Thiết kế bộ điều khiển mờ kết hợp AVR và PSS nâng cao chất lượng quá trình quá độ của hệ thống điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 1 NĂM 2022 33 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ KẾT HỢP AVR VÀ PSS NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ CỦA HỆ THỐN[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ KẾT HỢP AVR VÀ PSS NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN Nguyễn Đắc Nam*, Nguyễn Ngọc Phương Khoa Điện, Trường Đại học Cơng nghiệp Việt Trì * Email: dacnam75@gmail.com Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế điều khiển mờ (FC) phối hợp tác động AVR với PSS để nâng cao chất lượng điện hệ thống cung cấp điện Bộ điều khiển FC thiết kế có hai đầu vào điện áp tốc độ roto máy phát, hai đầu KA, KP để dung hòa tác động AVR với PSS Kết mô cho thấy giải pháp đề xuất nâng cao chất lượng điện hệ thống chế độ độ Từ khóa: AVR, PSS, FC, ổn định hệ thống điện DESIGN OF FUZZY CONTROLLER COMBINED WITH AVR AND PSS IMPROVING THE TRANSITION STABILITY OF POWER SYSTEM Abstract: The paper presents the results of fuzzy controller design (FC) that coordinates the impact of the AVR unit with the PSS to improve the power quality of the power supply system The FC controller is designed with two inputs of voltage and rotor speed generator, two outputs are KA, KP to reconcile the impact of AVR with PSS The simulation results show that the proposed solution has improved the power quality of the system in transition mode Keyword: AVR, PSS, FC, power system stability GIỚI THIỆU Trong trình vận hành hệ thống điện, thơng qua kích từ máy phát điện liên tục điều chỉnh điện áp để góp phần nâng cao ổn định chất lượng điện Máy phát điện thường xuyên làm việc chế độ độ, chế độ xảy trình khởi động máy nối máy phát điện làm việc với lưới Quá trình độ xảy làm chất lượng điện giảm (khi máy phát nối với lưới) [1] Nếu không khống chế kịp thời gây nên phá huỷ máy Do đó, yêu cầu đặt phải giảm nhanh biên độ dao động trình độ máy phạm vi cho phép, việc điều chỉnh thực thơng qua việc điều chỉnh dịng điện mạch kích từ Để tự động điều chỉnh dịng kích từ máy phát điện đồng bộ, người ta sử dụng AVR (Automatic Voltage Regulator) Thiết bị có nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu cực máy phát khơng đổi (với độ xác định) phụ tải thay đổi nâng cao giới hạn công suất truyền tải máy phát vào hệ thống lưới điện, đặc biệt máy phát nối với hệ thống qua đường dây dài Những AVR đại sử dụng bù có thơng số cố định với khả điều chỉnh điện áp trạng thái ổn định tốt đáp ứng nhanh với nhiễu điều kiện vận hành máy thay đổi Tuy nhiên, nhiều trường hợp thiết kế AVR có thơng số cố định có khả hoạt động tốt tất điều kiện vận hành Hiện nay, thiết bị hệ thống điện có khả dập tắt dao động bao gồm ổn định hệ thống điện PSS, điều chỉnh liên kết HVDC, điều chỉnh SVC, tụ bù có điều khiển TCSC, thiết bị FACTS,…Trong thiết bị kể trên, việc sử dụng PSS có tính kinh tế hiệu Nhiều cơng trình nghiên cứu tác giả nước công vấn đề sử dụng PSS để ổn định hệ thống điện như: Bộ PSS hai đầu vào tác giả Zbigniew Lubosny [2], Balwinder Singh Surjan [3], PSS kỹ thuật số tác giả K.Elliithy [4] Trong nghiên cứu này, đề xuất giải pháp sử dụng điều khiển ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ NĂM 2022 33 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP VIỆT TRÌ mờ có đầu vào sai lệch điện áp (∆ut), sai lệch tốc độ roto máy phát (∆ωr), hai đầu KA KP kết hợp với tín hiệu đầu hai AVR PSS để giảm dao động công suất tốc độ roto máy phát trình độ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Mơ hình hệ thống tuyến tính gồm AVR PSS Theo [5], mơ hình hệ thống tuyến tính gồm AVR PSS Hình KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Các hệ số K1-K6: K1: Hệ số thể thay đổi Te so với thay đổi góc tải δ với từ thơng cực từ dọc trục không đổi K2: Hệ số thể thay đổi Te so với thay đổi từ thơng cực từ dọc trục d góc tải δ không đổi K3: Hệ số thể thành phần trở kháng mạch kích từ K4: Hệ số khử từ thay đổi góc tải K5: Thể thay đổi điện áp đầu cực với góc tải Eq khơng đổi K6: Thể thay đổi điện áp đầu cực Et so với thay đổi thành phần điện áp Eq góc tải khơng đổi 2.1.1 Bộ AVR PSS [2] Hình 1: Mơ hình hệ thống Trong đó: + Bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR nhận thông số cài đặt người vận hành tín hiệu phản hồi, tính tốn so sánh sau đưa tín hiệu điều khiển điện áp mạch kích từ để có điện áp đầu mong muốn thỏa mãn yêu cầu người vận hành hệ thống, nhiệm vụ AVR là: - Điều chỉnh điện áp máy phát điện - Điều chỉnh công suất vô công máy phát điện - Tạo độ suy giảm điện áp theo công suất vô công để cân phân phối công suất vô công máy với hệ thống máy vận hành nối lưới Hàm truyền đạt AVR Gex ( s) + Bộ ổn định hệ thống PSS cung cấp tín hiệu bổ sung cho đầu vào AVR để giảm dao động hệ thống điện Với mục đích để PSS tạo thành phần giảm mô-men dao động nên tín hiệu cần phải đồng pha với ωr, việc sử dụng độ lệch ∆ωr làm tín hiệu đầu vào giải pháp thông dụng Hàm truyền đạt PSS GPSS ( s ) Từ Hình ta thấy sai lệch mơ men điện từ Te biểu diễn hàm biến sai lệch góc roto  , sai lệch điện áp đặt vref sai lệch tốc độ roto r : Te  T (s).  Tv (s).vref  TPSS (s).r (1) Trong đó: T ( s ), Tv ( s), TPSS ( s) hàm truyền đạt phụ thuộc vào thông số K1  K , T3 Gex ( s ), G pss ( s ) Hàm truyền đạt T ( s), TPSS ( s ) xác định (2) (3): T ( s )  K1  TPSS ( s )  K K [K (1  sTR )  K 5Gex ( s )] (2) (1  sTR )(1  sT3 )  K K 6Gex ( s ) K K 3Gex ( s )G pss ( s )(1  sTR ) (1  sTR )(1  sT3 )  K K 6Gex ( s ) (3) Thành phần mô men điện cấp PSS là: TPSS  TPSS ( s).r (4) Thành phần mô men pha với sai lệch tốc độ roto hàm truyền TPSS hệ số khuếch đại: TPSS ( s)  K (5) Điều có nghĩa thành phần ảo TPSS khơng Biểu thức (3) viết lại là: ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ NĂM 2022 34 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ TPSS ( s)  K  a1s  a2 s  a3 s  b1s  b2 s  b3 s (6) Để có biểu thức (5) thơng số PSS AVR phải thỏa mãn điều kiện: sau: GPSS ( s)  K PSS (1  sTa )(1  sTb )(1  sTc ) (1  sTd )(1  sTe )(1  sT f ) (17) Giá trị số thời gian Te T f chọn giá trị nhỏ Te  T f  0.005( s) Như vậy, a1  b1 (7) a2  b2 (8) tham số tối ưu PSS, AVR xác định theo (14), (15), (16) a3  b3 (9) Theo [2], hệ số KPSS xác định sau: Theo [5], hàm truyền đạt AVR PSS có dạng (10) (11): Gex ( s )  KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ K A  sTC  sTA  sTB GPSS ( s )  K PSS (1  sTa )(1  sTb )(1  sTc )  sTd K PSS    K3 K6 K A H 0 K K3 K A (18) (10)    2.5 số phi tuyến thành phần mô men đồng (11) 2.1.2 Đáp ứng hệ thống 2.1.2.1 Thông số mô Thay (10), (11) vào (3) với giả thiết số thời gian cảm biến điện áp TR  , Giả sử máy phát điện làm việc có nối lưới, có thông số cho bảng số thời gian Td PSS số thời Bảng 1: Thông số máy phát điện kích từ [3] gian TC AVR, biểu thức (3) trở thành: TPSS (s)  K2K3KAKPSS (1 sTa )(1 sTb )(1 sTc ) (12) (1 sT3 )(1 sTA )(1 sTB )  K3K6KA (1 sTC ) Biến đổi (12) dạng (6) ta được: K K K K A K PSS  K3 K6 K A a1  Ta  Tb  Tc ; a2  TbTc  Ta (Tb  Tc ) a3  TaTbTc ; b1  T3  TA  TB  K K K ATC (13)  K3K6 K A TATB  T3 (TA  TB ) T3TATB , b3   K3 K6 K A  K3 K6 K A Giả thiết Tb  TA , từ điều kiện (9) ta có: b2  Ta  T3 , Tc  TB / (1  K3 K6 K A ) (14) Thay (14) vào điều kiện (7) ta có: TC  T3  TA (15) Từ điều kiện (8) ta có: Td  TC  T3  TA (16) Trong thực tế, thành phần ảo hàm truyền TPSS khác không, thường giá trị nhỏ, PSS có hàm truyền tối ưu Thơng số Hằng số qn tính Công suất định mức Điện áp định mức Điện áp kích từ Dịng điện stator Dịng điện cảm ứng Hệ số công suất Xd X’d Xq X’q Rs T’d0 Giá trị 2,37KW-s/KVA 160MVA 15KV 375KV 6158,4 A 926 0,85 1,7 0,245 1,64 0,38 0,001096 5,9 Thông số đường dây hệ thống tính hệ đơn vị tương đối [3]: Re  0.02; X e  0.4 Điều kiện làm việc ban đầu hệ thống tính hệ đơn vị tương đối bảng 2: Bảng 2: Thông số điều kiện làm việc ban đầu hệ thống [3] 1,112 (pu) Eq 1,176  31, 780 (pu) Id 2, 66566,990 (pu) Iq Vd 0,641 (pu) 0 66,990 Vt 127,890 (pu) 2,6658 (pu) Vq 0,776 (pu) V 0,828 (pu) IG E fd ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ NĂM 2022 0,385 (pu) 35 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ K1 K2 K3 1,0749 (pu) 1,2576 (pu) 0,3072 (pu) K4 K5 K6 1,712 (pu) -0,399(pu) 0,4657(pu) Thông số AVR cho bảng Bảng 3: Thông số AVR [3] KA 150 TC 1,822 (s) TA 0,01(s) TB 10 (s) Thơng số PSS tính theo (14), (15), (16) (18) cho bảng Bảng 4: Thông số PSS 21,5 Td 1,822 (s) Ta 1,812 (s) Te 0,005 (s) Tb 0,01 (s) Tf 0,005 (s) Tc 0,444 (s) K PSS 2.1.2.2 Kết mô Mô hoạt động hệ thống thời điểm t=40s, giả thiết điện áp đặt cho AVR thay đổi 10% từ 0,84pu lên 0,94pu + Đáp ứng tốc độ roto máy phát (đáp ứng tần số điện) có AVR có AVR/ PSS Hình Hình 2: Đáp ứng tốc độ roto máy phát Nhận xét: Kết mô cho thấy chưa có PSS, đáp ứng thay đổi điện áp đặt đáp ứng tốc độ máy phát (tần số điện) bị dao động mạnh Khi có AVR/PSS chỉnh định góc bù pha phù hợp, hệ thống trở nên ổn định nhiều Đáp ứng tốc độ (tần số điện) máy phát trở giá trị ổn định sau khoảng 3,5s KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2.2 Thiết kế điều khiển mờ nâng cao chất lượng đáp ứng hệ thống 2.2.1 Bộ điều khiển mờ FC Thực tế cho thấy, việc sử dụng AVR có hệ số khuếch đại lớn đáp ứng nhanh cải thiện tốt q trình q độ lại có tác động bất lợi đến ổn định dao động hệ thống điện Dao động cường độ nhỏ tần số thấp thường tồn thời gian dài số trường hợp giới hạn khả truyền tải công suất Mặt khác, theo [2] hệ số KPSS PSS phi tuyến tính phụ thuộc vào điểm làm việc, tần số dao động thông số hệ thống Dải tần số dao động lớn 0.5Hz, hệ số KPSS tăng làm giảm thành phần mô men cản dao động điều ảnh hưởng xấu đến độ ổn định trình độ Để khắc phục bất lợi trên, đề xuất giải pháp sử dụng điều khiển mờ kết hợp tác động AVR với PSS Điều giúp cho hệ thống bền vững trước tác động nhiễu Sơ đồ khối hệ thống sử dụng điều khiển mờ Hình Hình 3: Sơ đồ nguyên lý điều khiển mờ kết hợp AVR/PSS Trong đó: Các đầu vào V  có biên độ [-1+1] mờ hóa hàm liên thuộc dạng hình thang có tên Negative Large (NL), Negative Small (NS), Zero (ZR), Positive Small (PS) Positive Large (PL) V  {NL, NS , ZR, PS , PM }   {NL, NS , ZR, PS , PM } ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ NĂM 2022 36 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP VIỆT TRÌ Các đầu K A  [0,0.3] , K P  [0,1] mờ hóa hàm liên thuộc có tên Very Small (VS), Small (S), Medium (M), Large (L) K A  {VS,S,M,L} ; K P  {VS,S,M,L} KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2.2.2 Kết mô + So sánh đáp ứng sai lệch tốc độ roto máy phát hệ thống sử dụng AVR/PSS hệ thống sử dụng AVR/PSS/FC Hình Các hàm liên thuộc đầu vào, đầu Hình Hình 4: Hàm liên thuộc; (a) tín hiệu đầu vào, (b) tín hiệu đầu KA, (c) tín hiệu đầu KP Áp dụng phương pháp suy luận mờ Mamdani, giải mờ theo phương pháp trọng tâm, luật mờ xây dựng gồm có 25 mệnh đề hợp thành cho bảng Hình 5: Đáp ứng tốc độ roto máy phát sử dụng AVR/PSS sử dụng AVR/PSS+FC + So sánh đáp ứng sai lệch công suất điện máy phát hệ thống sử dụng AVR/PSS hệ thống sử dụng AVR/PSS/FC Hình Bảng 5: Luật hợp thành: (a) Hệ số KA, (b) Hệ số KP (a) Hình 6: Đáp ứng cơng suất điện máy phát sử dụng AVR/PSS sử dụng AVR/PSS/FC (b) Nhận xét: Khi có thêm điều khiển mờ kết hợp tác động AVR PSS, đáp ứng tốc độ cơng suất điện máy phát có biên độ dao động nhỏ hơn, dao động hơn, thời gian độ ngắn (2s) KẾT LUẬN Lưới điện máy phát điện trình vận hành thường có nhiễu loạn dao động cục (nguyên nhân thường gặp tượng tác động việc tự ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ NĂM 2022 37 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP VIỆT TRÌ động điều chỉnh điện áp-AVR), dao động liên khu vực, dao động điều khiển, dao động xoắn Nhiễu loạn xảy liên tục hệ thống biến động nhỏ tải máy phát Khi hệ thống sử dụng AVR việc trì trạng thái ổn định gặp khó khăn chí hệ thống ổn định tác động kích động lớn Khi hệ thống có thêm PSS tạo thành phần mô men điện đồng pha với độ lệch tốc độ roto máy phát nên hệ thống có chất lượng ổn định độ tốt Đặc biệt sử dụng điều khiển mờ có đầu vào sai lệch điện áp đầu sai lệch tốc độ roto máy phát, đầu điều khiển mờ dung hòa tác động AVR với PSS, hệ thống cho đáp ứng tốc độ cơng suất điện có biên độ dao động nhỏ hơn, số lần dao động ít, thờ gian độ nhỏ Điều góp phần tăng tính ổn định nâng cao chất lượng điện KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Tài liệu tham khảo Lã Văn Út (2011), “Phân tích điều khiển ổn định hệ thống điện”, NXB KHKT Zbigniew Lubosny (2016), “Dual input quasi-otimal PSS for generating unit with static excitation system”, Copyright © 2006 IFAC Balwinder Singh Surjan (2012), “Linearized Modeling of Single Machine Infinite Bus Power System and Controllers for Small Signal Stability Investigation and Enhancement”, International Journal of Advanced Research in Computer Engineering & Technology (IJARCET) Volume 1, Issue 8, October 2012 K.Elliithy (2014), “Design of power system stabilizers based on l-controller for power system stability enhancement”, Electrical Power and Energy Systems 63, p 933-939 P.Kundur (1994), “Power system stability and control”, McGraw- Hill ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ NĂM 2022 38 ... Đáp ứng tốc độ (tần số điện) máy phát trở giá trị ổn định sau khoảng 3,5s KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2.2 Thiết kế điều khiển mờ nâng cao chất lượng đáp ứng hệ thống 2.2.1 Bộ điều khiển mờ FC Thực tế... dao động điều ảnh hưởng xấu đến độ ổn định trình độ Để khắc phục bất lợi trên, đề xuất giải pháp sử dụng điều khiển mờ kết hợp tác động AVR với PSS Điều giúp cho hệ thống bền vững trước tác động... KA, (b) Hệ số KP (a) Hình 6: Đáp ứng công suất điện máy phát sử dụng AVR/ PSS sử dụng AVR/ PSS/ FC (b) Nhận xét: Khi có thêm điều khiển mờ kết hợp tác động AVR PSS, đáp ứng tốc độ cơng suất điện máy