BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

LƯƠNG HIỆP

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
BUÔN KUỐP ỨNG DỤNG BỘ LỌC KALMAN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa
Mã số: 60 52 02 16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2016


Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ TIẾN DŨNG

Phản biện 1: GS.TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG

Phản biện 2: TS. PHAN VĂN HIỀN

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ (Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa) họp tại Đại
học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 08 năm 2016.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Đề xuất được thuật toán điều khiển ứng bộ lọc Kalman để

nâng cao chất lượng của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Buôn
Kuốp có xét đến lực cản và các thành phần bất định khác.
-

Xây dựng mô hình và mô phỏng toàn bộ hệ thống trên

Matlab – Simulink.


2

3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
-

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều tốc của máy phát

điện đồng bộ 3 pha nhà máy thủy điện Buôn Kuốp;
-

Phạm vi nghiên cứu là vấn đề điều khiển hệ thống điều tốc

sử dụng bộ lọc Kalman có xét đến việc bù các thành phần bất định
của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Buôn Kuốp;
-

Giới hạn của đề tải: Mô hình của hệ thống xét đến tổ máy

nối với hệ thống lưới điện.

Chương 2: Xây dựng mô hình toán học hệ thống điều tốc nhà
máy thủy điện Buôn Kuốp.


3

Chương 3: Đề xuất phương án nâng cao chất lượng hệ thống
điều tốc nhà máy thủy điện Buôn Kuốp ứng dụng bộ lọc Kalman.
Chương 4: Mô phỏng và kiểm nghiệm.
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
6. TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU
Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả đả sử dụng tài liệu
của các giáo trình, các bài báo khoa học trong nước và nước ngoài,
luận văn tốt nghiệp và tài liệu kỹ thuật của nhà máy thủy điện Buôn
Kuốp.


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN BUÔN KUỐP
1.1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN BUÔN KUỐP
Sông Srêpôk là một nhánh của sông Mê Kông, bắt nguồn từ
phía Đông Bắc của tỉnh Đắk Lắk, hợp với sông Sê San tại Srung
Treng (Campuchia).
Nhà máy thủy điện Buôn Kuôp là một công trình thuộc thủy
điện bậc thang trên sông Srêpôk, Nhà máy thủy điện Buôn Kuốp

Đường ống áp lực được tính từ sau giếng điều áp đến buồng
xoắn Turbine, độ dài 286,7m đối với tổ máy 1 (và 250,9m đối với tổ
máy 2).
1.1.6. Turbine nhà máy
Hệ thống turbine của nhà máy thủy điện Buôn Kuốp kiểu
Francis (phản kích) nửa dù, bao gồm các phần chính.
1.1.7. Máy phát Buôn Kuốp
Máy phát thủy điện Buôn Kuốp được chế tạo bởi hãng
Mitsubishi, là loại máy phát đồng bộ ba pha cực lồi có công suất lắp
đặt là 140MW/1tổ máy.
1.1.8. Máy bi n áp đầu cực máy phát Buôn Kuốp
Máy biến áp (MBA) chính T1, T2 nhà máy thủy điện Buôn
Kuốp được dùng để nâng áp, phía hạ áp 13,8kV được nối với đầu


6

cực máy phát qua máy cắt đầu cực, phía cao áp được nối với trạm
phân phối ngoài trời qua máy cắt 231 (hoặc 232).
1.2. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN BUÔN
KUỐP
1.2.1. Chức năng
Điều tốc được dùng để vận hành turbine dưới chế độ điều
chỉnh tự động và bảo vệ tổ máy chống vượt tốc. Sơ đồ nguyên lý
đường dầu thủy lực như sau:

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý điều tốc
1.2.2. Thông số kỹ thuật
-



-

Điện thế cung cấp cho bảng điều khiển GC431:

:35mm

:T-30 dầu tuabin

+ Vdc 2 nguồn

:2*220

+ Vac

:220/50 (V/Hz)

-

Phạm đặt tốc độ, % của Fnom

:88-115

-

Tốc độ giảm hoàn toàn bp,%

:0-10

-

Head signal
Flow signal
Tín hiệu đo l-ờng
Analog input

Khối xử lý
Servo Open, Turbine Máy phát
Van tỷ lệ
PID
Position
Pm Generator P, U, f
Cánh h-ớng q, v
Calculation 4-20mA Proportional
valve
w
Guide vane
Servo

Frequency signal
Power signal
Speed signal
Opening signal

Hỡnh 2.1. S khi ca h thng iu tc
nh mỏy thy in Buụn Kup


9

2.1. CÁC THAM SỐ CỦA HỆ THỐNG THỦY LỰC NHÀ


HQ+Hl

Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống thủy lực
nhà máy thủy điện Buôn Kuốp

Ho


10

Các thông số cơ bản của nhà máy thủy điện Buôn Kuốp:
Bảng 2.1. Thông số hệ thống thủy lực
nhà máy thủy điện Buôn Kuốp
Đặc điểm nhà máy
Mức nước hồ ứng với mực nước

412 m

dâng bình thường
Cột nước tổng (H0)

109 m

Tổn thất cột nước ( H10 + H11 + H12)

5.6 m

Lưu lượng cực đại (Qmax)



(

(2.37)

)
(2.38)

[
̅
̇

(

)]

(̅

| |)
( )

̅
̇

(2.39)

(2.40)
̅

(

̇

(2.43)

2.3. MÔ HÌNH KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI
Xét mô hình tuabine phi tuyến với cột nước đàn hồi, mô hình
hệ thống turbine thủy lực như sau:
-

qnl

+
fp

G

q

hl

- +
Zo

h

At

-

-


-

G

-2

+

h

Go

-

-

-1

+

TW.S

At

Pm

+

q


14

(2.49)
(

{

)

hay:
(2.50)
(

{

)

Trong đó:
Với
[ ]

Đặt:
[

]

Phương trình không gian trạng thái khối turbine – máy phát có
dạng:
{

Phương trình toán học của mô hình quan sát:
(3.1)
3.1.2. Tóm tắt các phư ng t nh của bộ lọc Kalman
3.1.3. Thuật toán của bộ lọc Kalman liên tục
3.2. ỨNG DỤNG BỘ LỌC KALMAN ĐỂ ƯỚC LƯỢNG LƯU
LƯỢNG QUA TURBINE CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC
3.2.1. Nhu cầu thực tiễn


16

Trong nhà máy thủy điện, lưu lượng (q) và cột áp (h) là hai
đại lượng quyết định đến công suất tổ máy, hai đại lượng này có
quan hệ với nhau theo công thức ̅ ̅ √ ̅ , với G là độ mở của
cánh hướng turbine.
Một trong những phương pháp đo lưu lượng được sử dụng
phổ biến trong nhà máy thủy điện hiện nay là phương pháp WinterKenedy, áp dụng nguyên lý chênh áp. Tuy nhiên, vì nhiều lý do
khách quan và chủ quan khác nhau như hiện tượng bùn và vật lạ
bám trong thành ống, hiện tượng nước chảy xoáy, hoặc do chất
lượng cảm biến không tối ưu nên việc đo lưu lượng thường là không
chính xác. Điều này dẫn đến việc tính toán các thông số để cài đặt
cho hệ thống điều tốc không phù hợp, làm cho hệ thống điều tốc vận
hành không ổn định và tối ưu.
3.2.2. Mô hình toán học áp dụng bộ lọc Kalman

(3.21)
{

(


vic lp trỡnh mụ phng b lc Kalman.
3.4. KT LUN
Ni dung chớnh ca chng ny l tỡm hiu lý thuyt b lc
Kalman, nghiờn cu phng phỏp ỏp dng b lc Kalman c
lng bin lu lng (q) qua turbine.


18

CHƯƠNG 4
MÔ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM
4.1. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC KHI CHƯA CÓ
BỘ LỌC KALMAN
4.1.1. S đồ mô phỏng matlab – simulink của hệ thống
điều tốc nhà máy thủy điện buôn kuốp
1
Tunner

H0

Ho
Qc

simout

Hr

To Workspace
Qc



At
Unl1
2

nG

G

[P_mec]
Subsystem2
Goto1
[G]
Goto

Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống turbine thủy lực dưới
dạng sơ đồ khối


19

4.1.2. K t quả mô phỏng với luật điều khiển PID
Dap ung luu luong va cot nuoc qua
5

4

3

he don vi tuong doi [pu]


1400

1600

1800

2000

Hình 4.9. Đáp ứng của cột nước và lưu lượng
Dap ung cua he thong dieu toc nha may thuy dien Buon Kuop (toc do, do mo, cong suat)
1.2

Toc do
1

Cong suat
0.8

(p.u)

0.6

Do mo canh huong
0.4

0.2

0



Theo (hình 4.10), ta thấy: khi độ mở cánh hướng tăng từ 0 đến
0,1 (p.u), tốc độ của turbine nhanh chóng xác lập với thời gian
khoảng 100 (s), trong khi đó công suất cơ của turbine s tăng theo
điều kiện tải. Quá trình ổn định công suất thường trễ hơn so với tốc
độ. Vì công suất tổ máy thường phụ thuộc nhiều vào các yếu tố của
lưới như các thành phần sóng hài của điện áp và dòng điện nên
thường có các thành phần nhiễu của cao.
4.2. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC KHI XÉT ĐẾN BỘ
LỌC KALMAN
4.2.1. S đồ khối bộ lọc Kalman

Hình 4.11. Sơ đồ mô phỏng ước lượng lưu lượng
bằng bộ lọc Kalman
Theo hình (4.12) ta có, đầu vào bộ lọc Kalman filter gồm 03
tín hiệu gồm: độ mở cánh hướng (G), độ lệch công suất cơ và điện
, tốc độ tổ máy (ω). Ngoài ra còn có tín hiệu nhiễu
trắng (white noise) được thêm vào để kiểm tra khả năng lọc nhiễu
của bộ lọc Kalman. Các tín hiệu này kết hợp với các ma trận trạng
thái, ma trận đo lường hay ma trận đầu vào trong thuật toán bộ lọc
Kalman để tính toán ước lượng lưu lượng (q) và tốc độ (ω).


21

4.2.2. K t quả mô phỏng ước lượng lưu lượng qua turbine
Luu luong qua turbine (q)
0.7

Gia tri q xac lap: 0.6

1200

1400

1600

1800

[

])

2000

t(s)

Hình 4.13. Lưu lượng qua turbine
(khi chưa có nhiễu đầu vào, trạng thái
Luu luong qua turbine (q)
0.7

Gia tri q xac lap: 0.6
0.6
0.5

qo = 0.5

(p.u)

0.4

t(s)

Hình 4.14. Lưu lượng qua turbine
(khi chưa có nhiễu đầu vào, trạng thái

[

])

2000


22
Luu luong qua turbine (q)
2.5

Luu luong (q) uoc luong (Kalman Filter)

qo = 2.5
2

Luu luong (q) tu mo hinh

(p.u)

1.5

1

Gia tri luu luong q xac lap: 0.6


Hình 4.15. Lưu lượng qua turbine
[

(khi chưa có nhiễu đầu vào, trạng thái

])

Luu luong qua turbine (q)
0.7

Gia tri q xac lap: 0.6
0.6
0.5

qo = 0.5

(p.u)

0.4

Luu luong (q) uoc luong (Kalman Filter)
0.3

Luu luong (q) tu mo hinh
0.2
0.1
0
-0.1



(khi có nhiễu đầu vào, trạng thái

])

Luu luong qua turbine (q)
2.5

Luu luong (q) uoc luong (Kalman Filter)

qo = 2.5
2

Luu luong (q) tu mo hinh

(p.u)

1.5

1

Gia tri luu luong q xac lap: 0.6

0.5

0

-0.5

0

trạng thái ban đầu khác nhau tại (hình 4.16) , (hình 4.17), ta thấy khi
thay đổi các giá trị ban đầu của biến trạng thái thì lưu lượng ước
lượng qua turbine (q) vẫn hội tụ ở một giá trị không đổi (đường nét
liền) và tương đương với lưu lượng đầu ra của mô hình (đường nét
chấm). Qua đó có thể nhận thấy rằng thuật toán của bộ lọc Kalman
phù hợp với mô hình đã xây dựng và có khả năng lọc nhiễu tốt, kết
quả xác lập khi chưa có nhiễu và khi có nhiễu là tương đương nhau.
4.3. KẾT LUẬN
Kết quả ước lượng lưu lượng qua turbine (q) có ý nghĩa hết
sức quan trọng, nó làm cơ sở cho việc tính toán các thông số cài đặt
cho hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Buôn Kuốp được phù hợp
hơn, điều đó s giúp cho việc vận hành hệ thống điều tốc được ổn
định và tin cậy hơn.