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

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


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

3.2.1. Thuật toán 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


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


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



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 mô 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


Hình 2.14. Mô 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 toán

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 toán điển hình cho giải thuật tối ưu PSO.........................55
Hình 3.5. Giải bài toán 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. Thông 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 4.10. Cấu trúc điều khiển của mô hình MRAC áp dụng ANN....................91
Hình 4.11. Mô 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 mô phỏng cho kịch bản mô phỏng đầu tiên............................ 97
Hình 4.15. Sai lệch công suất trao đổi trên đường dây

trong trường hợp mô

phỏng đầu tiên............................................................................................................. 98
Hình 4.16. Hàm mục tiêu cho kịch bản mô phỏng đầu tiên..................................... 98


xii

Hình 4.17. Kết quả mô phỏng cho kịch bản thứ hai..................................................... 99
Hình 4.18. Các hàm mục tiêu cho trường hợp mô phỏng thứ hai....................... 100
Hình 4.19. Quá trình huấn luyện của hai bộ điều khiển LFC dựa trên ANN kết quả điển hình..................................................................................................... 101
Hình 4.20. Kết quả mô phỏng nhà máy thủy điện liên kết hai khu vực..........102
Hình 4.21. Công suất trao đổi trên đường dây và hàm mục tiêu (a) công suất
liên kết; (b) Hàm mục tiêu................................................................................. 103
Hình 5.1. Mô 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 thông minh đã đề xuất....................107
Hình 5.3. So sánh đáp ứng sai lệch tốc độ máy phát khi sử dụng các bộ điều

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 công 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 toàn bộ quá 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 công suất, tần số
lưới luôn 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 công suất,
tần số lưới ổn định.


3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu thực tế quy trình công nghệ phương thức vận hành của hệ
thống tự động hóa thủy điện.


3

Nghiên cứu xây dựng và khảo sát mô hình mô 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 toán điều khiển thông 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 toán di truyền (GA), tiến hóa vi phân (DE).


4

(tần số) tuabin thủy điện liên kết 2 vùng với 03 giải thuật tối ưu: Tối ưu hóa
bày đàn PSO, thuật toán 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 mô hình tham chiếu
MRAC. Các tham số chỉnh định được xác định thông qua thuật toán tối ưu hóa
bày đàn PSO.
-

Thiết lập được mô hình mẫu cho bài toán điều khiển tần số phụ tải mô

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 công 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 toán 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.

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 công 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 mô hình tham chiếu MRAC.
Kết quả mô 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
không 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 toán tối

-

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 mô 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.
-

Mô 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

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.
Ngoài 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 công nghiệp nước ta đóng một vị trí
rất quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, ngành
điện là ngành tiên phong luôn 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 luôn đạt sản lượng cao nhất chiếm một tỉ trọng lớn trong
ngành điện. Do vậy nhà máy thủy điện luôn được C hính 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 công suất P> 1000MW, thủy điện
trung bình có công suất 15MW< P