MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................3
DANH MỤC CÁC BẢNG ...............................................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ĐỒ THỊ ........................................................................5
MỞ ĐẦU ..........................................................................................................................9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ..........................................................................................12
1.1
Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc turbine thủy lực.........................................12
1.1.1
Bộ điều tốc có đặc tính điều chỉnh không đổi ............................................13
1.1.2
Bộ điều tốc với đặc tính điều chỉnh có độ dốc ...........................................13
1.2
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước........................................................14
1.2.1
Các nghiên cứu trong nước .......................................................................15
1.2.2
Tình hình nghiên cứu ngoài nước..............................................................15
1.3
Nội dung nghiên cứu ........................................................................................18
1.4
Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................18
1.5
Cấu trúc của luận án .........................................................................................19
1.6
Kết luận chương 1 ............................................................................................19
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG..........................................................................20
2.1
Giới thiệu .........................................................................................................20
2.2
Mô hình hệ thống thủy lực-turbine....................................................................20

Mô phỏng trường hợp máy phát làm việc có nối lưới (mạch vòng điều khiển
công suất).................................................................................................................52
3.3
Giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống ..........................................57
3.3.1
Mục tiêu giải pháp ....................................................................................57

1


3.3.2
3.3.3

Cơ sở lý thuyết..........................................................................................57
Mạng nơron thích nghi dựa trên hệ thống suy luận mờ (ANFIS) ...............63

3.3.4
3.3.5

Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho bộ điều tốc turbine thủy lực ............67
Nhận dạng mô hình turbine thủy lực .........................................................67

3.3.6
Bài toán điều khiển ...................................................................................72
3.3.7
Mô phỏng và kết quả khi sử dụng bộ điều khiển PID nơron (NNC)...........74
3.4
Kết luận chương 3 ............................................................................................89
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THỬ NGHIỆM ........................90
4.1

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................117
PHỤ LỤC .....................................................................................................................118
Phụ lục 1 Biểu thức tính các thông số đầu ra của ANFIS............................................118
Phụ lục 2 Chương trình nhận dạng và điều khiển trong Matlab...................................121
Phụ lục 3 Chương trình điều khiển mạch vòng vị trí cánh hướng................................124

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Thông
số

Giải thích

Ap
Lp
a

Tiết diện ngang của đường ống áp lực [m2]
Chiều dài đường ống áp lực [m]
Vận tốc sóng áp lực trong đường ống [m/s]

ag

ρ

Gia tốc trọng trường [m/s2]
Trọng lượng riêng của nước [kg/m3]



Sai lệch tốc độ roto [pu]

NNC
ANFIS

Neural Network Controller
Adaptive Network Fuzzy Inference System

Tp
Tg
flp
kf
At

3


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Thông số cơ bản của nhà máy thủy điện RyNinh [3] .........................................46
Bảng 3.2 Thông số chất lượng điều khiển mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID
........................................................................................................................................52
Bảng 3.3 Thông số chất lượng điều khiển của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều
khiển PI ...........................................................................................................................57
Bảng 3.4 Tóm tắt hai quá trình trong phương pháp học hybrid cho ANFIS.......................63
Bảng 3.5 So sánh ANFIS với các mô hình GMDH và Fuzzy trong mô hình hóa hàm phi
tuyến [21] ........................................................................................................................66
Bảng 3.6 So sánh mô hình ANFIS với mô hình NN trong nhận dạng trực tiếp đối tượng
[21]..................................................................................................................................66
Bảng 3.7 Thông số chất lượng của bộ điều khiển PID và NNC trong mạch vòng tốc độ ..81

Hình 2.14 Đáp ứng công suất của turbine thủy lực phi tuyến khi đóng mở cánh hướng ..32
Hình 2.15 Sơ đồ mô hình hóa máy phát điện làm việc với tải độc lập [27].......................33
Hình 2.16 Mô hình động học của máy phát điện làm việc với tải độc lập ........................35
Hình 2.17 Sơ đồ máy phát nối với hệ thống điện ............................................................36
Hình 2.18 Mô hình động học của máy phát điện làm việc ở chế độ nối lưới ....................37
Hình 3.1 Sơ đồ mạch vòng điều khiển tốc độ máy phát [3]..............................................39
Hình 3.2 Sơ đồ mạch vòng điều khiển vị trí cánh hướng [3] ...........................................40
Hình 3.3 Cấu trúc mạch vòng tốc độ với turbine tuyến tính .............................................42
Hình 3.4 Mạch vòng điều khiển công suất [3] .................................................................44
Hình 3.5 Sơ đồ mạch vòng điều khiển máy phát làm việc với tải độc lập.........................48
Hình 3.6 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ với mô hình turbine tuyến tính khi sử dụng bộ

điều khiển PID tại điểm làm việc (V 0 , α 0 , H 0 ) .................................................................49
Hình 3.7 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ với mô hình turbine phi tuyến khi sử dụng PID
tại điểm làm việc (V 0 , α 0 , H 0 ) .........................................................................................49
Hình 3.8 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID trong T/H 1......50
Hình 3.9 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID trong T/H 2......51
Hình 3.10 Đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID trong T/H 3....51
Hình 3.11 Sơ đồ thay thế tương đương máy phát điện nối với hệ thống...........................52

5


Hình 3.12 Sơ đồ mạch vòng điều khiển máy phát khi nối lưới.........................................53
Hình 3.13 Đáp ứng của mạch vòng công suất với mô hình turbine tuyến tính khi sử dụng
bộ điều khiển PI trong trường hợp chiều cao cột áp định mức ..........................................54
Hình 3.14 Đáp ứng của mạch vòng công suất với mô hình turbine phi tuyến khi sử dụng
bộ điều khiển PI trong trường hợp chiều cao cột áp định mức ..........................................54
Hình 3.15 Đáp ứng của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều khiển PI trong T/H1 ..55
Hình 3.16 Đáp ứng của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều khiển PI trong T/H2 ..56

khiển PID và bộ điều khiển NNC .....................................................................................82

6


Hình 3.42 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều khiển NNC
........................................................................................................................................83
Hình 3.43 Sơ đồ mô phỏng mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều khiển
NNC ................................................................................................................................83
Hình 3.44 Đáp ứng của mạch vòng công suất với khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong
T/H1 ................................................................................................................................84
Hình 3.45 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI của bộ điều khiển NNC trong T/H1 ........84
Hình 3.46 Đáp ứng của mạch vòng công suất khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong T/H2
........................................................................................................................................85
Hình 3.47 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI của bộ điều khiển NNC trong T/H2 ........85
Hình 3.48 Đáp ứng của mạch vòng công suất với khi sử dụng bộ điều khiển NNC trong
T/H3 ................................................................................................................................86
Hình 3.49 Thông tin Jacobi và thông số KP, KI của bộ điều khiển NNC trong T/H3 ........86
Hình 3.50 So sánh đáp ứng công suất của hệ thống làm việc trong T/H 1 khi sử dụng bộ

điều khiển PI và bộ điều khiển NNC ................................................................................87
Hình 3.51 So sánh đáp ứng công suất của hệ thống làm việc trong T/H 2 khi sử dụng bộ
điều khiển PI và bộ điều khiển NNC ................................................................................88
Hình 3.52 So sánh đáp ứng công suất của hệ thống làm việc trong T/H 3 khi sử dụng bộ
điều khiển PI và bộ điều khiển NNC ................................................................................88
Hình 4.1 Mô hình tổng quan hệ thống mô phỏng HIL .....................................................90
Hình 4.2 Sơ đồ khối của Card NI PCI MIO 16E-1...........................................................92
Hình 4.3 Sơ đồ các chân của Card NI PCI MIO 16E-1 .................................................93
Hình 4.4 Sơ đồ mạch hệ thống dầu thủy lực [3]...............................................................94
Hình 4.5 Các thành phần chính của hệ thống dầu thủy lực...............................................94

hợp máy phát nối lưới ....................................................................................................106
Hình 4.23 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều
khiển PI trong T/H1 .......................................................................................................107
Hình 4.24 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều
khiển NNC trong T/H1 ..................................................................................................107
Hình 4.25 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều
khiển PI trong T/H2 .......................................................................................................108
Hình 4.26 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều
khiển NNC trong T/H2 ..................................................................................................108
Hình 4.27 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều
khiển PI trong T/H3 .......................................................................................................109
Hình 4.28 Đặc tính thực nghiệm của mạch vòng điều khiển công suất khi sử dụng bộ điều
khiển NNC trong T/H3 ..................................................................................................109

8


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Thủy điện là nguồn điện có được từ quá trình biến đổi năng lượng của nước (thủy
năng) ở dạng thế năng và động năng thành cơ năng làm quay turbine-máy phát tạo ra điện
năng. Trong các trạm thủy điện, bộ điều tốc là một trong những thành phần quan trọng, nó
có chức năng chính là điều chỉnh năng lượng đầu vào để giữ cho tốc độ quay của turbine
(hay tần số lưới điện) ổn định:
- Trong chế độ tổ máy vận hành độc lập hoặc tham gia điều tần (chế độ Speed), bộ
điều tốc có nhiệm vụ: Điều chỉnh công suất phát (có giám sát tần số) cân bằng với công
suất tải (hoặc công suất yêu cầu trong phạm vi thay đổi công suất của máy phát) để đưa tần
số (tốc độ quay roto máy phát) về định mức khi có sự thay đổi của biến đầu vào (chiều cao
cột áp) và biến đầu ra (công suất tải).
- Trong chế độ tổ máy vận hành bám lưới (Power control), theo lệnh tăng hoặc

quyết tốt hai vấn đề là nhiễu cột áp đầu vào và nhiễu tải đầu ra, để cải thiện và nâng cao
chất lượng điều khiển hệ thống.
Hiện nay, có nhiều phương pháp và sơ đồ điều khiển thích nghi khác nhau, tôi chọn
phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp để nghiên cứu và áp dụng cho hệ thống này.
Trong đó, bộ điều khiển lựa chọn là một nơron tuyến tính có cấu trúc theo nguyên tắc của
bộ điều khiển PID (PI); mô hình của đối tượng (gồm cả nhiễu đầu vào và đầu ra) sẽ được
nhận dạng trực tiếp (on-line) bằng mạng ANFIS (Adaptive Network Base Fuzzy Inference
System), trên cơ sở đó thông số của bộ điều khiển PID (PI) sẽ được điều chỉnh thích nghi
trong quá trình làm việc của hệ thống.
Với các lý do trên, tôi đã chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu ứng dụng mạng
mờ nơ-ron để xây dựng thuật toán điều khiển hệ điều tốc turbine-máy phát thủy điện”.

2. Mục đích của đề tài
Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho bộ điều tốc turbine-máy phát thủy lực, nhằm
nâng cao chất lượng điều khiển cho nhà máy thủy điện có các thông số đầu vào và đầu ra
thay đổi trong phạm vi rộng.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài là: Nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của
các thông số (chiều cao cột áp, công suất phụ tải điện) đến sự ổn định của hệ thống turbinemáy phát thủy lực. Trên cơ sở đó thiết kế bộ điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng điều
khiển cho nhà máy thủy điện có công suất nhỏ, làm việc trong các trường hợp chiều cao cột áp
và công suất khác nhau ở hai chế độ máy phát vận hành với tải độc lập (mạch vòng điều khiển
tốc độ (tần số)) và máy phát vận hành có hòa lưới (mạch vòng điều khiển công suất).

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu áp dụng lý thuyết điều khiển thông minh với
những công cụ như lý thuyết mờ, mạng nơron, kết hợp giữa lý thuyết mờ và mạng nơron
vào việc thiết kế bộ điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng điều khiển cho đối tượng
phi tuyến và có các thông số bất định.
- Ý nghĩa thực tiễn: Do nhu cầu về điện ngày càng tăng trong xu hướng Công

tuyến có tham số bất định và đặc tính thay đổi. Theo đó, các thông số của bộ điều khiển sẽ
được cập nhật theo thuật toán huấn luyện trực tuyến mạng nơron nhân tạo.
- Xây dựng hoàn chỉnh bộ điều tốc điện-thủy lực, với cấu tạo đơn giản, luôn phát huy
được những ưu điểm của phần điện (tác động nhanh, chính xác) và phần thủy lực (có thể
tạo ra được lực đóng cắt lớn, bền vững và an toàn trong vận hành).
- Xây dựng mô hình thực nghiệm HIL (Hardware-In-The-Loop), trong đó sử dụng card
điều khiển NI PCI MIO 16E-1 làm trung tâm. Nhờ phương pháp này, người dùng có thể dễ
dàng mô phỏng các mô hình thủy điện khác nhau, đưa ra các kịch bản sai hỏng khác nhau,
và thuận tiện cho việc đánh giá tính ưu việt của bộ điều khiển mới.

11


1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1

Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc turbine thủy lực
Đối với lưới điện hiện đại, yêu cầu tần số điện không đổi (50Hz), hay nói chính xác

hơn, phạm vi biến đổi rất nhỏ, dưới 1%. Vì vậy nó đòi hỏi tốc độ quay của turbine (máy
phát) không được thay đổi. Song khi phụ tải thay đổi, mô men quay (tương ứng công suất
phát của turbine) và mô men cản (tương ứng với công suất phụ tải) sẽ mất cân bằng làm
tốc độ quay của turbine thay đổi. Muốn tốc độ quay của turbine không đổi phải tạo nên cân
bằng mới giữa mô men quay và mô men cản.
Để thay đổi công suất trên trục turbine, người ta thường thay đổi lưu lượng qua
turbine bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng dòng của turbine phản kích hay thay đổi độ
mở vòi phun của turbine xung kích. Việc tăng hay giảm độ mở turbine có thể được thao tác
bằng tay khi yêu cầu chính xác tần số không cao, lực đóng mở không lớn. Để đảm bảo chất
lượng điện (điện áp và tần số) cũng như đảm bảo yêu cầu dừng máy cấp tốc, người ta phải
tiến hành thao tác điều chỉnh turbine một cách tự động, tức là bộ phận điều chỉnh lưu lượng



hai tổ máy. Đặc tính điều chỉnh trong trường hợp này như hình 1.3a

a, Đặc tính điều chỉnh có cùng độ dốc

b, Đặc tính điều chỉnh khác độ dốc
Hình 1.3 Đặc tính điều chỉnh hai tổ máy làm việc song song

Nếu hai tổ máy làm việc song song mà độ dốc của đặc tính điều chỉnh khác nhau
( β1 ≠ β2 ) thì phần phụ tải ∆P1 (của tổ máy 1) và ∆P2 (của tổ máy 2) sẽ khác nhau và được
xác định theo biểu thức (1.3):

∆Pk =

∆ω
.P
β k .ωdm max

(1.3)

Trong đó: ∆Pk , βk phần phụ tải, độ dốc đặc tính điều chỉnh của tổ máy thứ k;
ωdm tốc độ quay định mức (314 rad/s).
Từ biểu thức (1.3) thấy rằng, đặc tính điều chỉnh của tổ máy nào có độ dốc nhỏ sẽ nhận
công suất lớn hơn và ngược lại. Đặc tính điều chỉnh trong trường hợp này như hình 1.3b

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Công nghệ sản xuất thủy điện đã xuất hiện trên thế giới từ những năm đầu của thế
kỷ 20. Có thể khẳng định rằng hệ thống điều tốc cho turbine-máy phát thủy điện là một
trong những hệ thống cổ điển và có sự phát triển không ngừng cả về số lượng và chất


Các dạng mô hình của turbine thủy lực tuyến tính và phi tuyến không có tháp điều
áp được giới thiệu trong công trình nghiên cứu của Gagan Singh và D.S. Chauhan [13].
Theo đó, nhóm tác giả đã xác định mô hình tuyến tính hóa cho mỗi thành phần của hệ
thống thủy lực. Từ đó thiết kế bộ điều khiển PID số cho các mạch vòng điều khiển tần số
và công suất của hệ thống. Ưu điểm của phương pháp này là đã tách mô hình toán của hệ
thống thành các mô hình đơn giản để điều khiển đảm bảo được tính ổn định cao. Tuy
nhiên, trong bài báo này các tác giả mới chỉ dừng lại ở mô hình tuyến tính hóa và phạm vi
thay đổi công suất nhỏ (10%).
Thiết kế bộ điều khiển có bộ bù nhiễu tải cũng được nhiều tác giả đề cập, trong đó
phải kể đến S. Hagihara [28] đã thiết kế bộ điều khiển ổn định PID cho hệ thống turbinemáy phát thủy lực có kết hợp sử dụng bù tĩnh. Phương pháp thiết kế dựa theo tiêu chuẩn ổn
định của Routh-Hurwitz. Kết quả đạt được của nghiên cứu này là xác định được quỹ tích
các nghiệm của phương trình đặc tính làm cho hệ thống ổn định bền vững hơn.

15


Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của lý thuyết điều khiển thông
minh cùng với sự hỗ trợ tích cực của máy tính và các công cụ như: mạng nơron nhân tạo,
hệ thống suy diễn mờ, sự kết hợp giữa mạng nơron và hệ mờ, thông số của bộ điều khiển
PI, PID đã được tối ưu hóa bằng các phương pháp thông minh khác nhau nhằm đem lại
chất lượng điều khiển tốt hơn, cụ thể:
Yamamoto T, Kanedam M, Oki T, Watanbe E, Tanaka K [33], Cheng Y-C, Ye LuQ, Chuang Fu, Cai W-Y [7], đã nghiên cứu bộ điều khiển PID thông minh, dựa trên khả
năng học của mạng nơron nhân tạo để nhận dạng và tối ưu thông số của bộ điều khiển. Còn
trong nghiên cứu của Zhang [34], đã thiết kế bộ điều khiển mờ thông minh để cải thiện
chất lượng của bộ điều khiển PID ứng dụng cho bộ điều tốc của nhà máy thủy điện có công
suất trung bình và lớn vận hành ở chế độ nối lưới.

Để khắc phục khó khăn khi điều khiển hệ có đặc điểm pha không cực tiểu, Iwan
Setiawan, Ardyono Priyadi, Mauridhi Hery Purnomo [17], đã nghiên cứu thành công bộ
điều khiển thích nghi bằng cách sử dụng mạng nơron nhận dạng sự thay đổi của phụ tải

tương đương sử dụng thuật toán di truyền để tìm thông số tối ưu cho bề mặt trượt. Kết quả
mô phỏng cho thấy bộ điều khiển SMC có khả năng ổn định hệ thống trong trường hợp có
nhiễu phụ tải đầu ra và có tính khả thi cao.
Ilyas Eker và các cộng sự [16] trình bày bộ điều khiển nhiều tầng đa biến, bộ điều
khiển đã được các tác giả chứng minh là tốt hơn so với các bộ điều khiển PI hay PID thông
thường. Tuy nhiên, bộ điều khiển này được thiết kế với mô hình hệ thống thủy lực turbine
turbine tuyến tính, hơn nữa bộ điều khiển đa tầng thường phức tạp nên khó thực hiện trong
thực tế. Orelind [26], giới thiệu bộ điều khiển kỹ thuật số cho hệ thống thủy điện. Thông số
tối ưu của bộ điều khiển được tính từ các điểm vận hành khác nhau bằng cách giảm thiểu hàm
mục tiêu bậc hai. Sau đó, các hệ số của bộ điều khiển được xác định dựa vào độ mở cánh
hướng và giá trị sai lệch về tốc độ.
Arnautovic, Skataric [19], đã trình bày một phương pháp thiết kế bộ điều khiển
cho nhà máy thủy điện với loại turbine Kaplan. Các tác giả đã đề xuất phương pháp tuyến
tính hóa từng đoạn trên đường đặc tính làm việc của turbine để tính toán bộ điều khiển.
Batlle và các cộng sự [5], đề xuất thiết kế các bộ điều khiển bằng cách sử dụng các kỹ
thuật dựa trên hàm Lyapunov cho mô hình phi tuyến của nhà máy thủy điện không có tác dụng
của tháp điều áp trong trường hợp cột nước trong đường ống áp lực không đàn hồi.
Dewi Jones và Sa’ad Mansoor [9] đề xuất bộ điều khiển dự báo căn cứ vào sai lệch
tần số và công suất cơ của turbine. Các tác giả đã chứng minh rằng điều khiển dự báo đạt

được sự cải thiện đáng kể trong việc điều khiển công suất của nhà máy thủy điện với các
trường hợp hằng số thời gian khởi tạo của nước (Tw) trong đường ống áp lực thay đổi và
mô hình hệ thống turbine thủy lực có dạng tuyến tính.
Chen Jian, Liang Gui-shu, Dong Qing [6], giới thiệu về bộ điều khiển bền vững kết
hợp với bù để điều khiển tốc độ turbine máy phát thủy lực khi hằng số thời gian khởi tạo
của nước (Tw) trong đường dẫn thay đổi trong khoảng [0.9 s ÷ 1.1s ] . Kết quả của công trình
nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng tín hiệu bù vào bộ điều khiển turbine máy phát thủy lực
thì đặc tính tốc độ, công suất của turbine ổn định hơn.
Dhaliwal [10], đã sử dụng phương pháp không gian trạng thái để nghiên cứu ảnh
hưởng của hệ số vi phân đến sự làm việc ổn định của tổ máy làm việc độc lập. Các tác giả


1.3

Nội dung nghiên cứu
- Trước hết khảo sát, phân tích xây dựng mô hình toán của đối tượng là hệ thống

thủy lực-turbine-máy phát công suất nhỏ, có xét đến tổn thất cột áp trong đường ống.
- Sau đó sử dụng mô hình tuyến tính hóa của đối tượng để tổng hợp bộ điều khiển
PID, PI cho mạch vòng điều khiển tốc độ và mạch vòng điều khiển công suất khi hệ thống
vận hành ở các chế độ và các điều kiện làm việc khác nhau. Mô phỏng, đánh giá chất
lượng điều khiển hệ thống trong các trường hợp đó.
- Tiếp theo nghiên cứu ứng dụng mạng nơron và mạng nơron có cấu trúc dựa trên hệ
thống suy luận mờ ANFIS (Adaptive Network Fuzzy Inference System), thiết kế bộ điều
khiển PID, PI thích nghi đảm bảo có các thông số tự động cập nhật giá trị theo sự thay đổi
các tham số đầu vào và đầu ra của hệ thống.
- Thiết kế, lắp đặt bộ điều tốc điện-thủy lực thực tế để phục vụ cho việc thực nghiệm
trong phòng thí nghiệm.
- Xây dựng mô hình mô phỏng thực nghiệm HIL (Hardware-In-The-Loop) để kiểm
định các thuật toán điều khiển và kết quả mô phỏng của hệ thống trong miền thời gian thực.

1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp thực nghiệm trên
mô hình thực.
- Sử dụng các công cụ hỗ trợ như: mô hình toán học, lý thuyết điều khiển hệ thống,
phân tích và thiết kế hệ thống bằng phần mềm trên máy tính, các mô hình vật lý và bán vật
lý với các phần mềm vi xử lý để phân tích đánh giá và so sánh các kết quả đạt được giữa lý
thuyết và thực nghiệm.

18


bộ điều tốc trong các chế độ vận hành là khác nhau.
- Hiện nay, trong nước cũng như nước ngoài đã có nhiều công trình khoa học nghiên
cứu về bộ điều tốc cho các nhà máy thủy điện với các bộ điều khiển khác nhau như: PID
số, điều khiển dự báo, điều khiển trượt, điều khiển thích nghi…vv, nhằm phát triển và nâng
cao chất lượng của các bộ điều khiển. Tuy nhiên, với mỗi công trình nghiên cứu vẫn còn
các vấn đề mở cần được phát triển tiếp theo.

19


2 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG
2.1 Giới thiệu
Trong các nhà máy thủy điện, về cơ bản gồm ba tuyến chính như: Tuyến thượng
lưu, tuyến năng lượng và tuyến hạ lưu. Trong đó, tuyến năng lượng có vai trò quan trọng
trong việc biến đổi thủy năng thành điện năng và điều khiển đảm bảo chất lượng điện năng
theo yêu cầu. Để có cơ sở tính toán thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống, việc đầu tiên ta
phải xác định được mô hình hệ thống thủy lực-turbine (gồm đường ống và turbine) và sau
đó là mô hình động học của máy phát và hệ thống điện trong các chế độ vận hành. Các
khối chức năng chính của nhà máy thủy điện như hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ các khối chức năng trong nhà máy thủy điện

Trong đó: Nước từ hồ chứa thượng lưu được dẫn vào hệ thống đường ống, tại đây nước
được gia tốc tới vận tốc lớn. Qua hệ thống cánh hướng, nước được dẫn vào turbine thuỷ
lực làm quay turbine, đồng thời làm quay roto của máy phát điện (thông thường trục của
turbine được nối cứng với trục máy phát điện). Từ đầu cực máy phát, dòng điện được tăng
áp qua máy biến áp lực và dẫn lên trạm phân phối cho các phụ tải hoặc hòa vào lưới điện
quốc gia (Hệ thống điện). Bộ điều tốc là một trong những thành phần quan trọng nhất trong
nhà máy thủy điện, nó có nhiệm vụ điều khiển lưu lượng nước vào turbine qua hệ thống
cánh hướng để giữ ổn định tần số (chế độ vận hành không nối lưới) hoặc công suất (chế độ

Hình 2.2 Turbine thủy lực Kaplan

Cánh hướng có chức năng điều chỉnh lượng nước vào turbine, cánh hướng có thể
quay quanh trục để thay đổi độ mở của bộ phận hướng nước;
Bánh xe công tác là bộ phận quan trọng nhất làm biến đổi thuỷ năng thành cơ năng
làm quay trục roto turbine, trục roto turbine được nối cứng với trục roto của máy phát điện.

2.2.1.1 Sự tổn thất năng lượng và hiệu suất của turbine
Tổn thất trong turbine cơ bản gồm có tổn thất dung tích, tổn thất thủy lực và tổn
thất cơ khí.
Tổn thất dung tích là dòng chảy qua turbine có một phần lưu lượng rò rỉ qua khe hở
giữa phần động và phần tĩnh của turbine. Phần lưu lượng này không tham gia vào quá trình
biến đổi năng lượng.
Tổn thất thủy lực bao gồm tổn thất do hiện tượng va đập thủy lực ở mép vào bánh
xe công tác; tổn thất do ma sát thủy lực trong đường ống dẫn nước; tổn thất động năng ở
cửa ra của ống thoát nước.

21


Tổn thất cơ khí là tổn thất năng lượng do ma sát cơ khí ở các ổ trượt, ổ đỡ, trong các
đệm chống thấm giữa các bộ phận chuyển động và bộ phận không chuyển động của turbine.
Theo [27], công suất của turbine thủy lực được xác định theo (2.1)

P = 9.81.ηq .ηtl .ηcg .Q.H .ρ

(2.1)

Trong đó:




Hình 2.4 Đặc tính vòng quay của turbine thủy lực

Trên đường đặc tính tốc độ ta thấy, hiệu xuất cao nhất không trùng với lưu lượng và công
suất lớn nhất, khi tốc độ tăng thì các thông số sẽ thay đổi.
c. Đặc tính cột nước: Biểu thị mối quan hệ giữa P theo H ở điều kiện tốc độ và độ mở là
hằng số, được minh họa trên hình 2.5

Hình 2.5 Đặc tính cột nước của turbine thủy lực

Cột nước của turbine luôn thay đổi trong quá trình vận hành, trên đồ thị hình 2.5 ta thấy,
ứng với công suất bằng 0 thì cần có một cột áp nào đó đặc trưng cho tổn thất thủy lực ở
chế độ không tải. Nhìn chung, khi chiều cao cột nước tăng thì công suất của turbine tăng và
ngược lại khi cột nước giảm thì công suất giảm (cùng độ mở cánh hướng
d. Đặc tính tải của turbine Francis và turbine Pump
Đặc tính tải của turbine thủy lực được xây dựng dựa trên quan hệ giữa công suất
kéo ( Pm ), lưu lượng nước ( Q ) với tốc độ của turbine ( ω ) tại một giá trị cụ thể của độ mở
cánh hướng. Theo [31], ta có:
∆Q =

∂Q
ω ∂Q 
∂Q
 Q
.∆α + 
−
.
.∆ω
 .∆H +


a. Đặc tính Pm =f(ω)

b. Đặc tính Q=f(ω)
Hình 2.7 Đặc tính tải của turbine Pump

Như vậy, đặc tính tải của turbine thủy lực có dạng phi tuyến, ở vùng làm việc với tốc độ
cao thì tính phi tuyến càng mạnh. Công suất của turbine phụ thuộc vào độ mở cánh hướng.

Đặc tính của turbine loại Francis cứng hơn đặc tính của turbine Pump.
2.2.2 Mô hình tuyến tính hóa
Để dễ dàng cho việc tổng hợp bộ điều khiển, ta sẽ xây dựng mô hình tuyến tính hóa
của hệ thống thủy lực-turbine. Mô hình được xây dựng ở điều khiện cột áp tĩnh và dựa trên
một số giả thiết sau:
- Bỏ qua trở kháng thủy lực trong đường ống;
- Thành ống không đàn hồi, nước không nén được;
- Vận tốc của nước trong đường ống tỉ lệ với độ mở cánh hướng và căn bậc hai chiều cao
cột áp;
- Công suất turbine tỉ lệ với chiều cao cột nước và lưu lượng dòng chảy;
- Hệ thống thủy lực của nhà máy gồm các thành phần như hình 2.8

24


Hình 2.8 Mô hình đơn giản của nhà máy thủy điện

Trong đó:
H : Chiều cao cột áp từ mặt thoáng hồ chứa tới turbine (m);
V : Vận tốc dòng nước trong đường ống áp lực (m/s);


= KU .α .
;
= KU . H
∂H
2 H ∂α
Chia cả 2 vế của (2.5) cho V0 = KU .α 0 . H 0 ta có:

∆V ∆H ∆α
1
=
+
⇔ ∆V = ∆ H + ∆α
V0
2H 0 α 0
2

(2.6)

- Phương trình công suất cơ của turbine:

Pm = K p .H .V

(2.7)

Trong đó:
Pm : Công suất cơ của turbine (W); K p : Hệ số tỉ lệ .
Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc và chia cả 2 vế cho P0 m = K p .V0 .H 0 , ta được:

25