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

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1 115 ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SRÊPỐK 3 ỨNG DỤNG LOGIC MỜ PROPOSING AN IMPROVED CONTROL ALGORITHM FOR THE GOVERNANCE SYSTEM OF SREPOK 3 HYDROPOWER PLANT USING FUZZY LOGIC SYSTEM Trần Đức Sỹ1, Mai Đình Thành1, Lê Tiến Dũng2* 1Công ty Thủy điện Buôn Kuốp; syatd5@gmail.com, dinhthanh24@gmail.com 2Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; ltdung@dut.udn.vn Tóm tắt - Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 nằm trong hệ thống thủy điện bậc thang trên sông Srêpốk, góp phần quan trọng trong việc cung cấp năng lượng điện cho lưới điện quốc gia. Trong bài báo này, các tác giả thực hiện nghiên cứu xây dựng mô hình toán học của hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 trên cơ sở giữ nguyên các bản chất phi tuyến của hệ thống để mô hình mô tả sát với thực tiễn. Dựa trên cơ sở mô hình toán học và sự hiểu biết về bản chất hệ thống, kinh nghiệm vận hành, quản lý nhà máy, các tác giả đề xuất một phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 sử dụng logic mờ. Hiệu quả của thuật toán đề xuất được thử nghiệm bằng mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Kết quả cho thấy đặc tính khởi động của hệ thống đã được cải thiện tốt, đáp ứng nhanh chóng công suất đặt. Abstract - Srepok 3 Hydropower Plant is located on the terraced hydropower system on the Srepok river, contributing significantly to the supply of electricity to the national grid. In this paper, the authors have conducted a study to construct mathematical model of the governance system of the Srepok 3 hydropower plant on the basis of maintaining the nonlinear nature of the system so that the model is close to reality. Based on a mathematical model and an understanding of the system, operation experience and plant management, the authors propose a method for improving the control algorithm for the governance system of Srepok 3 hydropower plant using fuzzy logic. The effect of the proposed algorithm is tested through simulation on the Matlab/Simulink. The results show that the startup characteristic of the system has been improved, responding quickly to the setup power. Từ khóa - nhà máy thủy điện; hệ thống điều tốc; logic mờ; mô hình hóa; mô phỏng. Key words - hydropower plant; governance system; fuzzy logic; modeling; simulation. 1. Đặt vấn đề Cho đến nay, các nhà máy thủy điện vẫn đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng điện trên toàn cầu. Theo thống kê, lượng điện năng do các nhà máy thủy điện sản xuất và cung ứng chiếm khoảng 19% tổng năng lượng điện của toàn cầu [1]. Tại Việt Nam, sau hơn 30 năm đổi mới, thủy điện đóng vai trò vô cùng to lớn trong sự phát triển kinh tế của đất nước, là một cấu phần quan trọng của ngành điện đảm bảo cung ứng điện cho quá trình hội nhập kinh tế quốc tế. Theo quy hoạch, đến năm 2020, tổng công suất các nguồn thủy điện sẽ đạt khoảng 21.600 MW, khoảng 24.600 MW vào năm 2025 và 27.800 MW vào năm 2030. Điện năng sản xuất từ nguồn thủy điện chiếm tỷ trọng tương ứng là 29,5 - 20,5% và 15,5%. Như vậy, có thể nói, đến thời điểm hiện tại và cả tương lai gần, thủy điện vẫn là một trong ba nguồn năng lượng chính đáp ứng nhu cầu điện quốc gia [2]. Với một vai trò quan trọng kể trên, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng hoạt động của các nhà máy thủy điện luôn được các tổ chức năng lượng, các công ty trong lĩnh vực điện năng, các trường đại học và các nhà khoa học quan tâm thực hiện. Trong nhà máy thủy điện thì hệ thống điều tốc đóng vai trò quan trọng. Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu đi trước đề xuất các giải pháp khác nhau để mô hình hóa và nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc. Trong bài báo [3], một số mô hình toán học khác nhau của các loại tua-bia thủy lực đã được đề xuất cho mục đích nghiên cứu và thiết kế các thuật toán điều khiển. Một công cụ mô phỏng cho các nhà máy thủy điện đã được xây dựng dựa trên phần mềm Matlab/Simulink và đã được trình bày trong bài báo [4]. Bên cạnh đó, một thuật toán điều khiển PI kết hợp với logic mờ đã được đề xuất để nâng cao chất lượng điều khiển cho nhà máy thủy điện ở Thổ Nhĩ Kỳ [5]. Ngoài ra, trong các nghiên cứu [6 - 9], các kỹ thuật, thuật toán điều khiển hiện đại đã được áp dụng để đề xuất các phương pháp mô hình hóa và điều khiển hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện cho các trường hợp cụ thể. Tại Việt Nam, cũng đã có các công trình nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện. Một số công trình nghiên cứu có thể kể đến như đề xuất thuật điều khiển bền vững H∞ [10] để điều khiển ổn định tốc độ tua-bin nhưng lại xem hệ thống là tuyến tính; đề xuất phương án điều khiển có xét đến hiệu ứng đàn hồi của cột nước trong ống áp lực [11]. Tuy nhiên, các phương pháp này đều đơn giản hóa mô hình toán học của hệ thống và xem hệ là tuyến tính. Trong bài báo này, các tác giả thực hiện nghiên cứu xây dựng mô hình toán học của hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 trên cơ sở giữ nguyên các bản chất phi tuyến của hệ thống để mô hình mô tả sát với thực tiễn. Dựa trên cơ sở mô hình toán học và sự hiểu biết về bản chất hệ thống, kinh nghiệm vận hành, quản lý nhà máy, các tác giả đề xuất một phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 sử dụng logic mờ. Các mô phỏng để kiểm chứng sự hiệu quả của phương pháp đề xuất được thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink. Các phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: Mục 2 sẽ trình bày về xây dựng mô hình toán học của hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3; Phương án cải tiến thuật toán điều khiển hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 sử dụng logic mờ được trình bày trong Mục 3; Chi tiết của các thành phần trong bộ điều khiển mờ được 116 Trần Đức Sỹ, Mai Đình Thành, Lê Tiến Dũng trình bày ở Mục 4; Mục 5 trình bày các kết quả mô phỏng. Cuối cùng, các kết luận của bài báo được trình bày trong Mục 6. 2. Mô hình toán học của hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 nằm trong hệ thống thủy điện bậc thang trên sông Srêpốk có diện tích lưu vực 9.410 km2, với hồ chứa có dung tích toàn bộ là 218.99 triệu m3, trong đó dung tích hữu ích là 62.85 triệu m3, hồ chứa làm nhiệm vụ điều tiết ngày, được tích nước từ ngày 11/5/2010. Công suất lắp đặt của nhà máy là 220 MW, sản lượng điện trung bình hàng năm là 1.060 tỉ kwh. Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 góp phần quan trọng trong việc cung cấp năng lượng điện cho lưới điện quốc gia. Hình 1. Sơ đồ cấu trúc các phần tử thủy lực Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 Mô hình phi tuyến của Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 sẽ được xây dựng bao gồm các thành phần: Cột nước, tua-bin, cánh hướng và tải máy phát. Do đường ống áp lực ngắn nên các tác giả nghiên cứu đối tượng không có sự đàn hồi của cột nước trong đường ống áp lực. 2.1. Các phương trình động học phi tuyến của hệ thống - Phương trình động học đường hầm [12]: ( )01 l w dU H H H dt T = − − (1) - Phương trình động học đường ống áp lực [12]: 0 l wH H H UT s= − − (2) 2 2 2 l f L U H f k U d g = = (3) - Động học của tua-bin [12]: ( ) 1 2U G H= (4) - Công suất cơ [13]: ( )m NLt DamP A U U H D G w= − −  (5) - Chuyển động của tua-bin [12]: (2 )m loadP P Hs D w− = + (6) - Động học của van hướng [14]: g dG T G u dt + = (7) 2.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều tốc ▪ Mô hình cột nước và tua-bin (Hình 2) Hình 2. Mô hình cột nước và tua-bin ▪ Mô hình van hướng, cột nước và tua-bin (Hình 3) Hình 3. Mô hình van hướng, cột nước và tua-bin ▪ Mô hình tải máy phát (Hình 4) Hình 4. Mô hình tải máy phát ▪ Mô hình tổng thể của hệ thống điều tốc (Hình 5) Hình 5. Mô hình tổng thể của hệ thống điều tốc ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1 117 3. Đề xuất cải thiện thuật toán bộ điều khiển Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 3.1. Bộ điều khiển hiện tại của Nhà máy Srêpốk 3 Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển tổ máy và có 4 chế độ vận hành, mỗi chế độ vận hành sẽ có các bộ PID khác nhau, sơ đồ nguyên lý điều khiển được thể hiện ở Hình 6. Hình 6. Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống điều tốc 3.2. Cải thiện thuật toán điều khiển ở chế độ khởi động Hình 7. Sơ đồ bộ điều khiển có thêm bộ điều khiển mờ 4. Thiết kế bộ điều khiển mờ 4.1. Cấu trúc bộ điều khiển mờ Bộ điều khiển mờ có hai biến trạng thái đầu vào và một biến đầu ra. Ở đây ta chọn hai biến trạng thái vào là: Sai lệch giữa tốc độ đặt và tốc độ phản hồi “E”, tốc độ biến thiên của tín hiệu sai lệch tốc độ “dE’” và biến đầu ra “U” là đại lượng bù vào tín hiệu điều khiển độ mở cánh hướng. 4.2. Định nghĩa tập mờ - Định nghĩa các biến ngôn ngữ vào ra: Biến ngôn ngữ vào là lượng sai lệch tốc độ điều khiển “E” và tốc độ biến thiên của tín hiệu sai lệch tốc độ “dE”; Biến ngôn ngữ ra “U” là đại lượng bù vào tín hiệu điều khiển độ mở cánh hướng; - Xác định miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ vào ra: E = [-0,1; 0,1]; dE = [-0,1; 0,1]; U = [-1; 1]; - Số lượng tập mờ: được chọn 5 giá trị để điều khiển nâng cao chất lượng; ▪ E = NB NM ZE PM PB; ▪ dE = NB NM ZE PM PB; ▪ U = NB NM ZE PM PB; Các hàm liên thuộc được chọn cho biến ngôn ngữ vào ra như Hình 8, Hình 9 và Hình 10. Hình 8. Hàm liên thuộc cho sai lệch E Hình 9. Hàm liên thuộc cho sai lệch dE Hình 10. Hàm liên thuộc cho đầu ra U 4.3. Xây dựng luật hợp thành Bảng 1. Luật mờ của bộ điều khiển mờ U Sai lệch tốc độ (E) NB NM ZE PM PB Sai lệch tích phân tốc độ (dE) NB NB NB NM NM ZE NM NB NM NM ZE NM ZE NM NM ZE PM PM PM NM ZE PM PM PB PB ZE NM PM PB PB Với 5 tập mờ của mỗi biến đầu vào, ta xây dựng được 5x5 = 25 luật điều khiển. 4.4. Chọn luật hợp thành Từ các luật điều khiển trên ta chọn luật hợp thành MAX-MIN, luật mờ điều khiển dưới dạng Ruler (Hình 11). Hình 11. Luật mờ điều khiển dưới dạng Ruler 4.5. Giải mờ Giải mờ theo phương pháp trọng tâm. Kết quả hợp thành và giải mờ được thể hiện ở Hình 12. 118 Trần Đức Sỹ, Mai Đình Thành, Lê Tiến Dũng Hình 12. Giải mờ 5. Kết quả mô phỏng 5.1. Mô phỏng hệ thống điều tốc với thực trạng hiện tại của Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 - Mô phỏng bộ điều PID khiển hiện tại (Hình 13) Hình 13. Mô phỏng bộ điều khiển hiện tại ▪ Kết quả mô phỏng chế độ khởi động Kết quả đặc tính khởi động của tổ máy sát với mô hình thực tế hiện tại của Nhà máy Srêpốk 3, với thời gian khởi động khoảng 60 s như Hình 14. Hình 14. Kết quả mô phỏng đặc tính khởi động ▪ Kết quả mô phỏng chế độ khởi động, hòa lưới và mang tải (Hình 15) Hình 15. Kết quả mô phỏng chế độ khởi động, hòa lưới - Đặc tính khởi động, hòa lưới và mang tải thực tế của Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 (Hình 16). Hình 16. Đặc tính thực tế Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3 5.2. Mô phỏng với thuật toán điều kiển đề xuất - Mô phỏng bộ điều khiển đề xuất (Hình 17) Hình 17. Mô phỏng bộ điều khiển trên Matlab-Simullink ▪ Kết quả mô phỏng chế độ khởi động Kết quả mô phỏng (Hình 18) và so sánh với kết quả khi sử dụng bộ điều khiển PID (Hình 19). Kết quả trên Hình 19 cho thấy bộ điều khiển PID + FUZZY mang lại đáp ứng tốt hơn, giúp cho tốc độ nhanh chóng đạt đến giá trị đặt. Hình 18. Kết quả mô phỏng đặc tính tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID+FUZZY ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1 119 Hình 19. So sánh kết quả đặc tính tốc độ khi khởi động tổ máy sử dụng bộ PID và PID+FUZZY ▪ So sánh kết quả đặc tính tốc độ khi khởi động, hòa lưới và mang tải khi sử dụng bộ PID và PID+FUZZY (Hình 20) Kết quả cho thấy trường hợp sử dụng thuật toán điều khiển PID + FUZZY do bài báo đề xuất mang lại kết quả tốt hơn, hệ thống đáp ứng nhanh chóng công suất mong muốn, không có độ quá điều chỉnh. Hình 20. Kết quả đặc tính tốc độ khi khởi động, hòa lưới và mang tải khi sử dụng bộ PID và PID+FUZZY 6. Kết luận Bài báo đã xây dựng được mô hình toán học các phần tử của Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3, trên cơ sở mô hình đã xây dựng mô phỏng được chế độ khởi động thực tế của Nhà máy và đề xuất cải thiện thuật toán điều khiển ứng dụng logic mờ để cải thiện chế độ khởi động của tổ máy. Từ kết quả mô phỏng ở chế độ khởi động tổ máy, khi sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp FUZZY cho ta kết quả tốt hơn so với khi chỉ sử dụng bộ điều khiển PID. Cụ thể là thời gian khởi động tổ máy nhanh hơn khoảng 38 s so với 60 s khi sử dụng bộ điều khiển PID. Như vậy, bộ điều khiển mới cho kết quả tốt hơn so với bộ điều khiển cũ, đáp ứng nhanh chóng công suất khi có yêu cầu nhằm góp phần tham gia vào việc ổn định cho hệ thống điện quốc gia. Với kết quả trên, nghiên cứu này có khả năng ứng dụng đưa vào thực tiễn tại Nhà máy Thủy điện Srêpốk 3. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Paish, Oliver., “Small Hydro Power: Technology and Current Status”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 6.6, 2002, pp. 537-556. [2] Nguyễn Sơn, Định vị vai trò của thủy điện, PetroTimes, 07/04/2017. [3] Demello, F. P., et al., “Hydraulic-turbine and Turbine Control- Models for System Dynamic Studies”, IEEE Transactions on Power Systems, 7.1, 1992, pp. 167-179. [4] Fang, Hongqing, et al., “Basic Modeling and Simulation Tool for Analysis of Hydraulic Transients in Hydroelectric Power Plants”, IEEE Transactions on Energy Conversion, 23.3, 2008 pp. 834-841. [5] Çam, Ertuğrul., “Application of Fuzzy Logic for Load Frequency Control of Hydroelectrical Power Plants”, Energy Conversion and Management, 48.4, 2007, pp. 1281-1288. [6] Lansberry, John E., and L. Wozniak., “Adaptive Hydrogenerator Governor Tuning with A Genetic Algorithm”, IEEE Transactions on Energy Conversion, 9.1, 1994, pp. 179-185. [7] Sarasúa, José Ignacio, et al., “Dynamic Response and Governor Tuning of A Long Penstock Pumped-Storage Hydropower Plant Equipped with A Pump-Turbine and A Doubly Fed Induction Generator”, Energy Conversion and Management, 106, 2015, pp. 151-164. [8] Qian, D., and L. Yu., “Governor Design for Hydropower Plants by Intelligent Sliding Mode Variable Structure Control”, Journal of AI and Data Mining, 4.1, 2016, pp. 85-92. [9] Choo, Yin Chin, Kashem M. Muttaqi, and Michael Negnevitsky., “Modelling of Hydraulic Governor-Turbine for Control Stabilisation”, ANZIAM Journal, 49, 2008, pp. 681-698. [10] Nguyễn Văn Dũng, Điều khiển ổn định tốc độ turbine bằng thật điều khiển bền vững H∞, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, 2016. [11] Đoàn Quang Vinh, Lê Đức Dũng, “Điều khiển LQ cho tốc độ tuabin nhà máy thủy điện”, Tạp chí khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, Số 6(35), 2009, trang 22-29. [12] Prabha Kundur, Power System Stability and Control, McGraw-Hill, New York, 1993. [13] F. P. de Mello (Chairman) and R. J. Koesslerwith contributions from J. Agee.P. M. Anderson, J. H. Doudna, J. H. Fish 111, P. A. L. Hamm, P. Kundur. D. C. Lee, G. J. Rogers and C. Taylor, “Hydraulic Turbine and Turbine Control Models for System Dynamic Studies”, Transactions on Power Systems, Vol. 7, No. 1, February 1992, pp. 167-179. [14] Lê Đình Tâm, Nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc Nhà máy Thủy điện Buôn Kuốp ứng dụng điều khiển thích nghi, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, 2016. (BBT nhận bài: 26/4/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 18/5/2018)