phỏng đầu tiên. 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. Kết quả so sánh dựa trên một số tiêu chí điều khiển. So sánh các bộ điều khiển dựa trên chỉ tiêu chất lượng ITAE cho đáp ứng sai lệch tốc độ máy phát.

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 luan an ix DANH MỤC CÁC HÌNH TT Tên hình Trang Hình 1. Mô hình nhà máy thủy điện. Hệ thống tự động hóa cho nhà máy thủy điện.

Sơ đồ khối nhà máy thủy điện đơn vùng. Đặc tính tĩnh của tuabin. Mô hình hệ thống điều khiển tuabin thủy điện liên kết hai vùng. Hệ thống LFC.

Tiến trình thực hiện luận án. Mô hình nhà máy thủy điện. Mô hình chức năng hệ thống thủy điện đơn vùng. Mô phỏng đáp ứng hàm quá độ của bộ điều tốc khi Tg thay đổi.

Mô phỏng đặc tính làm việc của tuabin khi Tw thay đổi. Mạch vòng điều khiển tần số. Mô hình máy phát điện. Đáp ứng quá độ của đặc tính máy phát - phụ tải.

Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện đơn vùng. Đáp ứng các khâu của sơ đồ hệ thống thủy điện đơn vùng. Hệ thống thủy điện liên kết hai vùng. Mô hình thủy điện liên kết hai vùng khi chưa thiết kế bộ điều khiển cho hai khu vực.

Mô hình mô phỏng hệ thống thủy điện liên kết hai vùng. Mô hình cấu trúc hệ thống điều khiển tuabin thủy điện liên kết hai vùng. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thủy điện liên kết hai vùng. 48 luan an x Hình 3.

Bộ điều khiển mờ theo luật PID dùng thuật toán chỉnh định PID mờ .