(Luận văn thạc sĩ) nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng sssc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN MINH NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN CĨ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIĨ HỊA LƯỚI SỬ DỤNG SSSC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 8520201 SKC008026 Tp Hồ Chí Minh, tháng 3/2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN MINH NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN CĨ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIĨ HỊA LƯỚI SỬ DỤNG SSSC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 8520201 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THỊ MI SA Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2023 Pline#1 (p.u.) 0.8 w/o PID PID ANFIS 0.7 0.6 0.5 0.4 10 15 t (s) a Công suất tác dụng đường dây truyền tải 0.8 Pline#2 (p.u.) 0.7 0.6 0.5 0.4 10 15 t (s) b Công suất tác dụng đường dây truyền tải 0.12 Qline#1 (p.u.) 0.11 0.1 0.09 0.08 10 t (s) c Công suất phản kháng đường dây truyền tải 47 15 Qline#2 (p.u.) 0.12 0.11 0.1 0.09 0.08 10 15 t (s) d Công suất phản kháng đường dây truyền tải PMSG (p.u.) 1.02 0.98 0.96 10 15 t (s) e Vận tốc góc máy phát điện gió PMSG DFIG (p.u.) 1.25 1.2 1.15 1.1 10 t (s) f Vận tốc góc máy phát điện gió DFIG 48 15 VPCC (p.u.) 0.8 0.6 10 15 t (s) g Điện áp bus kết nối với SSSC Hình 5.12 Kết mô phỏng hệ thống xãy sự cố ngắn mạch pha Khi có cố ngắn mạch xảy hệ thống đáp ứng hệ thống mô tả đáp ứng thơng số Hình 5.12 thể rõ ảnh hưởng điều khiển ANFIS đề xuất giúp hệ thống giảm dao động độ cách rõ rệt so với điều khiển PID truyền thống Để khảo sát đánh giá thêm ảnh hưởng vận tốc gió lên hệ thống, luận văn học viên cho tiến hành mơ phỏng với nhiều tốc độ gió khác từ m/s đến 16 m/s Kết thể Hình 5.13 thay đổi công suất tác dụng đường dây truyền tải cố ngắn mạch xãy có điều khiển ANFIS Từ kết mô phỏng Hình 5.12 Hình 5.13 ta nhận thấy điều khiển ANFIS đề xuất giúp giảm dao động độ cách đáng kể cho hệ thống xãy cố nghiêm trọng hệ thống 49 0.8 PTL1 (p.u) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 16 14 12 10 Wind speed (m/s) Time (s) 10 a Mô tả công suất tác dụng thay đổi giá trị đường dây truyền tải vận tốc gió thay đổi 0.8 PTL2 (p.u) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 16 14 12 10 Wind speed (m/s) Time (s) 10 b Biểu diễn giá trị công suất tác dụng thay đổi đường dây truyền tải vận tốc gió thay đổi Hình 5.13 Kết mơ phỏng hệ thống xảy sự cố ngắn mạch pha với tốc độ gió khác 50 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 6.1 Kết luận Để góp phần nâng cao chất lượng điện mà độ ổn định động cho hệ thống điện có tham gia nguồn lượng gió quan trọng Trong luận văn này, tác giả đề xuất lắp đặt thêm thiết bị bù đồng tĩnh nối tiếp (SSSC) vào đường dây truyền tải Bộ điều khiển ANFIS cho thiết bị bù SSSC đề xuất một giải pháp nâng cao hiệu khả điều khiển ổn định công suất cho thiết bị SSSC hệ thống điện gió nối với lưới Từ kết mô phỏng hệ thống phần mềm MATLAB, kết luận thiết bị SSSC kết hợp với điều khiển ANFIS thiết kế có đặc tính ổn định dao động tốt điều khiển PID thông thường giúp cải thiện hiệu hệ thống điện 6.2 Hướng nghiên cứu phát triển: Dựa kết mơ phỏng có, nội dung nghiên cứu phát triển theo hướng sau: Ứng dụng thuật tốn điều khiển thơng minh khác để tìm giải pháp tối ưu việc thiết kế điều khiển giúp nâng cao lực cho thiết bị SSSC Nghiên cứu mô hình thật với quy mơ phịng thí nghiệm để giúp đánh giá xác tác động điều khiển ANFIS cho thiết bị SSSC hệ thống điện đề xuất 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yong Hua Song and Allan T Johns - Flexible AC Transmission Systems (FACTS) [2] Power Flow Control with Static Synchronous Series Compensator (SSSC) [3] Damping power system oscillations using an SSSC based hybrid series capacitive compensation scheme [4] Hồ Văn Hiến “Hệ Thống Điện Truyền Tải Và Phân Phối” NXB ĐH Quốc Gia Tp HCM [5] TS Quyền Huy Ánh “Giáo trình giải tích mạng” (trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM) [6] Nguyễn Văn Nhờ “Giáo trình điện tử cơng suất 1” Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh 2002 [7] N.V.Nho, M.J Youn “ Two-mode overmodulation in two-level VSI using principle control between limit trajectories”, CD-ROM Proceedings PEDS 2003, pp.12741279 [8] N.V.Nho, M.J.Youn,” A Comprehensive Study On SVPWM – Carrier Based PWM Correlation In Multilevel Inverters”, IEE Proceedings -Electric Power Applications, 2005 [9] TS.Nguyễn Như Hiền & TS Phạm Khắc Lãi, “Hệ mờ & Nơron kỹ thuật điều khiển”, NXB Khoa học tự nhiên Công nghệ, Hà Nội 2007 [10] T Demirdelen, E Bakmaz and M Tumay, "A fuzzy neural network approach to estimate PMSG based and DFIG based wind turbines' power generation," 2017 Seventh International Conference on Innovative Computing Technology (INTECH), Luton, UK, 2017, pp 101-106, doi: 10.1109/INTECH.2017.8102437 [11] H Ahuja, G Bhuvaneswari and R Balasubramanian, "Performance comparison of DFIG and PMSG based WECS," IET Conference on Renewable Power Generation (RPG 2011), Edinburgh, 2011, pp 1-6, doi: 10.1049/cp.2011.0229 [12] N Nahak, S Bohidar, D Routray, R K Mallick, A K Patra and R Agrawal, "Dynamic Stability Improvement of a Variable Wind Integrated Power System by Fractional Parallel SSSC Controller," 2020 IEEE International Conference on Power Electronics, Smart Grid and Renewable Energy (PESGRE2020), Cochin, India, 2020, pp 1-6, doi: 10.1109/PESGRE45664.2020.9070279 52 [13] S A Bhande and V K Chandrakar, "Static Synchronous Series Compensator (SSSC) to Improve Power System Security," 2022 International Conference on Electronics and Renewable Systems (ICEARS), Tuticorin, India, 2022, pp 266-270, doi: 10.1109/ICEARS53579.2022.9752146 53 NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN CĨ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIĨ HỊA LƯỚI SỬ DỤNG SSSC IMPROVING THE VOLTAGE STABILITY OF THE POWER SYSTEM INTEGRATING WIND ENERGY USING SSSC Nguyen Van Minh Học viên cao học Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Bài viết trình bày việc cải thiện tính ổn định động hệ thống điện có tham gia nguồn lượng gió sử dụng bù đồng tĩnh nối tiếp (SSSC) Ngoài chức điều khiển truyền tải điện SSSC, điều khiển ANFIS cho thiết bị bù SSSC được đề xuất một giải pháp nâng cao hiệu khả điều khiển ổn định công suất cho thiết bị SSSC hệ thống điện gió nối với lưới Từ kết mô phỏng hệ thống phần mềm MATLAB, có thể thấy thiết bị SSSC kết hợp với điều khiển ANFIS được thiết kế có đặc tính ổn định dao động tốt điều khiển PID thông thường giúp cải thiện hiệu hệ thống điện ABSTRACT This article presents the use of the Static Synchronous Series Compensator (SSSC) to improve the dynamic stability of wind-integrated power systems In addition to the transmission control function of the SSSC, an Adaptive neuro fuzzy inference system (ANFIS) controller for the SSSC compensator is proposed as an enhanced solution for power stability control in a wind power grid Simulation results from MATLAB software show that the SSSC device combined with the designed ANFIS controller exhibits better oscillation stability characteristics than a conventional PID controller, thereby improving the overall performance of the power Keywords: Voltage stability; transmission control function, the static synchronous series compensator SSSC; ANFIS controller; stability characteristics GIỚI THIỆU Quá trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù cho hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) đã được tiến hành từ lâu, đặc biệt việc ứng dụng thiết bị bù để phát nguồn công suất phản kháng giúp cho hệ thống điện đảm bảo ổn định điện áp Trong đó, việc đánh giá lựa chọn thiết bị thỏa mãn điều kiện kinh tế kỹ thuật yếu tố quan trọng cần quan tâm Nhằm nâng cao chất lượng điện độ ổn định điện áp hệ thống điện, đã có nhiều công bố cơng trình nghiên cứu liên quan đến cách thức ứng dụng thiết bị điều khiển điện tử công suất để bù công suất phản kháng Trong đó, thiết bị FACTS đã góp phần giúp hệ thống đáp ứng được yêu cầu tác động nhanh cung cấp được dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện chế độ làm việc khác Bộ bù nối tiếp đồng kiểu tĩnh thiết bị dạng chuyển đổi kết nối nối tiếp FACTS Mặc dù không có SSSC độc lập được sử dụng, chuyển đổi nối tiếp kết hợp Unified Power Flow Controller (UPFC) SSSC sử dụng VSC bơm vào đường dây truyền tải điện áp gần hình sin với biên độ, góc pha độc lập điều khiển được Các SSSC sử dụng điều khiển có thể nhanh chóng thay đổi điện áp đưa vào đường dây truyền tải Điều cho phép SSSC có khả tự động trao đổi công suất phản kháng và/hoặc hoạt động với hệ thống điện Điện áp bơm gần vng góc với dịng điện đường dây Hình Sơ đồ bù SSSC ba pha Nội dung nghiên cứu viết tập trung vào việc thiết kế điều khiển ANFIS để tăng tính ổn định động cho hệ thống trường hợp cố nghiêm trọng xảy Hình Cấu trúc mạng nơron lớp MẠNG ANFIS VÀ ỨNG DỤNG 2.1 Hệ thống điều khiển mờ Từ năm 1965, tác giả L.A.Zadeh đã tìm lý thuyết điều khiển mờ sở quan trọng để xây dựng lý thuyết điều khiển thông minh khác dựa sở lý thuyết tập mờ Quá trình thiết kế điều khiển có ứng dụng phương pháp điều khiển dựa lý thuyết mờ q trình xây dựng phương pháp điều khiển có khả học theo cách thức điều khiển người dạng mệnh đề … (IF … THEN) Hệ điều khiển mờ hệ thống điều khiển thông minh dựa tảng xữ lý kỹ thuật số nên tín hiệu bên được đưa vào bên điều khiển phải tín hiệu số 2.2 Mạng nơron nhân tạo Mạng nơron nhân tạo - ANN hệ thống kết nối được xây dựng dựa nguyên tắc cấu tạo chung não người Từ đó đã tạo hướng nghiên cứu hệ thống thông tin truyền thông Nhờ việc áp dụng mạng nơron nhân tạo ta có thể thực tính tốn gần đúng cho hàm số, toán tối ưu, toán nhận dạng có thể ứng dụng điều khiển đối tượng phục tạp được hiệu so với phương pháp điều khiển kiểu truyền thống Hình Sơ đồ cấu trúc để huấn luyện mạng nơron 2.3 Ứng dụng mạng ANFIS Sự đời lý thuyết tập mờ mạng nơron đã khẳng định được ưu khả ứng dụng nhiều lĩnh vực khác mà đặc biệt lĩnh vực liên quan đến điều khiển có yêu cầu cao chất lượng độ xác Để có được điều lý thuyết tập điều khiển mờ mạng nơron nhân tạo được kết hợp lại có nhiều ưu điểm bật chúng có tính linh họat xử lý, mềm dẻo tùy biến được nhiều ứng dụng Hiện hệ nơron mờ tiếp tục phát triển nhận được nhiều quan tâm nhiều nhà khoa học Mạng ANFIS được sử dụng thành công nhiều lĩnh vực khác nhau, dự đoán cổ phiếu thị trường chứng khốn, dự báo mơ phỏng hệ thống điều khiển, toán nhận dạng, ứng dụng ngân hàng, quân sự, khoa học dự báo thời tiết, chuẩn đốn, theo dõi MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỀ XUẤT Hệ thống điện nghiên cứu viết hệ thống điện tích hợp hệ thống điện gió gồm loại tuabin khác PMSG DFIG Hình Trong đó, tập trung vào việc tăng cường khả truyền tải cho hệ thống truyền tải tuyến dây TL1 TL2 cách gắn thêm thiết bị SSSC Việc lựa chọn điểm gắn đầu tuyến dây truyền tải cấp điện áp 161kV giúp thuận lợi việc bố trí thiết bị nhằm tăng khả linh hoạt hệ thống Việc đặt thiết bị SSSC bus kết nối hệ thống điện gió giúp linh hoạt vấn đề phân bố công suất đường dây truyền tải góp phần giảm dao động cho hệ thống có cố xảy Để thiết kế điều khiển giúp giảm dao động độ hệ thống nghiên cứu kỹ thuật điều khiển ANFIS cho SSSC, tác giả sử dụng mơ hình sơ đồ khối điều khiển SSSC thể Hình với tín hiệu ngõ vào sai lệch điện áp bus kết nối sai lệch tần số góc VPCC BL_max Vref + Kc 1+sTc + Vs BL BL_min Vsmax ANFIS SG VPCC Vsmin Hình Sơ đồ điều khiển của SSSC Hình Hệ thống điện nghiên cứu THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ANFIS TRÊN MATLAB f1 A1 x w1 w1 Ai f fi B1 y wi wi Bi Inputs Input membership functions Rules Output membership functions Output liên thuộc ngõ vào Trong luận văn này, năm biến ngơn ngữ cho tín hiệu ngõ vào được sử dụng Đó NB (Negative Big), NS (Negative Small), ZR (Zero), PS (Positive Small) PB (Positive Big) Ngoài cịn có năm biến ngơn ngữ cho tín hiệu ngõ ra, cụ thể IB (Increase Big), IS (Increase Small), KV (Keep Value), DS (Decrease Small), DB (Decrease Big) Hình Cấu trúc nơron mờ Cấu trúc ANFIS kiểu Sugeno mơ tả Hình Trong đó quy luật điều khiển được thiết lập sau: If (x = Ai) (y = Bi) Then (fi = pix + qiy + ri) (5.1) Trong đó x y tín hiệu ngõ vào, Ai, Bi tập mờ, fi ngõ vùng mờ quy định luật mờ, pi, qi ri hệ số được thiết kế được xác định trình huấn luyện, i số hàm Hình Cấu trúc điều khiển Anfis Bằng cách áp dụng tảng ANFIS Editor MATLAB với kiểu hàm liên thuộc được chọn hàm phân bố Gauss, số lần huấn luyện 30 lần thuật toán sử dụng để huấn luyện được chọn thuật toán Hybrid, tác giả tiến hành bước huấn luyện cho điều khiển nhận được kết Hình SSSC điều khiển ANFIS vào hệ thống điện nghiên cứu, tác giả tiến hành chạy mô phỏng cho trường hợp ngắn mạch pha bus vô hạn xảy chu kỳ thời giây Hình 5.12 trình bày kết so sánh cho trường hợp bao gồm không có điều khiển PID (đường màu xanh nét đứt), có PID (đường màu đen) có điều khiển ANFIS (đường màu đỏ) Pline#1 (p.u.) 0.8 w/o PID PID ANFIS 0.7 0.6 0.5 0.4 10 15 t (s) a Công suất tác dụng đường dây Hình Huấn luyện điều khiển truyền tải 0.8 Pline#2 (p.u.) 0.7 0.6 0.5 0.4 10 15 t (s) b Công suất tác dụng đường dây truyền tải Sau đã thiết lập hoàn chỉnh liệu cần thiết, tiến hành khai báo cho biến ngôn ngữ, xây dựng tập luật điều khiển tiến hành huấn luyện cho điều khiển ANFIS 0.12 0.11 Qline#1 (p.u.) Hình Mối quan hệ vào/ra điều khiển ANFIS sau huấn luyện 0.1 0.09 0.08 10 15 t (s) c Công suất phản kháng đường dây KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Để đánh giá ảnh hưởng thiết bị bù truyền tải 0.12 0.1 0.09 0.08 10 15 t (s) d Công suất phản kháng đường dây truyền tải PMSG (p.u.) 1.02 0.8 0.7 0.98 0.96 10 15 t (s) e Vận tốc góc máy phát điện gió PMSG PTL1 (p.u) Qline#2 (p.u.) 0.11 ứng thơng số Hình 5.12 thể rõ ảnh hưởng điều khiển ANFIS đề xuất giúp hệ thống giảm dao động độ cách rõ rệt so với điều khiển PID truyền thống Để khảo sát đánh giá thêm ảnh hưởng vận tốc gió lên hệ thống, luận văn học viên cho tiến hành mô phỏng với nhiều tốc độ gió khác từ m/s đến 16 m/s Kết thể Hình 5.13 thay đổi công suất tác dụng đường dây truyền tải cố ngắn mạch xãy có điều khiển ANFIS Từ kết mơ phỏng Hình 5.12 Hình 5.13 ta nhận thấy điều khiển ANFIS đề xuất giúp giảm dao động độ cách đáng kể cho hệ thống xãy cố nghiêm trọng hệ thống 0.5 0.4 0.3 16 14 12 10 Wind speed (m/s) Time (s) 10 a Mô tả công suất tác dụng thay đổi giá 1.25 DFIG (p.u.) 0.6 trị đường dây truyền tải vận 1.2 tốc gió thay đổi 1.15 0.8 10 15 t (s) f Vận tốc góc máy phát điện gió 0.6 0.5 0.4 0.3 16 14 12 10 Wind speed (m/s) DFIG VPCC (p.u.) PTL2 (p.u) 0.7 1.1 Time (s) b Biểu diễn giá trị công suất tác dụng thay đổi đường dây truyền tải 0.8 vận tốc gió thay đổi 0.6 Hình 5.13 Kết quả mô phỏng hệ thống 10 15 t (s) g Điện áp bus kết nối với SSSC xảy sự cố ngắn mạch pha với tốc độ gió khác Hình 5.12 Kết quả mô phỏng hệ thống xãy sự cố ngắn mạch pha Khi có cố ngắn mạch xảy hệ thống đáp ứng hệ thống được mô tả đáp KẾT LUẬN Bộ điều khiển ANFIS cho thiết bị bù SSSC đã được đề xuất một giải pháp nâng cao hiệu khả điều khiển ổn 10 định công suất cho thiết bị SSSC hệ thống điện gió nối với lưới Từ kết mô phỏng hệ thống phần mềm MATLAB, có thể kết luận thiết bị SSSC kết hợp với điều khiển ANFIS được thiết kế có đặc tính ổn định dao động tốt điều khiển PID thông thường giúp cải thiện hiệu hệ thống điện Dựa kết mô phỏng đã có, nội dung nghiên cứu có thể phát triển theo hướng sau: - - Ứng dụng tḥt tốn điều khiển thơng minh khác để tìm giải pháp tối ưu việc thiết kế điều khiển giúp nâng cao lực cho thiết bị SSSC Nghiên cứu mô hình thật với quy mơ phịng thí nghiệm để giúp đánh giá xác tác động điều khiển ANFIS cho thiết bị SSSC hệ thống điện đề xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yong Hua Song and Allan T Johns - Flexible AC Transmission Systems (FACTS) [2] Power Flow Control with Static Synchronous Series Compensator (SSSC) [3] Damping power system oscillations using an SSSC based hybrid series capacitive compensation scheme [4] Hồ Văn Hiến “Hệ Thống Điện Truyền Tải Và Phân Phối” NXB ĐH Quốc Gia Tp HCM [5] TS Quyền Huy Ánh “Giáo trình giải tích mạng” (trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM) [6] Nguyễn Văn Nhờ “Giáo trình điện tử cơng suất 1” Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh 2002 [7] N.V.Nho, M.J Youn “ Two-mode overmodulation in two-level VSI using principle control between limit trajectories”, CD-ROM Proceedings PEDS 2003, pp.1274-1279 [8] N.V.Nho, M.J.Youn,” A Comprehensive Study On SVPWM – Carrier Based PWM Correlation In Multilevel Inverters”, IEE Proceedings -Electric Power Applications, 2005 [9] TS.Nguyễn Như Hiền & TS Phạm Khắc Lãi, “Hệ mờ & Nơron kỹ thuật điều khiển”, NXB Khoa học tự nhiên Công nghệ, Hà Nội 2007 [10] T Demirdelen, E Bakmaz and M Tumay, "A fuzzy neural network approach to estimate PMSG based and DFIG based wind turbines' power generation," 2017 Seventh International Conference on Innovative Computing Technology (INTECH), Luton, UK, 2017, pp 101-106, doi: 10.1109/INTECH.2017.8102437 [11] H Ahuja, G Bhuvaneswari and R Balasubramanian, "Performance comparison of DFIG and PMSG based WECS," IET Conference on Renewable Power Generation (RPG 2011), Edinburgh, 2011, pp 1-6, doi: 10.1049/cp.2011.0229 [12] N Nahak, S Bohidar, D Routray, R K Mallick, A K Patra and R Agrawal, "Dynamic Stability Improvement of a Variable Wind Integrated Power System by Fractional Parallel SSSC Controller," 2020 IEEE International Conference on Power Electronics, Smart Grid and Renewable Energy (PESGRE2020), Cochin, India, 2020, pp 1-6, doi: 10.1109/PESGRE45664.2020.9070279 [13] S A Bhande and V K Chandrakar, "Static Synchronous Series Compensator (SSSC) to Improve Power System Security," 2022 International Conference on Electronics and Renewable Systems (ICEARS), Tuticorin, India, 2022, pp 266-270, doi: 10.1109/ICEARS53579.2022.9752146 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Đơn vị: Điện thoại: Email: S K L 0