Xây dựng thuật toán xác định tham số tối ưu cho bộ điều khiển PID cấp nước vào tuốc bin thủy điện

Bài viết trình bày việc xác định các tham số tối ưu trong luật điều khiển PID cho van cấp nước vào tuốc bin nhà máy thủy điện vừa và nhỏ nhằm ổn định tần số điện áp phát trong điều kiện tải thay đổi.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xây dựng thuật toán xác định tham số tối ưu cho bộ điều khiển PID cấp nước vào tuốc bin thủy điện Kỹ thuật điều khiển & Điện tử XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH THAM SỐ TỐI ƯU CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CẤP NƯỚC VÀO TUỐC BIN THỦY ĐIỆN Đặng Tiến Trung1,*, Phạm Tuấn Thành2 Tóm tắt: Bài báo trình bày việc xác định các tham số tối ưu trong luật điều khiển PID cho van cấp nước vào tuốc bin nhà máy thủy điện vừa và nhỏ nhằm ổn định tần số điện áp phát trong điều kiện tải thay đổi. Từ khóa: Tối ưu, Tần số chuẩn. 1. MỞ ĐẦU Trong bài báo [2] đã trình bày mô hình toán mô tả quan hệ giữa góc quay cánh lái hướng của van cấp nước có thế năng và động năng cho tuốc bin của tổ hợp “tuốc bin+máy phát điện” trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ với việc thay đổi tần số quay của tuốc bin. Tuy nhiên, chưa trình bày thuật toán hình thành giá trị lệnh U nhằm ổn định tần số điện áp phát ở giá trị chuẩn 50 Hz. Hiện nay, ở các nhà máy thủy điện hiện có luật điều khiển van cấp nước thường được áp dụng là luật PID tín hiệu sai lệch giữa tần số quay hiện có của tuốc bin với tần số chuẩn 0 ( 0  2 f 0  2 50  100 ). Tuy nhiên, như bài báo [2] đã phân tích các tham số mô hình mô tả động học quay tuốc bin thủy điện vừa và nhỏ không có bể điều áp thường thay đổi, phụ thuộc vào cao trình của hồ chứa nước hoặc tốc độ dòng chảy. Điều này đòi hỏi phải thường xuyên chỉnh định tham số của luật điều khiển PID. Trong [2] cũng đã trình bày thuật toán nhận dạng tham số mô hình phụ thuộc vào cao trình của hồ chứa nước hoặc tốc độ dòng chảy. Việc có thông tin về các tham số mô hình cho phép định kỳ hiệu chỉnh tham số bộ điều khiển PID. Trong bài báo này sẽ tiếp tục trình bày thuật toán xác định giá trị bộ tham số tối ưu PID để sai số bám sát tần số chuẩn đạt giá trị nhỏ nhất. 2. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH THAM SỐ TỐI ƯU CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Trong bài báo [2] đã cho thấy mô hình mô tả quan hệ giữa tín hiệu điều khiển quay cánh lái hướng và tần số quay của tuốc bin như sau: d T    K  z1 (1) dt d 2 d T 2   K uU  z2 (2) dt dt Trong đó:  - Tần số quay của tuốc bin,  - Góc cánh lái hướng dòng nước cấp vào tuốc bin (khi   0 thì van đóng và ngừng nước cấp vào tuốc bin, còn khi    max thì van mở hết cỡ), các tham số T , T , K , K u phụ thuộc vào áp lực và tốc độ chảy của cột nước, tham số z2 phụ thuộc vào áp lực cột nước, tham số z1 ngoài sự phụ thuộc và áp lực và dòng chảy còn phụ thuộc vào tải tiêu thụ được phân bổ cho máy phát điện. Tần số chuẩn tuốc bin cần quay là: 0  2 f 0  2 50  100 (rađian/giây) (3) Nhiệm vụ điều khiển máy phát điện ở các nhà máy thủy điện gồm hai nhiệm vụ chính là điều khiển kích từ rotor máy phát để biên độ điện áp phát ra ổn định ở giá trị danh định và điều khiển cánh lái hướng dòng nước cấp cho tuốc bin quay rotor đảm bảo tần số điện 38 Đ. T. Trung, P. T. Thành, “Xây dựng thuật toán xác định tham số … tuốc bin thủy điện.” Nghiên cứu khoa học công nghệ áp phát ra ổn định ở giá trị danh định trong giải thay đổi của tải z1 do hệ thống điện lưới yêu cầu. Việc điều khiển phần kích từ đã nhiều công trình công bố, không được xem xét trong bài báo này. Đối với tất cả các máy phát thủy điện hiện có ở nước ta hiện nay thuật toán điều khiển cánh lái hướng thường áp dụng lệnh điều khiển PID [1] tín hiệu sai lệch giữa tần số thực và tần số chuẩn, tức là: t 1 de U (t )  K p (e(t )   e( )d  TD ) (4) TI 0 dt trong đó: e(t )   (t )  0 (5) Vấn đề chọn các giá trị cho các tham số Kp, TI, TD trong luật điều khiển (4) cần phải xem xét. Hiện nay, các giá trị này được xác định là các hằng số dựa trên bộ tham số danh định, không thay đổi trong quá trình tuốc bin hoạt động. Vì có thuật toán nhận dạng tham số mô hình động học, nên có thể định kỳ tự động hiệu chỉnh các tham số Kp, TI, TD để đạt hiệu quả ổn định tần số quay tuốc bin. Từ hai phương trình (1), (2) và luật điều khiển (4) có thể xây dựng sơ đồ chức năng mô tả quá trình điều khiển (hình 1). Hình 1. Sơ đồ chức năng quá trình điều khiển quay tuốc bin máy phát điện. Vì hệ phương trình (1), (2) là tuyến tính, các tham số T , T , K , K u thay đổi theo cao trình của hồ chứa nước hoặc tốc độ dòng chảy (hoặc thay đổi theo cả hai yếu tố này). Tuy nhiên, có thể coi là hằng số cho một khoảng thời gian nhất định, vì vậy, có thể ứng dụng biến đổi Laplace để xây dựng hàm truyền cho các khối trong mô hình chức năng như hình 1 và cho luật điều khiển (4), khi đó, nhận được sơ đồ khối như sau (hình 2): Z2 Z1 w0 Dw TI 1 a 1 w K p (1   TD p) Ku K p Ta p 2  p Tp  1 Hình 2. Sơ đồ khối hệ thống ổn định tần số quay tuốc bin nhà máy thủy điện. Khi tải của lưới điện phân cho máy phát thay đổi thì tần số quay của tuốc bin sẽ thay đổi, khi đó, luật điều khiển PID sẽ điều chỉnh dòng nước cấp vào tuốc bin nhằm đưa tuốc bin quay về tần số chuẩn. Cần xác định các giá trị bộ tham số Kp, TI, TD ...