Tóm tắt Luận án Nghiên cứu ổn định và tối ưu hệ thống phức hợp nhiều thành phần ứng dụng cho hệ thống điện

được mức độ sai lệch của phương pháp đề xuất cho áp dụng vào tính toán ổn định và tối ưu các luật mờ - Hệ tương tác bất định của mô hình tính toán đề xuất. c, Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích lý thuyết, xây dựng cơ sở lý 3 thuyết cho bài toán tương tác bất định với một số luật và điều kiện cho trước. Nhiệm vụ là ổn định về tần số cho lưới điện diện rộng. - Công cụ: Lý thuyết ôn định Lyapunov, Phương trình Riccati, sử dụng các phương pháp của Đại số tuyến tính, lý thuyết điều khiển mờ... - Luận án sử dụng lý thuyết điều khiển mờ, giải tích với phương trình Riccati, lý thuyết ổn định Lyapunov... Tổng hợp bộ điều khiển dựa trên phương trình đại số Riccati cải tiến để tìm ra luật điều khiển tối ưu phản hồi trạng thái có khả năng kiểm soát và dập tắt các dao động của hệ thống do ảnh hưởng nhiễu, đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Tiếp theo, sẽ sử dụng thuật toán điểu khiển thông minh dựa trên logic mờ loại PD, kết hợp với bộ SMES để kiểm soát tần số - phụ tải. Sau đó mô phỏng trên phần mềm MATLAB-Simulink để kiểm chứng tính đúng đắn cũng như sự ưu việt của các luật và phương pháp đề ra đối với đối tượng đã xem xét. Tác giả cho rằng kết quả nghiên cứu này sẽ là nền tảng cho những nghiên cứu sâu hơn về tính ổn định cho hệ thống bất định cũng như tối ưu hóa và điều khiển ứng dụng vào thực tiễn. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Khẳng định lại tính đúng đắn của một số lí thuyết được xem xét và áp dụng vào nghiên cứu tính toán trong điều khiển tối ưu và điều khiển mờ. - Khái quát hóa một phương thức tính toán, tốt nhất, đơn giản nhất có thể để thu được kết quả với các phép sai số cho phép. Áp dụng cho xây dựng hướng giải pháp cho bài toán kiểm soát tần số - phụ tải của hệ thống điện diện rộng. 4 - Ý nghĩa thực tiễn: do hệ thống điện được coi là mạch máu lưu thông nguồn năng lượng của đất nước nên việc ổn định hệ thống truyền tải là cực kỳ quan trọng. Việc xây dựng bộ điều khiển mờ lai kết hợp với bộ SMES giải quyết được bài toán về ổn định tần số khi phụ tải thay đổi (gọi tắt là ổn định tần số - phụ tải), tăng hiệu suất và nâng cao chất lượng điện năng, đảm bảo được an ninh về năng lượng quốc gia. 4. Cấu trúc luận án Nội dung của luận án được trình bày trong bốn chương: Chương I. Tổng quan: phân tích chung về hệ thống lớn. Đánh giá tóm tắt các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, những vấn đề còn tồn tại và hướng giải quyết của luận án. Chương II. Lý thuyết về hệ phân tán và điều khiển phi tập trung. Nội dung chủ yếu của chương này là trình bày về xây dựng mô hình tổng quát cho đối tượng Hệ thống điện lớn, xét vùng ổn định của hệ. Xây dựng bài toán điều khiển 2 lớp: điều khiển ổn định quá trình quá độ cho vùng con và điều khiển mờ lai để ổn định tần số - phụ tải cho toàn hệ thống. Chương III. Nghiên cứu chiến lược điều khiển phi tập trung hiệu quả để ổn định chất lượng hệ thống điện quy mô lớn. Trình bày về cấu trúc chung và mô hình toán học của hệ thống điện đa máy phát. Sau đó, phân tích và đề xuất giải pháp điều khiển ổn định chất lượng của hệ thống điện đa máy phát. Áp dụng cho một hệ điển hình 3 phần tử với các chế độ vận hành khác nhau. Phân tích, đánh giá chất lượng điều khiển thông qua việc mô phỏng trên phần mềm MATLAB – Simulink. 5 Chương IV. Nghiên cứu và giải pháp điều khiển hệ thống điện diện rộng. Ở chương này, luận án giới thiệu về mô hình hóa và mô hình toán hệ thống điện diện rộng. Giới thiệu về mô hình thiết bị lưu trữ từ trường SMES. Từ đó, đề xuất giải pháp điều khiển thông minh sử dụng bộ điều khiển mờ lai với SMES để ổn định và kiểm soát tần số - phụ tải của hệ thống điện diện rộng. Phân tích, đánh giá và so sánh chất lượng của bộ điều khiển mờ lai SMES với các bộ điều khiển khác. Kết luận và kiến nghị. Trình bày tóm tắt các kết quả trong quá trình nghiên cứu. Đánh giá, so sánh và bàn luận về kết quả đạt được và đưa ra các hướng nghiên cứu trong tương lai. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặc điểm của hệ thống phức hợp nhiều thành phần 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước về tối ưu hóa các mô hình của hệ tương tác 1.1.1. Các nghiên cứu trong nước 1.1.2. Nghiên cứu nước ngoài về sự ổn định và hệ thống phức hợp nhiều thành phần 1.3. Kết luận sơ bộ về tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài 1.4. Kết luận chương I - Nghiên cứu ổn định và tối ưu các hệ thống phức hợp nhiều thành phần với mối quan hệ tương tác bất định là một lĩnh vực còn mới mẻ không chỉ ở Việt Nam mà còn ở trên thế giới. Đặc biệt, khi xét vào hệ thống điện diện rộng tại Việt Nam, đó làm một bài toán có đặc điểm đầy đủ tính chất của một hệ phức hợp có nhiều liên kết bất định. 6 - Hiện nay, trong nước cũng như ngoài nước đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về hệ thống phức hợp nhiều thành phần. Đặc biệt là đối với hệ thống điện diện rộng trong vài năm gần đây. Các bài báo trình bày về các bộ điều khiển khác nhau như PID, mờ, nơ ron, mờ trượt, thích nghi...nhằm ổn định các thông số của hệ thống điện điện rộng. Tuy nhiên, mỗi công trình nghiên cứu vẫn còn các vấn đề mở cần tìm hiểu và nghiên cứu tiếp theo. CHƯƠNG 2: HỆ PHÂN TÁN VÀ ĐIỀU KHIỂN PHI TẬP TRUNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN LỚN 2.1. Giới thiệu Khi xem xét nghiên cứu các hệ thống lớn, người ta nhận thấy các hệ thống điện diện rộng có nhiều đặc điểm để trở thành một ví dụ tiêu biểu cho các hệ thống lớn. Một hệ thống điện phức tạp thường bao gồm nhiều vùng phát điện; mỗi vùng phát điện được xem là một vùng điều khiển, nó bao gồm ba thành phần cơ bản như điều tốc, turbine và máy phát đồng bộ với các phụ tải riêng của vùng. SN SkS3 S2 S1 Large-scale system Interconnection units Hình 2.1. Một hệ thống lớn gồm N hệ thống con liên kết chặt chẽ với nhau Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất hai lớp bài toán điều khiển ổn định quan trọng của một hệ thống điện đa máy phát kết nối phức 7 tạp. Thứ nhất là bài toán ổn định quá độ (transient stability). Thứ hai là bài toán kiểm soát tần số - phụ tải, một lớp bài toán cốt lõi của chiến lược kiểm soát phát điện tự động cho mỗi hệ thống điện. 2.2. Mô hình tổng quát hệ thống điện đa máy phát Xét một hệ thống điện lớn gồm n máy phát với phương trình mô tả chuyển động của máy phát đồng bộ thứ i là: i i i i mi eiM D P P    , i = 1, 2,, n (2.1) Trong đó: ij ij1 cos( ) n ei i j i jj P E E Y        Trong công thức (2.1) thì ,i miM P và iE là các giá trị không đổi cho tất cả các máy phát. Đặt: i i D M  , i = 1, 2,, n (2.2) Xét vector 2( 1)nx R  có: 0 0 1 2 1, 1 1 1, 1,( , ,..., , ,..., ) T n n n n n n n n n nx            (2.3) Với in in n    , ,in i n i i       và 0 ij được giải từ các phương trình cân bằng công suất: 0 ij( )ei miP P  với i = 1, 2,, n – 1 (2.4) Ta có hàm Lur’e-Postnikov: ( ) T x Ax Bf y y C x     (2.5) Phương trình (2.5) có thể được viết lại thành:   0 1 ( ) h ( ) 1 0 0 0 1 i i i i i i i x x y x y x                       , i = 1, 2,, n – 1 (2.10) 8 Hệ thống mô tả bởi (2.10) có dạng các hệ con Lur’e – Postnikov kết nối. Các hệ con này được mô tả bởi phương trình sau: 1 ( ) ; , 1, 2,..., s T i i i i i i ij ij i i i j x A x b e h c x i s         2.2.2. Phân tích các hệ thống con Mỗi hệ thống con có tính độc lập tương đối được biểu diễn bởi hệ phương trình trạng thái sau: 1 0 1 ( ) 1 0 0 [0 1] i i i i i x x y y x                      (2.13) Theo ý tưởng của hai tác giả Walker và McClamroch (1967) , ta lựa chọn hàm Lyapunov: 0 ( ) ( ) T i ic x T i i i i i i i i iV x x H x y dy    (2.18) Trong đó Hi là ma trận hằng và i là các đại lượng vô hướng. Theo [20], điều kiện Popov được chỉ ra dưới đây:  1 1Re (1 j )c (A j I) 0Ti i i ib         (2.19) . 2 1/2 (7.15)( ) ( ) g T i i i i i i i iV x y x      (2.20) Bây giờ, ta tiến hành ước lượng vùng ổn định cho * 0.ix  Theo thủ tục được đề xuất năm 1967 bởi Walker và McClamroch, chúng ta cho 1 0i   và xét điều kiện:   2 2 2 2 2 ( 1) 0 0i i i                (2.22) Một ước lượng i của vùng ổn định i chứa điểm gốc là một vùng mở kết nối chứa trong i ( )i i  . Giá trị này được xác định cho mỗi hệ con như sau: 9  0: ( ) , 1,2,..., -1i i i i ix V x V i n    (2.36) với 0 iV xác định từ (2.35). 2.2.3. Vùng ổn định Với mỗi giá trị i cho trước, ta có có thể chọn một hệ số 0 ij(0 os )i i c    mô tả trong (2.30) ' ' 0 0sin( ) sin , k= 1, 2ik ik in iny y     1i i i    (2.52) Và ( )m i i iG   kết hợp với (2.51) ta có: 1 1 1 0 1 0 0 1 ( ) 2 cos sin sin( ) ( ) n i M i i n i in in in i ij ij ij ji m i j i H M M A M A H                             i = 1, 2,, n – 1 (2.53) Từ (2.53) ta có thể suy ra rằng nếu các giá trị của Aịj càng nhỏ thì càng dễ dàng chọn lựa các giá trị phù hợp cho εi. Điều này có nghĩa là việc phân tích các mô hình hệ thống điện thành các hệ thống con trở nên đơn giản hơn nếu chúng được liên kết yếu. Đây cũng là nguyên lý chung được áp dụng khi phân tích tính ổn định của các hệ thống động lực học. 2.3. Các chiến lược điều khiển ổn định chất lượng hệ thống điện 2.3.1. Giới thiệu 2.3.2. Bài toán ổn định quá trình quá độ Giả sử rằng mô hình hệ thống điện lớn này bao gồm N hệ thống con, biểu diễn toán học tương ứng của nó như sau [18-20]: 0 0 0 ( ) ( ) ( ) ( , ( )), ( ) , 1,2,3,..., i i i i i i i i x t A x t B u t f t x t t t x t x i N        (2.60) 10 Để giải quyết bài toán phi tuyến trên, người viết đề nghị sử dụng một phương pháp gồm hai bước dựa trên các phương trình đại số Riccati đã thay đổi để thiết lập các luật điều khiển phi tập trung tuyến tính như sau. Bước 1: Thành lập các phương trình đại số Riccati đã cải tiến:   1 1, 1, 0 N T T T i i i i i ij ij ij i i i i i i j j i N T T ij i i ji ji i j j i A P P A P p G G P PB R B P p W W W W Q                    (2.64) trong đó Ri > 0 và Qi(ni x ni) và Pi(ni x ni) là các ma trận xác định. Bước 2: Giải các phương trình đại số Riccati trên để tìm các luật điều khiển tối ưu như trình bày ở biểu thức sau: 1 ( ) ( )i i i T i i i i u t K x t K R B P     (2.65) Luật điều khiển phản hồi trạng thái nêu trên có khả năng kiểm soát và dập tắt các dao động tức thời của hệ thống do ảnh hưởng của các nhiễu loạn, qua đó đảm bảo tính ổn định của hệ thống điện lớn đang xét. Một trường hợp riêng là hệ thống điện gồm ba máy phát như đã đề cập đến trong hình 2.2. Khi xét đến mô hình này, luật điều khiển phản hồi trạng thái tương ứng được đưa ra dưới đây:       0 0 0 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) i i i i i i i i Pi mi mi Xi ei ei T i i i i u t K x t K t K t K P t P K X t X K R B P                     (2.66) 11 Đây là một chiến lược điều khiển tối ưu kinh điển mang lại hiệu quả và chất lượng điều khiển tốt. Chương sau sẽ kiểm chứng hiệu quả của phương pháp điều khiển đề xuất ở mục này. 2.3.3. Điều khiển mờ áp dụng cho bài toán kiểm soát tần số - phụ tải 2.3.3.1 Khái niệm chung về logic mờ 2.3.3.2. Nguyên tắc và các bước thiết kế bộ điều khiển mờ 2.3.4. Các bộ điều khiển mờ 2.4. Kết luận chương 2 Mục đích chính của nghiên cứu là tìm hiểu, phân tích các hệ thống lớn đa thành phần bất định và phi tuyến với ví dụ điển hình là các hệ thống điện đa máy phát. Tác giả cũng đưa ra một hướng đánh giá vùng ổn định cho các hệ thống điện này khi coi chúng như một tập hợp của các hệ thống con được liên kết yếu (phương pháp phân tách – decomposition) bằng cách sử dụng hàm Lyapunov. Trong lớp bài toán ổn định hệ thống điện lớn, tác giả đề xuất nghiên cứu hai bài toán quan trọng: ổn định tức thời (quá độ) và kiểm soát tần số - phụ tải. Với mỗi lớp bài toán, tác giả lại đề xuất chiến lược điều khiển riêng và hiệu quả. 12 Chương 3: CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN PHI TẬP TRUNG ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 3.1. Giới thiệu 3.2. Cấu trúc chung của các hệ thống điện đa máy phát (a) AN AkA3 A2 A1 Tie-line P3k Ti e- lin e P 12 T ie -l in e P k n Tie-lineP 1n T ie -l in e P 2 3 P2n P 3n P 2k P 1 3 P 1k Governor Turbine Generator Disturbance Load change _ _ r*(t) δ(t) (b) Hình 3.1: Cấu trúc chung của các hệ thống điện đa máy phát 3.3. Mô hình toán học của hệ thống điện đa máy M1 M3 M2 Noise Tie-line 1-2 Tr an sm iss io n lin e 2- 3Transm ission line 2-3 Hình 3.2. Mô hình hệ thống điện ba máy phát kết nối 13 3.4. Giải pháp điều khiển ổn định hệ thống điện đa máy phát Giả sử rằng mô hình hệ thống điện lớn này bao gồm N hệ thống con, biểu diễn toán học tương ứng của nó như sau: 0 0 0 ( ) ( ) ( ) ( , ( )), ( ) , 1,2,3,..., i i i i i i i i x t A x t B u t f t x t t t x t x i N        (3.23) Trong đó, fi(t, x(t)) = fi(x) biểu thị các thành phần liên kết với nhau (là kết quả của quá trình trao đổi công suất qua đường dây truyền tải điện năng giữa các vùng). Chúng được mô tả như các hàm số phi tuyến của các hệ thống con thứ i. Các thành phần phi tuyến này cần đáp ứng các điều kiện Lipschitz dưới đây: ( ) , ( ) ( ) i n i i f x c x x y f x f y h x y        (3.24) 1, ( ) ( , ), 1,2,3,..., . N i ij ij i j j j i f x G g x x i N     (3.25) Trong phương trình (3.25), gij(xi, xj) là một hàm phi tuyến và nó cần thỏa mãn điều kiện ràng buộc sau: ( , ) W (t) (t) , , ji nn ij i j i i ij j i jg x x x W x x x      (3.26) Rõ ràng là hệ thống điện đang xét có tính phi tuyến và bất định mạnh. 14 Mô hình hệ thống điện con thứ i Công thức (3.23) Vector độ lợi K (phản hồi trạng thái) Công thức (3.29) _ ( )ix t ( ) . ( )i i iu t K x t *( ) 0ix t  Hình 3.3. Mô hình điều khiển phản hồi trạng thái áp dụng cho hệ i 3.5. Mô phỏng và đánh giá Trong chương này, tác giả đưa ra ba trường hợp mô phỏng. Thực hiện ba bước giải và phương pháp thu được các kết quả mô phỏng dưới đây. Bước 1: Xây dựng mô hình toán học cho một vùng điều khiển. Các phương trình toán học mô tả đối tượng điều khiển cho các máy thứ nhất và thứ hai: 1, ( ) ( ) ( ) ( , ), 1,2,3,..., . N i i i i i ij ij ij i j j j i x t A x t B u t p G g x x i N       (3.30) Bước 2: Tìm các nghiệm của phương trình đại số Riccati đã cải tiến được đưa ra trong (2.64). Với các thông số cho trước, sử dụng phần mềm MATLAB, ta thu được kết quả như sau: 15 1 1 1 1 2 2 2 2 1 2 [ ] [ 174.7398 42.2510 10.7218 5.2562] . [ ] [ 174.2508 29.2102 10.7003 5.4231] P X P X K K K K K K K K K K                    (3.31) Bước 3: Tiến hành thử nghiệm tính toán cần thiết để chứng minh tính khả thi của chiến lược điều khiển đã đề xuất. Hình 3.4. Đáp ứng động học của các máy phát thứ nhất và thứ hai trong trường hợp mô phỏng thứ nhất 0 1 2 0 0.5 1   1 ,2 ( ra d ) time (s) (a) Machine 1 Machine 2 0 1 2 -2 0 2 4   1 ,2 ( ra d /s ) time (s) (b) Machine 1 Machine 2 0 1 2 -0.5 0 0.5  P m 1 ,2 ( p .u .) time (s) (c) Machine 1 Machine 2 0 1 2 -0.5 0 0.5 1  X e 1 ,2 ( p .u .) time (s) (d) Machine 1 Machine 2 16 Hình 3.5. Đáp ứng động học của các máy phát thứ nhất và thứ hai trong trường hợp mô phỏng thứ hai Hình 3.6. So sánh thời gian xác lập cho cả hai trường hợp mô phỏng 0 1 2 0 0.5 1 time (s) (a)   1 ,2 ( ra d ) Machine 1 Machine 2 0 1 2 -2 0 2 4   1 ,2 ( ra d /s ) time (s) (b) Machine 1 Machine 2 0 1 2 -0.5 0 0.5  P m 1 ,2 ( p .u .) time (s) (c) Machine 1 Machine 2 0 1 2 -1 0 1 2  X e 1 ,2 ( p .u .) time (s) (d) Machine 1 Machine 2 Machine 1 Machine 2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 (a) S e tt lin g t im e (s )   P m X e Machine 1 Machine 2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 (b) S e tt lin g t im e (s )   P m X e 17 3.6. Kết luận chương 3 Trong chương này, tác giả trình bày một chiến lược điều khiển phi tập trung tuyến tính để cải thiện chất lượng điều khiển và nâng cao sự ổn định của một hệ thống lớn đặc trưng bởi các yếu tố phi tuyến và bất định. Ý tưởng cơ bản xuyên suốt chiến lược điều khiển này là sự tuyến tính hóa các hàm phi tuyến, sau đó áp dụng phương án điều khiển tối ưu bằng cách thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái này thực chất sử dụng một vector độ lợi K có các thành phần được tính từ nghiệm của một phương trình đại số Riccati đã cải tiến. Chất lượng điều khiển của chiến lược đã đề xuất được kiểm chứng thông qua một mô hình hệ thống điện ba máy phát kết nối trực tiếp dưới ảnh hưởng của các nhiễu loạn liên tục (chẳng hạn như phụ tải thay đổi). Các kết quả mô phỏng đã khẳng định chất lượng điều khiển rất tốt của chiến lược điều khiển đã nghiên cứu. Hệ thống tác động nhanh, thời gian xác lập ngắn, độ quá điều chỉnh nhỏ là những đặc tính kỹ thuật đầy hứa hẹn mà giải pháp điều khiển đề xuất trong nghiên cứu này mang lại. 18 CHƯƠNG 4: KIỂM SOÁT TẦN SỐ - PHỤ TẢI LƯỚI ĐIỆN LỚN 4.1. Giới thiệu 4.2. Mô hình hóa hệ thống điện diện rộng trong bài toán kiểm soát tần số - phụ tải 4.2.1. Khái quát về hệ thống điện diện rộng 4.2.2. Mô hình toán học của hệ thống điện diện rộng Turbine-i From tie-lines ,D iP _ _ ,tie iP ( )iF s , ( )T iG s Governor-i , ( )G iG s Load & Machine-i , ( )P iG s , ( )G iP s , ( )Tnr iP s( )iU s Hình 4.2. Cấu trúc chung của một vùng điều khiển (vùng phát điện) Từ hình 4.2, các phương trình trạng thái mô tả cho một vùng điều khiển được xây dựng như sau: , , , ,( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ,i P i Tnr i D i tie iF s G s P s P s P s       (4.1) , , ,( ) ( ). ( ),Tnr i Tnr i G iP s G s P s   (4.2) , , 1 ( ) ( ) ( ) ( ) .G i G i i i i P s G s U s F s R          (4.3) 1,, 2 ( ) ( ) ,areas # & # are connected directly ( ) . 0, otherwise n ij i j j j itie i T F s F s i j sP s                (4.4) 19 4.2.3. Mô hình thiết bị lưu trữ từ trường siêu dẫn - SMES Hình 4.3. Mô hình nguyên lý thiết bị SMES Giá trị điện áp đầu ra của bộ biến đổi được tính theo biểu thức: , 1 2 0 0.cos ' .cos 'd i d d d dE U U V V     (4.11) Trong biểu thức (4.11), Vd0 và V’d0 là các điện áp một chiều không tải lý tưởng của mỗi bộ biến đổi; α và α’ lần lượt là các góc điều khiển cho các van của mỗi bộ chuyển đổi điện áp R1 và R2. Về mặt lý thuyết, điện áp đầu ra của thiết bị SMES là tổng điện áp ra của hai bộ biến đổi điện áp trên. Phương trình sau thể hiện mối quan hệ này: , , 0, , 0 if rectifying mode 2 2 .cos with 0 if inverting mode 2 d i d i d i d i E E V E               (4.12) Khi sử dụng thiết bị SMES như là một phần của chiến lược kiểm soát tần số - phụ tải, một yêu cầu bắt buộc là chúng ta cần phải mô hình hóa thiết bị này. Ý tưởng điều khiển ở đây là sự thay đổi của phụ tải có thể được bù đắp bởi sự nạp hay phóng của cuộn dây siêu dẫn, do đó dòng điện một chiều chạy qua cuộn dây Id,i có thể được xem là một tín hiệu điều khiển. Hệ thống làm mát đông lạnh (Cryogenic cooling system) Power conditioning and switching devices Tải Bình chân không chứa Heli (Helium vessel) Cuộn dây siêu dẫn Utility system 20 (a) ,D iP ( )iF s ( )jF s ,tie iP _ _ GG,i (s) GT,i (s) GP,i (s) 1 iR _ Ui (s) , ( )G iP s , ( )T iP s (c) Machine and load unitTurbine unit Governor unit , ( ) Calculation tie iP s SMES Model ( )iF s ,SM iP _ Area #m SMESm Area #n SMESn ,D mP ,D n P Tie-line mn (b) Hình 4.5. Mô hình bộ SMES trong bài toán kiểm soát tần số - phụ tải 4.3. Các bộ điều khiển kiểm soát tần số - phụ tải 4.3.1 Các bộ điều khiển kinh điển 4.3.2. Các bộ điều khiển logic mờ kiểu PD Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ loại PD này được trình bày trên hình 4.8. 21 ( )iF siU UK iuDefuzzi- fication Evaluation of control rules Fuzzifi- cation eK deK iace idace iACE idACE , Calculate ( )tie iP s Compute ACE &i idACE Rule base PD-BASED FUZZY LOGIC CONTROLLER Database Non- reheat turbine Governor model , ( )L iP s ( )kF s ( )iF s _ _ CONTROL-AREA MODELi Machine- load model , ( )tie iP s , ( )tie iP s ( )iF s Hình 4.6. Cấu trúc điều khiển kiểm soát tần số - phụ tải một vùng sử dụng bộ điều khiển mờ PD 4.4. Mô phỏng và kết quả (i) Trường hợp 1: Phụ tải thay đổi ngẫu nhiên ở vùng quan trọng nhất (giả định là vùng 5) như thể hiện trên hình 4.11(a). (ii) Trường hợp 2: Phụ tải được giả định thay đổi trong tất cả các vùng điều khiển. Trong đó, phụ tải ở vùng thứ 5 được giữ nguyên so với trường hợp 1, các vùng khác phụ tải biến đổi ở các thời điểm cũng như biên độ khác nhau (xem hình 4.11b). 4.4.1. Hiệu quả của các bộ điều khiển mờ kiểu PD (1) Độ quá điều chỉnh và thời gian xác lập của đáp ứng dao động sai lệch tần số cho bộ điều khiển logic mờ kiểu PD là nhỏ hơn nhiều so với bộ điều khiển kiểu PI truyền thống. Điều này có nghĩa là chất lượng điều khiển nó mang lại là tốt hơn cho bài toán kiểm soát tần số - phụ tải. (2) Do phụ tải được giả định là chỉ thay đổi ở vùng 5 nên tần số lưới sẽ chịu ảnh hưởng lớn nhất và sớm nhất từ vùng này. Có nghĩa rằng, tần số sẽ bị dao động với biên độ lớn nhất và thời gian xác lập sẽ dài nhất ở vùng này trong tương quan so sánh với các vùng khác (xem hình 4.13). 22 4.4.2. Tác dụng của các bộ SMES Bộ SMES có tác dụng hỗ trợ bộ điều khiển PD trong việc bù năng lượng do phụ tải tăng, qua đó góp phần bù tần số lưới. Hình 4.9. Hai trường hợp thay đổi của phụ tải được sử dụng cho mô phỏng Hình 4.10. Đáp ứng sai lệch tần số trong các vùng điều khiển #1, #4 và #5 trong trường hợp mô phỏng thứ nhất 0 5 101520 30 40 50 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Time (sec) (a) Lo ad v ar ia tio n (p .u .) A#5 0 5 101520 30 40 50 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Time (sec) (b) Lo ad v ar ia tio n (p .u .) A#1 A#2 A#3 A#4 A#5 0 10 20 30 40 50 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 Time (sec) (a) F re q B ia s ( p .u .) A#5-PI A#5-FLC 0 10 20 30 40 50 -15 -10 -5 0 5 x 10 -3 Time (sec) (b) F re q B ia s ( p .u .) A#1-PI A#4-PI A#1-FLC A#4-FLC 23 Hình 4.13. Đáp ứng tần số thay đổi cho các vùng điều khiển 2, 3 và 5 trong trường hợp mô phỏng thứ hai Bảng 4.2: So sánh độ vọt lố của đáp ứng thay đổi công suất đường dây cho các vùng điều khiển Vùng điều khiển Trường hợp mô phỏng 1 Trường hợp mô phỏng 2 PI PD-FL FL- SMES PI PD-FL FL- SMES Area 1 0.0048 0.0028 0.0021 0.0035 0.0019 0.0015 Area 2 0.0049 0.0029 0.0022 0.0051 0.0030 0.0024 Area 3 0.0049 0.0029 0.0020 0.0051 0.0033 0.0024 Area 4 0.0049 0.0029 0.0023 0.0053 0.0033 0.0028 Area 5 0.0195 0.0114 0.0090 0.0189 0.0114 0.0087 4.5. Kết luận chương 4 Một số kết luận chính được rút ra từ chương này như sau: 0 10 20 30 40 50 -0.01 0 0.01 Time (sec) (a) F re q B ia s ( p .u .) A#5-FLC A#5-FL_SMES 0 10 20 30 40 50 -5 0 5 10 x 10 -3 Time (sec) (b) F re q B ia s ( p .u .) A#2-FLC A#3-FLC A#2-SMES A#3-SMES 24 (1) Hệ thống điện diện rộng với các yếu tố bất định, phi tuyến phức tạp là một ví dụ điển hình của hệ thống điều khiển lớn nói chung. (2) Kiểm soát tần số - phụ tải là một trong những vấn đề cốt lõi của điều khiển hệ thống điện, đảm bảo sự làm việc tin cậy, an toàn và kinh tế của toàn bộ lưới điện. (3) Các giải pháp điều khiển ứng dụng điều khiển mờ, ví dụ như bộ điều khiển mờ kiểu PD, có thể thay thế cho các bộ điều khiển truyền thống như PI. (4) Bộ SMES có thể hỗ trợ đắc lực cho việc bù công suất khi phụ tải thay đổi trong lưới điện, qua đó góp phần chỉnh định tần số lưới. (5) Sự kết hợp của điều khiển mờ và bộ SMES hình thành giải pháp điều khiển lai mang lại hiệu quả điều khiển với chất lượng tốt. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Đánh giá kết quả nghiên cứu Nghiên cứu về các hệ thống lớn với nhiều thành phần phi tuyến bất định là một công việc hết sức khó khăn. Khi các thành phần cấu trúc của hệ thống ngày càng đa dạng, phi tuyến và bậc cao đã làm cho khối lượng tính toán của các sách lược điều khiển ổn định hệ thống tăng lên nhanh chóng. Hơn nữa, ảnh hưởng của các nhiễu loạn bất định với mức độ phức tạp ngày càng cao đã làm cho việc thiết kế các chiến lược ổn định hệ thống đối mặt với nhiều thách thức. Trong luận án này, dựa trên phâ