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

BỘ GIÁO DỤC VÀ VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
ĐÀO TẠO
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

……..….***…………

VŨ DUY THUẬN
Nghiên cứu ổn định và tối ưu hệ thống phức hợp
nhiều thành phần ứng dụng cho hệ thống điện
Chuyên ngành: Lý thuyết điều khiển và điều khiển tối ưu
Mã số: 62.52.60.05

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2017


Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và
Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Thái Quang Vinh
Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Hoàng Ngọc Nhân

Phản biện 1: …
Phản biện 2: …
Phản biện 3: ….
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ,
họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng

… năm 201….
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Một trong những thách thức đầu tiên của lý thuyết hệ thống phải
đối mặt khi nghiên cứu các hệ thống lớn là các hệ thống này có mô
hình toán học ngày càng phức tạp và cồng kềnh. Điều này được lý
giải là do bản thân các hệ thống lớn ngày nay luôn chịu sự ảnh
hưởng tương hỗ của nhiều quá trình công nghệ, môi trường và xã hội
phức tạp. Ngoài ra, khối lượng tính toán cho mỗi hệ thống lớn này lại
thường phát triển nhanh hơn nhiều so với sự gia tăng về kích thước
của bản thân hệ thống nên các vấn đề phát sinh của mỗi hệ thống lớn
phức tạp như vậy hoặc là không thể giải quyết được, hoặc là không
kinh tế, cho dù khoa học tính toán ngày nay đã tương đối phát triển.
2. Mục tiêu, phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu
a, Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu về một phương pháp phân tích
hệ thống phức hợp nhiều thành phần thành các hệ thống con có tính
độc lập tương đối. Sau đó, luận án sẽ tập trung xây dựng thuật toán
điều khiển phi tập trung cho hệ thống đa phức hợp đã được phân rã
thành các hệ con nói trên. Phương pháp điều khiển đề xuất trong luận
án được áp dụng cho một đối tượng điển hình là các hệ thống điện
lớn. Với mục tiêu trên, nhiệm vụ của luận án sẽ bao gồm:
- Nghiên cứu về hệ thống phức hợp nhiều thành phần với mối
quan hệ tương tác bất định để từ đó xây dựng cơ sở toán học cho
việc phân rã hệ thống điện lớn thành các vùng con có tính độc lập

tương đối.

1


- Xây dựng 2 lớp bài toán điều khiển: điều khiển phi tập trung
tuyến tính để điều khiển quá độ các vùng con và điều khiển mờ kiểu
PD để kiểm soát tần số cho hệ thống điện lớn.
- Xây dựng và mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink để
kiểm tra lại tính đúng đắn của các luật đã đề ra.
b, Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
Trên cơ sở nghiên cứu trước của các tác giả về ứng dụng thực
tiễn bài toán tối ưu hóa mô hình mẫu, bài toán con lắc ngược, mạng
Neuron, hệ thống điện... bài toán môi trường và các yếu tố, ứng dụng
logic mờ vào robot song song đã được kiểm chứng; tác giả sử dụng
phương pháp khái quát hóa và chọn một phương án tính toán bao
quát chung nhất, ứng dụng vào xây dựng hướng giải pháp cho bài
toán Ổn định tần số hệ thống lưới điện diện rộng. Phạm vi nghiên
cứu của bài toán này là xây dựng mô hình toán cho hệ thống lưới
điện có từ 3 đến 5 đối tượng (máy phát, phụ tải, SMES...) có mối liên
hệ bất định, với các điều kiện ràng buộc và giả thiết ban đầu để cụ
thể hóa đối tượng, nhằm xây dựng mô hình đối tượng và tính toán
các thông số nằm trong phạm vi cho phép. Từ các biến động về máy
phát, truyền tải và phụ tải, kết hợp với bộ SMES, tác giả xây dựng
luật điều khiển và phương pháp tính mới (sử dụng giải tích và logic
mờ), áp dụng một trong các giải pháp mà các công trình đã công bố
và được kiểm nghiệm bằng MATLAB, từ đó xác định 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
2


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.

3


- 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.

4


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.
5


- 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.
S1

Large-scale
system

S2

SN

S3

Sk

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
6


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:
M i i  Dii  Pmi  Pei , i = 1, 2,…, n

(2.1)

Trong đó: Pei   j 1 Ei E jYijcos( i   j  ij )
n

Trong công thức (2.1) thì

M i , Pmi và Ei là các giá trị không

đổi cho tất cả các máy phát. Đặt:

Di
  , i = 1, 2,…, n
Mi

(2.2)

Xét vector x  R2( n1) có:
x  (1n ,2n ,..., n1,n , 1n  10n ,...,  n1,n   n01,n )T

(2.3)

0
Với  in   in   n , in  i  n , i   i và  ij được giải từ các

phương trình cân bằng công suất:

Pei ( ij0 )  Pmi với i = 1, 2,…, n – 1
Ta có hàm Lur’e-Postnikov:
 x  Ax  Bf ( y )

T
 y C x

(2.4)

(2.5)

Phương trình (2.5) có thể được viết lại thành:


  0 
 1
xi    i ( yi )  h i ( x)
 xi  

, i = 1, 2,…, n – 1

 1 0
0

yi   0 1 xi

(2.10)
7


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:
s

xi  Ai xi  bii ( i )   eij hij ;

i  ciT xi , i  1, 2,..., s

j 1

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:

  0 
 1
xi    1 ( yi )
 xi  


 1 0
0
 y  [0 1]x
i
 i

(2.13)

Theo ý tưởng của hai tác giả Walker và McClamroch (1967) , ta
lựa chọn hàm Lyapunov:
Vi ( xi )  x H i xi  i
T
i

ciT xi

  ( y )dy
i

i

i

(2.18)

0

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:

i1  Re(1  ji)cTi (A j I)1bi    0
.

2

V i ( xi )(7.15)   i1/2i ( yi )  gTi xi   i

(2.19)
(2.20)

Bây giờ, ta tiến hành ước lượng vùng ổn định cho xi*  0. Theo
thủ tục được đề xuất năm 1967 bởi Walker và McClamroch, chúng
ta cho i1  0 và xét điều kiện:
i  (i  1) 2
(2.22)
0
  0
2
i   2    2 2
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:
8


i  xi : Vi ( xi )  Vi 0  ,

i  1,2,..., n -1

(2.36)
với Vi 0 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

 i (0   i  cos ij0 ) mô tả trong (2.30)

 yik'  sin( yik'  in0 )  sin in0 ,

k = 1, 2

i  1   i i

(2.52)

Và m (Gi )   i i kết hợp với (2.51) ta có:


i  2



n 1
i M ( H i )  1
M n  M i1 Ain cosin sin  in0  M i1  Aij sin( ij0  ij0 ) 

i m ( H i ) 
j 1





j i

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]:

 xi (t )  Ai xi (t )  Bi ui (t )  f i (t , x(t )),


i  1,2,3,..., N
 xi (t0 )  xi 0 ,
9

t  t0

(2.60)


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:

 N

T 1
AiT Pi  Pi Ai  Pi   pij Gij GijT  Pi  PB
i i Ri Bi Pi
 j 1, j i



N



j 1, j  i

pij Wi Wi  W W ji   Qi  0
T

(2.64)

T
ji

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:

ui (t )   Ki xi (t )

1 T

 Ki  Ri Bi Pi

(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:
ui (t )   K i xi (t )


  K i  i (t )   i 0   Ki i (t )


 K Pi  Pmi (t )  Pmi 0   K Xi  X ei (t )  X ei 0 

 K  R 1 BT P
i
i i
 i

(2.66)
10


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.

11


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
Disturbance

A1

P 1k

P13

P2n

ine
Tie-l
P 23

P 3n
P2

AN

Governor

Turbine

P3k

Generator
_

k

Load change

Tie-line

A3

δ(t)

r*(t)

Pkn

P

A2

_

Ti

eP1 line
n

Tie-l
ine

ine
e-l
Ti
12

Ak

(a)

(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

M2

Tie-line 1-2

s
an
Tr

Noise

iss
m
n
io
e
lin

s
an
Tr

is
m

n
sio

e
lin

3
2-

3
2-

M3

Hình 3.2. Mô hình hệ thống điện ba máy phát kết nối

12


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:

 xi (t )  Ai xi (t )  Bi ui (t )  f i (t , x(t )),

i  1,2,3,..., N
 xi (t0 )  xi 0 ,

t  t0
(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:
 f i ( x)  c x



 f i ( x)  f i ( y )  h x  y

f i ( x) 

N



j 1, j  i

Gij gij ( xi , x j ),

x, yn

(3.24)

i  1,2,3,..., 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:

gij ( xi , x j )  Wi xi (t)  Wij x j (t) , xi ni , x j 

nj

(3.26)

Rõ ràng là hệ thống điện đang xét có tính phi tuyến và bất định
mạnh.

13


xi* (t )  0

ui (t )   Ki .xi (t )
_

Mô hình hệ thống điện
con thứ i
Công thức (3.23)

xi (t )

Vector độ lợi K
(phản hồi trạng thái)
Công thức (3.29)

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:

xi (t )  Ai xi (t )  Bi ui (t ) 

N



j 1, j  i

pij Gij gij ( xi , x j ), i  1,2,3,..., 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:

14


 K1  [ K1 K1 K P1 K X1 ]

  [174.7398  42.2510  10.7218  5.2562]
.

 K 2  [ K 2 K2 K P2 K X 2 ]
  [174.2508  29.2102  10.7003  5.4231]


(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.
1,2 (rad/s)

0.5
0
0

Pm1,2 (p.u.)

4

Machine 1
Machine 2

0.5

1
time (s)
(a)

1
time (s)
(c)

Machine 1
Machine 2

0
1
time (s)
(b)

2

1

Machine 1

Machine 2

0
-0.5
0

2

-2
0

2

Xe1,2 (p.u.)

 1,2 (rad)

1

0.5
0
-0.5
0

2

Machine 1
Machine 2

1

time (s)
(d)

2

Hình 3.4. Đáp ứng động học của các máy phát thứ nhất và thứ
hai trong trường hợp mô phỏng thứ nhất

15


4

Machine 1
Machine 2

1,2 (rad/s)

 1,2 (rad)

1

0.5

0
0

1
time (s)
(a)

0
-2
0

2

0.5

1
time (s)
(b)

2

2
Machine 1
Machine 2

Xe1,2 (p.u.)

Pm1,2 (p.u.)

Machine 1
Machine 2

2

0

-0.5
0

1
time (s)
(c)

0
-1
0

2

Machine 1
Machine 2

1

1
time (s)
(d)

2

Hình 3.5. Đáp ứng động học của các máy phát thứ nhất và thứ
hai trong trường hợp mô phỏng thứ hai

0.6




Pm

0.5

Xe

0.5

0.4
0.3



Pm

0.4

Xe

Settling time(s)

Settling time(s)

0.7

0.3

0.2

0.2
0.1
0.1
0

Machine 1

0

Machine 2
(a)

Machine 1

Machine 2
(b)

Hình 3.6. So sánh thời gian xác lập cho cả hai trường hợp mô
phỏng

16


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.

17


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
PD ,i
U i ( s)

Governor-i

GG ,i ( s )

PG ,i ( s)

Turbine-i

GT ,i ( s)

PTnr ,i ( s) _

Ptie,i

_

Load &
Machine-i

Fi ( s)

GP ,i ( s )

From tie-lines

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:

Fi (s)  GP,i (s) PTnr ,i (s)  PD,i (s)  Ptie,i (s)  ,
(4.1)

PTnr ,i (s)  GTnr ,i (s).PG,i (s),


1

PG ,i ( s)  GG ,i ( s) U i ( s)  Fi ( s)  .
Ri



(4.2)
(4.3)

 2 n
 Tij Fi (s)  Fj (s)  ,areas #i & #j are connected directly .

Ptie,i ( s)   s j 1, j i 
0, otherwise


(4.4)

18


4.2.3. Mô hình thiết bị lưu trữ từ trường siêu dẫn - SMES
Bình chân không chứa Heli
(Helium vessel)
Utility system

Hệ thống làm mát
đông lạnh
(Cryogenic cooling
system)

Power
conditioning and
switching devices

Tải
Cuộn dây siêu dẫn

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:
Ed ,i  U d1  U d 2  Vd 0 .cos  V 'd 0 .cos '
(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:

Ed ,i



E  0 if  

 d ,i
2
 2Vd 0,i .cos  with 

 E  0 if  
d ,i


2


rectifying mode
inverting mode

(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.
19


(a)
Tie-line mn

Area
#m

SMESm

Area
#n

SMESn

PD ,n

PD ,m
(b)

Governor unit
Ui (s)
GG,i (s)

_

PG ,i ( s)

Machine and
load unit

Turbine unit
GT,i (s)

PD ,i
PT ,i ( s ) _

GP,i (s)

_ _

PSM ,i

1
Ri

Ptie,i

Fi ( s)

SMES
Model

Ptie,i ( s)

Fi ( s)

Calculation

Fj ( s )

(c)

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.
20


Rule base
acei

ACEi

Ke

dACEi

dacei

Fuzzification

K de

Evaluation
of control
rules

PD-BASED FUZZY LOGIC
CONTROLLER

Defuzzi- ui
KU
fication

Ui

CONTROL-AREA i MODEL

Governor
model

Nonreheat
turbine

PL ,i ( s )
_
Machineload
_
model

Ptie,i ( s)

Database

Calculate
Ptie, i ( s )

Ptie,i ( s)
Compute
ACE i & dACEi

Fk ( s )

Fi ( s)

Fi ( 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).
21

Fi ( s)


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.
0.025

0.025
A#1
A#2
A#3

A#4
A#5

A#5
0.02

Load variation (p.u.)

Load variation (p.u.)

0.02

0.015

0.01

0.005

0.015

0.01

0.005

0
0 5 101520 30 40
Time (sec)
(a)

0

0 5 101520 30 40
Time (sec)
(b)

50

50

Hình 4.9. Hai trường hợp thay đổi của phụ tải được sử dụng cho
mô phỏng
Freq Bias (p.u.)

0.01
0
-0.01
A#5-PI
A#5-FLC

-0.02
-0.03
0

10

20
30
Time (sec)
(a)

40

50

-3

Freq Bias (p.u.)

5

x 10

0
A#1-PI
A#4-PI
A#1-FLC
A#4-FLC

-5
-10
-15
0

10

20
30
Time (sec)
(b)

40

50

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
22


Freq Bias (p.u.)

0.01

0
A#5-FLC
A#5-FL_SMES
-0.01
0

10

20
30
Time (sec)
(a)

40

50

-3

Freq Bias (p.u.)

10

x 10

5

A#2-FLC
A#3-FLC
A#2-SMES
A#3-SMES

0
-5
0

10

20
30
Time (sec)
(b)

40

50

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
Trường hợp mô phỏng 1
Vùng
điều
FLPI
PD-FL
khiển
SMES
Area 1 0.0048 0.0028 0.0021
Area 2 0.0049 0.0029 0.0022
Area 3 0.0049 0.0029 0.0020
Area 4 0.0049 0.0029 0.0023
Area 5 0.0195 0.0114 0.0090

Trường hợp mô phỏng 2
FLPI
PD-FL
SMES
0.0035 0.0019 0.0015
0.0051 0.0030 0.0024
0.0051 0.0033 0.0024
0.0053 0.0033 0.0028
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:
23