Luận án Nghiên cứu ứng dụng các giải pháp đo lường và điều khiển hiện đại nhằm nâng cao chất lượng ổn định tần số trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu ứng dụng các giải pháp đo lường và điều khiển hiện đại nhằm nâng cao chất lượng ổn định tần số trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐẶNG TIẾN TRUNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC GIẢI PHÁP ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2019
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐẶNG TIẾN TRUNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC GIẢI PHÁP ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. NGÔ DUY HƯNG 2. PGS. TS. PHẠM TUẤN THÀNH HÀ NỘI – NĂM 2019
3. i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Ngô Duy Hƣng và PGS.TS. Phạm Tuấn Thành. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, tự làm, không trùng lặp và chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Đặng Tiến Trung
4. ii LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hƣớng dẫn khoa học, TS. Ngô Duy Hƣng và PGS.TS. Phạm Tuấn Thành, đã hƣớng dẫn, định hƣớng những nội dung cần giải quyết, chỉ dẫn phƣơng pháp giải quyết các vấn đề cần nghiên cứu, động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học và tập thể cán bộ giáo viên Bộ môn Kỹ thuật điện, Khoa Kỹ thuật điều khiển đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến giúp tôi hoàn thành nội dung nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn tới Đảng ủy, Ban giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, các bạn bè đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện để tôi tập trung thực hiện nghiên cứu, hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ, khuyến khích để tôi có thêm nghị lực hoàn thành luận án.
5. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................i LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................ii MỤC LỤC...........................................................................................................iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU........................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ..........................................................ix MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TURBINE TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ ......................................... 8 1.1. Nhà máy thủy điện và vấn đề năng lƣợng cột nƣớc nơi đặt turbine ........... 8 1.2. Vấn đề điều khiển turbine ở nhà máy thủy điện và các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan đến điều khiển ở nhà máy thủy điện. ......................... 21 1.3. Vấn đề nghiên cứu của luận án .................................................................. 27 1.4. Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................... 27 CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG THAM SỐ MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC MÔ TẢ TỔ HỢP TURBINE - MÁY PHÁT CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ ....................................................... 29 2.1. Xây dựng thuật toán nhận dạng tham số mô hình mô tả quá trình điều khiển tần số quay tổ hợp “Turbine+máy phát” ............................................ 30 2.1.1. Mô hình mô tả quá trình điều khiển tần số quay tổ hợp “Turbine+máy phát” .................................................................................................................. 30 2.1.2. Phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu. ............................................................ 35 2.1.3. Xây dựng thuật toán nhận dạng tham số mô hình mô tả tổ hợp turbine + máy phát điện. .................................................................................................. 38 2.1.4. Xây dựng thuật toán nhận dạng tham số mô hình mô tả hệ thống quay cánh
6. iv lái hƣớng ........................................................................................................... 44 2.2. Xây dựng thuật toán đánh giá năng lƣợng cột nƣớc .................................. 53 2.2.1. Bộ lọc Kalman ................................................................................................ 54 2.2.2. Xây dựng giải pháp và thuật toán xác định sự thay đổi năng lƣợng cột nƣớc của nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ ...................................... 61 2.3. Kết luận chƣơng 2 ...................................................................................... 72 CHƢƠNG 3. TỔNG HỢP LUẬT ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ QUAY TURBINE TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ ................. 73 3.1. Xây dựng thuật toán xác định tham số tối ƣu cho bộ điều khiển PID điều chỉnh nguồn nƣớc cấp cho turbine nhà máy thủy điện vừa và nhỏ .............. 76 3.1.1. Xây dựng thuật toán xác định tham số tối ƣu cho bộ điều khiển PI cho mạch vòng điều khiển cánh lái hƣớng. .......................................................... 77 3.1.2. Xây dựng thuật toán xác định tham số tối ƣu cho bộ điều khiển PI cho mạch vòng điều khiển turbine. ....................................................................... 80 3.2. Xây dựng thuật toán backstepping ổn định tần số quay turbine ............... 81 3.3. Xây dựng thuật toán thiết lập điều khiển tối ƣu van cấp nƣớc cho turbine nhà máy thủy điện vừa và nhỏ ...................................................................... 89 3.4. Ứng dụng lọc Kalman xây dựng thuật toán quan sát trạng thái phục vụ thiết lập luật điều khiển tối ƣu. ............................................................................. 97 3.5. Xây dựng thuật toán cho thiết bị điều khiển turbine ............................... 102 3.6. Kết luận chƣơng 3 .................................................................................... 104 CHƢƠNG 4. MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM ....................................................... 106 4.1. Đối tƣợng mô phỏng ................................................................................ 107 4.2. Mô phỏng nhận dạng tham số mô hình. .................................................. 109 4.3. Mô phỏng luật điều khiển tối ƣu thích nghi. ........................................... 114 4.3.1. Mô phỏng luật điều khiển tối ƣu ................................................................. 117
7. v 4.3.2. Mô phỏng luật điều khiển tối ƣu thích nghi ............................................... 121 4.3.3. Mô phỏng luật điều khiển tối ƣu khi tải thay đổi ...................................... 133 4.4. Kết luận chƣơng 4 .................................................................................... 137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 139 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ............................................ 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 143 PHỤ LỤC 1 PHỤ LỤC 2 PHỤ LỤC 3 PHỤ LỤC 4
8. vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Chữ viết tắt Ý nghĩa MEMS Thiết bị vi cơ quán tính PID Proportional Integral Derivative - Bộ điều khiển PID PI Tỉ lệ và tích phân NM Nhà máy NMTĐ Nhà máy thủy điện 2. Ký hiệu Ý nghĩa h Chiều cao mức nƣớc v Tốc độ dòng chảy p Áp suất của dòng nƣớc  Trọng lƣợng riêng của nƣớc E Năng lƣợng của dòng nƣớc Q Lƣu lƣợng của dòng nƣớc u Tín hiệu điều khiển Góc mở hệ thống cánh lái hƣớng g Gia tốc rơi tự do bởi lực hút trọng trƣờng của trái đất p Số đôi cực máy phát điện f Tần số lƣới điện Xt() Véc tơ trạng thái n chiều wt() Véc tơ nhiễu p chiều , Tích vô hƣớng hai véc tơ Ft() Ma trận động học Gt() Ma trận phân bố nhiễu
9. vii Ht() Ma trận đo Qt() Ma trận cƣờng độ nhiễu Rt() Ma trận cƣờng độ nhiễu sai số đo I Ma trận đơn vị  (.) Hàm Đirắc Xt() Véc tơ trạng thái  Kỳ vọng toán học JT Momen quán tính của roto tổ máy thủy điện Kc Hệ số cản của turbine Md Momen chuyển động của turbine Mc Momen chuyển tải của máy phát điện Jc Momen quán tính của cả cụm cánh lái hƣớng Kα Hệ số cản tỷ lệ với tốc độ quay cánh lái hƣớng Mu Momen do xy lanh thủy lực tạo ra để quay cánh lái hƣớng z2 Áp lực thủy tĩnh s Ký hiệu toán tử Laplas  Tín hiệu ra của con quay  Tốc độ quay thực của vật thể quay c Độ trôi của con quay  Nhiễu đo có dạng ồn trắng Tích phân bình phƣơng sai số bám sát tần số chuẩn ∆ Ma trận Jacobi min Giá trị nhỏ nhất  1 Phép tính ngƣợc của toán tử Laplas
10. viii 3. Chỉ số trên Ý nghĩa -1 Ma trận nghịch đảo n Không gian n chiều m Không gian m chiều T Chuyển vị ma trận . Đạo hàm bậc 1 4. Chỉ số dƣới Ý nghĩa i Thứ tự thứ i j Thứ tự thứ j n Thứ tự thứ n