i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
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
eBook for You
Nguyễn Hiền Trung
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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.
Thái Nguyên, ngày 13 tháng 8 năm 2012
Nghiên cứu sinh
eBook for You
Nguyễn Hiền Trung
iii
LỜI CẢM ƠN
Trong q trình làm luận án, tơi 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 lịng biết ơn đến PGS.TS Nguyễn Dỗn 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, các đồng nghiệp ở bộ môn Hệ
thống điện – Khoa điện – Trƣờng Đại học Kỹ thuật cơng nghiệp và gia đình đã có
những ý kiến đóng góp q báu và tạo các điều kiện thuận lợi cho tơi trong q trình
hồn thành luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn Phòng quản lý đào tạo sau đại học – Trƣờng Đại
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 tơi
hồn thành luận án này.
Tác giả luận án
Nguyễn Hiền Trung
eBook for You
học Kỹ thuật công nghiệp; chân thành cảm ơn bộ môn Điều khiển tự động – Viện
iv
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
ii
LỜI CẢM ƠN
iii
MỤC LỤC
iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
vii
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
3
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 cơng suất trong HTĐ
18
1.3.3.
Ngun 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 cơng trình nghiên cứu về PSS
25
1.6.
Hƣớng nghiên cứu của luận án
26
1.7.
Kết luận chƣơng 1
27
eBook for You
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
v
Chƣơng 2. MƠ HÌNH TỐN CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN
2.1.
Mơ hình máy phát điện đồng bộ
28
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
34
2.2.
Mơ hình kích từ và bộ điều chỉnh điện áp
36
2.3.
Mơ hình turbine và bộ điều chỉnh tốc độ
39
2.3.1.
Mơ hình turbine
39
2.3.2.
Mơ hình bộ điều tốc
41
2.4.
Mơ hình của hệ máy phát kết nối với HTĐ
42
2.4.1.
Phƣơng trình ràng buộc điện áp trong hệ đơn vị tƣơng đối
2.4.2.
Mơ hình multi–time–scale của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mơ hình
bậc 8)
43
Mơ hình bỏ qua quá độ stator của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mơ
hình bậc 6)
45
2.4.4.
Mơ hình two-axis của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mơ hình bậc 4) 47
2.4.5.
Mơ hình flux–decay của hệ máy phát kết nối với HTĐ (bậc 3)
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 mơ 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 cơng suất điện
69
3.4.3.
Tín hiệu cơng 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
eBook for You
2.4.3.
42
vi
3.5.1.
Trƣờng hợp khơng sử dụng PSS và có sử dụng PSS
71
3.5.2.
Trƣờng hợp sử dụng PSS1A và PSS2A
72
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.
Chuyển bài toán điều khiển ổn định tín hiệu nhỏ thành bài tốn điều
khiển bền vững RH
4.2.
75
Thiết kế bộ điều khiển bền vững RH
75
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
91
4.3.1.
Mô phỏng trong Matlab
91
4.3.2.
Mô phỏng theo thời gian thực
93
4.4.
Kết luận chƣơng 4
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
97
99
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
100
TÀI LIỆU THAM KHẢO
101
PHỤ LỤC
106
eBook for You
Mô phỏng bộ điều khiển
4.3.
vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
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
Tốn tử laplace = d/dt
δ
Góc rotor (góc tải) của máy phát (rad)
eBook for You
x
viii
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 qn tính máy phát (s)
d
Từ thơng stator dọc trục
q
Từ thơng 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
eBook for You
θ
ix
E’d
Điện áp quá độ dọc trục
E’q
Điện áp quá độ ngang trục
kd
Từ thơng móc vịng cuộn cản dọc trục
kq
Từ thơng 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
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)
eBook for You
Xls
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
HTKT
Hệ thống kích từ
Excitation Systems
CSTD
Cơng suất tác dụng
Active Power
CSPK
Cơng 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
Per unit
eBook for You
Control
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 cơng suất của máy phát
17
Hình 1.8. Phân loại ổn định HTĐ (nét đậm chỉ phạm vi nghiên cứu của luận án) 19
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
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. Mơ hình HTKT IEEE loại 1 [46]
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. Mơ hình hệ thống turbine và điều tốc đơn giản
42
Hình 2.9. Sơ đồ động học siêu q độ của máy phát [46]
45
Hình 2.10. Mơ hình hai trục (two-axis) của hệ máy phát [46]
47
Hình 2.11. Mơ hình động học flux-decay của máy phát điện [46]
49
Hình 3.1. Sơ đồ khối điều chỉnh kích từ máy phát nối lƣới
52
Hình 3.2. Mơ 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 AVR
60
eBook for You
Hình 1.9. Dao động cục bộ
xii
Hình 3.7. Sơ đồ khối đã tuyến tính hệ máy phát nối lƣới với kích từ, AVR và PSS 60
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. Mơ hình bộ chuyển đổi sai lệch tốc độ của PSS4B
68
Hình 3.15. Khâu lọc thơng cao
69
Hình 3.16. Khâu lọc thơng cao và tích phân đã rút gọn
69
Hình 3.17. Các cấu hình khâu lọc đối với cơng 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 tốn điều khiển tối ƣu RH
77
Hình 4.3. Đồ thị Bode của bộ điều khiển thiết kế (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
eBook for You
Hình 3.8. Đồ thị vector các thành phần mô men với AVR & PSS
xiii
Hình 4.6. Giá trị suy biến đa lỗi của mơ hình R ban đầu
90
Hình 4.7. So sánh đồ thị Bode của mơ hình bộ điều khiển ban đầu và bộ điều khiển
91
Hình 4.8. Đáp ứng bƣớc của ba mơ 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 mơi 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 mơ 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 khơng 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 khơng có PSS
97
Hình PLI.1 Sơ đồ mơ phỏng trong Matlab (CPSS và khơng PSS)
106
Hình PLI.2 Sơ đồ mơ 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
eBook for You
sau khi giảm bậc (Rr_add và Rr_mult)
eBook for You
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 sử dụng khái niệm H nhƣ trong việc đƣa
ra công thức thiết kế độ nhạy hoà lẫn [34], [51], tổng hợp [16], [44] và khái niệm
H2 trong LQG [23], [48]. Trong các nghiên cứu này rất nhiều các mục đích điều
khiển kinh điển nhƣ sự suy giảm 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.
Điển hình là của G. N. Taranto, J. H. Chow [49] đƣa ra bộ điều khiển cân bằng mơ
hình (model–matching), cơng trình của Hardiansyah, Seizo Furuya, Juichi Irisawa
[23] đƣa ra bộ điều khiển H, hay cơng 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 khơng đo
đƣợc hoặc khơng 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 tốn là bộ điều khiển đƣợc thiết kế phải đảm bảo cho hệ thống
có đƣợc chất lƣợng làm việc mong muốn nhƣ ổn định, tiêu hao năng lƣợng thấp, tính
bền vững cao,... trong dải cơng suất làm việc lớn. Có thể thấy ngay đƣợc rằng yêu cầu
này khó có thể đƣợc đáp ứng chỉ với các cơng cụ điều khiển có cấu trúc đơn giản
đang đƣợc sử dụng nhiều trong công nghiệp nhƣ bộ điều khiển PI, PID,…
eBook for You
Gần đây xuất hiện thêm nhiều kết quả nghiên cứu có liên quan đến vấn đề này.
2
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;
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 [42], [45] mở rộng giới hạn truyền tải
cơng 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), ngồi dải cơng
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 trị 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 công nghiệp
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 tắt dần đối với những dao động trong hệ thống.
Gần đây, lý thuyết tối ƣu RH [2], [41], [55] 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
ngồi. 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.
eBook for You
[18], [50] và các bộ lọc lead–lag [32]. Song đáng tiếc, nhƣ tài liệu [22] chỉ rõ,
3
– 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
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 cơng trình
nghiên cứu đƣợc cơng 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 mơ phỏng thời gian thực trên Card R&D DS1104. Đánh giá khả năng ứng
– 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 PSS để nâng cao chất lƣợng ổn định HTĐ. Bộ điều khiển
cho thấy làm việc bền vững với nhiễu so với các PSS thông thƣờng. Luận án đã
dùng chuẩn Hankel để giảm bậc mơ hình bộ điều khiển, 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 trong vấn đề giảm các
dao động góc rotor (dao động cơ điện tần số thấp) của máy phát điện. Kết quả này
sẽ giúp cho các kỹ sƣ vận hành HTĐ hiểu rõ hơn về thiết kế 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.
6. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị luận án gồm các chƣơng sau đây:
eBook for You
dụng của bộ PSS mới.
4
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 (góc rotor), 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. Đặc
biệt trên nền lý thuyết tối ƣu RH tác giả đã đề xuất phƣơng pháp thiết kế bộ điều
khiển PSS bền vững, có tính tối ƣu cả về cấu trúc và tham số, để thay thế cho các bộ
PSS hiện có.
Chƣơng 2 của luận án đƣợc dành để xây dựng mơ hình tốn tổng quát của
trạm phát điện trong HTĐ. Cụ thể là xây dựng mơ hình tốn của máy phát điện trên
hệ tọa độ dq0. Sau đó là xây dựng mơ hình tốn của các khối điều khiển liên quan
theo là xây dựng mơ hình tốn của hệ máy phát điện khi kết nối với HTĐ qua
đƣờng dây tải điện. Với giả thiết là HTĐ làm việc ở chế độ xác lập nên tính phi
tuyến của mạch từ khơng phải xét đển, HTKT sử dụng là kích từ IEEE loại 1. Từ
đó, để phù hợp với phạm vi và thực tế nghiên cứu tác giả đã lựa chọn mơ hình tốn
dùng trong nghiên cứu là mơ hình flux–decay (mơ hình bậc 3).
Chƣơng 3 tác giả đi sâu phân tích bộ ổn định HTĐ PSS, từ đó so sánh đánh
giá hiệu quả các bộ PSS hiện có với nhau. Phần đầu của chƣơng đƣợc dành để xây
dựng mơ hình tốn đã tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc của hệ máy phát
kết nối với HTĐ khi bị nhiễu loạn nhỏ tác động, từ đó 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 mơ men khi chƣa có 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 mơ 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 khơng sử dụng PSS và có
eBook for You
trong trạm phát điện nhƣ hệ thống kích từ, hệ thống turbine và điều tốc. Phần tiếp
5
sử dụng CPSS; ii) hệ thống sử dụng PSS1A và PSS2A. Kết quả mô phỏng trong
Matlab và thời 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 tốn điều khiển ổn định tín hiệu nhỏ thành bài tốn 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
║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. Các kết
quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển bền vững 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 cơng trình đã cơng bố liên quan đến luận án,
các tài liệu tham khảo và phần phụ lục.
eBook for You
nó có đƣợc độ nhạy cảm với sai lệch mơ hình S và với nhiễu p cũng nhƣ quan hệ
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
thƣờng trong khoảng từ 10,5 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 69kV đến 138kV).
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, khơng 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 6kV đến 35kV. 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 380/220V.
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
(phối hợp với các nguồn thuỷ – nhiệt điện, tối ƣu hố cơng suất nguồn…); cho phép
eBook for You
cấp điện áp cao nhất (điển hình là 220kV và cao hơn). Vì điện áp đầu ra của máy phát
7
hệ thống chống lại đƣợc các sự cố bất thƣờng mà không làm gián đoạn việc cung
cấp điện cho các hộ tiêu thụ. Mặt khác, là tiền đề thuận lợi cho việc phát triển các
nguồn điện công suất lớn và việc đấu nối vào hệ thống. Tuy nhiên, cũng làm nảy
sinh vấn đề về ổn định HTĐ [5], [30].
GS
22kV
15,75kV
500kV
500kV
Hệ thống truyền tải
500kV
Hệ thống truyền tải
220kV
GS
220kV
Trạm truyền tải
Phụ
tải
công
nghiệp
Đường dây
truyền tải trung
gián
110kV
Phụ tải công
nghiệp
Tới đường dây truyền tải
trung gián
500kV
220kV
110kV
Trạm phân
phối
Trạm phát
điện nhỏ
Đường dây trung áp
6/10/22kV
0,4kV
380/220V
Phụ tải sinh hoạt
Phụ tải thương mại
Hình 1.1. Các phần tử cơ bản của một HTĐ
eBook for You
500kV
Kết nối với đường
dây bên cạnh
Kết nối với HTĐ
bên cạnh
22kV
220kV
8
1.2.
Điều khiển hệ thống điện
1.2.1. Nhiệm vụ điều khiển HTĐ
Chức năng của một HTĐ là biến đổi năng lƣợng từ một dạng tự nhiên sang
dạng điện và truyền tải đến các điểm tiêu thụ. Sự tiện lợi của năng lƣợng điện là dễ
truyền tải và điều khiển với hiệu suất và độ tin cậy cao. Trong quá trình vận hành
HTĐ cần đảm bảo các yêu cầu sau đây:
1. Hệ thống phải có khả năng đáp ứng một cách liên tục với sự thay đổi nhu cầu tải
CSTD và CSPK. Không giống nhƣ các dạng năng lƣợng khác, điện năng không
thể tích trữ với dung lƣợng lớn đƣợc. Bởi vậy, rất nhiều thiết bị và bộ điều khiển
đƣợc sử dụng để duy trì cân bằng cơng suất tiêu thụ và cơng suất phát.
2. Chất lƣợng điện năng phải đảm bảo các tiêu chuẩn sau đây:
Tần số hệ thống không đổi
Điện áp nút không đổi
Trong mỗi khối điều khiển máy phát có chứa khối điều tốc và khối điều khiển kích
từ. Khối điều tốc có nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ và điều khiển một số biến cung cấp
năng lƣợng nhƣ áp suất hơi, nhiệt độ và luồng năng lƣợng. Chức năng của khối điều
khiển kích từ là điều chỉnh điện áp và CSPK đầu ra máy phát.
Mục đích của hệ thống điều khiển máy phát là để cân bằng công suất phát với
công suất tải cùng các tổn thất. Bởi vậy, tần số và CSTD có quan hệ mật thiết
với nhau.
Hệ thống điều khiển đƣờng dây truyền tải bao gồm các thiết bị điều khiển
công suất và điện áp, nhƣ thiết bị bù tĩnh SVC, máy bù đồng bộ, tụ điện,
kháng điện đóng cắt, bộ điều áp MBA, MBA dịch pha và các thiết bị điều
khiển đƣờng dây HVDC. Mục đích là để duy trì điện áp, tần số cũng nhƣ các
thông số khác của hệ thống nằm trong giới hạn cho phép.
Các hệ thống điều khiển mơ tả trên đây góp phần thoả mãn sự làm việc của
HTĐ. Chúng có ảnh hƣởng đáng kể đến đặc tính động học của hệ thống và khả
năng đối phó với các nhiễu loạn.
Các mục đích điều khiển đƣợc dựa trên chế độ làm việc của HTĐ. Trong các
điều kiện bình thƣờng, mục đích điều khiển là để đảm bảo điện áp và tần số gần với
giá trị định mức. Khi phát sinh điều kiện khác thƣờng, mục đích điều khiển là đƣa
hệ thống về chế độ bình thƣờng.
eBook for You
Hình 1.2 mơ tả một số khối điều khiển của một trạm phát điện trong HTĐ.
9
Trao đổi
cơng suất
Tần số
Điều độ Kế hoạch
sản xuất
Cơng suất trục
Dịng điện
kích từ
Máy phát
eBook for You
Điều tốc và
điều khiển
Khối điều khiển máy phát khác
và các điều khiển liên quan
Hệ thống điều khiển máy phát
Khối điều khiển
máy phát
Hệ thống
kích từ và
điều khiển
Cơng suất
máy phát
Tốc độ
Điện áp
Tốc độ/công suất
Điều khiển đường dây tải điện
Tần số
Trao đổi
cơng suất
Cơng suất
máy phát
Hình 1.2. Các hệ thống điều khiển con và điều khiển liên quan
của một trạm phát điện
Dựa vào [30], [31], có thể phân loại chế độ của HTĐ ra các loại sau đây: bình
thƣờng, cảnh báo, nguy hiểm, sự cố và phục hồi sau sự cố. Hình 1.3 mơ tả các chế
độ này và phƣơng thức tác động giữa chúng.
Trong chế độ bình thƣờng, tất cả các thông số chế độ hệ thống nằm trong
phạm vi định mức và khơng có thiết bị nào bị q tải. Hệ thống làm việc an tồn và
có khả năng trụ vững với những biến cố ngẫu nhiên mà không vi phạm bất cứ ràng
buộc nào.
10
Nếu mức độ an tồn ở dƣới
Bình thường
giới hạn chắc chắn, hoặc khi hệ
thống chịu một nhiễu loạn gia tăng
do điều kiện thời tiết (bão), thì hệ
thống rơi vào chế độ cảnh báo. Ở
Phục hồi
Cảnh báo
Sự cố
Nguy hiểm
chế độ này, tất cả các biến của hệ
thống vẫn còn nằm trong giới hạn
cho phép và các ràng buộc vẫn còn
đƣợc thỏa mãn.
Khi hệ thống ở chế độ cảnh
báo, nếu xảy ra nhiễu lớn thì hệ
Hình 1.3. Phân loại các chế độ của HTĐ
thống rơi vào chế độ nguy hiểm. Ở chế độ này, điện áp ở nhiều thanh cái giảm thấp
và/hoặc thiết bị bị quá tải. Hệ thống vẫn có thể duy trì và có thể quay trở về chế độ
cảnh báo bằng các biện pháp điều khiển khẩn cấp nhƣ: loại trừ sự cố, điều khiển
Nếu các biện pháp ở trên khơng đƣợc sử dụng hoặc khơng có hiệu quả, thì hệ
thống sẽ bị sự cố, hậu quả là làm sự cố lan rộng và có thể sập hệ thống. Các hoạt
động điều khiển nhƣ xa thải phụ tải và điều khiển hệ thống bị phân tách hoàn toàn.
Chế độ phục hồi sau sự cố đƣợc thể hiện bằng hoạt động điều khiển tái kết nối
lại tất cả các điều kiện thuận lợi và khôi phục lại tải hệ thống. Hệ thống có chuyển
từ chế độ này sang chế độ cảnh báo, chế độ bình thƣờng đƣợc hay khơng là còn tùy
thuộc vào điều kiện làm việc thực tế của hệ thống.
Các chế độ hệ thống phân loại nhƣ trên cung cấp khuôn khổ cho các chiến
lƣợc điều khiển để giúp cho cơng tác vận hành HTĐ có hiệu quả.
1.2.2. Cấu trúc điều khiển HTĐ
Hình 1.4 là sơ đồ cấu trúc điều khiển HTĐ, phân chia làm hai khối: các bộ
điều khiển lắp đặt phía nhà máy điện và các bộ điều khiển lắp đặt phía đƣờng dây
truyền tải điện:
Khối điều khiển phía nhà máy có hai bộ phận cơ bản: một là điều khiển tần số
tải (LFC) hay điều tốc turbine, dùng để giữ tần số của máy phát ở giá trị định
mức (50Hz), một bộ phận quan trọng khác là hệ thống điều khiển kích từ. Bộ
phận LFC không đủ nhanh để cải thiện ổn định của hệ thống, vì hằng số thời
eBook for You
kích từ, đóng mở van nhanh, …
11
gian của nó lớn; cịn điều khiển kích từ có thể hoạt động rất nhanh vì hằng số
thời gian của nó rất nhỏ.
Các bộ điều điều khiển HTĐ
Phía tryền tải điện
FACTS
(nhanh)
Phía nhà máy điện
Turbine
Bộ điều khiển cơ khí
Điều khiển tần số tải (LFC)
(chậm)
(chậm)
Kích từ,
AVR (nhanh)
Hình 1.4. Cấu trúc điều khiển HTĐ
Trong khi HTKT dùng để cải thiện ổn định cho máy phát đồng bộ, thì các thiết
bị FACTS [9] dùng để ổn định các dao động trên các đƣờng dây truyền tải
điện. FACTS đƣợc định nghĩa là việc sử dụng kỹ thuật điện tử công suất lớn
FACTS đƣợc thiết kế đã vƣợt qua các giới hạn về mặt cơ khí của đƣờng dây
truyền tải điện xoay chiều. FACTS đã góp phần gia tăng khả năng truyền tải,
khả năng điều khiển công suất và dập tắt các dao động trong HTĐ [9], [40].
Ngoài các khối điều khiển nêu trên, trong HTĐ Việt Nam cịn có trung tâm
điều độ HTĐ quốc gia (A0), dƣới đó là các điều độ miền Bắc, miền Nam và miền
Trung để chỉ huy vận hành HTĐ đáp ứng yêu cầu sản xuất và tiêu thụ điện năng.
Sau đây ta sẽ phân tích phƣơng pháp điều khiển hai thông số quan trọng của
chế độ hệ thống điện là điện áp và tần số.
1.2.2.1. Điều khiển điện áp
a) Giới thiệu chung
Để điều khiển điện áp ngƣời ta thực hiện điều khiển việc sản xuất, tiêu thụ
CSPK ở tất cả các cấp trong HTĐ. Các máy phát là phƣơng tiện cơ bản để điều
khiển điện áp, trong đó việc điều khiển dịng điện kích từ thơng qua AVR sẽ duy trì
đƣợc điện áp ở đầu cực các máy phát điện. Các phƣơng tiện thêm vào để điều khiển
điện áp có thể phân loại nhƣ sau:
Nguồn CSPK, nhƣ tụ bù ngang, kháng bù ngang, máy bù đồng bộ và SVC
Bù kháng đƣờng dây, nhƣ tụ bù dọc
MBA điều chỉnh, nhƣ MBA có điều chỉnh điện áp dƣới tải và MBA tăng áp
eBook for You
điện áp cao, với các bộ vi xử lý, các thiết bị vi điện tử để điều khiển HTĐ.