ỨNG DỤNG LOGIC mờ TRONG điều KHIỂN tần số tải

Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, đường dây, trạm biến áp là một thể thống nhất. Chất lượng điện năng được đánh giá bởi hai thông số kỹ thuật là điện áp và tần số. Trong đó điện áp có tính chất cục bộ, tần số mang tính hệ thống hay nói cách khác là tần số có giá trị như nhau tại mỗi nút trong hệ thống điện. Độ lệch tần số ảnh hưởng đến hoạt động của tất cả các thiết bị trong hệ thống điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC TIỂU LUẬN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TẢI Hải Phòng – 2021 MỤC LỤC CHƯƠNG KHẢI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TẢI 1.1 Điều khiển tần số tải 1.2 Hệ thống cho điều khiển tần số tải Load Frequency Control (LFC) 1.3 Mơ hình hóa tự động điều chỉnh cơng suất hệ thống lập 1.4 Mơ hình hóa tự động điều chỉnh công suất hệ thống đa liên kết .7 CHƯƠNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 2.1 Khái niệm logic mờ 2.2 Bộ điều khiển mờ 10 2.2.1 Cấu trúc điều khiển mờ 10 2.2.2 Nguyên lý điều khiển mờ 11 2.2.3 Những nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ 13 2.2.4 Các bước thực xây dựng điều khiển mờ 13 CHƯƠNG ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TẢI 14 3.1 Lý thuyết ứng dụng logic mờ điều khiển tần số tải .14 3.2 Kết mô hệ thống ứng dụng logic mờ điều khiển tần số tải 16 3.2.1 Kết mô hệ thống điều khiển tần số tải hệ thống cô lập 16 3.2.2 Kết mô hệ thống điều khiển tần số tải hệ thống khu vực .18 KẾT LUẬN 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO 21 PHẦN MỞ ĐẦU Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, đường dây, trạm biến áp thể thống Chất lượng điện đánh giá hai thông số kỹ thuật điện áp tần số Trong điện áp có tính chất cục bộ, tần số mang tính hệ thống hay nói cách khác tần số có giá trị nút hệ thống điện Độ lệch tần số ảnh hưởng đến hoạt động tất thiết bị hệ thống điện Như biết, thay đổi công suất tác dụng lười làm cho tần số hệ thống thay đổi theo Trong đó, thay đổi công suất phản kháng không làm thay đổi nhiều tần số lưới, mà nguyên nhân làm thay đổi biên độ điện áp Vì vậy, hệ thống điện công suất thực công suất phản kháng điều khiển độc lập Bài toán điều khiển tần số tải ( Load frequency control LFC) thực thông qua mối quan hệ công suất thực tần số cịn hai bào tốn tự động điều chỉnh điện áp ( Automatic Voltage Regulator AVR) thực chất tốn điều khiển cơng suất phản kháng theo biên độ điện áp tải Bài toán điều khiển tần số toán quan trọng hệ thống điện có độ liên kết cao vào phục vụ cho công tác vận hành hệ thống điện lớn Ngồi ra, cịn đề cập tới điều khiển Logic mờ ( Fuzzy Logic Controller) Vậy điều khiển mờ ? Khi điều khiển mờ kết hợp để điều khiển tần số tải hệ thống điện có ổn định hay khơng ? Trong tiều luận em phân tích, mơ hệ thống điều khiển tần số tải dựa điều khiển logic mờ Nội dung tiều luận bao gồm: Chương Khái quát điều khiển tần số tải Chương Bộ điều khiển Logic mờ Chương Mô điều khiển tần số tải dựa Logic mờ CHƯƠNG KHẢI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TẢI 1.1 Điều khiển tần số tải Điều khiển tần số tải ( Load Frequency Control - LFC) cần thiết cho hoạt động đáng tin cậy hệ thống điện lớn kết nối với Công việc điều khiển tần số phụ tải điều chỉnh công suất phát máy phát khu vực xác định liên quan đến thay đổi tần số hệ thống công suất đường dây; chẳng hạn để trì tần số hệ thống theo lịch trình trao đổi điện với khu vực khác giới hạn quy định 1.2 Hệ thống cho điều khiển tần số tải Load Frequency Control (LFC) Nguyên nhân việc giảm tần số động chạy chậm lại để bù đắp cho cân công suất Tuy nhiên, tốc độ điều khiển trình phát điện Khi tốc độ thay đổi giảm dần Tín hiệu phản hịi trở nên nhỏ tốc độ điều tốc không đổi Tuy nhiên, cố đinh tốc độ điều tốc đến điểm đã định tải thay đổi theo thời gian Do sử dụng hệ thống điều khiển với tích hợp Cơ chế điều khiển phân tích thay đổi thực hiệu chỉnh cho phù hợp để loại bỏ điểm thiếu hụt Khả hệ thống trở lại trạng thái bình thường gọi điểm đặt lại Do đó, AGC chương trình tự động khơi phục tần số giá trị đặt Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống tự động điều khiển tần số tải 1.3 Mơ hình hóa tự động điều chỉnh cơng suất hệ thống lập Các phận hệ thống bao gồm điều tốc, tải, động sơ cấp mơ hình qn tính mơ tả sau: + Mơ hình điều tốc: Lệnh ∆� g biến đổi độ khuếch đại thủy lực đến vị trí van ∆v Các �g số thời gian điều tốc, hàm truyền điều tốc là: ∆� g (s) = ∆v(s) + � g� Trong đó: �g số thời gian + Mơ hình động sơ cấp: Động sơ cấp dùng để lai máy phát điện Động sơ cấp tuabin thủy điện biến đổi lượng nước thành năng, hay tuain nhiệt điện dùng lượng từ trình đốt than, khí, dầu hay phản ứng hạt nhân để đốt nóng nồi sinh để làm quay tuabin Mơ hình động sơ cấp phải thể mối quan hệ độ thay đỏi công suất APC theo độ thay đổi vị trí van điều khiển ∆� v Với tuabin khác mối quan hệ khác Đối với tuabin nhầ máy nhiệt điện khơng có chu trình hồi nhiệt, hàm truyền đưa là: ∆c(s) = ∆v (s) + �c � Trong đó: c số thời gian tuabin, thơng thường nằm khoảng từ 0.2 đến giây + Mơ hình qn tính: Tải động nhạy cảm với thay đổi tần số phân tích đặc tính tải tốc độ công thức: ∆Ω(�) ∆� (�) − ∆ c d (� ) = 2�� + Mơ hình tải qn có cơng thức: ∆Ω(�) = ∆� (�) − ∆� (�) 2�� + � c d + Yếu tố phản hồi tần số: Hệ số phân biệt tần số tổng thay đổi tải nhạy tần số (K) điều chỉnh tốc độ công thức � = �g + � � Trong hệ thống cô lập, sử dụng điều khiển tần số tải LFC kết độ lệch tần số trạng thái ổn định phụ thuộc vào tốc độ ổn định R điều - tốc Khi đó, để độ lệch tần số tiến zero, phải thực cài đătk lại Chúng ta thực cơng việc thơng qua khâu tích phân kết hợp với LFC – khâu tích phân giúp cho q trình tiến tới Zero độ lệch tần số nhanh chóng Mơ hình điều khiển lúc này: Hình 1.2 Sơ đồ tự động điều khiển công suất hệ thống cô lập 1.4 Mơ hình hóa tự động điều chỉnh cơng suất hệ thống đa liên kết Trong hệ thống đa liên kết có nhiều tập hợp nhóm máy phát có đặc tính bên giống Hơn nữa, tuabin máy phát có đặc tính đáp ứng Khi đó, mơ hình tổ máy tổ máy tương đương có điều khiển điều chỉnh tần số tải (LFC) thay cho tồn nhóm máy Chúng ta bắt đầu tốn tự động điều khiển trơng hệ thống đa liên kết việc xem hệ có hai thống gốm có hai khu vực Hai khu vực đại diện hai máy phát tương đương hình: Hình 1.3 Mơ hình hệ thống liên kết hai khu vực Hai khu vực liên kết với thông qua đường dây với tổng trở 12 ( bỏ qua tổn thất công suất tác dụng mạng) Trong suốt trình vận hành bình thường, công suất truyền qua đường dây xem xét xác định theo công thức: �12 = |�1|| sin 12 �2| Trong đó: �12= �1 + �2 + �d �12 �12=1 − �2 Nhưng phương trình tuyến tính hóa đoạn thay đổi nhỏ công suất truyền ∆12 sau: �� 1 ∆12= �� H ệ s ố c ô n g s u ấ t đ ợ c đ n g b ộ h ó a : |�1||�2| �c = �12 cos 12 Biết độ lớn chiều dịng cơng suất truyền tải qua đường dây liên kết phụ thuộc vào công suất hai đầu đường dây góc cơng suất Nếu ∆1 > ∆2 công suất truyền từ khu vực sang khu vực ngược lại Sơ đồ khối đại diện cho hai vùng với hệ thống LFC chứa vòng lặp sơ cấp minh họa sau: Hình 1.4 Sơ đồ tự động điều khiển công suất hệ thống hai khu vực Trường hợp khu vực có thay đổi tải ∆L1 trạng thái ổn định tĩnh độ lệch tần số hai khu vực Có nghĩa ∆ ∆1 = ∆ ∆2 = ∆cc ∆c1 − ∆12 − ∆L1 = ∆cc�1 CHƯƠNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ Điều khiển mờ chiếm vị trí quan trọng điều khiển học kỹ thuật đại Ngay từ buổi đầu, điều khiển mờ đem lại ngạc nhiên đáng kể hồn tồn trái với tên gọi nó, kỹ thuật điều khiển đồng nghĩa với độ khả thực Ứng dụng điều khiển mờ công nghiệp rộng rãi như: Điều khiển nhiệt độ, điều khiển giao thông vận tải, điều khiển lĩnh vực sản xuất hàng hóa dân dụng, Trong thực tế, nhiều giải pháp tổng hợp thiết kế điều khiển kinh điển thường bị bế tắc gặp tốn có độ phức tạp hệ thống cao, độ phi tuyến lớn, thường xuyên thay đổi trạng thái cấu trúc đối tượng giả cí thể tổng hợp phạm vi lý thuyết thực gặp khơng khó khắn vào độ tin cậy sản phẩm Những khó khăn khơng cịn vấn đề nan giải điều khiển thiết kế dựa sở logic mờ đơn giản việc thực giải pháp Các điều khiển thiết kế sở logic mờ gọi điều khiển mờ 2.1 Khái niệm logic mờ Lôgic mờ (tiếng Anh: Fuzzy logic) phát triển từ lý thuyết tập mờ để thực lập luận cách xấp xỉ thay lập luận xác theo lơgic vị từ cổ điển Lơgic mờ coi mặt ứng dụng lý thuyết tập mờ để xử lý giá trị giới thực cho toán phức tạp (Klir 1997) Người ta hay nhầm lẫn mức độ với xác suất Tuy nhiên, hai khái niệm khác hẳn nhau; độ đắn lôgic mờ biểu diễn độ liên thuộc với tập định nghĩa không rõ ràng, khả xảy biến cố hay điều kiện Để minh họa khác biệt, xét tình sau: Bảo đứng ngơi nhà có hai phịng thơng nhau: phịng bếp phịng ăn Trong nhiều trường hợp, trạng thái Bảo tập hợp gồm thứ "ở bếp" hoàn toàn đơn giản: "trong bếp" "không bếp" Nhưng Bảo đứng cửa nối hai phòng sao? Anh ta coi "có phần bếp" Việc định lượng trạng thái "một phần" cho quan hệ liên thuộc tập mờ Chẳng hạn, Bảo thò ngón chân vào phịng ăn, ta nói Bảo "trong bếp" đến 99% phòng ăn 1% Một đứng cửa khơng có biến cố (ví dụ đồng xu tung lên) định Bảo hồn tồn "ở bếp" hay hồn tồn "khơng bếp" Các tập mờ đặt sở định nghĩa mờ tập hợp khơng phải dựa ngẫu nhiên Hình 2.1 Ví dụ minh họa logic mờ Lôgic mờ cho phép độ liên thuộc có giá trị khoảng đóng 1, hình thức ngơn từ, khái niệm khơng xác "hơi hơi", "gần như", "khá là" "rất" Cụ thể, cho phép quan hệ thành viên không đầy đủ thành viên tập hợp Tính chất có liên quan đến tập mờ lý thuyết xác suất Lôgic mờ đưa lần đầu vào năm 1965 GS Lotfi Zadeh Đại học California, Berkeley 2.2 Bộ điều khiển mờ 2.2.1 Cấu trúc điều khiển mờ Một điều khiển mờ gồm khâu bản: + Khâu mờ hóa (Fuzzy hóa): Có nhiệm vụ chuyển giá trị rõ đầu vào �O thành vector � gồm độ phụ thuộc giá trị rõ đố theo giá trị mờ ( tập mờ) định nghĩa cho biến ngôn ngữ đầu vào + Khâu thực luật hợp thành: có tên gọi thiết bị hợp thành xử lý vector � cho giá trị mờ �u biến ngôn ngữ đầu + Khâu giải mờ, có nhiệm vụ chuyển đổi tập mờ u thành giá tị rõ u chấp nhận cho đối tượng ( tín hiệu điều chỉnh) Các điều khiển mờ phân loại dựa quan hệ vào/ra tồn cục tín hiệu �O tín hiệu u biểu diễn ánh xạ O  �u Quan hệ tồn cục có tên gọi quan hệ truyền đạt [Xét điều khiển mờ MISO sau, với vector đầu vào X=[ 1, 2, 3, … , n]T Hình 2.2 Sơ đồ điều khiển mờ Hình 2.3 Cấu trúc bên điều khiển mờ 2.2.2 Nguyên lý điều khiển mờ Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển điều khiển mờ Về ngun tắc, hệ điều khiển mờ khơng có khác với điều khiển tự động thơng thường khác Sự khác biệt điều khiển mờ làm việc có tư “ não” dạng trí tuệ nhân tạo Nếu khẳng định việc làm với điều khiển mờ giải vấn đề từ trước đến chưa giải theo phương pháp kinh điển khơng hồn tồn xác, hoạt động điều khiển phụ thuộc vào kinh nghiệm phương pháp rút kết luận theo tư người, sau cài đặt vào máy tính sở logic mờ Hệ thống điều khiển mờ coi hệ thống nơron ( hệ thần kinh), hay hệ thống điều khiển thiết kế mà khơng cần biết ttruwocs mơ hình đối tượng Trái tim điều khiển mờ luật điều khiển mờ có dạng tập mệnh đề hợp thành cấu trúc NẾU – THÌ_ nguyên tắc triển khai mệnh đề hợp thành có tên nguyên tắc MAX – MIN hay SUM – MIN Một hệ thống điều khiển mờ bao gồm: + Giao diện đầu vào gồm khâu mờ hóa khâu hiệu chỉnh tỷ lệ, tích phân, vi phân, + Thiết bị hợp thành: Mô hình R luật điều khiển xây dựng theo nguyên tắc triển khai chọn trước có tên gọi luật hợp thành Thiết bị thực luật hợp thành điều khiển mờ thiết bị hợp thành + Giao diện đầu gồm: Khâu giải mờ khâu giao diện trực tiếp với đối tượng 2.2.3 Những nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ Trong trình xây dựng điều khiển mờ, người ta thiết kế hệ thống phải đặt câu hỏi làm để tổng hợp điều khiển mờ có chất lượng điều khiển tốt, thỏa mãn yêu cầu chất lượng đặt Câu trả lời khơng đơn giản chưa có nguyên tắc chuẩn mực cho việc thiết kế khảo sát ổn định hệ thống sử dụng điều khiển mờ Việc sử dụng điều khiển mờ cho hệ thống cần độ an toàn cao bị hạn chế, yêu cầu chất lượng mục đích hệ thống xác định đạt thông qua thực nghiệm 2.2.4 Các bước thực xây dựng điều khiển mờ - Định nghĩa tất biến vào ra, định nghĩa tập mờ ( giá trị ngôn ngữ) cho biến vào + Xác định miền giá trị vật lý cho biến ngôn ngữ vào + Xác định số lượng tập mờ cần thiết + Xác định kiểu hàm thuộc + Rời rạc hóa tập mờ - Xây dựng luật điều khiển Nếu Thì - Chọn luật hợp thành - Giải mờ - Tối ưu hóa CHƯƠNG ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TẢI 3.1 Lý thuyết ứng dụng logic mờ điều khiển tần số tải Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển logic mờ Hình 3.2 Sơ đồ khối chức để điều khiển tần số tải Hình 3.3 Hình ảnh Matlab Trong đó: Mờ hóa: có liên quan đến khơng xác định khơng xác định ngôn ngữ tự nhiên Trong ứng dụng điều khiển mờ, liệu quan sát thường sắc nét Thao tác liệu điều khiển logic mờ dựa lý thuyết tập mờ, việc xử lý mờ cần thiết giai đoạn trước Kiến thức bản: Kiến thức FLC bao gồm quy tắc sở liệu Các chức sở liệu cung cấp thông tin cần thiết cho hoạt động thích hợp mờ hóa, sở quy tắc giải mờ Cơ sở liệu cung cấp thông tin tập mờ đại diện cho ý nghĩa giá trị ngơn ngữ q trình điều khiển biến đầu Chức sở quy tắc biểu diễn cấu trúc các quy luật điều khiển Tần Suất Devn L n M n S n Z e L p M Ln Mn Ln Ln Ln Ln Ln Ln Ln Mn Mn S n Ze Sn Tỷ lệ thay đổi tần suất Devn Sn Z Lp e Mn L Mn n Ln M Sn n Mn S Ze n Sn Z Lp e Ze L Mp p Lp M Sp p Mp Sn Ze Lp Mp Sp Sp S p Z e M p M p S p S p S p p Z e S p M M S S p p p p Bảng Quy luật điều khiển tần số tải LFC S p S p Trong đó: Ln Large neg Âm lớn Lp Large Pos Dương lớn Mn Medium neg Âm trung bình Mn Medium Pos Dương Trung bình Sn Small neg Âm nhỏ Sp Small Pos Dương nhỏ Ze Zero Hình 3.4 Biểu đồ chức thành viên Hình 3.5 Luật mờ MatLab 3.2 Kết mô hệ thống ứng dụng logic mờ điều khiển tần số tải 3.2.1 Kết mô hệ thống điều khiển tần số tải hệ thống cô lập Theo sơ đồ chương 2: Giả sử: =0.5s, � =0.2s, K=2, H=2, � =2, A=1= 0.5 = const, c g g R Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tần số tải hệ độc lập kết hợp với điều khiển mờ MatLab Đường đặc tính khơng sử dụng điều khiển mờ Đường đặc tính sử dụng điều khiển mờ Hình 3.7 Đường đặc tính mơ với hệ thống điều khiển tần số tải hệ thống độc lập + Nhận xét: Dựa vào hai đồ thị hình 3.7 Đường đặc tính khơng sử dụng điều khiển mờ có đường đặc tính với thông số Thời gian độ, Biên độ dao động, Độ điều chỉnh, sai số tĩnh lớn đường đặc tính sử dụng điều khiển mờ Như cho điều khiển mờ hệ thống điều khiển tần số tải ổn định Thời gian đáp ứng nhanh 3.2.2 Kết mô hệ thống điều khiển tần số tải hệ thống khu vực Theo sơ đồ chương 2: Giả sử: Khu vực 1: =0.5s, � c1 g1 Khu vực 2: =0.2s, � c1 g1 =0.2s, � =2, � =2, � = = 0.5 = const 1 R =0.05s, , � =1, � =1, � = = 0.2 = const Đường đặc tính khơng sử dụng điều 2 R Đường đặc tính sử dụng điều khiển mờ khiển mờ Hình 3.8 Đường đặc tính hệ thống điều khiển tân số tải Khu vực Đường đặc tính khơng sử dụng điều Đường đặc tính sử dụng điều khiển mờ khiển mờ Hình 3.9 Đường đặc tính hệ thống điều khiển tân số tải Khu vực + Nhận xét: Dựa vào hình 3.8 hình 3.9 Khi sử dụng cho điều khiển mờ điều khiển tần số tải hệ thống ổn định Đường đặc tính mịn Đường đặc tính khơng sử dụng điều khiển mờ KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu với hướng dẫn tận tình thầy PGS.TS Hồng Đức Tuấn, em hồn thành tiểu Bài tiểu luận trình bày số vấn đề sau: + Tìm hiểu hệ thống điều khiển tần số tải + Tìm hiểu điều khiển mờ + Ứng dụng logic mờ điều khiển tần số tải + Tìm hiểu cách mơ phương trình hàm truyền MatLab Simulink Do thời gian thực kiến thức em hạn chế nên nội dung tiểu luận không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đóng góp ý kiến thầy mơn bạn khóa để nội dung em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bài giảng Điều khiển hệ thống điện - PGS.TS Hoàng Đức Tuấn [2] Sambariya, D K., and Vivek Nath "Load frequency control using fuzzy logic based controller for multi-area power system." British Journal of Mathematics & Computer Science 13.5 (2016): 1-19 [3] Mathur, H D., and H V Manjunath "Frequency stabilization using fuzzy logic based controller for multi-area power system." The South Pacific Journal of Natural and Applied Sciences 25.1 (2007): 22-29  ... thống điều khiển tần số tải dựa điều khiển logic mờ Nội dung tiều luận bao gồm: Chương Khái quát điều khiển tần số tải Chương Bộ điều khiển Logic mờ Chương Mô điều khiển tần số tải dựa Logic mờ. .. TẢI 14 3.1 Lý thuyết ứng dụng logic mờ điều khiển tần số tải .14 3.2 Kết mô hệ thống ứng dụng logic mờ điều khiển tần số tải 16 3.2.1 Kết mô hệ thống điều khiển tần số tải hệ thống cô lập... điều khiển Nếu Thì - Chọn luật hợp thành - Giải mờ - Tối ưu hóa CHƯƠNG ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TẢI 3.1 Lý thuyết ứng dụng logic mờ điều khiển tần số tải Hình 3.1 Sơ đồ khối điều