Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều tốc turbine thủy điện nhỏ ở các tỉnh miền núi phía Bắc Việt Nam

iều 
khiển theo giải thuật Ziegler-Nichols (Z-N). 
Trong phương pháp này, việc tách rời thời 
gian Ti sẽ được thiết lập đến vô cùng và thời 
gian phát sinh Td tới không. Điều đó là để có 
được PID ban đầu của hệ thống. Thiết lập 
PID này, sau đó sẽ tiếp tục được tối ưu hóa 
bằng cách sử dụng "Phương pháp suy giảm 
độ dốc". 
5. Tham số PID 
Hệ thống theo khảo sát là dao động và do đó 
điều chỉnh theo quy tắc Z-N dựa trên hệ số 
khuếch đại tới hạn Kth và chu kỳ tới hạn Pth : 
( ) (1 ( ) ( ))c p i dG s K T s T s   (9) 
Từ N-Z phương pháp điều chỉnh tần số theo 
quy tắc điều chỉnh với thông số của Kp, Ti và 
Td như bảng 1 với: Kth là hệ số khuếch đại khi 
hệ ở trạng thái dao động tới hạn; Tck là chu kỳ 
dao động. 
Bảng 1 
Luật điều 
khiển 
Kp Ti Td 
P 0,5.Kth ∞ 0 
PI 0,4.Kth 0,8.Tck 0 
PID 0,6.Kth 0,5.Tck 0,125.Tck 
Xét phương trình đặc trưng của mạch vòng 
khép kín: 
3 26 5 0Ps s s K    (10) 
Từ tiêu chuẩn ổn định Routh, giá trị của Kp 
làm cho hệ thống ổn định có thể được xác 
định theo bảng 2. 
Bảng 2 
s3 1 5 
s2 6 Kp 
s1 (30-Kp)/6 0 
s0 Kp - 
Thiết lập các tham số điều khiển PID ta thu 
được hàm truyền khép kín của các PID điều 
khiển với tất cả các thông số xác định được 
là: 
26,3223( 1,4235)
( )

c
s
G s
s (11) 
Từ hàm truyền đạt trên, ta có thể thấy rằng bộ 
điều khiển PID đã đạt cực trị tại gốc s=-
y 
d
dt
x 
e’ 
I 
Đối 
tượng 
e 
 
- 
M
ở
 v
an
- 
FLC KV 
PR
R
T
R
sT
R
1 sT
PV
1
1 sT
1/s 
GV
1
1 sT
- 
Cơ cấu 
thừa hành 
thuỷ lực 

G
/G
0
Mở Rmax 
Đóng Rmax 
Van mở Max 
Van mở Min 
+
 
re
f 

r 
- 
  
 
- 
Luật 
hợp 
thành 
Lưu Tùng Giang và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 59 - 65 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 62  
1,4235. Sơ đồ khối kiểm soát hệ thống với 
điều khiển PID như hình 8. 
Hình 8. Sơ đồ điều khiển 
Vòng lặp khép kín hệ thống là: 
2
4 3 2
( ) 6,3223 17,999 12,8089
( ) 6 11,3223 18 12,8089
 

   
cG s s s
R s s s s s
 (12) 
Đáp ứng của hệ thống này có thể thu được 
bằng mô phỏng MATLAB [8]. 
Hình 9. Đáp ứng hệ thống thiết kế 
Để nâng cao chất lượng hơn nữa, nhóm 
nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng bộ điều 
khiển PID số 
1 2
0 1 2
1
( )
1
 

 


c
q q z q z
G z
z (13) 
Hình 10. Tối ưu hoá đáp ứng hệ thống 
Sau khi thực hiện mô phỏng với việc sử dụng 
bộ PID số làm chất lượng điều khiển tốt hơn, 
thời gian đáp ứng ở 2,43s. 
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRONG 
MATLAB 
1. Khi nhà máy vận hành độc lập 
Mô hình mô phỏng nhà máy xây dựng từ thư 
viện SimPower của Matlab Simulink với các 
thông số đã được điều chỉnh lại theo số liệu 
dùng trong bài báo này (bảng 3, 4 phụ lục). 
Quá trình thử tải theo 4 cấp độ khác nhau 
(bảng 5 phụ lục) từ mức 0,71MVA đến 7,57 
MVA có tổng thời gian chạy 60s, công suất 
tham chiếu 0,305pu tương đương 1,73MVA. 
Đáp ứng của hệ thống như sau: 
Hình 11. Đáp ứng tốc độ (pu) 
Hình 12. Đáp ứng góc tải và mô men điện từ (pu) 
Hình 13. Đáp ứng công suất Q và P (pu) 
Nhận xét: Tăng phụ tải 0,71MVA ở thời 
điểm 5s, hệ thống điều tốc điều chỉnh tần số 
tăng đến 60Hz. Ở thời điểm 20s, nếu tiếp tục 
tăng đến 7,57MVA, tần số giảm xuống còn 
25Hz. Khi duy trì tải ở mức 1,73 MVA tương 
ứng công suất đặt 0,305pu thì hệ thống điều 
tốc điều chỉnh về trạng thái duy trì ổn định ở 
tần số 49,99 Hz. 
2. Khi nhà máy hoà với lưới điện vô cùng lớn 
0 5 10 15
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Step Response
Time (sec)
A
m
pl
itu
de
0 10 20 30 40 50 60
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
<S
pe
ed
 (p
u)
>
0 10 20 30 40 50 60
-20
-10
0
10
20
30
40
<D
elt
a 
(D
eg
)>
0 10 20 30 40 50 60
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
<T
e 
(p
u)
>
0 10 20 30 40 50 60
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
<Q
eo
 (p
u)
>
0 10 20 30 40 50 60
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
<P
eo
 (p
u)
>
2
4 3 2
6,3223s 17,999s 12,8089
s 6s 5s
 
 
+ 
(s) f(s) 
- 
 
Lưu Tùng Giang và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 59 - 65 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 63  
Hình 14. Đáp ứng tốc độ 
Hình 15. Đáp ứng góc tải và mô men điện từ 
Hình 16. Đáp ứng công suất Q và P 
Nhận xét: Khi nhà máy hoà vào lưới điện có 
công suất vô cùng lớn, thì góc tải và mô men 
điện từ cũng được điều chỉnh theo công suất 
đặt tham chiếu. Lúc đó sự duy trì của hệ 
thống điều tốc là duy trì và điều chỉnh công 
suất cơ trên trục turbine. Tần số luôn duy trì 
ổn định ở mức f=50Hz được xác lập ở thời 
gian 2,5s. Góc tải công suất duy trì ở 22,10 và 
mô men điện từ ở mức 0,9pu. 
KẾT LUẬN 
Trong nghiên cứu này đã chọn ra phương án 
nâng cao chất lượng điều tốc turbine thuỷ 
điện nhỏ, bằng việc thiết lập hệ thống điều 
chỉnh phù hợp giữa công suất nguồn sơ cấp 
và tải của lưới điện; Xây dựng hệ thống điều 
khiển tốc độ turbine bằng bộ điều tốc với hệ 
điều khiển mờ theo luật PID. 
Tiến hành xây dựng các mô hình mô phỏng 
để kiểm tra các tính năng của mô hình đã thiết 
kế cũng như thử nghiệm các trường hợp hoạt 
động của hệ thống trong các điều kiện làm 
việc tiêu biểu. 
Tuy nhiên do việc tiến hành thí nghiệm trên 
đối tượng máy phát không ở mô hình thực tế, 
nên việc nghiên cứu mới chỉ dừng ở việc khảo 
sát dựa trên mô hình được xây dựng từ các 
thư viện chuẩn hóa trong Matlab Simulink. 
Kết quả mô phỏng cho thấy tần số ổn định tốt 
nhất ở chế độ hoà lưới, còn ở chế độ vận hành 
với các loại phụ tải độc lập khác nhau thì có 
sai số là 0,01Hz nằm trong phạm vi cho phép. 
Như vậy với việc xây dựng mô hình nâng cao 
chất lượng điều tốc đã giải quyết được các 
yêu cầu đặt ra. 
PHỤ LỤC 
Bảng 3. Thông số máy phát điện đồng bộ 
TT Tên thông số Đơn vị Trị số 
1 
Công suất định mức 
Pđm 
MW 8,00 
0 2 4 6 8 10 12
0.9
0.92
0.94
0.96
0.98
1
1.02
1.04
1.06
1.08
1.1
<
S
p
e
e
d
 (
p
u
)>
0 2 4 6 8 10 12
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
<
d
e
lt
a
 (
d
e
g
)>
0 2 4 6 8 10 12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
<
T
e
 (
p
u
)>
0 2 4 6 8 10 12
-15
-10
-5
0
5
10
<
Q
 (
p
u
)>
0 2 4 6 8 10 12
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
<
P
 (
p
u
)>
Lưu Tùng Giang và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 59 - 65 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 64  
2 
Điện áp định mức 
Uđm 
V 13,.800 
3 
Dòng điện stato định 
mức 
A 394,23 
4 Tần số định mức fđm Hz 50,00 
5 
Dòng điện kích từ 
không tải 
A 43,48 
6 
Điện trở mạch stato 
(p.u) 
p.u 0,0001 
7 
Các tham số điện 
kháng dọc trục và 
ngang trục 
 Xd p.u 1,1745 
 Xd
’
 p.u 0,2664 
 Xd
’’
 p.u 0,2268 
 Xq p.u 0,4266 
 Xq'' p.u 0,2187 
 Xl p.u 0,1620 
8 
Các hằng số thời gian 
trong quá trình quá 
độ và siêu quá độ 
 Td' s 1,010 
 Td'' s 0,053 
 Tqo
''
 s 0,100 
Bảng 4. Tham số chính bộ điều tốc 
TT Tên thông số Đơn vị Trị số 
1 Độ mở van 
 Gmin (pu) 0,01 
 Gmax (pu) 0,98 
 Vgmin (pu) -0,10 
 Vhmax (pu) 0,10 
2 Tham số đặc tính 
 Rp 0,05 
 Kp 1,16 
 Ki 0,11 
 Kd 
 Td s 0,01 
3 Thông số turbine 
 beta 0,00 
 TW s 2,67 
Bảng 5. Thời gian vận hành với các loại phụ 
tải 
STT 
Thời gian 
vận hành 
Công suất 
vận hành 
Tỷ lệ % 
phụ tải 
(s) (MVA) % 
1 5 0,71 8,84 
2 20 7,57 94,58 
3 40 0,71 8,84 
4 50 1,73 21,69 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1].Qui hoạch thuỷ điện vừa và nhỏ tỉnh Hà Giang 
giai đoạn 2005-2010 có xét đến 2015; Viện Năng 
lượng, Hà Nội 2007. 
[2].Electric Energy and Electric Generators 
Published in 2006 by CRC Press Taylor & Francis 
Group 
[3].IEEE Working Group on Prime Mover and 
Energy Supply Models for System Dynamic 
Performance Studies; "Hydraulic Turbine and 
Turbine Control Models for Dynamic Studies," 
IEEE Transactions on Power Systems. Vol.7, 
No.1, February, 92, pp. 167-179 
[4].J.P. Ngoma Cand. Sc.(Eng); P. D. Lezhniuk, 
Dr. Sc. (Eng.), Prof.; A.V. "Nikitorovych, 
compensation of reactive power of asynchronous 
generators at small hydro power stations". 2008, 
№ 2 
[5].Nghị định số 105/2005/NĐ-CP, ngày 17 tháng 
8 năm 2005 về Quy định chi tiết và hướng dẫn thi 
hành một số điều của Luật Điện lực 
[6].P. Kundur, Power System Stability and 
Control, McGraw-Hill Book, 1994 
[7].Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2002); 
Lý thuyết điều khiển mờ; Nhà xuất bản Khoa học 
và Kỹ thuật, 
[8].Nguyễn Phùng Quang (2006); Matlab & 
Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động; Nhà 
xuất bản Khoa học & kỹ thuật, 
[9].Lưu Tùng Giang (2010); Nâng cao chất lượng 
điều tốc turbin thuỷ điện nhỏ; Luận văn Thạc sỹ 
kỹ thuật. Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - 
ĐH Thái Nguyên, 
Lưu Tùng Giang và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83(07): 59 - 65 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 65  
SUMMARY 
RESEARCH ON IMPROVING THE QUALITY OF A SMALL HYDROPOWER 
TURBINE SPEED CONTROL IN MOUNTAINOUS REGIONS IN VIETNAM 
Luu Tung Giang
1
, Nguyen Hien Trung
2*
1Department of Industry and Trade of Ha Giang Province, 2College of Technology - TNU 
This paper analyses and presents the speed control system of a small hydropower turbine with the view 
of optimization. The high performance process of non-linear movement control with the set of speed 
adjustment under the small control system of PID law is implemented. The control sets for the adjusted 
system of speed and the generators have achieved good results with the experimental model. The 
model results show that the features are completely satisfied compared with the quality standards that 
are set, corresponding to different levels of load, the load angle and the electromagnetic torque also 
change in order to maintain energy levels for download under installed capacity, meet the demands of 
frequency,ensure smaller bias with frequency deviation allowed. 
Key words: Speed control system, water flow, optimization, power quality 
*
 Tel: 0912386547; email: nguyenhientrung@tnut.edu.vn