Xây dựng mô hình mô tả quá trình điều khiển cho các máy phát điện của nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
Đ. T. Trung, P. T. Thành, “Xây dựng mô hình mô tả quá trình thủy điện vừa và nhỏ.” 62 
XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ TẢ QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO 
CÁC MÁY PHÁT ĐIỆN CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ 
Đặng Tiến Trung1*, Phạm Tuấn Thành2 
 Tóm tắt: Bài báo trình bày cơ sở toán học để xây dựng mô hình (hệ phương 
trình) mô tả quá trình điều khiển tần số của điện áp phát ra từ các nhà máy thủy 
điện vừa và nhỏ, ở những nơi không có bể điều áp cột nước. Bằng phương pháp 
bình phương tối thiểu và xử lý các dữ liệu đầu vào luật điều khiển hợp lý đã được 
phân tích và tổng hợp. 
Từ khóa: Tuốc bin điện, Máy phát điện, Nhà máy thủy điện, Luật điều khiển. 
1. MỞ ĐẦU 
Hiện nay, nguồn điện năng thủy điện đang chiếm tỷ trọng rất lớn trong toàn thể nguồn 
điện năng của nước ta. Tuy nhiên, hệ thống điều khiển của các tổ hợp tuốc bin và máy phát 
điện thường được nhập khẩu và chế tạo tại nước ngoài với các tham số thiết kế xác định 
không thể thay đổi. 
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc quá trình điều khiển. 
Vì vậy, chúng ta chưa đi sâu vào nghiên cứu vấn đề điều khiển. Để làm chủ trong khai 
thác và sửa chữa các hệ thống điều khiển và tiến tới cải tiến hiện đại hóa nó cần phải 
nghiên cứu sâu hơn về hệ thống điều khiển. Một trong những nhiệm vụ đó là xây dựng mô 
hình mô tả quá trình điều khiển ổn định tần số của điện áp phát ra của tổ hợp tuốc bin máy 
phát. Vấn đề này rất cần thiết trong giai đoạn hiện nay. Theo [1, 2] cấu trúc của quá trình 
điều khiển có thể được thể hiện trên hình 1. 
2. XÂY DỰNG MÔ TẢ TUỐC BIN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN. 
Phương trình mô tả quá trình động học của cấu trúc nêu trên như sau [1, 2]: 
T c d c
d
J K M M
dt

 (1) 
Trong đó, JT là mô men quán tính của Roto tổ máy thủy điện (bao gồm tuốc bin và roto 
máy phát điện); Kc là hệ số cản của tuốc bin; Md là mô men chuyển động của tuốc bin; Mc 
là mô men chuyển tải của máy phát điện. Mô men chuyển động của tuốc bin có thể coi là 
tỷ lệ thuận với lưu lượng Q nước cấp vào tuốc bin, lưu lượng Q này tỷ lệ với góc mở cánh 
hướng, tức là: 
 .d yM K (2) 
Quá trình điều khiển mở cánh hướng (quay cánh hướng) là quá trình cấp tín hiệu mở 
các van của xi lanh thủy lực để cấp dầu cao áp vào các bồng xi lanh thuỷ lực để dịch 
chuyển pitong, từ đó làm quay cánh hướng. cM là mô men tải, là một đại lượng biến đổi, 
phụ thuộc vào tải của lưới điện. 
Nhiều nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, không có bể điều áp, khi đó, áp lực nước phụ 
thuộc vào cao trình của hồ chứa và dòng chảy. Khi này, hệ số cK trong biểu thức (1) và 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017 63
yK trong biểu thức (2) sẽ là các tham số thay đổi. Thay (2) vào (1) và chia hai vế phương 
trình (1) cho cK nhận được: 
 1
d
T K z
dt

 (3) 
Trong đó: 
 T
c
J
T
K
 , y
c
K
K
K
 , 1
c
c
M
z
K
 (4) 
Từ các biểu thức (4) cho thấy các tham số T , K , 1z của phương trình (3) là các tham 
số thay đổi, phụ thuộc vào cao trình của hồ chứa, dòng chảy và tải tiêu thụ. 
Vì cánh lái hướng là một cơ cấu quay thường có kích thước và khối lượng lớn, ngoài ra 
nó còn phải chịu áp lực của cột nước tác động vào. Vì vậy, góc mở α không thể là một đại 
lượng tỷ lệ với tín hiệu điều khiển. Mô hình mô tả nó có thể được viết như sau [2]: 
2
2c u A
d d
J K M M
dt dt
 (5) 
Trong đó Jc – Mô men quán tính của cả cụm cánh lái hướng. Kα - Hệ số cản tỷ lệ với tốc 
độ quay cánh lái hướng; Mu - Mô men do xy lanh thủy lực tạo ra để quay cánh lái hướng 
(mô men điều khiển), mô men này có thể coi là tỉ lệ thuận với tín hiệu điều khiển U, tức là: 
 u xM K U (6) 
 Mô men thủy tĩnh AM phụ thuộc vào áp lực của cột nước. Thay (6) vào (5) và chia 
hai vế phương trình (5) cho K nhận được: 
2
22 u
d
T K U z
dt
 (7) 
Ở đây: 
 c
J
T
K
 , xu
K
K
K 
 , 2
AMz
K 
 (8 ) 
Các tham số T , uK có thể coi là hằng số, còn nhiễu tải 2z phụ thuộc vào áp lực cột nước. 
Từ hai phương trình (3) và (5) có thể xây dựng sơ đồ hệ tuyến tính mô tả động học quá 
trình điều khiển làm thay đổi tần số của máy phát điện. 
Hình 2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển máy phát điện NMTĐ vừa và nhỏ. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
Đ. T. Trung, P. T. Thành, “Xây dựng mô hình mô tả quá trình thủy điện vừa và nhỏ.” 64 
Như trên đã phân tích các tham số K , T , 1z trong mô hình nêu trên có tính chất thay 
đổi theo cao trình của hồ chứa nước và tải tiêu thụ. Để xác định góc mở cánh lái hướng 
tối ưu cần phải xác định hoặc đánh giá các tham số này. 
 3. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐÁNH GIÁ THAM SỐ 
MÔ HÌNH MÔ TẢ MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN 
Trên cơ sở các thông tin đo được hoặc đọc được về góc mở cánh lái hướng và tốc 
độ (tần số) góc quay của tuốc bin [6]  cần phải xây dựng thuật toán nhận dạng (xác 
định) các tham số K , T , 1z của mô hình mô tả quá trình phát điện của máy phát thủy 
điện thuộc nhà máy thủy điện vừa và nhỏ. 
Giả sử bước rời rạc hóa khi giải phương trình vi phân (3) là T . Gọi ( )i , ( 1)i là 
các giá trị tần số quay của tuốc bin máy phát thủy điện ở các thời điểm i T , ( 1)i T , 
gọi ( )i là giá trị góc mở cánh lái hướng và 1( )z i là giá trị tải trong khoảng thời gian 
[ ,( 1) ]i T i T . Theo lý thuyết hệ phương trình vi phân tuyến tính [3] có: 
 1
0 0
( 1) ( ( ) ( ) ( ) )
T TT
T T Ti e i e K i d e z i d
 
   
 (9) 
Vì trong khoảng thời gian [ ,( 1) ]i T i T các giá trị ( )i và 1( )z i được coi là không 
đổi nên có thể đưa ra ngoài phép tích phân, khi đó lời giải (9) có thể viết như sau: 
 1
0
( 1) [ ( ) ( ( ) ( )) ]
TT
T Ti e i K i z i e d

  
 1( 1) [ ( ) ( ( ) ( )) ( 1)]
T T
T Ti e i K i z i T e  
 (10) 
Vì 
T
T
 có giá trị nhỏ nên: 
 1
T
T
T
e
T
 ; 1
T
T
T
e
T
 (11) 
Triển khai biểu thức (10) với gần đúng (11) có: 
 1( 1) (1 )[ ( ) ( ( ) ( ))]
T
i i T K i z i
T
  
2
1 1( 1) ( ) ( ( ) ) ( ) ( ( ) ( ))
T T
i i T K i z i K i z i
T T
   
 (12) 
Vì 
2T
T
 là vô cùng nhỏ bậc hai nên có thể bỏ qua vậy biểu thức (12) có dạng sau: