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

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
ĐIỆN LIÊN KẾT VÙNG ĐỂ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ LƯỚI .............................. 8
1.1. Giới thiệu về thủy điện Việt Nam .......................................................... 8
1.2. Hệ thống tự động hóa trong nhà máy thủy điện .................................. 11
1.3. Bài toán điều khiển tần số và công suất tác dụng trong hệ thống điện 13
1.4. Bài toán điều khiển tần số phát điện khi có liên kết vùng ................... 18

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
4.4. Các kết quả mô phỏng .......................................................................... 94
4.4.1. Điều khiển thủy điện liên kết hai vùng sử dụng bộ điều khiển nơ ron 94
4.4.2. Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển NARMA và MRAC .......... 95
4.4.3. Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển MPC ................................ 100
4.5. 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 ......... 105
5.1. Đặt vấn đề .......................................................................................... 105
5.2. Tổng hợp và phân tích các giải pháp điều khiển cho nhà máy thủy điện


∆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


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



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

MRAC

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

DANH MỤC CÁC HÌNH
TT

Tên hình

Trang

Hình 1.1. Mô hình nhà máy thủy điện ............................................................ 10
Hình 1.2. Hệ thống tự động hóa cho nhà máy thủy điện ................................ 11
Hình 1.3. Sơ đồ khối nhà máy thủy điện đơn vùng ........................................ 12
Hình 1.4. Đặc tính tĩnh của tuabin .................................................................. 16
Hình 1.5. Mô hình hệ thống điều khiển tuabin thủy điện liên kết hai vùng ... 19

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 3.14. Xây dựng các hàm liên thuộc cho đầu vào đạo hàm của sai
lệch DE(t) ...................................................................................... 68
Hình 3.15. Mờ hóa đầu ra của bộ điều khiển mờ kiểu PI ............................... 69
Hình 3.16. Quan hệ vào/ra của bộ điều khiển mờ kiểu PI đã đề xuất ............ 69
Hình 3.17. Kết quả mô phỏng cho một nhà máy thủy điện đơn vùng ............ 71
Hình 3.18. So sánh ba bộ điều khiển FLC cho trường hợp nhà máy thủy điện
đơn vùng.......................................................................................... 71
Hình 3.19. Đáp ứng sai lệch tốc độ máy phát đồng bộ cho nhà máy đơn vùng
sử dụng bộ điều khiển logic mờ, khi tải thay đổi 4%. .................... 72
Hình 3.20. Sự hội tụ của thuật toán PSO ........................................................ 74


xi

Hình 3.21. Cập nhật các hệ số chỉnh định bằng thuật toán PSO .................... 74
Hình 3.22. So sánh ba bộ điều khiển mờ ứng dụng các thuật toán tối ưu hóa
sinh học khác nhau (PSO, GA và DE) ............................................ 75
Hình 3.23. Các hàm mục tiêu trong hệ thống thủy điện liên kết hai vùng áp
dụng bộ điều khiển logic mờ ứng dụng ba thuật toán tối ưu hóa ... 76

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
khiển ứng dụng logic mờ, mạng nơ ron và PID - đơn vùng ......... 107
Hình 5.4. Mô hình các bộ điều khiển ứng dụng cho liên kết 2 vùng ............ 108
Hình 5.5. Thay đổi tải cho mỗi vùng ............................................................ 109
Hình 5.6. Đáp ứng độ lệch tốc độ cho vùng 1 sử dụng các bộ điều khiển tốc độ
tuabin khác nhau ........................................................................... 110
Hình 5.7. Đáp ứng độ lệch tốc độ cho vùng 2 sử dụng các bộ điều khiển tốc độ
tuabin khác nhau ........................................................................... 111
Hình 5.8. Tín hiệu điều khiển vị trí van ở vùng 1 ......................................... 112
Hình 5.9. Tín hiệu điều khiển vị trí van vùng 2 ............................................ 113
Hình 5.10. Độ lệch công suất cơ cho khu vực 1 ........................................... 114
Hình 5.11. Độ lệch công suất cơ cho khu vực 2 ........................................... 115
Hình 5.12. Độ lệch tốc độ cho khu vực 1 ..................................................... 116
Hình 5.13. Độ lệch tốc độ cho khu vực 2 ..................................................... 117
Hình 5.14. Độ lệch công suất trên đường dây của khu vực 1,2 .................... 119
Hình 5.15. Sai lệch vùng điều khiển khu vực 1 ............................................ 121
Hình 5.16. Sai lệch tín hiệu vùng ACE1 - giá trị tuyệt đối ........................... 123


xiii

Hình 5.17. Chỉ tiêu ITAE cho tín hiệu sai lệch điều khiển vùng 1 ............... 124
Hình 5.18. Sai lệch vùng điều khiển khu vực 2 ............................................ 125
Hình 5.19. Sai lệch tín hiệu vùng ACE 2- giá trị tuyệt đối ........................... 126
Hình 5.20. Chỉ tiêu ITAE cho tín hiệu sai lệch điều khiển vùng 2 ............... 127




2

Với các nhà máy thủy điện nhỏ hiện nay đang thực hiện chế độ vận
hành phát độc lập và phát khu vực cung cấp cho phụ tải, trong quá trình vận
hành khi tải thay đổi, chiều cao cột áp thay đổi cùng tổn thất đường ống dẫn
đến thay đổi tốc độ, tần số máy phát. Việc nghiên cứu để ổn định công suất,
tần số máy phát ở chế độ phát độc lập đã được nhiều nhà nghiên cứu, chuyên
gia trong, ngoài nước quan tâm và có những công trình nghiên cứu tương đối
cơ bản và hoàn thiện.
Đối với các nhà máy liên kết đa vùng trên thế giới một số nhà khoa học
đã quan tâm nghiên cứu và đạt những kết quả bước đầu trên cơ sở ứng dụng việc
tính toán mềm.
Ở nước ta hiện nay, việc xây dựng hệ thống lưới điện thông minh đòi hỏi
phải tích hợp nhiều nguồn năng lượng đa dạng để đảm bảo an ninh năng lượng
Quốc gia, do vậy việc kết nối các nguồn điện và nhà máy thủy điện là quan trọng
và cần thiết. Tuy nhiên, bài toán nghiên cứu về ổn định tần số tải trong thủy điện
liên kết vùng chưa được các nhà khoa học trong nước đề cập giải quyết.
Bài toán này sẽ được NCS tập trung giải quyết trong luận án với đề tài:
“Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển tốc độ tuabin thuỷ điện liên kết vùng
trên cơ sở logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo”
2. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu, xây dựng mô hình hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy
điện liên kết vùng.
Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển tốc độ tuabin thuỷ điện liên kết
vùng trên cơ sở logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo nhằm nâng cao chất lượng
điều khiển.
3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu thực tế quy trình công nghệ phương thức vận hành của hệ

nâng cao hiệu suất làm việc.
6. Các kết quả mới đạt được
- Tổng hợp được bộ điều khiển mờ tối ưu loại PI cho điều khiển tốc độ


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.
Trên cơ sở những phân tích đó luận án đặt ra mục tiêu thiết kế hệ thống
điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết hai vùng để ổn định tần số tải trên cơ
sở ứng dụng một số thuật toán điều khiển thông minh như logic mờ, mạng nơ
ron, thuật toán tối ưu như PSO, GA, DE…

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 ưu
hóa bầy đàn PSO.
Kết quả mô phỏng 3 hệ thống điều khiển tốc độ tuabin thủy điện liên kết 2
vùng để ổn định tần số tải với các thuật toán trên đều cho thấy cả 3 bộ đều có chất
lượng tốt hơn nhiều so với bộ điều khiển PID kinh điển.
Các kết quả được công bố [CT2], [CT3] trong danh mục công bố công trình
khoa học của luận án.



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
Năng lượng điện là dạng năng lượng thứ cấp được tạo ra từ nhiều nguồn
năng lượng thứ cấp khác nhau như nhiệt năng (dầu, khí đốt, than, năng lượng
phóng xạ, năng lượng mặt trời...), thủy năng (sông, suối, sóng biển, thủy
chiều...), năng lượng gió... Đây là loại năng lượng đóng vai trò quan trọng và
được sử dụng trên khắp thế giới trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống ngày nay
như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, sinh hoạt. Việc sử dụng dạng năng
lượng khác để biến thành điện năng của mỗi nước là tùy vào tình hình tài
nguyên và đường lối phát triển của nước đó. Thuỷ năng là một dạng năng
lượng tái tạo được. Đây là đặc tính ưu việt nhất của nguồn năng lượng này,
các nguồn năng lượng khác như: Nguyên tử, than, dầu... không thể tái tạo
được. Trong quá trình biến đổi năng lượng, chỉ có thuỷ năng sau khi biến đổi
thành cơ năng và nhiệt năng lại được tái tạo thành dạng thủy năng, còn các
dạng năng lượng khác trong quá trình biến đổi không tự tái tạo trong tự nhiên.
Con người sử dụng nguồn thuỷ năng để phục vụ cho đời sống và sản xuất, đặc
biệt là để phát điện.
Tiềm năng thủy điện
Do vị trí địa lý của Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm
mưa nhiều, nên đất nước ta có nguồn tài nguyên thủy năng tương đối lớn. Phân
bố địa hình trải dài từ Bắc vào Nam với bờ biển hơn 3400 km cùng với sự thay
đổi cao độ từ hơn 3100 m cho đến độ cao mặt biển đã tạo ra nguồn thế năng to
lớn do chênh lệch địa hình tạo ra.
Nhiều nghiên cứu đánh giá đã chỉ ra rằng, Việt Nam có thể khai thác được



10

Hình 1.1. Mô hình nhà máy thủy điện
Một số nhà máy thủy điện lớn có thể kể đến như: nhà máy thủy điện Sơn
La là nhà máy thủy điện lớn nhất Việt Nam và khu vực Đông Nam Á, được xây
dựng ngày 2/12/2005, công suất lắp đặt 2400MW, nhà máy thủy điện Hòa Bình
công suất 1920MW được xây dựng và khánh thành năm 1994, nhà máy thủy
điện Lai Châu công suất lắp đặt 1200MW, thủy điện Huội Quảng công suất lắp
đặt 520MW, thủy điện Yaly công suất lắp đặt 720MW, thủy điện Hàm Thuận Đa Nhim khởi công năm 1997, hoàn thành 2001, công suất 300MW, nhà máy
thủy điện Tuyên Quang công suất 342 MW.v.v... là những thủy điện chiến lược
đa mục tiêu. Bên cạnh đó là những nhà máy thủy điện vừa và thủy điện nhỏ cũng
tham gia vào thị trường phát điện Việt Nam. Có thể thấy thủy điện luôn đóng
một vai trò rất quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế của đất nước. Chính
vì vậy mà khâu đầu tư, chế tạo thiết bị, quản lí vận hành cho các nhà máy đòi
hỏi rất cao về yêu cầu kỹ thuật công nghệ và an ninh năng lượng của Quốc gia.
Nhà máy thủy điện có bộ điều tốc (được ví như là trái tim của nhà máy) làm
nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ và tần số máy phát. Trong hệ thống nhà máy dù chỉ