NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ĐỊNH DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG THIẾT BỊ SVeC LUẬN VĂN THẠC SĨ

GIỚI THIỆU

Đặc vấn đề

Cùng với sự phát triển khoa học công nghệ ngày càng cao, điện năng ngày càng đóng vai trò quan trọng trong tất cả các ngành để phát triển kinh tế, sự phát triển của nhu cầu tiêu thụ điện năng đánh giá sự phát triển của xã hội và nâng cao đời sống của một khu vực, một quốc gia Do đó, hệ thống điện cũng ngày càng phát triển cả về quy mô lẫn công nghệ Ngày nay đã hình thành nhiều hệ thống điện lớn trong phạm vi quốc gia hoặc liên quốc gia, xuất hiện nhiều nhà máy điện làm nhiệm vụ đáp ứng công suất cho phụ tải Trong những năm qua, cùng với sự phát triển về kinh tế, nhu cầu điện năng của Việt Nam là rất lớn, xuất hiện nhiều nhà máy nhiệt điện, nhà máy thủy điện, nhà máy phong điện và các nhà máy tubin khí đốt làm cho việc vận hành hệ thống điện trở nên phức tạp hơn đặc biệt là vấn đề về đồng bộ cũng như tính ổn định của hệ thống.

Vì vậy để ổn định công suất của hệ thống điện với kết nối đa dạng nguồn phát thì các nghiên cứu mới cần được nghiên cứu và phát triển để giải quyết vấn đề trên.

Tính cấp thiết của đề tài

Ứng dụng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn trong điều khiển hệ thống điện đưa đến những khả năng to lớn trong đảm bảo vận hành hệ thống một cách linh hoạt, khai thác hệ thống một cách hiệu quả nhất Điều này đã trở nên vô cùng quan trọng trong các điều kiện chi phí để xây dựng các hệ thống mới hoặc cải tạo các hệ thống hiện hành ngày càng tăng Bên cạnh đó việc đảm bảo chất lượng điện năng cũng ngày càng trở nên cấp thiết do điện năng ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động sản xuất kinh doanh của các khách hàng ngành điện, những người trả tiền cho yêu cầu năng lượng của mình và có quyền yêu cầu được đảm bảo nguồn điện cung cấp một cách liên tục với chất lượng điện đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn.

Cùng với sự phát triển chung của nền kinh tế toàn cầu, nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng, trong đó năng lượng điện đóng vai trò rất quan trọng Để đáp ứng nhu cầu trên hệ thống điện (HTĐ) cũng ngày càng phát triển và mở rộng, nhiều đường dây (ĐD) truyền tải điện dài điện áp siêu cao được hình thành để liên kết các HTĐ của nhiều khu vực với nhau.

Sự nối liền các hệ thống điện con thành hệ thống điện duy nhất mang lại nhiều lợi ích nhưng cũng đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật phức tạp, trong đó có vấn đề ổn định hệ thống, vấn đề thừa công suất phản kháng trong chế độ non tải, vấn đề trao đổi công suất giữa các khu vực Để giải quyết bài toán kỹ thuật và kinh tế trong vấn đề truyền tải mạng điện cao áp, những vấn đề liên quan đến ổn định động, ổn định tĩnh, khả năng truyền tải của các đường dây, chất lượng điện năng, giảm tổn thất trên đường dây truyền tải…hạn chế tới mức thấp nhất những sự cố có thể xảy ra Để nâng cao khả năng tải của đường dây người ta sử dụng các thiết bị bù cố định như tụ bù dọc và kháng bù ngang với dung lượng thích hợp, nhưng tất cả các thiết bị loại này sử dụng các thiết bị đóng cắt cơ khí, thao tác chậm Khi phạm vi thay đổi công suất truyền tải lớn thì phương pháp trên bị hạn chế Hiện nay, trên thế giới các nước tiên tiến đã đi tiên phong trong ứng dụng kỹ thuật công nghệ FACTS trong lưới điện truyền tải.

FACTS là hệ thống điện truyền tải điện xoay chiều linh hoạt sử dụng các thiết bị điều khiển công suất, hoạt động ở chế độ tự động với dòng điện và điện áp cao, cho phép điều khiển để ổn định điện áp hệ thống nhanh chóng, góc pha, trở kháng đường dây gần như tức thời Ngoài ra nó còn cho phép đường dây vận hành gần với mức giới hạn về nhiệt của đường dây truyền tải Các thiết bị thường được sử dụng như: SVC, TSC, TCR, TSR, TCSC, STATCOM, SSSC, UPFC.

Gần đây một đối tượng nghiên cứu mới được các nhà khoa học nghiên cứu đó là SVeC Thiết bị này cho phép điều khiển có chọn lọc điện áp, trở kháng, góc pha đường dây do đó thay đổi dòng công suất tác dụng và phản kháng truyền trên đường dây.

Trong khuôn khổ luận văn tác giả sẽ tập trung nghiên cứu thiết bị SveC với bộ điều khiển ANFIS được sử dụng cho việc điều khiển ổn định dao động công suất trên đường dây truyền tải.

Mục tiêu của đề tài

Đề tài này nghiên cứu để cải thiện sự ổn định dao động công suất của một hệ thống máy phát điện đồng bộ nối với bus vô hạn (OMIB) và trang trại gió Để nâng cao độ ổn định của hệ thống, một thiết bị bù vectơ nối tiếp (SveC - Series VectorialCompensator) được đề xuất với bộ điều khiển Nơron-Mờ (ANFIS - Adaptive NeuralFuzzy Inference System) được kết nối vào bus chung (PCC) của hệ thống.

Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tài liệu, bài báo liên quan đến quá trình nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu nâng cao ổn định dao động công suất trong hệ thống điện sử dụng thiết bị SVeC.

- Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến, trao đổi kinh nghiệm với giáo viên hướng dẫn và các chuên gia trong lĩnh vực nghiên cứu này.

- Phương pháp thực nghiệm: Xây dựng mô hình mô phỏng để đánh giá và kiểm chứng bằng phần mềm Matlab-Simulink.

Quan Thiết Bị Facts Và Ứng Dụng Trong Hệ Thống Điện 4 2.1.Tổng quan về ứng dụng thiết bị FACTS

Giới thiệu

Hiện nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS, đặc biệt là sử dụng các thiết bị phát nguồn công suất phản kháng cho hệ thống lưới điện nhằm đảm bảo ổn định điện áp cho hệ thống Tuy nhiên, việc đánh giá, lựa chọn thiết bị phát công suất nào hợp lý, cũng như dung lượng bù tối ưu trong phân tích ở chế độ xác lập, quá độ là chưa được quan tâm sâu sắc.

Thực tế hiện nay, hệ thống điện chúng ta đang sử dụng là hệ thống điện xoay chiều Đây là hệ thống điện phức tạp bao gồm các máy phát đồng bộ, đường dây truyền tải, máy biến áp, các thiết bị bù và các phụ tải…., được chia thành ba khâu chính: Sản xuất, truyền tải và phân phối.

Muốn cho hệ thống điện xoay chiều hoạt động, chúng ta cần phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau:

• Các máy phát điện làm việc trong chế độ đồng bộ.

• Điện áp vận hành nằm trong giới hạn cho phép

• Tần số vận hành nằm trong giới hạn cho phép

• Các đường dây phải được vận hành ở điều kiện bình thường không quá tải.

• Các phụ tải phải được cung cấp nguồn điện đầy đủ.

Trong hệ thống điện công suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vào tổng trở đường dây, điện áp và góc truyền tải giữa điểm đầu và điểm cuối của đường dây, những đại lượng này giới hạn công suất truyền tải trên đường dây Vì vậy, khả năng truyền tải công suất của đường dây được cải thiện đáng kể bằng việc tăng công suất phản kháng ở phía phụ tải, lắp cuộn kháng bù ngang (mắc song song), tụ điện bù dọc (mắc nối tiếp) vào đường dây để điều khiển điện áp dọc theo chiều dài đường dây. Để nâng cao chất lượng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt Nam, hiện nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bù công suất phản kháng Tuy nhiên, các thiết bị bù đó vẫn chưa đáp ứng được các yêu cầu về phản ứng nhanh nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công suất phản kháng Vì thế, Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt – FACTS (Flexible AC Transmission System) đã ra đời và đáp ứng được các yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy cũng như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống trong mọi chế độ làm việc Ngoài ra, FACTS còn dùng để nâng cao khả năng điều khiển hệ thống điện và tăng khả năng truyền tải công suất trên đường dây.

Định nghĩa

FACTS được định nghĩa bởi IEEE là: ” Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ thống đường dây truyền tải điện xoay chiều, qua đó, nâng cao khả nâng điều khiển và khả năng truyền tải công suất”

Qua định nghĩa trên, cho thấy tầm quan trọng của thiết bị FACTS đến hệ thống điện có sự ảnh hưởng lớn về kinh tế và kỹ thuật.

Công nghệ FACTS

FACTS có thể được kết nối với hệ thống điện theo kiểu nối tiếp (bù dọc - series) hoặc bù song song (bù ngang - shunt) hoặc kết hợp cả hai phương thức trên

Các đường dây truyền tải điện dài sinh ra các điện kháng ký sinh nối tiếp dọc đường dây Do đó, khi truyền tải công suất lớn sẽ gây ra tổn thất điện áp trên đường dây Để bù các điện kháng ký sinh này, người ta đặt các tụ bù dọc trên đường dây. Trong trường hợp này, FACTS có tác dụng như một nguồn áp.

Hệ thống điện được nối shunt với các thiết bị FACTS Trường hợp này, FACTS đóng vai trò như một nguồn dòng.

Bù song song có hai loại:

Phương pháp này dùng để nâng cao hệ số công suất Khi một tải có tính cảm được nối với hệ thống, hệ số công suất sẽ bị giảm xuống do sự trễ pha của dòng điện Để bù cảm kháng này, người ta lắp một tụ điện nối song song với tải, việc này sẽ kéo dòng điện lên sớm pha hơn so với điện áp Và kết quả là hệ số công suất được nâng cao.

Phương pháp này dùng để bù trong trường hợp đóng điện đường dây không tải hoặc khi non tải cuối đường dây Khi không tải hoặc tải nhỏ, chỉ có một dòng rất nhỏ chạy trên đường dây Trong khi đó, điện dung ký sinh trên đường dây, đặc biệt với các đường dây dài lại có giá trị khá lớn Việc này sẽ sinh ra quá áp trên đường dây (hay còn gọi là hiệu ứng Ferranti) Điện áp cuối đường dây có thể tăng gấp đôi điện áp nguồn tới (trong trường hợp đường dây rất dài) Để bù điện dung ký sinh này, người ta lắp các điện cảm song song trên dọc đường dây.

Lý thuyết về FACTS

Trong trường hợp đường dây không có tổn thất, giá trị điện áp nhận được cuối đường dây thường gần bằng giá trị đầu đường dây: Vs = Vr = V Trong quá trình truyền tải, xuất hiện góc lệch pha delta, phụ thuộc vào giá trị của trở kháng X

Vì đường dây không có tổn thất nên công suất tác dụng P bằng nhau ở mọi điểm trên đường dây:

Công suất phản kháng đầu đường dây bằng nhưng khác dấu với công suất phản kháng cuối đường dây:

Hình 2.1 Đường dây không có tổn thất.

Khi giá trị δ nhỏ, công suất truyền tải trên đường dây phụ thuộc chủ yếu vào giá trị X Trong khi đó, công suất phản kháng phụ thuộc chủ yếu vào độ lớn của điện áp hai đầu.

Các tụ bù nối tiếp trong FACTS sẽ thay đổi điện kháng đẳng trị của đường dây:

X giảm sẽ tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng trên đường dây Tuy nhiên, nguồn điện phải cung cấp thêm công suất phản kháng.

Hình 2.2 Khi bù nối tiếp

Công suất phản kháng được đưa lên đường dây để duy trì giá trị điện áp Khả năng truyền tải công suất tác dụng trên đường dây tăng lên nhưng cũng phải cung cấp thêm công suất phản kháng cho đường dây.

Hình 2.3 Khi bù song song

Trong thực tế, do tính chất tiêu thụ điện ở từng thời điểm luôn khác nhau, cho nên tình trạng vận chuyển công suất trên các đường dây truyền tải cũng khác nhau, có thể tại một thời điểm trên hệ thống sẽ có những đường dây bị quá tải trong khi tại các đường dây khác thì non tải và ngược lại Với đà phát triển công nghiệp hóa như hiện nay, đòi hỏi nhu cầu truyền tải để đáp ứng cho các phụ tải ngày càng cao, cho nên, đường dây truyền tải cao áp luôn đặt trong tình trạng báo động hoặc xảy ra các hiện tượng: quá tải đường dây, nhiễu hệ thống ( dao động tần số, điện áp,….).

Nhằm tăng khả năng truyền tải điện năng trên hệ thống, khắc phục những nhược điểm nói trên, trên thế giới, người ta đã áp dụng các thiết bị FACTS vào hệ thống điện Các thiết bị này được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của đường dây xoay chiều cao áp Các thiết bị FACTS đã giúp cho nhà cung cấp điện những lợi ích sau:

• Tận dụng lưới truyền tải hiện hữu để lắp đặt các thiết bị FACTS

• Giảm chi phí đầu tư

• Tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải.

• Tăng độ ổn định quá độ của lưới

• Tăng chất lượng cung cấp điện năng cho các ngành công nghiệp và các ngành có yêu cầu chất lượng điện năng cao.

• Ảnh hưởng không đáng kể đến môi trường xung quanh.

Phân loại thiết bị FACTS

Trước đây, khi mà ngành công nghiệp điện tử công suất chưa phát triển mạnh thì việc nâng cao chất lượng điện áp trên hệ thống điện bị hạn chế và thời gian đáp ứng cũng rất chậm, bởi vì khi đó, chúng ta phải thực hiện việc đóng cắt các khóa cơ khí các phần tử điện như là cuộn dây, tụ điện, bộ chuyển đổi nấc máy biến áp… để ổn định điện áp trên hệ thống.

Ngày nay, với sự phát triển mạnh và nhanh chóng của các thiết bị điện tử công suất lớn, điện áp cao cho nên công nghệ FACTS ra đời nhằm giúp cho quá trình thực hiện điều khiển điện áp trên hệ thống điện, cụ thể là đường dây truyền tải được linh hoạt và nhanh chóng Một số nước tiên tiến đã sử dụng thiết bị FACTS trong mạng truyền tải, cụ thể như Mỹ, Canada, Brazil… là những nước tiên phong sử dụng công nghệ FACTS Các thiết FACTS thường được sử dụng là:

• Static Var Compensator (SVC) : Bộ bù Var tĩnh

• Static Synchronous Compensator (STATCOM) : Bộ bù đồng bộ tĩnh

• Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC) : Bộ bù dọc điều khiển Thyristor

• Static Synchronous Series Compensator (SSSC) :Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh

• Unified Power Flow Controller (UPFC) : Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất

• High Voltage Direct Current (HVDC) : Đường dây một chiều cao áp

Ứng dụng thiết bị FACTS trong hệ thống điện

2.2.1 Bộ bù công suất Var tĩnh –SVC

2.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 2.4 Bộ SVC kết nối với hệ thống điện

Hầu hết các bộ SVC luôn được kết nối đến mạng lưới truyền tải điện thông qua một máy biến áp tăng áp ghép bộ Ở phía nút điện áp thấp của máy biến áp, nói chung có 3 phần tử được sử dụng: cuộn kháng điều khiển bằng Thyristor (TCR), bộ tụ chuyển mạch bằng thyristor và bộ lọc sóng hài ổn định. a) TCR (Thyristor Controlled Reactor): Là thiết bị dùng điều khiển một cách liên tục dòng điện qua cuộn cảm mắc song song với lưới bằng cách điều khiển góc kích của thyristor và được nối vào thanh cái điện áp thấp.

Sơ đồ mạch một pha của bộ TCR, bao gồm cặp thyristor mắc song song, ngược chiều nhau và nối vào cuộn điện kháng tuyến tính.

Hình 2.5 Cấu tạo bộ TCR

T: Thyristor có chức năng điều chỉnh dòng điện đi qua TCR.

G : Cực kích của thyristor. Đóng ngắt có điều khiển các thyristor kết hợp với đáp ứng của cuộn kháng tuyến tính cho phép điện kháng hiệu dụng tần số cơ bản của TCR, mà nó là hàm số của góc kích, thay đổi một cách liên tục từ giá trị điện kháng xác định của cuộn kháng (ứng với trạng thái dẫn hoàn toàn của Thyristor) đến một giá trị vô hạn (ứng với trạng thái ngắt của thyristor). b) TSC (Thyristor Switched Capacitor): là thiết bị bù công suất phản kháng được điều chỉnh theo dạng nhảy cấp, nó có khả năng đóng cắt tụ điện bằng cách kích đóng ngắt các thyristor Bộ TSC kết hợp với bộ TCR sẽ cho phép điện kháng tương đương của chúng có thể thay đổi liên tục từ tính dung sang tính kháng.

Sơ đồ mạch một pha của bộ TSC bao gồm cặp Thyristor mắc song song, ngược chiều nhau và nối vào bộ tụ điện.

Hình 2.6 Cấu tạo bộ TSC

- T : Thyristor có chức năng đóng hoặc ngắt bộ tụ điện.

- Van thyristor được đóng mở phụ thuộc vào tín hiệu xung điều khiển vào cực G của thyristor.

Bộ TSC thực chất là bộ tụ điện được đóng mở bằng hai thyristor mắc song song, khi thay đổi tín hiệu xung sẽ làm thay đổi giá trị điện dung C trong mạch. c) Fixed Filters: là thiết bị dùng để lọc sóng hài Mục đích là lọc các sóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng cho phụ tải Các sóng hài bậc cao xuất hiện do chế độ làm việc của TCR gây ra ( khi thyristor dẫn không hoàn toàn, dòng điện qua TCR sẽ không có dạng hình sin)

Sơ đồ mạch môt pha của bộ lọc sóng hài gồm có cuộn điện kháng XL nối tiếp vào bộ tụ điện C.

Hình 2.7 Cấu tạo bộ lọc sóng hài

Các phụ tải phi tuyến và cả phần tử điều chỉnh công suất phản kháng (TCR) là nguồn tạo ra các sóng hài bậc cao Trong hệ thống điện 3 pha, các thành phần bậc cao xuất hiện và ảnh hưởng chủ yếu là bậc 5,7,11 và 13, riêng sóng hài bậc ba thường được hạn chế hoặc loại bỏ nhờ hình thức đấu dây của máy biến áp hoặc giải thuật điều khiển cung cấp cho các bộ biến đổi công suất Các mạch lọc cộng hưởng được điều chỉnh đến các giá trị tần số của các thành phần sóng hài bậc cao cần được khử bỏ và lúc đó mạch lọc cộng hưởng tác động như trở kháng ngắn mạch cho các sóng hài bậc cao này nên hạn chế ảnh hưởng của nó lên nguồn điện áp của lưới điện Khi thay đổi góc kích α của thyristor, điện kháng hiệu dụng của bộ TCR sẽ thay đổi Sự thay đổi điện kháng của TCR sẽ thay đổi điện kháng hiệu dụng của SVC Với nguyên lý làm việc như trên, cho nên bộ SVC có thể cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng cho một hệ thống truyền tải điện Sự thay đổi để phát hay thu công suất phản kháng nhằm mục đích điều chỉnh giá trị điện áp tại điểm kết nối với hệ thống điện.

Hình 2.8 Sơ đồ bộ SVC

ISVC: Dòng điện của SVC với điện áp ở nút điện áp cao

PIsvc: Công suất tác dụng bơm vào bên trong máy biến áp ghép bộ từ nút điện áp thấp SVC

2.2.1.2 Ứng dụng của bộ bù công suất Var tĩnh – SVC:

Hình 2.9 Sơ đồ kết nối bộ SVC với hệ thống điện

Hình 2.9 Trình bày cấu trúc và những thành phần chính của bộ SVC Bộ SVC được áp dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải với nhiều mục đích khác nhau Mục đích cơ bản nhất thường được sử dụng là để điều khiển điện áp tại điểm yếu nhất trong hệ thống điện Nó thường được lắp đặt ở điểm giữa của đường dây truyền tải liên kết giữa các vùng tải Nhờ độ chính xác cao, tính khả dụng và đáp ứng nhanh, các thiết bị SVC có thể cung cấp trạng thái ổn định và điều khiển điện áp quá độ có chất lượng cao so với kiểu bù rẽ nhánh thông thường Các thiết bị SVC cũng được sử dụng để làm giảm các dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ và giảm tổn hao hệ thống nhờ tối ưu điều khiển công suất phản kháng.

2.2.2 Bộ bù đồng bộ tĩnh –STATCOM

2.2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 2.10 Giản đồ bộ STATCOM

Bộ STATCOM được mắc song song với đường dây và hoạt động không cần nguồn năng lượng dự trữ có tác dụng như là một máy bù công suất phản kháng. Việc điều khiển dòng công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống điện được thực hiện bằng cách điều khiển điện áp ngõ ra V cùng pha với điện áp hệ thống VT (hình 2.10).

• Nếu V nhỏ hơn điện áp hệ thống VT thì dòng điện bộ nghịch lưu đi qua cuộn kháng sẽ mang tính cảm, bộ STATCOM nhận công suất phản kháng từ hệ thống.

• Nếu V lớn hơn điện áp hệ thống VT thì dòng điện bộ nghịch lưu đi qua cuộn kháng sẽ mang tính dung, bộ STATCOM phát công suất phản kháng lên hệ thống Hình 2.11 mô tả cấu trúc cơ bản của bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC)

Hình 2.11 Cấu trúc cơ bản của bộ VSC

Hình 2.11 biểu diễn cấu trúc cơ bản của một bộ biến đổi toàn sóng 3 pha có 6 bộ chuyển mạch, mổi bộ gồm có một GTO(gate-turn-off) thyristor nối song song với một diode Với mục tiêu là tạo ra một dạng sóng điện áp đầu ra gần như dạng sóng hình sin có thể, bộ chuyển mạch của thyristor GTO riêng lẽ trong bộ VSC thì được điều khiển bằng khối chương trình điều khiển chuyển mạch, được thiết kế để giảm đến mức tối thiểu phát sinh sóng hài lúc bộ VSC làm việc và nhu cầu cho việc lọc sóng hài.

Hầu hết các phương pháp thường được sử dụng cho việc điều khiển điện áp xoay chiều bằng các phương pháp biến đổi như là:

- Thay đổi điện áp một chiều với một bộ biến đổi sóng đầy đủ, đôi khi còn được gọi là bộ điều chế biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation - PAM).

- Điện áp một chiều không đổi với bộ điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulated - PWM).

Nguyên lý cơ bản của STATCOM là sử dụng bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) dựa trên kỹ thuật các phần tử điện tử công suất (GTO) thyristor hay transitor lưỡng cực có cổng cách điện (IGBT) với khả năng ngắt dòng điện khi có xung ngắt gửi đến cổng điều khiển Điều này cho phép cho bộ STATCOM phát ra một nguồn điện áp xoay chiều AC ở đầu cực bộ biến đổi lúc tần số cơ bản yêu cầu với biên độ điều chỉnh được, sơ đồ khối của một bộ STATCOM được thể hiện ở hình 2.12

Sự chuyển đổi công suất phản kháng với lưới điện thì đạt được bởi điều khiển biên độ điện áp V và sự chuyển đổi công suất tác dụng do điều khiển dịch chuyển pha ψ Sự thay đổi công suất tác dụng thì chỉ thường điều khiển điện áp một chiều.

Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của bộ STATCOM

2.2.2.2 Ứng dụng của bộ bù đồng bộ tĩnh – STATCOM:

Hình 2.13 Sơ đồ kết nối bộ STATCOM với hệ thống điện

Bộ STATCOM là một thiết bị bù ngang, nó chuyển đổi nguồn điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều để bù công suất phản kháng cho hệ thống điện.

STATCOM không yêu cầu các thành phần cảm kháng và dung kháng lớn để cung cấp công suất phản kháng cho các hệ thống truyền tải cao áp Một lợi thế khác là đầu ra phản ứng nhanh ở điện áp hệ thống thấp.

2.2.3 Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh –SSSC

Hình 2.14 Sơ đồ kết nối SSSC với hệ thống điện

Bộ SSSC là thiết bị bù nối tiếp vào đường dây, nó có thể phát ra một lượng điện áp được yêu cầu của hệ thống điện, nó có thể biến đổi điện áp của hệ thống từ

AC sang điện áp DC Bộ SSSC có thể điều khiển cả công suất thực và công suất kháng với hệ thống AC.

2.2.4 Bộ bù dọc điều khiển bằng Thyristor –TCSC

Hình 2.15 Cấu trúc cơ bản của bộ TCSC

Quan Về Hệ Nơron Mờ (Anfis)

Đặt vấn đề

Từ những năm 20, lý thuyết tập mờ và mạng noron nhân tạo đã phát triển rất nhanh và được quan tâm Với logic mờ, trí tuệ nhân tạo phát triển mạnh mẽ tạo cơ sở xây dựng các hệ chuyên gia, những hệ có khả năng cung cấp kinh nghiệm điều khiển hệ thống Trí tuệ nhân tạo được xây dựng dựa trên mạng noron nhân tạo Sự kết hợp giữa logic mờ và mạng noron trong thiết kế hệ thống điều khiển tự động là một khuynh hướng hoàn toàn mới, phương hướng thiết kế hệ điều khiển thông minh, một hệ thống mà bộ điều khiển có khả năng tư duy như bộ não con người, tức là nó có khả năng tự học, tự chỉnh định lại cho phù hợp với sự thay đổi không lường được trước của đối tượng.

Như đã biết hệ mờ và mạng nơron đều có khả năng làm việc trong những hệ thống không ổn định, không chính xác và điều kiện môi trường khắc nhiệt Hệ thống mờ và mạng nơron đã có nhiều ví dụ thực hiện đánh giá và so sánh chúng. Ngày nay các nhà thiết kế đã áp dụng một cách rộng rãi và có hệ thống logic mờ và mạng nơron trong lĩnh vực điều khiển học Ý tưởng là triệt tiêu các nhược điểm và đạt được các ưu điểm của cả hai công nghệ, điều này có nghĩa là hai công nghệ kết hợp để tối đa hóa điểm mạnh của từng công nghệ và bổ sung những nhược điểm để hợp thành một hệ thống mới tối ưu hơn.

Hệ thống hợp nhất này sẽ có ưu điểm của cả hai: Mạng nơron (khả năng học,khả năng tối ưu hoá, sự kết nối về cấu trúc) và hệ mờ (sự thông minh của con người qua luật mờ if - then, sự thuận lợi của việc am hiểu kiến thức chuyên môn một cách chặt chẽ của các chuyên gia).

Tổng quan về điều khiển mờ

Trong lịch phát triển của công nghệ hiện đại, sự đóng góp của điều khiển lôgic là cực kỳ to lớn Nó đã đóng vai trò rất quan trọng không chỉ trong các ngành khoa học tự nhiên mà còn là một môn khoa học không thể thiếu được đối với khoa học xã hội ngay cả trong suy luận đời thường Ngày nay, lôgic toán học kinh điển đã tỏ ra còn nhiều hạn chế trong những bài toán nảy sinh từ công việc nghiên cứu và thiết kế những hệ thống phức tạp Đặc biệt là những lĩnh vực cần sử dụng trí tuệ nhân tạo hay trong công việc điều khiển và vận hành các hệ thống lớn có độ phức tạp cao cần sự giúp đỡ của hệ các chuyên gia.

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin nhất là kỹ thuật vi xử lý và công nghệ phần mềm đã đặt nền móng cho việc ứng dụng hệ thống điều khiển thông minh vào các nghành công nghiệp Các hệ thống điều khiển thông minh được xây dựng trên cơ sở trí tuệ nhân tạo đã giúp con người có khả năng khống chế những đối tượng mà trước kia tưởng chừng như không điều khiển được như trong rất nhiều bài toán điều khiển khi đối tượng không thể mô tả bởi mô hình toán học, hoặc mô hình của nó quá phức tạp, cồng kềnh…

Trong thực tế khi thiết kế bộ điều khiển kinh điển thường bị bế tắc khi gặp những bài toán có độ phức tạp của hệ thống cao, độ phi tuyến lớn, thường xuyên thay đổi trạng thái hoặc cấu trúc của đối tượng…

Phát hiện thấy nhu cầu tất yếu ấy, năm 1965 L.A.Zadeh - tại trường đại học Berkelye bang California -Mỹ đã sáng tạo ra lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Sets Theory) và đặt nền móng cho việc xây dựng một loạt các lý thuyết quan trọng dựa trên cơ sở lý thuyết tập mờ Đây là một trong những phát minh quan trọng có tính bùng nổ và đang hứa hẹn giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp và to lớn của thực tế.

Năm 1970 tại trường Marry Queen London - Anh, Ebrahim Mamdani đã dùng logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể điều khiển được bằng kỹ thuật cổ điển Tại Đức Hann Zimmermann đã dùng logic mờ cho các hệ ra quyết định Tại Nhật logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của Fụi Electrinic vào năm 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào năm 1987, đường sắt Sendai.Các ứng dụng đã và đang được phát triển với các vấn đề theo vết, điều chỉnh, nội suy, phân loại, chữ viết tay, nhận dạng lời nói, ổn định hình dạng trong các máy quay video, máy giặt, máy hút bụi, điều hòa, quạt điện, Một thí nghiệm con lắc ngược đã được chứng minh vào năm 1987 với “các đáp ứng cân bằng được sinh ra gần 100 lần ngắn hơn những đáp ứng của bộ điều khiển PID truyền thống”.

Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh nhưng phát triển mạnh mẽ nhất ở Nhật Trong lĩnh vực tự động hóa logic mờ ngày càng được ứng dụng rộng rãi, nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền, phức tạp, không xác định, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề mà điều khiển kinh điển không làm được.

Phương pháp điều khiển mờ chính là nhằm vào việc xây dựng các phương pháp có khả năng bắt chước cách thức con người điều khiển Vì đối tượng điều khiển là một hệ thống phức tạp, bản chất chưa rõ, không thể hiển thị bằng các mô hình toán lý Nên dưới dạng mô hình mờ một tập các mệnh đề IF …THEN (các luật) với các dữ liệu ngôn ngữ mô tả mối quan hệ giữa các biến vào, các biến ra đã ra đời Ta lấy một ví dụ phận biệt cá voi có tính khoa học Ở những trường tiểu học, nhiều điều làm mọi người ngạc nhiên, rằng cá voi là động vật có vú bởi vì: nó là loại máu nóng, đẻ con, nuôi con bằng sữa mẹ, và cũng mọc lông Hệ thống phân biệt này là một ví dụ hoàn hảo của logic hai trị truyền thống mà thống trị khoa học suốt nhiều thế kỷ Mặc dù thực tế là nó trông giống cá, nó bơi giống cá, nó có mùi cá, và cứ ba học sinh lại có một người nghi ngờ khi nói rằng cá voi không phải là cá, cá voi 100% động vật có vú, 0 % là cá Nếu một nhà logic mờ phân biệt cá voi, ông ta sẽ cho cá voi thuộc về cả hai bộ động vật có vú và bộ cá, tới mức độ tự nhiên.

So với phương pháp điều khiển truyền thống thì phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưu điểm sau: Điểm mạnh nổi trội cơ bản của điểu khiển mờ so với kỹ thuật điều khiển kinh điển là nó áp dụng rất hiệu quả và linh hoạt trong các quá trình điều khiển ở điều kiện chưa xác định rõ và thiếu thông tin

Nguyên lý điều khiển mờ đã cho phép con người tự động hóa được điều khiển cho một quá trình, một thiết bị…và mang lại chất lượng mong muốn.

Với nguyên tắc mờ bộ điều khiển tổng hợp được có cấu trúc đơn giản so với bộ điều khiển kinh điển khác có cùng chức năng Sự đơn giản đó đã đóng vai trò quan trọng trong việc tăng độ tin cậy cho thiết bị, giảm giá thành sản phẩm. Điều khiển mờ là những cải tiến liên tiếp của kỹ thuật vi xử lý, một cầu nối không thể thiếu giữa kết quả nghiên cứu của lý thuyết điều khiển mờ với thực tế.

3.2.2 Cấu trúc của hệ điều khiển mờ a) Sơ đồ khối: Sơ đồ các khối chức năng của hệ điều khiển mờ được chỉ ra trên hình 3.1 Trong đó các khối chính của bộ điều khiển mờ là khối mờ hóa, khối thiết bị hợp thành và khối giải mờ Ngoài ra cò có giao diện vào và giao diện ra để đưa tín hiệu vào bộ điều khiển và xuất tín hiệu từ ngõ ra bộ điều khiển đến cơ cấu chấp hành.

Hình 3.1 Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ b) Giao diện vào, ra: Hệ mờ là một hệ điều khiển số do đó tín hiệu đưa vào bộ điều khiển mờ phải là tín hiệu số Giao diện vào có nhiệm vụ chuẩn hóa tín hiệu tương tự thu nhận được từ đối tượng điều khiển và chuyển đổi thành tín hiệu số. Giao diện ra có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số thành tương tự, khuyếch đại tín hiệu điều khiển cho phù hợp với đối tượng cụ thể Trong thực tế, giao diện vào, ra được tích hợp trong một CARD xử lý số chuyên dụng hoặc lắp thêm vào khe cắm mở rộng của máy tính. c)Khối mờ hóa: Là khối đầu tiên của bộ điều khiển mờ có chức năng chuyển mỗi giỏ trị rừ của biến ngụn ngữ đầu vào thành vộc tơ à cú số chiều bằng số tập mờ đầu vào Số tập mờ đầu vào do người thiết kế qui định tùy thuộc đối tượng cụ thể, nhưng thông thường không chọn quá 9 tập mờ Hình dạng các hàm liên thuộc cũng được tùy chọn theo hình tam giác, hình thang, hàm Gaus … Mỗi loại hàm liên thuộc có ưu, nhược điểm riêng Hiện nay vẫn chưa có nghiên cứu nào chỉ rõ dùng dạng hàm liên thuộc nào là tốt nhất Hình 3.2 minh họa phương pháp mờ hóa biến điện áp trong khoảng từ 100V - 300V bằng 5 tập mờ dạng hàm Gaux Khi đó ứng với mỗi giá trị rõ x0 ta có véc tơ

= (0) ví dụ với x0 0V ta có = 0.7

Hình 3.2 Các hàm liên thuộc của một biến ngôn ngữ

Khối thiết bị hợp thành:

Khối thiết bị hợp thành còn được gọi là cơ cấu suy diễn hay động cơ suy diễn cú chức năng biến mỗi giỏ trị rừ (x 0 ) ở đầu vào thành tập mờ à B' (x 0 ) trờn cơ sở cỏc luật điều khiển, khối này gồm 2 phần chính: Luật điều khiển (hợp thành) và suy diễn mờ.

Luật điều khiển bao gồm một số mệnh đề hợp thành là các mệnh đề đơn hoặc mệnh đề phức được liên hệ với nhau bởi toán tử "Hoặc" có dạng tổng quát:

R 1 : Nếu X 1 = A 1 và X 2 = B 1 và … thì Y 1 = C 1 và Y 2 = D 1 … hoặc

R 2 : Nếu X 1 = A 2 và X 2 = B 2 và ….thì Y 1 = C 2 và Y 2 = D 2 … hoặc

R n : Nếu X 1 = A n và X 2 = B n và … thì Y 1 = C n và Y 2 = D n … (1.1)

Tùy theo số mệnh đề điều kiện và số mệnh đề kết luận trong mỗi mệnh đề hợp thành mà người ta có các cấu trúc điều khiển khác nhau:

Cấu trúc SISO (một vào, một ra): Chỉ có một mệnh đề điều kiện và một mệnh đề kết luận.

Ví dụ: R 1 : nếu χ = A 1 thì γ = B 1 hoặc R 2 : nếu χ = A 2 thì γ = B 2

Cấu trúc MISO (Nhiều vào, một ra): Có từ 2 mệnh đề điều kiện trở lên và một mệnh đề kết luận.

Ví dụ: Nếu χ1 = A 1 và χ2 = A 2 thì γ = B

Cấu trúc MIMO (Nhiều vào, nhiều ra): Có ít nhất 2 mệnh đề điều kiện và 2 mệnh đề kết luận.

Ví dụ: R 1 : Nếu χ 1 = A 1 và χ 2 = B 1 thì γ = C 1 hoặc R 2 : Nếu χ 1 = A 2 và χ 2 = B 2 thì γ = C2

Tổng quan về mạng nơron

Với logic mờ, trí tuệ nhân tạo phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây tạo ra cơ sở xây dựng các hệ chuyên gia, những hệ có khả năng cung cấp kinh nghiệm điều khiển hệ thống Trí tuệ nhân tạo được xây dựng dựa trên mạng nơron nhân tạo Mạng nơron nhân tạo (Artificial Neural Networks) là hệ thống được xây dựng dựa trên nguyên tắc cấu tạo của bộ não người Nó cho chúng ta một hướng mới trong nghiên cứu hệ thống thông tin Mạng nơron nhân tạo có thể thực hiện các bài toán: Tính toán gần đúng các hàm số, thực hiện các bài toán tối ưu, nhận mẫu,nhận dạng và điều khiển đối tượng hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống Mạng nơron nhân tạo có một số lượng lớn mối liên kết của các phần tử biến đổi có liên kết song song Nó có hành vi tương tự như bộ não người với khả năng tự học hỏi, tự chỉnh định cho phù hợp với sự thay đổi không lường trước của đối tượng điều khiển và tổng hợp thông tin từ sự luyện tập của các tập mẫu dữ liệu Trong quá trình tái tạo đó không phải tất cả các chức năng của bộ não con người đều được tái tạo, mà chỉ có những chức năng cần thiết Bên cạnh đó còn có những chức năng mới được tạo ra nhằm giải quyết một bài toán điều khiển đã định trước Các phần tử biến đổi của mạng nơron nhân tạo được gọi là các nơron nhân tạo hoặc gọi tắt là nơron.

3.3.2 Lịch sử phát triển của mạng nơron nhân tạo

Mạng nơron được xây dựng từ những năm 1940 nhằm mô phỏng một số chức năng của bộ não con người Dựa trên quan điểm cho rằng bộ não người là bộ điều khiển Mạng nơron nhân tạo được thiết kế và có khả năng giải quyết hàng loạt các bài toán tối ưu, điều khiển, công nghệ robot…

Qua quá trình nghiên cứu và phát triển nơron nhân tạo có thể chia làm 4 giai đoạn như sau:

Giai đoạn 1: Có thể tính từ nghiên cứu của William (1980) về tâm lý học với sự liên kết các nơron thần kinh Năm 1940 Mc Culloch và Pitts đã cho biết nơron có thể mô hình hóa như thiết bị ngưỡng (giới hạn) để thực hiện các phép tính logic và mô hình mạng nơron của Mc Culloch-Pitts cùng với giải thuật huấn luyện mạng của Hebb ra đời năm 1943.

Giai đoạn 2: Vào khoảng gần những năm 1960, một số mô hình nơron hoàn thiện hơn đã được đưa ra như: mô hình Perception của Rosenblatt (1958), Adalile của Widrow (1962) Trong đó mô hình Perception rất được quan tâm vì nguyên lý đơn giản nhưng nó có hạn chế vì nó đã không dùng được cho các hàm logic phức

(1969) Adalile là mô hình tuyến tính, tự chỉnh được dùng rộng rãi trong điều khiển thích nghi, tách nhiễu và phát triển cho đến nay.

Giai đoạn 3: Đầu thập niên 80 những đóng góp lớn cho mạng nơron trong giai đoạn này phải kể đến Grossberg, Kohnonen, Rumelhart và Hopfield Trong đó đóng góp lớn của Hopfiled gồm hai mạng phản hồi: Mạng rời rạc năm 1982 và mạng liên tục năm 1984 Cảm nhận của Hopfield đã được Rumelhart, Hinton và

Williams đề xuất thuật toán sai số truyền ngược nổi tiếng để huấn luyện mạng nơron nhiều lớp nhằm giải bài toán mà mạng khác không thực hiện được Nhiều ứng dụng mạnh mẽ của mạng nơron ra đời cùng với các mạng theo kiểu máy Boltlzmannn. Giai đoạn 4: Tính từ năm 1987 đến nay mạng nơron đã tìm và khẳng định được vị trí của mình trong rất nhiều ứng dụng khác nhau: điều khiển, bài toán tối ưu,

3.3.3 Cấu trúc mạng nơron nhân tạo a) Mạng nơron sinh học

*Cấu tạo: Nơron là phần tử cơ bản tạo nên bộ não con người Sơ đồ cấu tạo của một nơron sinh học được chỉ ra như trong hình 3.12 Một nơron điển hình có 3 phần chính: thân nơron, các nhánh và sợi trục.

Hình 3.12 Mô hình 2 nơron sinh học

- Thân nơron (soma): Được giới hạn trong một màng membran và trong cùng là nhân Thân nơron có rất nhiều đường rẽ nhánh gọi là rễ.

Các rễ của nơron được chia thành hai loại: Loại nhận thông tin từ nơron khác qua axon gọi là rễ đầu vào và loại đưa thông tin qua axon tới các nơron khác gọi là rễ đầu ra Một nơron có nhiều rễ đầu vào nhưng chỉ có một rễ đầu ra.

- Các nhánh (dendrite): Đây chính là các mạng dạng cây của các dây thần kinh để nối các soma với nhau.

- Sợi trục (Axon): Đây là một kết nối hình trụ dài và mang các tín hiệu ra ngoài.

Phần cuối của axon được chia thành nhiều nhánh nhỏ Mỗi nhánh nhỏ (cả của dendrite và axon) kết thúc trong một cơ quan nhỏ hình củ hành được gọi là synapte mà tại đây các nơron đưa các tín hiệu của nó vào các nơron khác Những điểm tiếp nhận với các synapte trên các nơron khác có thể ở các dendrite hay chính soma.

Hoạt động của nơron sinh học có thể mô tả như sau:

Các tín hiệu đưa ra bởi một synapte và được nhận bởi các dendrite là các kích thích điện tử Việc truyền tín hiệu đó liên quan đến một quá trình hóa học phức tạp mà trong đó các chất truyền đặc trưng được giải phóng từ phía gửi của nơi tiếp nối. Điều này làm tăng hay giảm điện thế bên trong thân của nơron nhận Nơron nhận tín hiệu sẽ kích hoạt (fire) nếu điện thế vượt khỏi một ngưỡng nào đó và một xung (hoặc điện thế hoạt động) với độ mạnh (cường độ) và thời gian tồn tại cố định được gửi ra ngoài thông qua axon tới phần nhánh của nó rồi tới các chỗ nối synapte với các nơron khác Sau khi kích hoạt, nơron sẽ chờ trong một khoảng thời gian được gọi là chu kỳ trước khi nó có thể được kích hoạt lại Synapses là hưng phấn (excitatory) nếu chúng cho phép các kích thích truyền qua gây ra tình trạng kích hoạt (fire) đối với nơron nhận Ngược lại, chúng là ức chế (inhibitory) nếu các kích thích truyền qua làm ngăn trở trạng thái kích hoạt (fire) của nơron nhận. b) Mạng nơron nhân tạo

Nơron nhân tạo là sự sao chép nơron sinh học của não người, nó có những đặc tính sau:

- Mỗi nơron có một số đầu vào, những kết nối (Synaptic) và một đầu ra (axon).

- Một nơron có thể hoạt động (+35mV) hoặc không hoạt động (-0,75mV).

- Chỉ có một đầu ra duy nhất của một nơron được nối với các đầu vào khác nhau của nơron khác Điều kiện để nơron được kích hoạt hay không kích hoạt chỉ phụ thuộc những đầu vào hiện thời của chính nó.

Một nơron trở nên tích cực nếu đầu vào của nó vượt qua ngưỡng ở một mức nhất định.

Hình 3.13 Mô hình nơron đơn giản

Các đầu vào có hàm trọng W j và bộ tổng Đầu ra của bộ tổng được sử dụng để quyết định một giá trị của đầu ra thông qua hàm chuyển Có nhiều kiểu hàm chuyển khác nhau (sẽ được đề cập ở phần sau) Tương tự nơron sinh học của con người, nơron sẽ được kích hoạt nếu tổng giá trị vào vượt quá ngưỡng và không được kích hoạt nếu tổng giá trị vào thấp hơn ngưỡng Sự làm việc như vậy của nơron gọi là sự kích hoạt nhảy bậc.

Kết nối một vài nơron ta được mạng nơron Hình 3.14 là một mạng nơron gồm

3 lớp: lớp vào, lớp ẩn và lớp ra.

Các nơron lớp vào trực tiếp nhận tín hiệu ở đầu vào, ở đó mỗi nơron chỉ có một tín hiệu vào Mỗi nơron ở lớp ẩn được nối với tất cả các nơron lớp vào và lớp ra Các nơron ở lớp ra có đầu vào được nối với tất cả các nơron ở lớp ẩn, chúng là đầu ra của mạng Cần chú ý rằng một mạng nơron cũng có thể có nhiều lớp ẩn Các mạng nơron trong mỗi nơron chỉ được liên hệ với tất cả các nơron ở lớp kế tiếp và tất cả các mối liên kết chỉ được xây dựng từ trái sang phải được gọi là mạng nhiều lớp truyền thẳng (perceptrons).

3.3.4 Mô hình nơron a) Nơron đơn giản:

Xét một nơron với một đầu vào vô hướng và không có độ dốc

Hình 3.15 Mô hình nơron đơn giản c) Nơron với nhiều đầu vào (véc tơ vào)

Nơron với véc tơ vào gồm R phần tử đ ƣợc chỉ ra trên hình 3.16

Hình 3.16 Nơron với R đầu vào

Trong đó các đầu vào p 1 , p 2 , p R được nhân với các trọng liên kết w 1,1 , w 1,2 , w 1,R

Các trọng liên kết được biểu diễn bằng ma trận hàng, véc tơ p là ma trận cột.

Trong đó: W là ma trận trọng liên kết có kích thước 1x

R P là véc tơ vào gồm R phần tử.

Cách biểu diễn trên sẽ rất khó khăn khi mô tả mạng gồm nhiều nơron và có nhiều lớp Để đơn giản ta sử dụng ký hiệu như hình 3.17.

Hình 3.17 Ký hiệu nơron với R đầu vào 3.3.5 Cấu trúc mạng

Nhiều nơron kết hợp với nhau tạo thành mạng nơron, mạng nơron có thể có một lớp hoặc nhiều lớp. a) Mạng một lớp

Một cấu trúc mạng 1 lớp với R đầu vào và S nơron được chỉ ra trên hình 3.18

Hình 3.18 Cấu trúc mạng nơron 1 lớp

- Véc tơ vào p có R phần tử p T = [p 1 p 2 … p R ]

- Véc tơ vào n có S phần tử n T = [n 1 n 2 … n S ]

- Véc tơ vào a có S phần tử a T = [a 1 a 2 … a S ]

Trong mạng này mỗi phần tử của véc tơ vào p liên hệ với đầu vào mỗi nơron thông qua ma trận trọng liên kết W Bộ cộng của nơron thứ i thu thập các trọng liên kết đầu vào và dộ dốc để tạo thành một đầu ra vô hướng n i Các n i tập hợp với nhau tạo thành s phần tử của véc tơ vào n Cuối cùng ở lớp ra nơron ta thu được véc tơ a gồm s phần tử. Để đơn giản ta ký hiệu mạng một lớp gồm S nơron, R đầu vào như hình vẽ 2.19

Hình 3.19 Ký hiệu mạng R đầu vào và S

Trong đó: Véc tơ vào P có kích thước R, ma trận trọng liên kết W có kích thước S x R còn a và b là các véc tơ có kích thước S Như chúng ta đã biết, một lớp mạng bao gồm ma trận trọng liên kết, toán tử nhân, véc tơ độ dốc b, bộ tổng và hộp hàm truyền. b) Mạng nhiều lớp

* Ký hiệu qui ước cho một lớp mạng Để minh hoạ, ta xét một lớp mạng có nhiều đầu vào như hình

Hình 3.20 Ký hiệu một lớp mạn

Hình 3.21 Cấu trúc mạng nơron 3 lớp Đối với mạng 3 lớp ta cũng có thể sử dụng ký hiệu tắt để biểu diễn (hình 3.22).

Hình 3.22 Ký hiệu tắt của mạng nơron 3 lớp

Sự kết hợp giữa mạng nơron và logic mờ

3.4.1 Vài nét về lịch sử phát triển

Năm 1970, Lee nghiên cứu về mối liên quan giữa lý thuyết tập mờ với mạng nơron đã đánh dấu sự ra đời của bộ điều khiển nơron mờ Phát triển trên nền công trình đó, năm 1971 đã xuất hiện thiết bị tự động với cơ chế suy diễn mờ theo nguyên lý mạng nơron, tuy nhiên vẫn còn ở mức độ thấp.

Thập kỷ 80-90 được xem là thời kỳ nở rộ của các công trình nơron mờ với những ứng dụng trong nhận dạng ảnh, trong hệ thống hỗ trợ quyết định, trong cơ chế suy diễn nơron mờ Nguyên nhân của sự phát triển đó là do: sự phát triển của mạng nơron Hopfield, Tank, tiếp nối là sự hoàn thiện thuật toán lan truyền ngược của Rumelhart, Hinton, Williams, Nauck, Kruse cho mạng MLP và nguyên nhân nữa thúc đẩy sự phát triển này là các sản phẩm logic mờ ở Nhật Bản phát triển mạnh mẽ và các chíp mờ đã được ứng dụng trong điều khiển máy giặt, nồi cơm điện, máy điều hòa…

3.4.2 Logic mờ Đối với logic mờ, ta dễ dàng thiết kế một hệ thống mong muốn chỉ bằng các luật Nếu - thì (If-Then) gần với việc xử lý của con người Điều này cho phép tạo ra lời giải đơn giản hơn, trong khoảng thời gian ngắn hơn Thêm nữa, ta dễ dàng sử dụng những hiểu biết của mình về đối tượng để tối ưu hệ thống một cách trực tiếp.Tuy nhiên, đi đôi với các ưu điểm hệ điều khiển mờ còn tồn tại một số nhược điểm như việc thiết kế và tối ưu hóa hệ logic mờ đòi hỏi phải có một số kinh nghiệm về điều khiển đối tượng, đối với những người mới thiết kế lần đầu điều đó hoàn toàn không đơn giản Mặt khác còn hàng loạt những câu hỏi khác đặt ra cho người thiết kế mà nếu chỉ dừng lại ở tư duy logic mờ thì hầu như chưa có lời giải Ví dụ: Số tập mờ trong mỗi biến ngôn ngữ cần chọn bao nhiêu là tối ưu? Hình dạng các tập mờ thế nào? Vị trí mỗi tập mờ ở đâu? Việc kết hợp các tập mờ như thế nào? Trọng số của mỗi luật điều khiển bằng bao nhiêu? Nếu như tri thức cần đưa vào hệ được thể hiện dưới dạng các tập dữ liệu (điều này thường gặp khi thu thập và xử lý dữ liệu để nhận dạng đối tượng) thì làm thế nào? [38].

3.4.3 Mạng nơron Đối với mạng nơron, chúng có một số ưu điểm như: xử lý song song nên tốc độ xử lý rất nhanh; có khả năng học hỏi, ta có thể huấn luyện mạng để xấp xỉ một hàm phi tuyến bất kỳ đặc biệt khi đã biết một tập dữ liệu vào/ra Đi đôi với những ưu điểm đó mạng nơron vẫn còn tồn tại một số nhược điểm cơ bản là khó giải thích rõ ràng hoạt động của mạng nơron như thế nào Do vậy, việc chỉnh sửa trong mạng nơron rất khó khăn [38].

3.4.4 Sự kết hợp giữa mạng nơron và logic mờ

Một số tiêu chí cơ bản trợ giúp cho người thiết kế ở logic mờ và mạng nơron (Bảng 3.1).

Bảng 3.1 So sánh mạng nơron và logic mờ

Tiêu chí Mạng nơron Logic mờ

Thể hiện tri thức Không tường minh, khó Tường minh, dễ kiểm giải thích và khó sửa đổi chứng hoạt động và dễ sửa đổi.

Khả năng học Có khả năng học thông Không có khả năng học, qua các tập dữ liệu người thiết kế phải tự thiết kế tất cả.

Tính nhạy cảm với Thấp Cao những thay đổi của mô hình

Nguồn của tri thức Từ các mẫu học Từ các kinh nghiệm chuyên gia

Lưu giữ tri thức Trong nơron và trọng Trong luật hợp thành và số của từng đường ghép hàm thuộc nối

Từ những phân tích ở trên ta thấy mạng nơron và logic mờ mỗi loại có một điểm mạnh và điểm yếu riêng của nó Và những ưu điểm của mạng nơron là nhược điểm của bộ điều khiển mờ và ngược lại Từ đó để có được ưu điểm của cả điều khiển mờ và mạng nơ ron trong một bộ điều khiển, người ta đã ghép chúng chung thành một hệ thống ta sẽ có một hệ lai với ưu điểm của cả hai: logic mờ cho phép thiết kế hệ dễ dàng, tường minh trong khi mạng nơron cho phép học những gì mà ta yêu cầu về bộ điều khiển Nó sửa đổi các hàm phụ thuộc về hình dạng, vị trí và sự kết hợp hoàn toàn tự động Điều này làm giảm bớt thời gian cũng như giảm bớt chi phí khi phát triển hệ mờ nơron

Việc ghép nối này có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau và mỗi cách ghép nối sẽ có một giá trị riêng cho một hệ thống điều khiển nhất định nào đó. Một kỹ thuật ghép nối giữa điều khiển mờ và mạng nơron đã mang lại nhiều thành công trong kỹ thuật điều khiển đó là hệ thống suy luận nơron mờ.

Cấu trúc chung của hệ nơron mờ

Hình 3.24 Kiến trúc kiểu mẫu của một hệ nơron mờ

Hình 3.25 Mô hình hệ nơron mờ

Hình 3.26 Cấu trúc chung của hệ nơron mờ

Các hệ thống điều khiển dùng nơron mờ trong nước và trên thế giới

Lý thuyết tập mờ và mạng nơron ra đời muộn hơn cả song nó cũng đã khẳng định được ưu thế và khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là lĩnh vực điều khiển đòi hỏi chất lượng cao Có được điều đó là do lý thuyết tập mờ, mạng nơron được kết hợp khi ứng dụng vào kỹ thuật điều khiển có nhiều ưu điểm nổi trội bởi tính linh họat trong xử lý, mềm dẻo trong khả năng ứng dụng Hiện nay sự phát triển của hệ nơron mờ vẫn tiếp tục phát triển mạnh mẽ và nhận được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học Sau đây tác giả xin giới thiệu một số công trình nghiên cứu của các nhà khoa học về ứng dụng của hệ thống điều khiển dùng nơron mờ ở trong nước và trên thế giới. a) Ứng dụng mạng nơron để điều khiển bộ bù tĩnh

- Đoàn Quang Vinh, Trần Đình Tân-Khoa Điện, trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng [39].

Hình 3.27 Mô phỏng hệ thống điều khiển SVC dùng nơron mờ b) Ứng dụng mạng nơron mờ để xác định độ hút mong muốn (phụ thuộc vào dữ liệu thu thập từ thực nghiệm và các đặc tính của máy) - Nikos et al (1999)

Một bộ điều khiển van chuyên gia sau đó được thiết kế để tạo ra, điều chỉnh và duy trì lượng hút được tính toán bởi modul hút noron mờ Đặc tính của toàn bộ hệ thống điều khiển độ hút được so sánh với các kết quả thực nghiệm đạt được khi sử dụng hệ thống kẹp mẫu để thực hiện với vật liệu mềm [39].

Hình 3.28 Hệ thống hút tích hợp với cánh tay robot c) Ứng dụng mạng nơron mờ cho việc điều khiển nhiệt độ dùng quang phổ dạng TSK - Cheng, Chen, Lee (2006)

Mô hình này có cấu trúc 5 lớp kết hợp với bộ TSK (Takagi Sugeno Kang) truyển thống Lớp 2 của mô hình mạng noron mờ quang phổ dạng TSK chứa các hàm chức năng kích hoạt nhiều lớp thành phần quang phổ Mỗi hàm thành phần được tạo thành từ tổng các hàm xích ma dịch chuyển bởi các khoảng chuyển tiếp quang phổ Một thuật toán học tự hình thành chứa thuật toán tự tập hợp (self- clustering algorithm) và thuật toán phản hồi cũng được đưa ra Thuật toán tự tập hợp nhanh cho ước tính động các tập hợp trong không gian dữ liệu đầu vào Thuật toán phản hồi được sử dụng để điều chỉnh các thông số [39]. d) Ứng dụng mạng nơron điều khiển thích ngi các hàm thành phần mờ và tối ưu hóa động học các luật mờ ngôn ngữ cho hệ thống điều khiển dao động - Yang, Tung & Liu (2005)

Cấu trúc của một mạng thuận 5 lớp được chỉ ra để xác định các luật logic mờ chính xác của hệ thống, điều chỉnh tối ưu các thông số (theo từng vùng) của các hàm thành phần, và thực hiện chính xác can thiệp mờ [39].

Hình 3.29 Mô hình bộ điều khiển noron mờ KẾT LUẬN CHƯƠNG III

Chương III: "Tổng quan về hệ mờ và mạng nơron" đã giải quyết được một số vấn đề sau:

Nghiên cứu lý thuyết về hệ mờ và mạng nơron;

Giới thiệu một số công trình nghiên cứu về hệ nơron mờ trong nước và trên thế giới;

Phân tích ưu nhược điểm mỗi loại và việc kết hợp chúng thành hệ nơron mờ nhằm phát phát huy ưu điểm của điều khiển mờ và mạng nơron trong điều khiển các hệ thống phi tuyến.

Sánh Đánh Giá Bộ Điều Khiển Trao Lưu Công Suất Trong Việc Bù Nối Tiếp Sử Dụng Bộ Chuyển Đổi Dc-Link & Ac- Link 51 4.1.Giới thiệu

Bù nối tiếp

Dòng công xuất chạy qua đường dây truyền tải điện là một hàm của trở kháng đường dây (X), độ lớn điện áp tại mỗi đầu của đường dây (V S , V R ), và góc pha giữa các điện áp này (θ SR )

Từ lâu đã nhận ra rằng những cách hiệu quả nhất để điều khiển bên ngoài như trào lưu công suất là bằng cách bơm một số dạng trở kháng nối tiếp hoặc tác động lên góc pha Các dạng trước đây thường được biết đến như là bù nối tiếp Các nỗ lực thực nghiệm đầu tiên để bù nối tiếp được thực hiện bằng cách chèn các tụ điện cố định nối tiếp với đường dây để giảm trở kháng của đường dây, và do đó tăng lưu lượng công suất qua nó Sự phát triển của các chất bán dẫn với khả năng đóng cắt đã cho phép sử dụng bộ tụ điện và cuộn cảm được điều khiển bởi thyristor để thực hiện việc điều khiển liên tục [1], [2] Ngoài ra, các thiết bị chuyển mạch hiện đại có khả năng đóng cắt đã dẫn tới việc phát triển các bộ biến thế nguồn điện đa năng (VSIs) thích hợp cho việc bơm điện áp có góc pha lệch 90o vào đường dây, điều này cho phép điều khiển được trào lưu công suất Với công nghệ chuyển mạch công suất hiện tại, các thiết bị dựa trên VSI được coi là thuận lợi để thực hiện điều khiển trào lưu công suất [2] Tuy nhiên, khi các linh kiện bán dẫn chuyển mạch nhanh với công suất cao tiếp tục được phát triển, các cấu trúc liên kết dựa trên điều chế độ rộng xung (PWM) đã xuất hiện trong tài liệu[ ] như là các lựa chọn khả thi Trong số các giải pháp này, những cấu trúc liên kết loại bỏ các liên kết DC xuất hiện được xem như là các giải pháp đặc biệt hấp dẫn Các bộ chuyển đổi nguồn dựa trên liên kết DC đã phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực động cơ AC công nghiệp, trong đó giai đoạn DC trung gian cung cấp một phương tiện tiện lợi để thực hiện các hệ thống AC ba pha độc lập và không đồng bộ với tần số thay đổi Một giai đoạn DC trung gian như vậy có thể được coi là dư thừa trong điều khiển dòng điện AC trong các hệ thống điện công suất quy mô, mà phần lớn hoạt động ở một tần số cố định.

Do đó, một đánh giá rộng rãi về điều khiển trào lưu công suất tiên tiến mà không cần sử dụng VSI là đáng xem xét như trình bày trong các phần sau.

Các bộ bù điển hình

4.3.1 Bộ bù nối tiếp DC-Link

Bộ bù nối tiếp DC-link, được gọi là SSSC, có thể được thay đổi bằng nhiều cách khác nhau DC capacitors hoặc cuộn cảm có thể được sử dụng để thực hiện các liên kết DC, dẫn đến việc sử dụng một VSI hoặc một bộ biến đổi nguồn dòng, tương ứng Hơn nữa, bộ đa xung hoặc PWM có thể được lựa chọn như là một chiến lược điều chế để tạo điện áp ngõ ra Bộ VSI đa xung (48-xung) được chọn ở đây vì nó được coi là phương pháp tiếp cận hiện đại và nó được thương mại hóa với mức công suất lên đến 100 MVA [12].

Hình 4.1(a) cho thấy một sơ đồ đơn giản hóa các giai đoạn chính được thực hiện trong việc thực hiện hệ thống VSI 48-xung [11], [23] Như có thể thấy, liên kết

DC được thực hiện bằng cách sử dụng hai tụ điện DC nối tiếp với điểm giữa N [7],

[9] Điều này cho phép tạo ra ba cấp điện áp (V C1 , V C2 , 0) Bốn bộ Diode chuyển đổi ba pha ba cấp được kết nối với bus DC Hình 4.2(a) cho thấy sự chuyển đổi thực tế chi tiết cho mỗi bộ chuyển đổi. Điện áp được tạo ra cho pha A được thể hiện trong hình 4.3 (a) Các dạng sóng lệch pha nhau ( ±120o) được tạo ra cho các pha B và C Như được gợi ý trong hình 4.1 (a), mỗi bộ chuyển đổi ba cấp sau đó được kết nối với một cấu trúc từ trường dựa trên biến áp dịch pha đấu Y-zigzag Δ-zzzag để tạo ra một dạng sóng 24-xung Mẫu sóng 48 xung cuối cùng thu được bằng cách tạo ra góc mở của mỗi bộ điều khiển σ = 172.5° Như vậy, các sóng hài bậc thấp nhất có trong các dạng sóng đầu ra là 47 và 49.

Từ hình 4.1(a) và 4.2(a) có thể kết luận các điểm hoạt động ổn định chỉ đạt được khi điện áp đầu ra lệch một góc (±90 o ) so với dòng điện ra, vì nếu không sẽ có một sự trao đổi điện năng giữa các tụ điện DC và hệ thống AC, dẫn đến có một sự nạp hoặc xả cố định của các tụ điện và do đó, hoạt động không ổn định Các đối số tương tự được sử dụng để điều khiển độ lớn của điện áp AC đầu ra Bằng cách cho phép trao đổi điện năng nhỏ trong khoảng thời gian ngắn giữa liên kết DC và hệ thống AC, có thể đưa điện áp của tụ điện lên một giá trị mong muốn và do đó điều chỉnh được điện áp ra Cuối cùng, cần lưu ý rằng để tạo ra các dạng sóng điện áp đầu ra đối xứng, một thuật toán phù hợp để cân bằng giá trị trung bình và cần phải được thực hiện [10].

Hình 4.2 Cấu trúc bộ chuyển đổi (a) SSSC: chuyển đổi ba pha ba cấp (b) bộ điều khiể n

: đôi ném, đơn cực, ba pha vector chuyển mạch chuyển đổi.

Hình 4.3 Các dạng sóng minh họa tổng hợp điện áp xoay chiều (a) SSSC (a) bộ điều khiển

4.3.2 Bộ bù nối tiếp AC-Link

Bộ bù nối tiếp AC-Link có thể được mô tả như là một tụ điện điều chế độ rộng xung, nó bơm một lượng điện dung biến đổi vào đường dây truyền tải, và do đó có thể điều khiển được trào lưu công suất trên đường dây [13], [14] Thiết bị này được gọi là bộ điều khiển [1] kết nối vào đường dây[15], [16] Ngược lại với SSSC, chức năng điều khiển chỉ có thể được thực hiện bằng phương pháp điều chế độ rộng xung, sử dụng bộ chuyển đổi chuyển mạch vector [18] như là thành phần cơ bản. Hình 4.1(b) cho thấy có thể thực hiện đối với bộ điều khiển [1] theo sau từ cấu trúc SSSC đã được giới thiệu trong phần trước Như có thể thấy, bốn bộ tụ AC ba pha tạo nên các liên kết AC Mỗi bộ tụ được chuyển sang sử dụng một bộ chuyển đổi vector ba pha với nguyên tắc hoạt động được mô tả trong Hình 4.2(b) và 4.3(b). Cấu trúc cho thấy việc thực hiện chuyển đổi của một bộ chuyển mạch ba pha đơn cực hai vị trí và sau này cho thấy quá trình tạo ra điện áp cho pha A Các dạng sóng lệch pha nhau (±120 o ) được tạo ra cho các pha B và C Như đề xuất trong hình 4.2(b), các chuyển mạch T1{A,B,C} và T2{A,B,C} hoạt động đồng thời Kết quả của điều này và do sự đối xứng gặp phải trong các dạng sóng ba pha, các chuyển mạch AC-AC có thể được thực hiện bằng cách sử dụng dẫn điện hai chiều, nhưng với khả năng chặn điện áp theo hướng không đồng bộ như được mô tả trong hình 4.2(b) Điều này dẫn đến một cấu trúc hấp dẫn giảm thiểu số lượng các thiết bị chuyển mạch mà thường cần để thực hiện chuyển mạch AC-AC [18].

Từ hình 4.3(b) có thể thấy, điện áp xoay chiều tạo ra bởi mỗi tụ điện thì nhiều sóng hài, và do đó, trừ khi các bộ lọc đầu ra được sử dụng, kết quả của dạng sóng sẽ không thể sử dụng cho các ứng dụng tiện ích Tuy nhiên, bằng cách sử dụng cấu trúc từ trường được gợi ý trong hình 4.1(b) và dịch pha PWM của từng bộ tụ sang 90 o , điều này có thể hoạt động mà không cần bộ lọc đầu ra ở tần số vừa phải FS = 720Hz Điều này cũng giống như trong trường hợp của SSSC, cũng giới hạn số lượng các sóng hài bậc thấp nhất có trong các dạng sóng đầu ra là 47 và 49 Một so sánh chi tiết hơn của các dạng sóng được bơm bởi mỗi bộ bù sẽ được thảo luận trong phần 3.5. Điều quan trọng cần lưu ý là các cấu trúc liên kết được thể hiện trong hình4.2(a) và 4.2(b) đã được chứng minh trong thực tế hoặc thí nghiệm ở phòng thí nghiệm [12] - [14] Do đó đánh giá so sánh được giới hạn trong các mạch điện chi tiết và thiết kế bộ điều khiển, được xác minh bằng các mô phỏng máy tính sử dụng gói phần mềm Matlab Tuy nhiên, các mô hình máy tính của hệ thống sẽ được thực hiện đầy đủ, bao gồm cường độ của quá trình chuyển mạch.

Hình 4.4 Một dòng sơ đồ của hệ thống bù nối tiếp.

Mô tả thí nghiệm hệ thống

Hình 4.4 cho thấy hệ thống nghiên cứu trường hợp sẽ được sử dụng để thực hiện đánh giá so sánh Như có thể thấy, nó tương ứng với một đường truyền đơn giản với một hệ thống điện hai bus mà trên đó một bộ bù nối tiếp đã được gắn vào.

Bộ bù có thể là SSSC hoặc là bộ điều khiển [1]

Bảng 4.1 Thông số hệ thống – System Data

Hình 4.5 Các mạch tương đương (a) SSSC (b) Bộ điều khiển [1 ] Để làm cho việc so sánh có ý nghĩa, bộ điều khiển SSSC và bộ điều khiển [1] được giả định cung cấp cùng một giá trị bù Bảng 4.1 cho thấy các giá trị cụ thể của hệ thống truyền tải được xem xét trong nghiên cứu trường hợp này Do trở kháng tương đương của đường dây truyền tải, công suất đường dây điện có chút thay đổi tùy thuộc vào vị trí đo được thực hiện.

Tại vị trí hạ lưu của bộ biến đổi (điểm V2 trong Hình 4.4) được chọn để đo công suất Nó dễ dàng thực hiện mà không có bù, công suất danh nghĩa đường dây là PL{Nom} = 140 MW Giá trị tăng lên 40 MW được chọn để bù hoàn toàn, mức tăng 30% so với giá trị danh nghĩa Vì vậy, khi bù toàn bộ, một trong chúng sẽ đo được PL{Comp} = 180 MW.

Đánh giá thực hiện kết quả ban đầu

4.5.1 Các chế độ hoạt động

Mặc dù mục tiêu cuối cùng là điều khiển công suất trên đường dây, điều này có thể đạt được thông qua các chiến lược quy định khác nhau Cách tiếp cận trực tiếp nhất liên quan đến việc điều khiển một lượng công suất mong muốn nhất định P L và tạo ra một dạng sóng điện áp để đạt được một lượng như vậy Cách tiếp cận này có lợi thế là duy trì công suất trên đường dây tại một giá trị đã được thiết lập trước, nhưng trong một số trường hợp, điều này có thể không được mong muốn hoặc có thể xảy ra Ngoài ra, người ta có thể điều khiển một lượng điện áp bơm vào V INJ hoặc một lượng trở kháng được bơm vào Z INJ = V INJ /I L Ba phương pháp kiểm soát này, cụ thể là: 1) chế độ năng lượng, 2) chế độ điện áp, và 3) chế độ trở kháng, có thể được sử dụng trong mỗi cách tiếp cận để thực hiện điều khiển trao lưu công suất.

Mạch tương đương cho SSSC và bộ điều khiển [1] được minh họa trong hình

3.5, [29] Đối với SSSC, tác động đầu vào là góc pha của biến điều khiển → trong m khi đối với bộ điều khiển [1]

, đó là chu kỳ thực hiện D (xem Chương 5 để biết thêm chi tiết) Hoạt động của SSSC phụ thuộc vào việc tạo ra các dạng sóng điện áp xoay chiều bằng cách sử dụng các bộ biến đổi đồng bộ một cách thích hợp với đường dây

AC sử dụng một vòng khóa pha (Phase-Locked Loop - PLL) Mặt khác, bộ điều khiển [1] được điều chỉnh thông qua một sự điều khiển đơn giản chu kỳ thực hiện mà có thể thay đổi số lượng điện dung AC bơm vào đường dây trong chế độ vòng mở Tuy nhiên, thông qua kiểm soát phản hồi thích hợp, cả hai thiết bị này đều có thể được điều chỉnh để hoạt động ở bất kỳ chế độ hoạt động nào trong ba chế độ hoạt động được đề cập ở trên.

4.5.2 Các cân nhắc về thiết kế

Như có thể thấy từ hình 4.4, các thành phần chính được đánh giá là máy biến áp, các bộ tụ bù và bộ chuyển đổi công suất Quá trình thiết kế tổng thể bắt đầu bằng cách giả sử rằng điện áp tại các vị trí Vs và Vr được biết đến để có thể vận hành danh nghĩa của đường dây mà không có bù. Tiếp theo, định nghĩa tỷ lệ phần trăm (gọi là λ) mà dòng điện sẽ được tăng lên trên giá trị danh định của nó, dòng điện ở mức bù đầy đủ có thể được tính như P L{Comp} = (1 + λ)P L{Nom} Cuối cùng, liên quan đến hình 4.4, bằng cách giải quyết công thức (2) và (3), các biến điện ở các đầu máy biến áp

V INJ và I INJ (= I L ) có thể được tính.

Cần lưu ý rằng (2) và (3) cung cấp ba phương trình vô hướng cho phép các biến không xác định |I L |, θ I L và |V INJ | được giải quyết. Các giá trị |V INJ | và |I INJ | độc lập với loại bù được sử dụng và tạo cơ sở cho quá trình thiết kế. Đối với trường hợp nghiên cứu, λ = 30%, vì vậy giải pháp của (2) và (3) cho V INJ = 6.1kV và I INJ = 965A Sau đó, công suất bơm vào là Q INJ = 3 và

4.5.2.1 Sự lựa chọn các linh kiện bán dẫn công suất:

Thông số định mức công suất chuyển mạch của bán dẫn và các tính chất vẫn là yếu tố giới hạn quyết định công suất nguồn cao nhất có thể trong bất kỳ ứng dụng nào Việc Lựa chọn và ứng dụng các thiết bị chuyển mạch một cách cẩn thận liên quan đến sự cân đối giữa các nhóm bán dẫn khác nhau phù hợp với định mức yêu cầu cho bộ chuyển đổi công suất cụ thể Việc kiểm tra cấu trúc của các bộ chuyển đổi chỉ ra rằng các bán dẫn và điôt đã chuyển mạch bằng một đơn vị tạo thành khối cho cả hai sự thực hiện Các nhóm thiết bị phù hợp với những nhu cầu này ở cấp điện áp theo thứ tự vài kilovolt là GTO, các thyristor tích hợp cổng điều khiển

(IGCT), và các transistor lưỡng cực cổng (IGBT) Trong số này, GTOs và IGCTs thuộc họ thyristor của các thiết bị trong khi IGBT thuộc về các thiết bị điện tử transistor Mặc dù cả hai họ thiết bị có khả năng ngắt mà không cần bất kỳ bộ giảm chấn nào, do cơ chế tái tạo chiếm ưu thế trong quá trình chuyển tiếp trong thyristor, GTOs và IGCT yêu cầu các bộ điện kháng hạn chế di/dt phải được bao gồm trong quá trình thực hiện của chúng Việc đưa ra bộ điện kháng hạn chế di/dt đòi hỏi phải có một "kẹp cực – pole clamp" thu được được năng lượng tích trữ bị mắc kẹt trong các bộ điện kháng hạn chế di/dt và chuyển nó tới bus DC trong mỗi sự kiện ngắt. Một cuộc thảo luận chi tiết về việc thực hiện và thực hiện các thiết bị chuyển mạch IGCT cho các bộ chuyển đổi DC-link cùng với so sánh với các thiết bị GTO có thể được tìm thấy trong [20] Hơn nữa, đấu nối tiếp các thiết bị IGCT để bộ chuyển đổi liên tục hoạt động trong trường hợp thiết bị bị sự cố trong các ứng dụng như vậy để nâng cao độ tin cậy của hệ thống cũng đã được chứng minh Tuy nhiên, sự vận hành nối tiếp đòi hỏi phải có mạch RC mắc song song với các thiết bị để đảm bảo chia sẻ điện áp ổn định và trạng thái ổn định Trên cơ sở những đánh giá này, IGCT có thể được kết luận là thiết bị chuyển mạch thích hợp hơn cho hệ thống SSSC.

So với bộ chuyển đổi DC-link được sử dụng trong việc thực hiện SSSC, bao gồm việc chuyển mạch đơn lẻ trong quá trình đảo mạch, cơ chế chuyển đổi trong bộ chuyển đổi vector ba pha để thực hiện bộ điều khiển [1] liên quan đến việc chuyển mạch góc phần tư trong quá trình trao đổi Với mỗi bước, quá trình chuyển đổi liên quan đến việc bỏ trạng thái dẫn xuôi hoặc ngược và nhập trạng thái chặn điện áp liên tục hoặc đảo ngược trong thời gian ngắt và ngược lại trong thời gian dẫn.

Thực tế các góc dẫn và chuyển mạch thực tế được xác định bởi pha của sóng kích thích ba pha và chu kỳ thực hiện Do tình trạng này, khả năng tồn tại của việc đưa giới hạn di/dt của điện kháng cho mỗi bước và tạo ra một cơ chế phù hợp để hấp thụ năng lượng bị mắc kẹt một cách không tổn thất và hiệu quả là một thách thức Do đó, việc sử dụng IGCTs trong việc thực hiện bộ điều khiển được xét đến.Mặt khác, IGBT công suất cao có khả năng hoạt động mà không cần bộ giảm chấn cho việc đóng và ngắt, và có khả năng hoạt động song song một cách dễ dàng[21] Hơn nữa, các nguyên mẫu thí nghiệm khác nhau của bộ chuyển đổi chuyển mạch vector ba pha đã được thực hiện bằng IGBT [13], [14] Việc áp dụng chiến lược chuyển mạch bốn bước trong quá trình chuyển đổi để hiệu quả và hiệu quả việc chuyển đổi bốn nhóm không sử dụng kẹp bằng cách sử dụng IGBT đã được chứng minh trong các bộ chuyển đổi ma trận và có thể dễ dàng mở rộng đến các bộ chuyển đổi vector ba pha Do đó, IGBT được chọn làm linh kiện bán dẫn phù hợp để thực hiện bộ điều khiển

Thiết kế kỹ thuật chi tiết của giảm chấn thích hợp để quản lý các

. việc thực hiện chuyển mạch, bao gồm các bộ tính năng chuyển mạch, quản lý nhiệt và bảo vệ cho SSSC và bộ điều khiển [1]

, nằm ngoài phạm vi của đánh giá này và không được xem xét trong tài liệu này Tuy nhiên, thông số định mức và lựa chọn của các thiết bị cụ thể và những tổn thất trong chúng sẽ được xem xét trong đánh giá.

4.5.2.2 Máy biến bơm công suất bù:

Tổng lượng kilovolt-ampere cơ bản của máy biến áp là như nhau đối với cả hai loại thiết bị bù vì chúng có nghĩa là cung cấp cùng một lượng bù vào đường dây. Tuy nhiên, số lượng máy biến áp và tỷ số dây quấn của máy biến áp được lựa chọn trên cơ sở sóng hài và điện áp tương thích với các bộ chuyển đổi công suất.

Việc lựa chọn số lượng máy biến áp (T) có liên quan đến số xung hài có thể được thực hiện qua bộ bù nối tiếp, với chiến lược hoặc tần số chuyển mạch Các khuyến nghị về sóng hài chấp nhận được bơm vào các hệ thống điện từ các bộ chuyển đổi điện được quy định cụ thể đến cột thứ 40 [22] Như đã thảo luận ở trên, những minh chứng minh họa trong hình 4.1 với T = 4 các máy biến áp mắc nối tiếp, giới hạn số bậc song hài thấp nhất là 47 và 49, do đó đáp ứng các mức chất lượng dạng sóng khuyến cáo.

Tỷ lệ số dây quấn của mỗi máy biến áp (n) được lựa chọn dựa trên khả năng chặn điện áp tối đa của bộ chuyển mạch bán dẫn, cụ thể là IGCT cho SSSC và IGBT cho bộ điều khiển [1]

Một cuộc thảo luận chi tiết hơn về điều này bao gồm cả việc cung cấp độ tin cậy (n-1) cho mỗi lần thực hiện được trình bày trong mục nhỏ tiếp theo (mục 4.5.2.4) Các giá trị được lựa chọn cho tỷ lệ dây quân và các thông số biến áp khác nhau được tổng kết trong Bảng 4.2.

Cũng nên lưu ý rằng trong trường hợp của SSCC, các sắp xếp nhỏ nên được thực hiện để đánh giá đúng từng bộ dây khi xem xét các zigzag và các đấu nối tam giác [24] Mặc dù dòng điện qua mỗi biến áp là rất nhỏ, để được minh họa rõ hơn, dạng sóng điện áp kích thích cho cả hai loại bù có chứa một lượng đáng kể các sóng hài Vì vậy, các tính năng thiết kế máy biến áp sẽ phải được sửa đổi để phù hợp với điều này.

Đánh giá khả năng động

Mạch tương đương được trình bày ở hình 4.5 có thể được sử dụng để phát triển mô hình không gian cho mỗi bộ bù Cần lưu ý rằng chỉ có sự tương tác giữa các đại lượng cơ bản được xem xét, vì vậy kết quả mô hình không gian là một mô hình dựa trên phasor động [8], [15].

Trong trường hợp SSSC, độ lợi của bộ chuyển đổi là một đại lượng phasor được xác định là

Trong đó α là góc điều khiển cho phép nạp/xả các tụ điện để đạt được độ bù mong muốn Trong trường hợp bộ điều khiển [1]

, chu kỳ thực hiện D được tính toán để thay đổi mức độ bù.

Phần 4.5 cho thấy SSSC và bộ điều khiển [1] có thể hoạt động ở chế độ công suất, chế độ điện áp, hoặc chế độ trở kháng Các hoạt động dưới chế độ điều khiển công suất đã được chọn để minh họa quy trình thiết kế bộ điều khiển.

Hình 4.8 mô tả cấu trúc điều khiển cho mỗi bộ bù ở chế độ điều khiển công suất Như có thể thấy, vòng lặp chính cho phép công suất đường dây được đặt một giá trị tham chiếu là như nhau cho cả hai trường hợp Để tính giá trị tức thời của công suất đường dây, điện áp/dòng điện tại vị trí V 2 được đo chuyển thành tọa độ dq, và được xử lý qua bộ lọc thứ nhất Điều này cho phép tính toán công suất đường dây là P L = V d I d + V q I q Giá trị P L sau đó được chuyển thành một đại lượng công suất không đổi và so với công tham chiếu P* Tín hiệu lỗi tạo ra được xử lý thông qua một bộ điều khiển để cuối cùng nhận được biến điều khiển của mỗi bộ bù (α, D).

Trong trường hợp của SSSC, hai vòng bên trong là cần thiết để vận hành bộ chuyển đổi Như thể hiện trong hình 4.8 (a), một vòng lặp khóa pha cần thiết để đảm bảo rằng điện áp bơm vào đang ở trong góc phần tư so với dòng điện của đường dây Ngoài ra, một vòng lặp mà không được thể hiện trong hình vẽ nhưng có tính đến trong các mô phỏng là cần thiết để cân bằng điện áp tụ điện DC [10].

Bảng 4.11 Các kết quả thiết kế bộ điều khiển

4.6.3 Về thiết kế bộ điều khiển

Dễ dàng nhìn thấy từ hình 3.8 rằng hàm truyền giữa công suất đường dây và công suất tham chiếu có thể được biểu diễn bằng

Trong thiết kế của bộ điều khiển h(s) được thực hiện bằng cách định hình hàm truyền tần số đáp ứng của độ lợi vòng lặp T(s) = β h(s) g(s) [25]

Hàm truyền g(s)= P L /α cho SSSC và cho bộ điều khiển [1] là cả hai hàm phi tuyến, do đó các hàm truyền tín hiệu nhỏ được tuyến tính xung quanh một điểm hoạt động điển hình thực sự được xem xét trong quá trình thiết kế Hình 4.9 minh hoạ quá trình thiết kế: T(s) được triển khai trước tiên mà không cần bù T(s)=β.g(s)). Tiếp theo, để hợp lý các bộ điều khiển h(s) được giới thiệu để đạt được độ lợi lớn nhất có thể chấp nhận được (Gain Margin - GM), biên độ pha (PM) và băng thông (BW) Trong trường hợp SSSC, chỉ có là cần thiết vì T(s) có độ lợi DC tự nhiên vô hạn Ngược lại, bộ điều khiển [1] cần cả hai hoạt động theo tỉ lệ và tích phân để đạt được hiệu suất đầy đủ Bảng 4.11 tóm tắt các chi tiết của từng thiết kế

Hình 4.9 Đáp ứng tần số tín hiệu nhỏ của độ khiển [1] lợi vòng lặp của (a) SSSC (b) bộ điều

Hình 4.10 Các dạng sóng mô phỏng trên máy tính thể hiện sự đáp ứng với các lệnh thay đổi (a) SSSC, (b) bộ điều khiển [1]

Hình 4.11 Các mô hình mô phỏng trên máy tính thể hiện đáp ứng điện áp bus và các góc sự cố (a) SSSC (b) bộ điều khiển [1]

4.6.4 Đáp ứng thay đổi công suất

Hình 4.10 cho thấy đáp ứng của hệ thống khi công suất thay đổi Các đường nằm trên cùng cho thấy những thay đổi của công suất tham chiếu cùng với đáp ứng của công suất trên đường dây Dòng điện trên đường dây, điện áp trên tụ điện, và các biến điều khiển cũng được hiển thị trong hình So sánh hình 4.10(a) và (b) cho thấy rằng SSSC và bộ điều khiển trị GM, PM và BW.

[1] đáp ứng một cách tương tự nhau như các giá

4.6.5 Đáp ứng khi sự cố Để kiểm tra khả năng của SSSC và bộ điều khiển [1] để duy trì sự kiểm soát các thay đổi của hệ thống, hai loại sự cố được xem xét Hình 4.11 cho thấy đáp ứng của hệ thống khi điện áp lõm xuống/lòi lên tại điểm đầu bus và khi xảy ra sự cố ở góc truyền Đây là bốn sự kiện độc lập đã được vẽ cùng nhau để thuận tiện Hai đồ thị đầu cho thấy những sự cố, trong khi hai đồ thị dưới cho thấy đáp ứng của công suất đường dây và dòng điện tương ứng Tính tương đồng của đáp ứng này thể hiện rõ từ các các đồ thị.

4.6.6 Tính năng động của hệ thống

Nhiều ấn phẩm đã không chỉ chỉ ra rằng SSSC không bị cộng hưởng không đồng bộ (SSR), mà còn thông qua kiểm soát bổ sung bên ngoài, SSSC có thể hoạt động như một bộ giảm chấn SSR [2, 34] Hơn nữa, các vòng điều khiển bên ngoài bổ sung có thể được bổ sung vào SSSC cho các chức năng, chẳng hạn như giảm dao động và tăng cường sự ổn định quá độ [2] Mặt khác, bộ điều khiển [1] về nguyên tắc có thể cung cấp mức độ kiểm soát năng động ở cấp độ tương tự do tốc độ đáp ứng nhanh của nó đối với các biến đổi trong chu kỳ thực hiện Ví dụ ấn phẩm [13] đã chỉ ra rằng dao động công suất tần số thấp có thể được giảm một cách hiệu quả bằng cách thêm vào một thành phần tần số thấp đến chu kì làm viêc thuận pha với dao động Tương tự trong chiều rộng băng thông của đáp ứng lệnh của hai bộ điều khiển là bằng chứng khác về sự tương đương của chúng trong đặc tính động Trong nghiên cứu này đã trình bày một đánh giá so sánh phân tích của một thiết bị điều khiển công suất liên kết DC hiện đại, cụ thể là SSSC và thiết bị điều khiển trào lưu công suất dựa trên liên kết AC, tức là bộ điều khiển [1]

Mặc dù các phương pháp tiếp cận đáp ứng các nguyên lý hoạt động khác nhau hoàn toàn để thực hiện việc bù nối tiếp cho việc điều khiển trao lưu công suất, nhưng chúng cũng có các chức năng tương tự.

Các công thức phân tích mở rộng xác định các yếu tố thiết kế khác nhau đã được phát triển trong [34] Chúng đã được sử dụng để thực hiện một nghiên cứu điểm chuẩn để cung cấp các trị số cho các tính năng thiết kế khác nhau Các biện pháp so sánh đã được trình bày trong các bảng khác nhau trong nghiên cứu này bao gồm thông số máy biến áp, đánh giá tụ điện, thông số linh kiện bán dẫn, tổn thất bán dẫn, chi phí thành phần mạch điện, chỉ số chất lượng dạng sóng và các thuộc tính điều khiển năng động Các giải pháp phân tích và hoạt động của cả hai thiết kế đã được xác minh bằng cách sử dụng mô phỏng chi tiết trên máy tính Các kết quả mô phỏng trên máy tính đã được so sánh hiệu suất và được trình bày trong [34].

Trên cơ sở so sánh các kết quả từ nghiên cứu tình huống, có thể kết luận rằng các phương pháp tiếp cận DC-link và AC-link được thiết kế phù hợp đều có khả năng cạnh tranh với nhau trong việc thực hiện điều khiển công suất trên đường dây. Cách tiếp cận DC-link đòi hỏi khoảng gấp đôi năng lượng điện dung cần lưu trữ và thêm khoảng 66% linh kiện bán dẫn công suất tính theo megavolt-ampere Như một kết quả của điều này, chi phí các thành phần mạch điện của phương pháp tiếp cận DC-link là cao hơn khoảng 75% Mặt khác, phương pháp tiếp cận AC-link có tổn thất khoảng 15% trong linh kiện bán dẫn, sử dụng các thiết bị bán dẫn hiện đại Tất cả các biện pháp tổng hợp khác chỉ ra mức độ tương tự nhau về trạng thái ổn định và đặc tính động Mặc dù SSSC đã được chứng minh thành công trong lĩnh vực này, bộ điều khiển [1] chỉ được thực hiện trong các cuộc trình diễn quy mô phòng thí nghiệm Do đó, sự đánh giá về kỹ thuật liên quan đến việc thực hiện công nghệ như đóng gói, bảo vệ, chi phí đã không được đề cập trong đánh giá trình bày ở đây. Tuy nhiên, hy vọng rằng phân tích này sẽ làm sáng tỏ những đặc điểm so sánh và tương phản của bộ điều khiển [1] với SSSC, và sẽ dẫn đến một mô hình tiện ích trình diễn một công nghệ thay thế đối với FACTS.

Với các phân tích và so sánh giữa liên kết DC và liên kết AC ở trên, một thiết bị bù có tên gọi là SVeC (Series Vectorial Compensator) được mắc nối tiếp vào đường dây truyền tải nhằm tăng khả năng truyền dẫn của đường đây và đồng thời ổn định công suất hệ thống điện sẽ được trình bày trong chương 4.

Kế Bộ Điều Khiển Anfis Cho Svec Để Ổn Định Dao Động Công Suất Trong Hệ Thống Điện 78 5.1.Cấu hình hệ thống điện đề xuất nghiên cứu

Mô hình thiết bị SVeC

SVeC là một thiết bị FACTS mới, được mắc nối tiếp vào đường dây tải điện với một bộ điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM) được sử dụng để điều khiển công suất tác dụng trong một đường dây truyền tải Mặc dù thiết bị này hiện nay thực tế chưa được sản xuất thương mại trên thị trường nhưng nó vẫn có một số ưu điểm dựa trên cơ sở lý thuyết khi so sánh với các thiết FACTS khác như TCSC và SSSC [34],[35].

SVeC mô tả trong hình 5.2 bao gồm: (a) máy biến áp ghép tầng nối tiếp Ta, Tb, và Tc; (b) tụ bù Ca, Cb, và Cc; và (c) thiết bị chuyển mạch k1a, k2a, k1b, k2b, k1c và k2c [36], [37].

Các thiết bị chuyển mạch k1a, k1b, và k1c đóng khi các chuyển mạch k2a, k2b, và k2c được mở ra và ngược lại Các thiết bị chuyển mạch được hiển thị trong bộ chuyển đổi có thể được thực hiện bằng cách sử dụng GTOs (Gate turn-off thyristor) hoặc các thyristor chuyển mạch tích hợp - Integrated Cate-Commutated Thyristor (IGCTs). Để đơn giản, các bộ giảm dao động trên các thiết bị chuyển mạch, bảo vệ và mạch điều khiển không được minh họa trong hình.

Trong khoảng thời gian mà các thiết bị chuyển mạch k1a, k1b, và k1c đóng lại, các tụ bù được kết nối với đường dây truyền tải, thông qua các máy biến áp nối tiếp. Trong thời gian còn lại của chu kỳ, các đầu nối của máy biến áp bị nối tắt bởi các bộ chuyển mạch k2a, k2b và k2c, do đó tách tụ bù ra khỏi đường dây tải điện.

Hình 5.2 Mạch động lực ba pha của SVeC.

Hình 5 2 mô tả một sơ đồ mạch đơn tuyến của SVeC đã nghiên cứu [36],[37]. Thiết bị này bao gồm một máy biến áp được kết nối với một bộ tụ điện thông qua bộ điều khiển PWM xoay chiều.

Tổng công suất phản kháng bù vào của một SVeC được xác định bởi tổng thời gian chuyển mạch Chu kỳ thực hiện (D) của bộ chuyển đổi được định nghĩa là tỷ số giữa thời gian chuyển đổi k2 với tổng thời gian chuyển mạch [36],[37],[40].

Bên ngoài của SVeC được thể hiện bằng trở kháng (X SVeC ) và nguồn điện áp (Vs) mắc nối tiếp với đường dây truyền tải Mục đích chính của việc sử dụng một SVeC là cung cấp trở kháng biến đổi X SVeC nối tiếp với đường dây truyền tải Trở kháng này được điều chỉnh thông qua chu kỳ thực hiện (D) của bộ điều khiển.

Hình 5.3 Sơ đồ đơn tuyến của SveC.

Bằng cách thay đổi trở kháng tương đương của đường dây, thì trào lưu công suất trên đường dây có thể điều khiển được Các điện kháng nối tiếp tương đương có thể được định nghĩa bởi [36,[37].

Trong đó n là tỷ số dây quấn của biến áp, D là chu kỳ thực hiện của bộ điều khiển, và X C là điện kháng của tụ điện Giá trị của nguồn điện áp mắc nối tiếp vào đường dây truyền tải với dòng điện I TL có thể được mô tả bởi

V s = n 2 (1 − D ) 2 X C I TL (5.2)Trong [37], dòng công suất giữa điểm đầu V1 và điểm cuối V2 có thể được tính như sau.

(5.3) trong đó X TL là trở kháng đường dây.

Ảnh hưởng của sự cố ngắn mạch trên hệ thống điện

Ngắn mạch là một loại sự cố nguy hiểm vì khi ngắn mạch dòng điện đột ngột tăng lên rất lớn, chạy trong các phần tử của hệ thống điện (HTĐ) Tác dụng của dòng điện ngắn mạch có thể gây ra [39]:

- Phất nóng cục bộ rất nhanh, nhiệt độ lên cao, gây ra cháy nổ

- Sinh ra lực cơ khí lớn giữa các phần của thiết bị điện, làm biến dạng hoặc gây vỡ các bộ phận (sứ đỡ, thạh dẫn…)

- Gây sụt áp lưới điện làm động cơ ngừng quay, ảnh hưởng đến năng suất làm việc của máy móc, thiết bị.

- Gây ra mất ổn định HTĐ do các máy phát bị mất cân bằng công suất, quay theo những vận tốc khác nhau dẫn đến mất đồng bộ.

- Tạo ra các thành phần không đối xứng, gây nhiễu các đường dây thông tin ở gần.

- Nhiều phần tử của mạng điện bị cắt ra để loại trừ điểm ngắn mạch, làm gián đoạn cung cấp điện.

Tiêu chí điện áp theo qui định của Bộ công thương Việt Nam

1 Các cấp điện áp danh định trong hệ thống điện là 500kV, 220kV, 110kV, 35kV, 22kV, 15kV, 10kV, 6kV và 0.4kV.

2 Trong chế độ vận hành bình thường điện áp vận hành cho phép tại điểm đấu nối được phép dao động so với điện áp danh định như sau: a) Tại điểm đấu nối với Khách hàng sử dụng điện là ± 05 %; b) Tại điểm đấu nối với nhà máy điện là + 10% và - 05 %; c) Trường hợp nhà máy điện và khách sử dụng điện đấu nối vào cùng một thanh cái trên lưới điện phân phối thì điện áp tại điểm đấu nối do Đơn vị phân phối điện quản lý vận hành lưới điện khu vực quyết định đảm bảo phù hợp với yêu cầu kỹ thuật vận hành lưới điện phân phối và đảm bảo chất lượng điện áp cho khách hàng sử dụng điện.

3 Trong chế độ sự cố đơn lẻ hoặc trong quá trình khôi phục vận hành ổn định sau sự cố, cho phép mức dao động điện áp tại điểm đấu nối với Khách hàng sử dụng điện bị ảnh hưởng trực tiếp do sự cố trong khoảng + 05 % và - 10 % so với điện áp danh định.

4 Trong chế độ sự cố nghiêm trọng hệ thống điện truyền tải hoặc khôi phục sự cố, cho phép mức dao động điện áp trong khoảng ± 10 % so với điện áp danh định.

Dòng ngắn mạch và thời gian loại trừ ngắn mạch theo qui định của Bộ công thương Việt Nam

Trị số dòng ngắn mạch lớn nhất và thời gian tối đa loại trừ ngắn mạch của các bảo vệ chính trong hệ thống điện quy định trong Bảng 5.1.

Bảng 5.1 Dòng và thời gian loại trừ ngắn mạch

Cấp điện Dòng ngắn mạch Thời gian tối đa loại trừ ngắn mạch bằng áp lớn nhất (kA) bảo vệ chính (ms)

5.6 Thiết kế bộ điều khiển ANFIS Để cải thiện dao động của hệ thống bằng cách điều khiển trào lưu công suất của đường dây truyền tải, sơ đồ khối điều khiển của bộ điều khiển cho thiết bị này được hiển thị trong hình 5.4 Trong hình này, P ref được xác định bởi tỷ lệ phần trăm mức bù vào của SVeC với công suất được truyền trên đường dây truyền tải.

Tín hiệu phụ trợ, i.e., giảm dao động công suất (V POD ), là tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển giảm dao động sẽ được thiết kế để làm giảm sự dao động của hệ thống nghiên cứu.

Hình 5.4 Sơ đồ khối điều khiển của SVeC bao gồm bộ giảm dao động POD Để thiết kế bộ điều khiển POD (Pulse Oscillation Damping) bằng ANFIS, độ lệch tốc độ rotor của máy phát SG (∆ω r ) và đạo hàm của nó (∆ω r )’ được đưa vào ANFIS để tạo ra tín hiệu V POD điều khiển X SVeC của SVeC như trong hình 5.4 từ đó điều khiển được hệ thống.

Input Output membership Rules membership Output functions functions

Hình 5.5 Cấu trúc bộ Nơron-Mờ (ANFIS)

Cấu trúc của ANFIS là kiểu Sugeno như mô tả trong hình 5.5 Trong đó các quy luật điều khiển được thiết lập như sau:

If (x = Ai) và (y = Bi) Then (fi = pix + qiy + ri) (5.4) trong đó x và y là tín hiệu ngõ vào, và Ai, Bi là các tập mờ, fi là các ngõ ra trong vùng mờ quy định bởi luật mờ, và pi, qi và ri là các tham số được thiết kế và được xác định trong quá trình huấn luyện, và i là số hàm liên thuộc của mỗi ngõ vào [37] Trong nghiên cứu này, năm biến ngôn ngữ cho mỗi tín hiệu ngõ vào được sử dụng. Đó là NB (Negative Big), NS (Negative Small), ZR (Zero), PS (Positive Small), and PB (Positive Big) Ngoài ra còn có năm biến ngôn ngữ cho tín hiệu ngõ ra, cụ thể là IB (Increase Big), IS (Increase Small), KV (Keep Value), DS (Decrease Small), and DB (Decrease Big).

Các quy tắc điều khiển tuân thủ các tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra được liệt kê trong Bảng 5.2.

Bảng 5.2 Qui luật điều khiển của bộ Anfis.

∆ NB NS ZR PS PB

PB IB IB KV DB DB

PS IB IS KV DS DB

ZR IB IS KV DS DB

NS DS DS KV IS IS

NB DS DS KV IS IS

Mô phỏng thiết bị SVeC và bộ điều khiển ANFIS trên Matlab

Hình 5.6 Mô hình điều khiển SVeC với bộ điều khiển PID

Chạy mô hình mô phỏng hệ thống với SVeC với bộ điều khiển truyền thốngPID [35] hình 5.6 ta thu được các thông số ban đầu của tín hiệu điều khiển cho bộSVeC, các thông số này là cơ sở để xây dựng tập dữ liệu huấn luyện cho bộ điều khiển Anfis Sau đó dựa vào kinh nghiệm điều khiển và một số bước gia công khác để tạo ra tập dữ liệu phù hợp nhất đối với mục tiêu ổn định dao động điện áp, dao động công suất làm dữ liệu huấn luyện cho bộ điều khiển Anfis.

Bằng công cụ là phần mềm Matlab-Simulink ta có thể xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điện đề xuất nghiên cứu.

Hình 5.7 Mô phỏng sơ đồ khối điều khiển của SVeC bao gồm thiết kế bộ giảm dao động với Matlab Simulink

Bảng 5.3 Tập dữ liệu huấn luyện cho bộ điều khiển Anfis

St Ngõ vào 1 Ngõ vào 2 Ngõ ra St Ngõ vào 1 Ngõ vào 2 Ngõ ra

Sau khi có được bộ dữ liệu ta tiến hành load dữ liệu vào trong bộ điều khiển Anfis

Hình 5.8 Load dữ liệu vào bộ Anfis

Thiết lập cấu trúc bộ Anfis 2 ngõ vào với 5 hàm liên thuộc và kiểu hàm liên thuộc là gauss.

Hình 5.9 Thiết lập cấu trúc bộ Anfis

Nhập biến ngôn ngữ ngõ vào số 1

Hình 5.10 Hàm liên thuộc ngõ vào số

1 Nhập biến ngôn ngữ ngõ vào số 2

Hình 5.11 Hàm liên thuộc ngõ vào số 2

Cấu trúc của bộ Anfis đã được xây dựng

Hình 5.12 Cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy

Hình 5.13 Cấu trúc bộ điều khiển Anfis

Trong cấu trúc của bộ điều khiển có 2 ngõ vào và một ngõ ra, mõi ngõ vào có 5 nơron mô tả các hàm liên thuộc Các biến ngôn ngữ thể hiện thông số ngõ vào được sử dụng là NB (Negative Big), NS (Negative Small), ZR (Zero), PS (Positive Small) và PB (Positive Big) Trog khi đó ngõ ra là IB (Increase Big), IS (Increase Small), KV (Keep Value), DS (Decrease Small), and DB (Decrease Big) Theo nguyên tắc điều khiển đã nêu ở trên ta có quy luật điều khiển như bảng 5.4.

Bảng 5.4 Quy luật điều khiển của Anfis

1 Nếu ∆ω là NB và (∆ω)' là PB thì f(ω) là IB

2 Nếu ∆ω là NB và (∆ω)' là PS thì f(ω) là IB

3 Nếu ∆ω là NB và (∆ω)' là ZR thì f(ω) là IB

4 Nếu ∆ω là NB và (∆ω)' là NS thì f(ω) là DS

5 Nếu ∆ω là NB và (∆ω)' là NB thì f(ω) là DS

6 Nếu ∆ω là NS và (∆ω)' là PB thì f(ω) là IB

7 Nếu ∆ω là NS và (∆ω)' là PS thì f(ω) là IS

8 Nếu ∆ω là NS và (∆ω)' là ZR thì f(ω) là DS

9 Nếu ∆ω là NS và (∆ω)' là NS thì f(ω) là DS

10 Nếu ∆ω là NS và (∆ω)' là NB thì f(ω) là KV

11 Nếu ∆ω là ZR và (∆ω)' là PB thì f(ω) là KV

12 Nếu ∆ω là ZR và (∆ω)' là PS thì f(ω) là KV

13 Nếu ∆ω là ZR và (∆ω)' là ZR thì f(ω) là KV

14 Nếu ∆ω là ZR và (∆ω)' là NS thì f(ω) là KV

15 Nếu ∆ω là ZR và (∆ω)' là NB thì f(ω) là KV

16 Nếu ∆ω là PS và (∆ω)' là PB thì f(ω) là DB

17 Nếu ∆ω là PS và (∆ω)' là PS thì f(ω) là DS

18 Nếu ∆ω là PS và (∆ω)' là ZR thì f(ω) là DS

19 Nếu ∆ω là PS và (∆ω)' là NS thì f(ω) là IS

20 Nếu ∆ω là PS và (∆ω)' là NB thì f(ω) là IS

21 Nếu ∆ω là PB và (∆ω)' là PB thì f(ω) là DB

Nếu ∆ω là PB và (∆ω)' là PS thì f(ω) là DB Nếu ∆ω là PB và (∆ω)' là ZR thì f(ω) là DB Nếu ∆ω là PB và (∆ω)' là NS thì f(ω) là IS Nếu ∆ω là PB và (∆ω)' là NB thì f(ω) là IS

Bằng cách sử dụng công cụ ANFIS trong MATLAB với kiểu hàm liên thuộc là Gauss, số kỳ huấn luyện là 30 và thuật toán huấn luyện được chọn là Hybrid ta tiến hành huấn luyện cho bộ điều khiển.

Hình 5.14 Huấn luyện bộ điều khiển

Sau khi thiết lập xong các dữ liệu cần thiết, khai báo các biến ngôn ngữ, luật điều khiển và huấn luyện bộ điều khiển Anfis ta tiến hành mô phỏng hệ thống.

Mô phỏng hệ thống ban đầu khi không có bộ điều khiển Anfis bằng cách ta chuyển công tắc chuyển mạch về vị trí kết nối với giá trị 0 Sau đó cho chạy mô phỏng hệ thống và thu được kết quả là đồ thị đường màu đỏ nét đứt trong các hình5.17, 5.18, 5.19 và 5.20.

Hình 5.15 Mô phỏng hệ thống với SVeC khi không có ANFIS bằng Matlab Simulink

Mô phỏng hệ thống khi có bộ điều khiển Anfis bằng cách ta chuyển công tắc chuyển mạch về vị trí kết nối với bộ điều khiển Anfis Sau đó cho chạy mô phỏng hệ thống và thu được kết quả là đồ thị đường màu xanh nét liền trong các hình 5.17, 5.18, 5.19 và 5.20.

Hình 5.16 Mô phỏng hệ thống với SVeC khi có ANFIS bằng Matlab Simulink

Kết quả mô phỏng hệ thống

Để đánh giá mức độ đáp ứng của bộ điều khiển đến hệ thống điện nghiên cứu, trong phần này tác giả sử dụng mô hình hệ thống phi tuyến để so sánh các đặc tính giảm dao động của SVeC kết hợp với POD đề xuất được thiết kế để cải thiện tính ổn định của hệ thống nghiên cứu khi có một sự cố nghiêm trọng xảy ra trong hệ thống điện Giả sử rằng trang trại điện gió (WF) hoạt động với một tốc độ gió định mức là 13 m/s.

Các kết quả mô phỏng của hệ thống điện đề xuất nghiên cứu trong đó bao gồm: Điện áp tại bus chung PCC, công suất trên đường dây truyền tải, công suất của máy phát SG và tốc độ rotor của máy phát SG lần lượt được trình bày lần lượt ở các hình 5.17, 5.18, 5.19 và 5.20 Kết quả mô phỏng trong trường hợp này là sự cố ngắn mạch 3 pha trên đường dây lưới điện, dẫn đến mô men cơ học đột nhiên thay đổi 0.2 pu tại SG tại thời điểm t = 2s và được loại trừ sau 0,1 s với thiết bị SVeC được đề xuất trong trường hợp không có bộ điều khiển (đường màu đỏ nét đứt) và với bộ điều khiển POD được thiết kế (đường màu xanh nét liền).

Hình 5.17 So sánh điện áp tại nút PCC

Kết quả mô phỏng hình 5.17 cho thấy khi sự cố ngắn mạch xảy ra trên hệ thống điện làm cho điện áp hệ thống bị dao động mạnh Tuy nhiên với thiết bị bù vector nối tiếp SVeC được kết nối và điều khiển bỡi bộ điều khiển ANFIS thì dao động điện áp được cải thiện đáng kể.

- Độ vọt lố điện áp giảm 30% so với khi không có bộ điều khiển ANFIS

- Thời gian xác lập cũng giảm 66% so với khi không có bộ điều khiển ANFIS

Hình 5.18 So sánh công suất trên dường dây Pline

Kết quả mô phỏng hình 5.18 cho thấy khi sự cố ngắn mạch xảy ra trên hệ thống điện làm cho công suất trên đường dây bị dao động mạnh Tuy nhiên với thiết bị bù vector nối tiếp SVeC được kết nối và điều khiển bỡi bộ điều khiển ANFIS thì dao động công suất được cải thiện đáng kể.

- Độ vọt lố công suất trên đường dây giảm 26% so với khi không có bộ điều khiển ANFIS

- Thời gian xác lập cũng giảm 66% so với khi không có bộ điều khiển ANFIS

Hình 5.19 So sánh công suất của máy phát SG

Kết quả mô phỏng hình 5.19 cho thấy khi sự cố ngắn mạch xảy ra trên hệ thống điện làm cho máy phát bị mất cân bằng công suất và dao động mạnh Tuy nhiên với thiết bị bù vector SVeC được kết nối và điều khiển bỡi bộ điều khiển ANFIS thì dao động điện áp được cải thiện đáng kể.

- Độ vọt lố công suất máy phát điện giảm 26% so với khi không có bộ điều khiển ANFIS

- Thời gian xác lập cũng giảm 66% so với khi không có bộ điều khiển ANFIS

Hình 5.20 So sánh vận tốc góc ωr của rotor

Kết quả mô phỏng hình 5.20 cho thấy khi sự cố ngắn mạch xảy ra trên hệ thống điện làm cho máy phát bị mất cân bằng công suất và quay theo những vận tốc khác nhau dẫn đến mất đồng bộ Tuy nhiên với thiết bị bù vector SVeC được kết nối và điều khiển bỡi bộ điều khiển ANFIS thì dao động dao động trên được cải thiện đáng kể.

- Độ vọt lố tốc độ rotor máy phát điện giảm 21% so với khi không có bộ điều khiển ANFIS

- Thời gian xác lập cũng giảm 66% so với khi không có bộ điều khiển ANFIS

Từ kết quả mô phỏng và phân tích trên ta có thể dễ dàng thấy được rằng thiết bị SVeC được đề xuất với bộ điều khiển POD được thiết kế áp dụng giải thuật điều khiển ANFIS có thể giảm độ dao động tốt hơn cho hệ thống Điều này làm tăng tính ổn định cho hệ thống cũng như nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện khi sự cố xảy ra.

LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Kết luận

Cấu hình của hệ thống điện đề xuất nghiên cứu hình 5.1 bao gồm máy phát điện đồng bộ (SG) 160MVA và trang trại điện gió có tổng công suất 20MW được kết nối với hệ thống OMIB(One Machine Infinite Bus System) tại nút PCC(Point of Common Coupling) thông qua máy biến áp 15/22KV Thiết bị FACTS có tên là SVeC được đề xuất kết nối vào đường dây tải điện gần điển PCC.

Thiết bị SVeC đề xuất được mắc nối tiếp theo với đường truyền tải, bộ điều khiển POD được thiết kế sử dụng hệ Nơron–Mờ (ANFIS - Adaptive neuro fuzzy inference system) trong phần mền Matlab-Simulink.

Kết quả mô phỏng trong miền thời gian của hệ thống nghiên cứu khi bị sự cố lớn trên lưới điện đã được thực hiện một cách có hệ thống để chứng minh tính hiệu quả của đề tài nghiên cứu.

Kết quả mô phỏng trên hình 5.17, 5.18, 5.19 và 5.20 cho thấy khi sự cố ngắn mạch xảy ra trên hệ thống điện làm cho máy phát bị mất cân bằng công suất và quay theo những vận tốc khác nhau dẫn đến mất đồng bộ của hệ thống Tuy nhiên với thiết bị bù vector SVeC được kết nối và điều khiển bỡi bộ điều khiển ANFIS thì các dao động điện áp, công suất đường dây, công suất máy phát điện và vận tốc máy phát điện được được cải thiện đáng kể, cụ thể được nêu ra như sau.

 Đối với dao động điện áp tại nút PCC của hệ thống

- Độ vọt lố điện áp giảm 30% so với khi không có bộ điều khiển ANFIS

- Thời gian xác lập cũng giảm 66% so với khi không có bộ điều khiển ANFIS

 Đối với dao động công suất trên đường dây

- Độ vọt lố công suất trên đường dây giảm 26% so với khi không có bộ điều khiển ANFIS

- Thời gian xác lập cũng giảm 66% so với khi không có bộ điều khiển ANFIS

 Đối với dao động công suất của máy phát điện

- Độ vọt lố công suất máy phát điện giảm 26% so với khi không có bộ điều khiểnANFIS

- Thời gian xác lập cũng giảm 66% so với khi không có bộ điều khiển ANFIS

 Đối với dao độngvận tốc của máy phát điện

- Độ vọt lố tốc độ rotor máy phát điện giảm 21% so với khi không có bộ điều khiển ANFIS

- Thời gian xác lập cũng giảm 66% so với khi không có bộ điều khiển ANFIS

Từ kết quả mô phỏng thiết bị SveC kết hợp với bộ điều khiển ANFIS được thiết kế và so sánh với các tiêu chí ổn định và vận hành hệ thống điện Việt Nam theo Thông tư số 39/2015/TT-BCT của Bộ công thương Có thể kết luận rằng thiết bị SveC kết hợp với bộ điều khiển ANFIS được thiết kế có các tính năng ổn định dao động điện áp, dao động công suất và cải thiện hiệu năng của hệ thống điện.

Hướng phát triển của đề tài

Dựa trên những kết quả mô phỏng đã có, nội dung nghiên cứu này có thể phát triển theo các hướng sau:

- Nghiên cứu xây dựng mô hình thật với quy mô phòng thí nghiệm để đánh giá rõ nét hơn vai trò của thiết bị SVeC trong hệ thống điện hiện đại.

- Đánh giá so sánh về phương diện kinh tế của SVeC với các thiết bị FACTS khác trong việc cấu trúc và vận hành hệ thống điện hiện đại.