i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
Nguyễn Hiền Trung
ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƢU RH
ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS
Chuyên ngành: Tự động hóa
Mã số: 62 52 60 01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Nguyễn Doãn Phƣớc
2. PGS.TS. Nguyễn Nhƣ Hiển
Thái Nguyên – 2012
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hƣớng
dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả
nghiên cứu là trung thực và chƣa công bố trên bất cứ một công trình nào khác.
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Hiền Trung
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
iii
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận đƣợc nhiều ý kiến đóng góp từ các
thầy giáo, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS. Nguyễn Doãn Phƣớc và PGS.TS.
Nguyễn Nhƣ Hiển đã dành tâm huyết hƣớng dẫn tôi trong suốt thời gian qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo ở bộ môn Tự động hóa –
Khoa điện – Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và gia đình đã có những ý kiến
đóng góp quí báu và tạo các điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình hoàn thành
luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng quản lý đào tạo sau đại học – Trƣờng Đại
học Kỹ thuật công nghiệp; chân thành cảm ơn bộ môn Điều khiển tự động – Viện
Điện – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, trung tâm nghiên cứu triển khai công
nghệ cao trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo những điều kiện thuận lợi để tôi
hoàn thành luận án này.
Tác giả luận án
Nguyễn Hiền Trung
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
iv
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
ii
LỜI CẢM ƠN
iii
MỤC LỤC
iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
xi
MỞ ĐẦU
1
1. Tính cấp thiết, ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài
1
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
3
5. Những đóng góp mới của luận án
3
6. Cấu trúc của luận án
4
Chƣơng 1. TỔNG QUAN
6
1.1.
Giới thiệu cấu trúc hệ thống điện
6
1.2.
Điều khiển hệ thống điện
8
1.2.1.
Nhiệm vụ điều khiển HTĐ
8
1.2.2.
Cấu trúc điều khiển HTĐ
10
1.3.
Vấn đề dao động góc tải trong HTĐ
16
1.3.1.
Định nghĩa góc tải (góc rotor)
16
1.3.2.
Cân bằng công suất trong HTĐ
17
1.3.3.
Nguyên nhân gây ra dao động góc tải
18
1.4.
Bộ ổn định HTĐ - PSS
21
1.5.
Những vấn đề nghiên cứu về PSS
22
1.5.1.
Một số phƣơng pháp thiết kế PSS
22
1.5.2.
Các công trình nghiên cứu về PSS
25
1.6.
Hƣớng nghiên cứu của luận án
26
1.7.
Kết luận chƣơng 1
27
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
v
Chƣơng 2. MÔ HÌNH TOÁN CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN
2.1.
28
Mô hình máy phát điện đồng bộ
30
2.1.1.
Phƣơng trình biểu diễn trên hệ trục toạ độ dq0
31
2.1.2.
Phƣơng trình với mạch từ tuyến tính
35
2.2.
Mô hình kích từ và bộ điều chỉnh điện áp
36
2.3.
Mô hình turbine và bộ điều chỉnh tốc độ
39
2.3.1.
Mô hình turbine
39
2.3.2.
Mô hình bộ điều tốc
41
2.4.
Mô hình động học của hệ máy phát kết nối với HTĐ
42
2.4.1.
Phƣơng trình ràng buộc điện áp trong hệ đơn vị tƣơng đối
42
2.4.2.
Mô hình multi–time–scale của hệ máy phát kết nối với HTĐ
43
2.4.3.
Mô hình bỏ qua quá độ stator của máy phát kết nối với HTĐ
45
2.4.4.
Mô hình two-axis của hệ máy phát kết nối với HTĐ
47
2.4.5.
Mô hình flux–decay của hệ máy phát kết nối với HTĐ
48
2.4.6.
Mô men damping
50
Kết luận chƣơng 2
51
2.5.
Chƣơng 3. PHÂN TÍCH BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS
52
3.1.
Xây dựng mô hình tín hiệu nhỏ của hệ máy phát kết nối với HTĐ
52
3.2.
Phân tích ảnh hƣởng của PSS đối với ổn định tín hiệu nhỏ
58
3.3.
Phân tích cấu trúc các PSS
63
3.3.1.
PSS đầu vào đơn – PSS1A
63
3.3.2.
PSS đầu vào kép
64
3.4.
Phân tích các thành phần trong PSS2A/2B
68
3.4.1.
Tín hiệu tốc độ
68
3.4.2.
Tín hiệu công suất điện
69
3.4.3.
Tín hiệu công suất cơ
69
3.4.4.
Bù pha và lựa chọn tín hiệu ổn định
70
3.4.5.
Khâu giới hạn điện áp đầu cực
70
3.5.
Đánh giá hiệu quả của PSS đối với ổn định góc tải
71
3.5.1.
Trƣờng hợp không sử dụng PSS và có sử dụng PSS
71
3.5.2.
Trƣờng hợp sử dụng PSS1A và PSS2A
72
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
vi
3.6.
Kết luận chƣơng 3
74
Chƣơng 4. ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU RH ĐỂ THIẾT KẾ PSS
TỐI ƢU CẤU TRÚC
4.1.
75
Chuyển bài toán điều khiển ổn định tín hiệu nhỏ thành bài toán điều
khiển bền vững RH
4.2.
75
Thiết kế bộ điều khiển bền vững RH
80
4.2.1.
Khái niệm cơ bản về lý thuyết điều khiển tối ƣu RH
80
4.2.2.
Các bƣớc thực hiện bài toán điều khiển tối ƣu RH
81
4.2.3.
Thiết kế PSS tối ƣu RH
85
Mô phỏng bộ điều khiển
91
4.3.1.
Mô phỏng trong Matlab
91
4.3.2.
Mô phỏng theo thời gian thực
93
4.3.
4.4.
Kết luận chƣơng 4
97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
99
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
100
TÀI LIỆU THAM KHẢO
101
PHỤ LỤC
106
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
x
Các vector biến trạng thái
y
Vector đầu ra của hệ thống
u
Vector đầu vào của hệ thống
nn
Ma trận có các phần tử 0 có kích thƣớc n n
In
Ma trận đơn vị có kích thƣớc n
a, b, c
Cuộn dây stator mỗi pha
fd
Cuộn dây kích từ
kd
Cuộn cản theo trục d, (k=1,2)
kq
Cuộn cản theo trục q, (k=1,2)
va, vb, vc
Điện áp pha tức thời stator
ia, ib, ic
Dòng điện tức thời stator các pha a, b, c
ifd, ikd, ikq
Các dòng điện mạch kích từ, cuộn cản dọc trục và
ngang trục
rfd, rkd, rkq
Các điện trở mạch rotor, cuộn cản
laa, lbb, lcc
Tự cảm các cuộn dây stator
lab, lbc, lca
Hỗ cảm giữa các cuộn dây stator
lafd, lakd, lakq
Hỗ cảm giữa các cuộn dây rotor và stator
lffd, lkkd, lkkq
Tự cảm của mạch rotor
Rs
Điện trở pha phần ứng (stator)
s
Toán tử laplace = d/dt
δ
Góc rotor (góc tải) của máy phát (rad)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
viii
θ
Góc xác định bởi trục pha a và trục d (rad)
vs
Góc pha đầu của điện áp trên thanh cái hệ thống
ω
Tốc độ góc của máy phát (rad/s)
ω0
Tốc độ đồng bộ (rad/s)
Pm
Công suất cơ (p.u)
TM
Mô men cơ (p.u)
Pe
Công suất điện (p.u)
Te
Mô men điện (p.u)
Qe
Công suất phản kháng (p.u)
TD
Mô men dammping – mô men dập (damping torque)
TS
Mô men đồng bộ (synchronizing torque)
KD
Hệ số mô men damping
KS
Hệ số mô men đồng bộ
H
Hằng số quán tính máy phát (s)
d
Từ thông stator dọc trục
q
Từ thông stator ngang trục
Efd
Điện áp kích từ
Vt
Điện áp đầu cực của máy phát (p.u)
Vd
Điện áp stator dọc trục
Vq
Điện áp stator ngang trục
Id
Dòng điện stator dọc trục
Iq
Dòng điện stator ngang trục
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
ix
E’d
Điện áp quá độ dọc trục
E’q
Điện áp quá độ ngang trục
kd
Từ thông móc vòng cuộn cản dọc trục
kq
Từ thông móc vòng cuộn cản ngang trục
Xd; X’d; X’’d
Điện kháng đồng bộ, quá độ và siêu quá độ dọc trục của
máy phát
Xq; X’q; X’’q
Điện kháng đồng bộ, quá độ và siêu quá độ ngang trục
của máy phát
Xls
Điện kháng khe hở (stator leakage inductance)
T’d0; T’’d0
Hằng số thời gian quá độ và siêu quá dộ dọc trục (s)
T’q0; T’’q0
Hằng số thời gian quá độ và siêu quá dộ ngang trục (s)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
x
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Biểu diễn
Ghi chú tiếng anh
PSS
Bộ ổn định HTĐ
Power System Stabilizer
AVR
Tự động điều chỉnh điện áp
Automatic Voltage
Regulator
LMI
Bất đẳng thức ma trận tuyến tính
Linear Matrix Inequalities
LFO
Dao động tần số thấp
Low Frequency
Oscillation
LFC
Điều khiển tần số–tải
AGC
Load–Frequency Control
Automatic Generation
Control
HTKT
Hệ thống kích từ
Excitation Systems
CSTD
Công suất tác dụng
Active Power
CSPK
Công suất phản kháng
Reactive Power
FACTS
Hệ thống truyền tải điện xoay chiều
Flexible AC Transmission
linh hoạt
Systems
Truyền tải điện một chiều cao áp
High Voltage Direct
HVDC
Current
SVC
Thiết bị bù công suất phản kháng
Static Var Compensator
tĩnh
HTĐ
Hệ thống điện
Power System
MBA
Máy biến áp
Transformer
AC
Xoay chiều
DC
Một chiều
p.u
Đơn vị tƣơng đối
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Per unit
http://www.lrc-tnu.edu.vn
xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Các phần tử cơ bản của một HTĐ
7
Hình 1.2. Các hệ thống điều khiển con và điều khiển liên quan của một trạm phát
điện
9
Hình 1.3. Phân loại các chế độ của HTĐ
10
Hình 1.4. Cấu trúc điều khiển HTĐ
11
Hình 1.5. Sơ đồ khối điều khiển và bảo vệ HTKT máy phát điện đồng bộ
13
Hình 1.6. Điều khiển tần số và phân phối CSTD trong HTĐ
16
Hình 1.7. Đặc tính công suất của máy phát
17
Hình 1.8. Phân loại ổn định HTĐ
19
Hình 1.9. Dao động cục bộ
19
Hình 1.10. Dao động liên khu vực
20
Hình 1.11. Sơ đồ khối điều khiển HTKT có PSS
20
Hình 1.12. Cấu trúc cơ bản của PSS
21
Hình 2.1. Sơ đồ khối một máy phát điện đồng bộ
29
Hình 2.2. Sơ đồ máy điện đồng bộ hai cực từ [47]
30
Hình 2.3. Sơ đồ mạch máy kích từ một chiều độc lập
36
Hình 2.4. Sơ đồ mạch máy kích từ tự kích
37
Hình 2.5. Mô hình HTKT IEEE loại 1 [47]
39
Hình 2.6. Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc cơ khí - thủy lực
41
Hình 2.7. Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc điện tử - thủy lực
41
Hình 2.8. Mô hình hệ thống turbine và điều tốc đơn giản
42
Hình 2.9. Sơ đồ động học siêu quá độ của máy phát [47]
45
Hình 2.10. Mô hình two-axis của hệ máy phát [47]
47
Hình 2.11. Mô hình động học flux-decay của máy phát điện [47]
49
Hình 3.1. Sơ đồ khối điều chỉnh kích từ máy phát nối lƣới
52
Hình 3.2. Mô hình HTKT IEEE loại 1 với tín hiệu nhỏ
56
Hình 3.3. HTKT thyristor ST1A với AVR
57
Hình 3.4. Sơ đồ khối đã tuyến tính của máy phát bao gồm kích từ & AVR
57
Hình 3.5. Đáp ứng tự nhiên của góc tải δ với các nhiễu nhỏ
59
Hình 3.6. Đồ thị vector các thành phần mô men với kích từ & AVR
60
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
xii
Hình 3.7. Sơ đồ khối đã tuyến tính hệ máy phát nối lƣới với kích từ, AVR và PSS 60
Hình 3.8. Đồ thị vector các thành phần mô men với kích từ, AVR & PSS
63
Hình 3.9. Sơ đồ khối của PSS1A – loại đầu vào đơn
64
Hình 3.10. Sơ đồ khối PSS2A (IEEE 421.5.1992)
66
Hình 3.11. Sơ đồ khối của PSS2B
66
Hình 3.12. Sơ đồ khối của PSS3B
67
Hình 3.13. Sơ đồ khối của PSS4B (Multi-band PSS)
67
Hình 3.14. Mô hình bộ chuyển đổi sai lệch tốc độ của PSS4B
68
Hình 3.15. Khâu lọc thông cao
69
Hình 3.16. Khâu lọc thông cao và tích phân đã rút gọn
69
Hình 3.17. Các cấu hình khâu lọc đối với công suất cơ
69
Hình 3.18. Khâu khuếch đại và bù pha
70
Hình 3.19. Đáp ứng góc tải δ
71
Hình 3.20. Đáp ứng tốc độ rotor ω
71
Hình 3.21. Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω
71
Hình 3.22. Đáp ứng CSTD máy phát Pe
71
Hình 3.23. Đáp ứng góc tải δ
72
Hình 3.24. Đáp ứng tốc độ rotor ω
72
Hình 3.25. Đáp ứng sai lệch tốc độ rotor Δω
72
Hình 3.26. Đáp ứng CSTD máy phát Pe
72
Hình 3.27. Đáp ứng góc tải δ
73
Hình 3.28. Đáp ứng tốc độ rotor ω
73
Hình 3.29. Đáp ứng CSTD máy phát Pe
73
Hình 3.30. Đáp ứng sai lệch tốc độ rotor Δω
73
Hình 3.31. Đáp ứng góc tải δ
73
Hình 3.32. Đáp ứng sai lệch tốc độ rotor Δω
73
Hình 4.1. Sơ đồ khối rút gọn dùng trong nghiên cứu
75
Hình 4.2. Bài toán điều khiển tối ƣu RH
77
Hình 4.3. Đồ thị Bode của bộ điều khiển ban đầu (bậc 28)
89
Hình 4.4. Đồ thị giá trị suy biến Hankel
89
Hình 4.5. So sánh đồ thị Bode của bộ điều khiển ban đầu và bộ điều khiển giảm bậc
90
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
xiii
Hình 4.6. Giá trị suy biến tƣơng đối của mô hình R ban đầu
90
Hình 4.7. So sánh đồ thị Bode của mô hình bộ điều khiển ban đầu và bộ điều khiển
sau khi giảm bậc (Rr_add và Rr_mult)
91
Hình 4.8. Đáp ứng bƣớc của ba mô hình
91
Hình 4.9. Đáp ứng sai lệch góc tải
92
Hình 4.10. Đáp ứng góc tải
92
Hình 4.11. Đáp ứng sai lệch tốc độ
92
Hình 4.12. Đáp ứng sai lệch CSTD Pe
92
Hình 4.13. Đáp ứng sai lệch điện áp đầu cực Vt
92
Hình 4.14. Hình ảnh của Card điều khiển R&D DS1104
93
Hình 4.15. Thiết lập cho môi trƣờng Solver chạy thời gian thực
94
Hình 4.16. Thiết lập cho môi trƣờng Real–time workshop chạy thời gian thực
94
Hình 4.17. Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển
94
Hình 4.18. Sơ đồ bàn thiết bị mô phỏng
95
Hình 4.19. Đáp ứng sai lệch góc tải Δ
96
Hình 4.20. Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω
96
Hình 4.21. Đáp ứng sai lệch CSTD ΔPe
96
Hình 4.22. Đáp ứng sai lệch điện áp đầu cực máy phát ΔVt
96
Hình 4.23. Đáp ứng sai lệch góc tải Δδ có CPSS và PSSHinfi
97
Hình 4.24. Đáp ứng sai lệch góc tải Δδ có CPSS và không có PSS
97
Hình 4.25. Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω có CPSS và PSSHinfi
97
Hình 4.26. Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω có CPSS và không có PSS
97
Hình PLI.1 Sơ đồ mô phỏng trong Matlab (CPSS và không PSS)
106
Hình PLI.2 Sơ đồ mô phỏng trong Matlab (PSS1A và PSS2A)
107
Hình PLI.3 Sơ đồ khối của CPSS (PSS1A)
108
Hình PLI.4 Sơ đồ khối của PSS2A
108
Hình PLI.5 Sơ đồ mô phỏng trong Matlab của máy phát điện đồng bộ nối lƣới
109
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
1
MỞ ĐẦU
Kỹ thuật điều khiển bền vững (robust) đã đƣợc ứng dụng cho thiết kế hệ điều
khiển HTĐ từ cuối những năm 1980. Sự tiện lợi chính của kỹ thuật này mang lại là
một công cụ tự nhiên để mô phỏng thành công những trạng thái không ổn định của
nhà máy điện. Một số các nỗ lực đó đã góp phần vào việc thiết kế cho bộ ổn định
HTĐ (PSS) và/hoặc các thiết bị FACTS nhƣ trong việc đƣa ra công thức thiết kế độ
nhạy hoà lẫn sử dụng khái niệm H [35], [52], tổng hợp [16], [45] và khái niệm
H2 trong LQG [23], [49]. Trong các nghiên cứu này rất nhiều các mục đích điều
khiển kinh điển nhƣ sự dập tắt các nhiễu loạn, tính ổn định bền vững của hệ thống
có nhiễu đã đƣợc thực hiện và giải quyết bằng kỹ thuật tổng hợp H.
Gần đây xuất hiện thêm nhiều kết quả nghiên cứu có liên quan đến vấn đề này.
Điển hình là của G. N. Taranto, J. H. Chow [50] đƣa ra bộ điều khiển cân bằng mô
hình (model–matching), công trình của Hardiansyah, Seizo Furuya, Juichi Irisawa
[23] đƣa ra bộ điều khiển H, hay công trình của J. H. Chow, J.J. Sanchez–Gasca áp
dụng phƣơng pháp gán điểm cực để thiết kế PSS [17],… Tuy nhiên các tác giả lại
chƣa đƣa ra thiết kế các bộ điều khiển áp dụng đƣợc rộng trong các điều kiện vận
hành, cũng nhƣ chỉ hạn chế đƣợc sự ảnh hƣởng các tín hiệu ngoại sinh nhờ trọng số
chọn trƣớc dƣới điều kiện chúng phải là đo đƣợc. Rõ ràng giả thiết này không phải
lúc nào cũng đƣợc thỏa mãn trong thực tế. Chính vì thế cần thiết phải nghiên cứu
phát triển các hệ thống điều khiển này dƣới giả thiết tín hiệu ngoại sinh là không đo
đƣợc hoặc không quan sát đƣợc.
1. Tính cấp thiết, ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài
Khi phải thiết kế, xây dựng một hệ thống điều khiển bất kỳ nào đó, các nhà
thiết kế thƣờng gặp phải bài toán là bộ điều khiển đƣợc thiết kế phải đảm bảo cho
hệ thống có đƣợc chất lƣợng làm việc mong muốn nhƣ tính ổn định, mức tiêu hao
năng lƣợng thấp, tính bền vững cao,... trong dải công suất làm việc lớn. Có thể thấy
ngay đƣợc rằng các yêu cầu này khó có thể đƣợc đáp ứng chỉ với các công cụ điều
khiển có cấu trúc đơn giản đang đƣợc sử dụng nhiều trong công nghiệp nhƣ bộ điều
khiển PI, PID,…
PSS là một trong các bộ điều khiển hiện đang đƣợc sử dụng trong các nhà máy
điện. Ở Việt Nam, nó đƣợc lắp đặt trong các nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Phú Mỹ;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
2
nhà máy thủy điện Thác Bà, Yaly và Sơn La,… PSS có nhiệm vụ tăng cƣờng việc
giảm các dao động tần số thấp trong HTĐ [43], [46] mở rộng giới hạn truyền tải
công suất và duy trì hoạt động an toàn của mạng lƣới điện. Tuy vậy, nó vẫn có một
hạn chế là mỗi bộ tham số điều khiển chỉ đảm bảo đƣợc tính ổn định cho hệ thống
trong một dải công suất làm việc nhất định (nominal conditions), ngoài dải công
suất đó kỹ sƣ vận hành bắt buộc phải tự chỉnh định lại các tham số làm việc của
PSS. Hơn thế nữa, những tham số chuẩn đƣợc giới thiệu cũng chỉ đảm bảo đƣợc
tính ổn định khi hệ thống làm việc độc lập và không bị các tƣơng tác khác của
những hệ thống xung quanh tác động dƣới vai trò nhƣ các tín hiệu nhiễu ngoại sinh.
Để nâng cao đƣợc khả năng làm việc bền vững cho các bộ điều khiển, hiện
ngƣời ta vẫn sử dụng nguyên tắc thủ cựu là xây dựng thêm nhiều mạch vòng điều
khiển bổ sung (cascade), bằng cách sử dụng thêm bộ điều khiển PID [18], [51] và
các bộ lọc lead–lag [33]. Song đáng tiếc, nhƣ tài liệu [22] chỉ rõ, nguyên lý điều
khiển bảo thủ này vẫn chứa đựng các khiếm khuyết của nó và vẫn có thể dẫn tới sự
phá vỡ chỉ tiêu chất lƣợng đặt ra của hệ thống, chẳng hạn nhƣ với sự gia tăng của
các đƣờng dây truyền tải điện dài công suất lớn, các máy phát lắp đặt HTKT độ
nhạy cao thì trong một số trƣờng hợp, các bộ điều khiển trên không đảm bảo đƣợc
sự dập tắt đối với những dao động trong hệ thống.
Gần đây, lý thuyết tối ƣu RH [2], [42], [56] đƣợc phát triển đã mở rộng kho
công cụ cho các kỹ sƣ điều khiển để thiết kế điều khiển bền vững, cho phép tạo ra
đƣợc các bộ biều khiển bổ sung có khả năng mở rộng dải công suất làm việc định
mức cho hệ thống mà vẫn đảm bảo đƣợc việc loại bỏ các tác động ngoại sinh bên
ngoài. Vì vậy, trong luận án này đã đề xuất xây dựng cấu trúc bộ điều khiển mới
trên cơ sở lý thuyết tối ƣu RH để nâng cao chất lƣợng điều khiển ổn định HTĐ.
Điều này mang tính cấp thiết và có ý nghĩa lớn trong thực tế.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ƣu RH để nâng cao chất lƣợng điều khiển
ổn định HTĐ.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
– Đối tượng nghiên cứu của luận án là Hệ thống điện.
– Phạm vi nghiên cứu của luận án đƣợc giới hạn trong việc nghiên cứu ổn
định góc tải (góc rotor) với các nhiễu nhỏ, các nhiễu nhỏ này sinh ra bởi thiếu mô
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
3
men damping hoặc thay đổi về phụ tải hay máy phát trong quá trình làm việc. Kỹ
thuật thiết kế bộ điều khiển ở đây là lý thuyết điều khiển tối ƣu RH.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
– Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình
nghiên cứu đƣợc công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên
ngành; nghiên cứu cấu trúc và phƣơng pháp lựa chọn thông số PSS. Đánh giá ƣu
nhƣợc điểm các bộ PSS đó.
– Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu cấu trúc các PSS đang lắp đặt trong các
nhà máy điện hiện nay ở Việt Nam, rồi phân tích lý giải so sánh. Kiểm chứng bộ
điều khiển PSS thiết kế mới bằng mô phỏng trong Matlab R2010a & Simulink, sau
đó là mô phỏng thời gian thực trên Card R&D DS1104. Đánh giá khả năng ứng
dụng của bộ PSS mới.
– Lấy ý kiến chuyên gia: Tham khảo ý kiến của các nhà khoa học ở Viện Điện
– trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, trung tâm nghiên cứu triển khai công nghệ cao
trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội; ý kiến của các Kỹ sƣ vận hành nhà máy nhiệt
điện Phả Lại, thủy điện Sơn La và nhà sản xuất thiết bị PSS của hãng ABB.
5. Những đóng góp mới của luận án
– Luận án đã nghiên cứu một cách hệ thống về PSS. Ứng dụng lý thuyết điều
khiển tối ƣu RH thiết kế thành công bộ PSS tối ƣu về cấu trúc và tham số để nâng
cao chất lƣợng ổn định HTĐ. Bộ điều khiển cho thấy làm việc bền vững với sai lệch
mô hình và nhiễu. Ngoài ra chất lƣợng ổn định lại ít nhạy cảm nhất với sai lệch mô
hình và nhiễu.
– Luận án đã dùng chuẩn Hankel để giảm bậc mô hình bộ điều khiển từ bậc
28 xuống bậc 6, giúp cho việc thực hiện bộ điều khiển RH có tính khả thi trong
thực tế.
– Luận án đã đánh giá đƣợc hiệu quả của các loại PSS theo chuẩn IEEE
421.5.2005 trong vấn đề giảm các dao động góc tải của máy phát điện trong HTĐ.
Kết quả này sẽ giúp cho các nhà thiết kế và kỹ sƣ vận hành HTĐ hiểu rõ hơn về
PSS theo lý thuyết điều khiển tối ƣu RH cũng nhƣ cách cài đặt PSS theo các cấu
trúc khác.
– Kết quả nghiên cứu của luận án mở ra khả năng ứng dụng RH – PSS trong
HTĐ thực tế.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
4
6. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị luận án gồm các chƣơng sau đây:
Chƣơng 1 giới thiệu cấu trúc chung về HTĐ; vấn đề điều khiển HTĐ nhƣ điều
khiển điện áp, điều khiển tần số HTĐ; phân tích nguyên nhân gây nên dao động góc
tải, tác hại của dao động và cách khắc phục. Biện pháp khắc phục ở đây là sử dụng
PSS hoạt động thông qua AVR để dập tắt các dao động cơ điện của máy phát điện.
Cuối chƣơng 1 trình bày các vấn đề nghiên cứu về PSS, bao gồm các phƣơng pháp
thiết kế PSS nhƣ mô men damping, đáp ứng tần số hay giá trị riêng và ma trận trạng
thái; cũng nhƣ phân tích các tồn tại và nghiên cứu còn bỏ ngỏ.
Chƣơng 2 của luận án đƣợc dành để xây dựng mô hình toán tổng quát của
trạm phát điện trong HTĐ. Cụ thể là xây dựng mô hình toán của máy phát điện trên
hệ tọa độ dq0. Sau đó là xây dựng mô hình toán của các khối điều khiển liên quan
trong trạm phát điện nhƣ HTKT, hệ thống turbine và điều tốc. Phần tiếp theo là xây
dựng mô hình toán của hệ máy phát điện khi kết nối với HTĐ qua đƣờng dây tải
điện. Vì HTĐ làm việc ở chế độ xác lập nên tính phi tuyến của mạch từ không phải
xét đển, HTKT sử dụng là kích từ IEEE loại 1. Từ đó, tác giả đã lựa chọn mô hình
toán dùng trong nghiên cứu là mô hình flux–decay.
Chƣơng 3 tác giả đi sâu phân tích bộ ổn định HTĐ PSS, so sánh đánh giá hiệu
quả các bộ PSS hiện có với nhau. Phần đầu của chƣơng đƣợc dành để xây dựng mô
hình toán đã tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc của hệ máy phát kết nối với
HTĐ khi bị nhiễu loạn nhỏ tác động, đƣa ra đƣợc hệ phƣơng trình trạng thái của
HTĐ. Dựa trên hệ phƣơng trình trạng thái và sơ đồ khối xây dựng đƣợc, tác giả đã
giải thích bản chất vật lý các thành phần mô men khi chƣa xét đến AVR và khi có
AVR. Kết quả phân tích cho thấy nhƣợc điểm của việc sử dụng AVR độ nhạy cao
do tạo ra thành phần mô men damping tăng theo chiều âm, khiến hoạt động của máy
phát không ổn định. Bằng việc bổ sung thêm một thành phần vector mô men cùng
pha với sai lệch tốc độ Δω sẽ khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của AVR, thành phần mô
men này chính là do PSS tạo nên. Phần tiếp theo của chƣơng 3 giới thiệu các cấu
trúc của PSS theo chuẩn IEEE 421.5.2005, phân tích các thành phần trong cấu trúc
của PSS2A/2B. Cuối chƣơng 3 thực hiện đánh giá hiệu quả của PSS đối với ổn định
góc tải trong hai trƣờng hợp: (i) hệ thống không sử dụng PSS và có sử dụng CPSS;
(ii) hệ thống sử dụng PSS1A và PSS2A. Kết quả mô phỏng trong Matlab và thời
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
5
gian thực cho thấy hiệu quả khá tốt của việc sử dụng PSS đối với ổn định góc tải,
dẫn đến ổn định tốc độ rotor và CSTD đầu ra máy phát. Tuy nhiên, chất lƣợng ổn
định chƣa cao. Do đó, tác giả mới đề xuất thiết kế bộ điều khiển PSS bền vững theo
lý thuyết tối ƣu RH. Phát hiện này và những kết quả nghiên cứu trong chƣơng 3 là
một đóng góp của luận án.
Chƣơng 4 là chƣơng trọng tâm của luận án. Công việc đầu tiên đƣợc dành cho
việc chuyển bài toán điều khiển ổn định tín hiệu nhỏ thành bài toán điều khiển bền
vững. Từ đó, thấy đƣợc nhiệm vụ cần phải thực hiện khi thiết kế bộ điều khiển PSS.
Phần tiếp theo trình bày tổng quan về lý thuyết điều khiển tối ƣu và các bƣớc thiết
kế bộ điều khiển bền vững PSS: bƣớc một, xác định tập tất cả các bộ điều khiển
(s) làm hệ kín ổn định; bƣớc hai, tìm một phần tử R(s) trong tập (s) sao cho với
nó có đƣợc độ nhạy cảm với sai lệch mô hình S và với nhiễu p cũng nhƣ quan hệ
║Gpz(s)║ là nhỏ nhất. Với công cụ hỗ trợ là phần mềm Matlab, tác giả đã tìm ra
bộ điều khiển bậc 28. Để bộ điều khiển có tính khả thi trong thực tế, tác giả đã dùng
chuẩn Hankel để giảm bậc. Kết quả thu đƣợc là bộ điều khiển bậc 6. Phần cuối của
chƣơng 4 dành cho việc mô phỏng bộ điều khiển trong hai trƣờng hợp. Mô phỏng
trong Matlab và mô phỏng theo thời gian thực. Tác giả đã dành một thời lƣợng đáng
kể cho việc kiểm chứng bộ điều khiển bằng mô phỏng thời gian thực tại trung tâm
nghiên cứu triển khai công nghệ cao trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Đây là một
bƣớc tiến gần hơn đến thí nghiệm trên thiết bị thực. Các kết quả mô phỏng cho thấy
bộ điều khiển PSS có tác dụng rõ rệt đối với việc rút ngắn thời gian dao động góc
tải và hạ thấp đƣợc biên độ dao động góc tải so với các bộ PSS truyền thống. Kết
quả nghiên cứu trong chƣơng này là một đóng góp mới và quan trọng của luận án.
Phần cuối cùng của luận án là các công trình đã công bố liên quan đến luận án,
các tài liệu tham khảo và phần phụ lục.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
6
1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN
Equation Section 1
1.1.
Giới thiệu cấu trúc hệ thống điện
Hình 1.1 minh họa các phần tử cơ bản của một HTĐ hiện đại. Điện năng đƣợc
tạo ra ở trạm phát điện (GS) và đƣợc truyền tải đến hộ tiêu thụ thông qua mạng lƣới
điện phức tạp bao gồm các đƣờng dây truyền tải, các MBA, các thiết bị đóng
cắt,…Ta có thể phân mạng lƣới điện thành các hệ thống nhƣ sau:
Hệ thống truyền tải
Hệ thống truyền tải trung gian
Hệ thống phân phối
Hệ thống truyền tải liên kết tất cả các trạm phát điện chính với các trung tâm phụ
tải trong hệ thống. Nó tạo ra xƣơng sống của HTĐ hợp nhất và hoạt động ở các cấp
điện áp cao nhất (điển hình là 220 kV và cao hơn). Vì điện áp đầu ra của máy phát
thƣờng trong khoảng từ 10,5 kV đến 35kV, nên những điện áp này sẽ đƣợc nâng lên
cao bởi MBA trƣớc khi truyền tải đi xa đến các trạm truyền tải trung gian, tại đây điện
áp đƣợc hạ xuống cấp điện áp truyền tải trung gian (thƣờng là 69 kV đến 138 kV).
Hệ thống truyền tải trung gian truyền năng lƣợng điện với công suất nhỏ hơn
từ các trạm truyền tải đến các trạm phân phối. Các hộ tiêu thụ điện lớn công nghiệp
đƣợc cung cấp điện trực tiếp từ hệ thống truyền tải. Ở một số hệ thống, không có
ranh giới rõ ràng giữa mạng điện truyền tải và mạng truyền tải trung gian.
Hệ thống phân phối tƣợng trƣng cho giai đoạn cuối trong việc truyền tải điện
năng tới các hộ tiêu thụ riêng lẻ. Điện áp phân phối sơ cấp thƣờng nằm trong
khoảng 6 kV đến 35 kV. Các hộ tiêu thụ điện công nghiệp nhỏ đƣợc cung cấp điện
trực tiếp từ các đƣờng dây ở cấp điện áp này. Các hộ tiêu thụ điện sinh hoạt và
thƣơng mại thì tiêu thụ ở phía thứ cấp MBA với điện áp 380/220 V.
Các trạm phát điện nhỏ đặt gần phụ tải thƣờng đƣợc kết nối trực tiếp tới hệ
thống truyền tải phụ hoặc hệ thống phân phối. Còn sự liên kết giữa các HTĐ gần
nhau thƣờng đƣợc thực hiện ở cấp hệ thống truyền tải.
HTĐ nhƣ mô tả ở trên đây tạo nên sự phức tạp về cấu trúc cũng nhƣ độ tin
cậy,... Một mặt, HTĐ này cho phép khai thác tối đa các ƣu điểm vận hành kinh tế
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Xem thêm -