Ứng dụng giải thuật PSO để xác định thông số tối ưu cho bộ PSS

iv M TRANG Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Mục lục iv Tóm tắt luận văn vii Danh sách các hình viii .  1 1.1 th 1 1.2 t  2 1.2.1Điều khiển hạn chế dao động trên đường dây truyền tải 2 1.2.2Bộ điều khiển giảm dao động đặt tại máy phát 3 1.3  4 1.3.1Bộ ổn định hệ thống thông thường (CPSS) 4 1.3.2Bộ ổn định hệ thống thích nghi (APSS). 5 1.4  6 1.5  6 1.6  6 1.7  7 .  9 2.1   9 2.2  12 2.3  12 2.4  15 2.4.1 Mã hóa cá thể 15 v 2.4.1.1 Mã hóa nhị phân 16 2.4.1.2 Mã hóa hoán vị 16 2.4.1.3 Mã hóa theo giá trị. 17 2.4.2 Khởi tạo quần thể ban đầu 17 2.4.3 Hàm thích nghi (hàm mục tiêu) 18 2.4.4 Hàm vận tốc v. 18 2.4.5 Cập nhật vị trí tốt nhất cho cả quần thể 20 2.5 . 22 2.5.1 Đặc điểm 22 2.5.2 ng dụng 22  22  3          STABILIZER - PSS) 25 3.1  25 3.2 PSS 26 3.3   27  4.  30 4.1  30 4.2  31 4.3  31 4.4  32 4.5  32 4.6  33 4.7  33 4.8  33 4.9 phát 33 4.10  PSS theo IEEE  PSS1A 35 5.  37 5  vi Simulink 37 5.2  38 5.3  39 5.4 p.u th  máy phát 40 5.5   44  6. KT LUN VÀ HG PHÁT TRIN C TÀI 48 6.1  48 6.1.1 Các kết quả đạt được trong đề tài 48 6.1.2 Hạn chế 49 6.2 H   49  50  52 A H thng máy phát- ng dây 52 B Code Matlab nhn dng h thng 53 vii  Đề tài trình bày về việc xác định thông số tối ưu cho bộ PSS và thuật toán bầy đàn (Particle swarm optimization- PSO) để xác định thông số tối ưu cho bộ PSS. Đầu vào của bộ PSS là độ lệch tốc độ, đầu ra cung cấp tín hiệu cho bộ điều chỉnh điện áp (AVR). Các dữ liệu thực hiện trong tất cả các điều kiện vận hành khác nhau của hệ thống. Kết quả mô phỏng được bằng công cụ Simulink/Matlab. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng giải thuật tối ưu bầy đàn PSO ứng dụng cho bộ PSS để giảm dao động rất tốt cho hệ thống điện trong các điều kiện vận hành khác nhau và cải thiện đáng kể ổn định của hệ thống. Abstract: This thesis presents in details about tuning of Opimal Power System Stabilizer Parameters and Particle swarm optimazation algorithm. PSS input is the speed deviation, the output signal to supply the automatic voltage regulators (AVR). The data to train is implemented in all the different operating conditions of the system. The simulations are performed using the tool Simulink/Matlab. The simulation results show that PSO based PSS can provide good of the power system over a wider operating range significantly improve the dynamic performance of the system viii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1 Mô tả kiến tìm đường 10 Hình 2.2 Lưu đồ giải thuật của thuật toán PSO 14 Hình 2.3 Cá thể biểu diễn một biểu thức toán học 17 Hình 2.4 Chuyển động của cá thể 19 Hình 2.5 Lưu đồ giải thuật của hệ thống điều khiển PSO-PSS 23 Hình 3.1 Mô hình cơ khí giống như máy phát mang tải. 25 Hình 3.2 Sơ đồ khối tín hiệu bộ PSS cấp cho hệ thống kích từ 26 Hình 3.3 Sơ đồ khối của Bộ PSS 27 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý tạo ra công suất giảm chấn 27 Hình 3.5 Cuộn dây giảm chấn D được đặt trên rotor máy phát. 28 Hình 3.6 Đường đi từ thông phần ứng ở các trạng thái khác nhau 29 Hình 4.1 Máy phát điện đồng bộ: a, sơ đồ mạch tương đương; b sơ đồ vector 30 Hình 4.2 Mô hình Simulink để tính góc công suất của máy phát điện trong Matlab 31 Hình 4.3 Mô hình Simulink để tính thành phần sức điện động E’q 32 Hình 4.4 Mô hình Simulink để tính thành phần E’d. 32 Hình 4.5 Mô hình Simulink để tính công suất trên đầu cực máy phát 33 Hình 4.6 Mô hình Simulink để tính tính dòng điện id, iq của máy phát. 34 Hình 4.7 Mô hình Simulink để tính điện áp trên đầu cực máy phát Vt 34 Hình 4.8 Mô hình Simulink để tính công suất điện Pe trên đầu cực máy phát. 34 Hình 4.9 Sơ đồ khối bộ PSS. 35 Hình 4.10 Mô hình mô phỏng tính góc công suất δ, công suất điện Pe, điện áp trên đầu cực máy phát Vt trong SIMULINK 36 Hình 5.1 Mô hình máy phát nối vào hệ thống truyền tải 39 Hình 5.2 Công suất điện khi xảy ra ngắn mạch trên đầu cực máy phát 40 ix Hình 5.3 Độ lệch tốc độ Rotor khi xảy ra ngắn mạch trên đầu cực máy phát. 41 Hình 5.4 Góc công suất khi xảy ra ngắn mạch trên đầu cực máy phát 43 Hình 5.5 Công suất điện trên đầu cực máy phát khi thay đổi công suất 44 Hình 5.6 Góc công suất delta của máy phát khi công suất phụ tải thay đổi 45 Hình 5.7 Độ lệch tốc độ của máy phát khi công suất phụ tải thay đổi. 46  GVHD: TS.   Trang 1 1   1.1 H thn và s nh Ngày nay hệ thống điện không còn là một hệ thống đơn lẻ mà là một hệ thống liên kết. Nó có thể bao gồm hàng ngàn thiết bị điện và trải rộng trên một khu vực rộng lớn, lợi ích của việc liên kết hệ thống điện là [1]:  Cung cấp một lượng lớn công suất và tăng độ tin cậy của hệ thống.  Giảm số lượng máy phát theo yêu cầu vận hành đỉnh tải cũng như yêu cầu dự trữ quay của hệ thống khi tải thay đổi đột ngột.  Cung cấp nguồn công suất kinh tế cho khách hàng. Mặt khác liên kết hệ thống cũng mang đến nhiều vấn đề mới. Đường dây liên kết giữa các hệ thống điện lân cận là tương đối yếu khi so với hệ thống không có liên kết, nó dễ dẫn đến dao động tần số thấp trong nội vùng, những dao động không ổn định thường xảy ra tại tần số thấp khi liên kết hệ thống. Nghiên cứu ổn định hệ thống điện là một chủ đề được quan tâm trong nghiên cứu kỹ thuật điện, ổn định hệ thống điện có thể định nghĩa như sau: Khả năng của các máy phát điện đồng bộ trong hệ thống phản ứng lại sự nhiễu loạn trong điều kiện vận hành bình thường để đưa hệ thống vận hành trở lại trạng thái bình thường. Nghiên cứu ổn định phụ thuộc bản chất và đặc tính của biên độ nhiễu, và được phân ra làm 3 loại: Trạng thái ổn định lâu dài: để chỉ tính chất hoạt động của một hệ thống quanh một điểm vận hành cố định. Hệ thống thay đổi nhỏ và từ từ theo điều kiện vận hành.  GVHD: TS.   Trang 2 n định động là: đáp ứng thời gian dài của hệ thống đối với nhiễu loạn tương đối nhỏ. Nó khác với trạng thái ổn định tĩnh bởi vì hệ thống có thể ổn định ở trạng thái tĩnh và hệ thống phải có nhiễu loạn nhỏ. n định quá độ là: nếu một hệ thống vẫn giữ được đồng bộ sau khi có sự nhiễu lớn chẳng hạn như: sự cố hệ thống truyền tải, sự thay đổi tải đột ngột, mất nguồn phát hay đóng cắt đường dây. Vấn đề ổn định quá độ được chia ra thành những phần nhỏ dao động là lúc những giây ban đầu sau khi nhiễu loạn, và nhiều dao động ổn định có thời gian nghiên cứu hơn 10 giây. Đối với trạng thái ổn định động và ổn định thường xuyên, hệ thống có thể được mô hình bằng các phương trình vi phân tuyến tính. Đối với bài toán ổn định quá độ, hệ thống phải được biểu diễn bằng phương trình vi phân phi tuyến. Nghiên cứu tất cả các trạng thái ổn định với mục đích là Rotor của máy phát dao động được đưa trở về tốc độ vận hành ổn định. 1.2  Một vấn đề thông thường trong hệ thống điện lớn và nhỏ là bản chất vốn có của dao động không ổn định. Trong những thập kỹ qua nhiều công trình nghiên cứu để cải thiện ổn định hệ thống, thường nói nhiều là phương pháp điều khiển hạn chế dao động được chia ra thành hai nhóm [3]:  Tăng cường điều khiển để hạn chế dao động trong đường dây truyền tải.  Tăng cường điều khiển để hạn chế dao động tại ví trí nhà máy phát điện. 1.2.1  Truyền tải điện một chiều cao thế (HVDC): có vai trò quan trọng trong việc nâng cao ổn định hệ thống [3], là vì đối với HVDC không cần duy trì đồng bộ. Mặc khác, HVDC có khả năng hạn chế dao động vì đường dây liên kết HVDC có thể thay đổi dòng công suất truyền tải phối hợp với hệ thống AC nhanh hơn bất kỳ nhà máy nhiệt điện nào. Tác hại chính của HVDC là giá thành và sự phức tạp của bộ chỉnh lưu, mặc khác nó còn phát ra sóng hài vào hệ thống AC.  GVHD: TS.   Trang 3 Hệ thống truyền tải điện xoay chiều AC linh hoạt (FACTS): có khả năng điều khiển truyền tải công suất với hệ thống điện có các thông số ràng buộc như tổng trở nối tiếp, tổng trở rẻ nhánh, góc pha vv. Các bộ điều khiển FACTS gồm có:  Bù công suất phản kháng tĩnh SVC dùng van Thyristor để nhanh chóng thêm hoặc cắt bớt điện cảm, điện dung mắc rẻ nhánh.  Thyristor điều khiển tụ nối tiếp (TCSC) có thể thay đổi tổng trở từ mức thấp đến mức tổng trở tự nhiên đường dây truyền tải.  Tụ tĩnh (Statcon) phát ra công suất phản kháng có thể là công suất của tụ, hay công suất của cuộn dây để điều khiển được điện áp trên lưới.  Bộ điều chỉnh góc pha thay đổi điện áp pha bằng cách thêm hoặc bớt một thành phần điện áp, thành phần này vuông góc với điện áp pha của đường dây. Bộ HVDC được ưa chuộng hơn, trở ngại chính của bộ điều khiển FACTS là giá thành cao. 1.2.2 : Điều khiển kích từ là một trong những kiểu điều khiển hạn chế dao động đặt tại máy phát vì những lý do sau:  Hệ thống điện có hằng số thời gian nhỏ hơn hệ thống cơ khí của máy phát.  Hệ thống điều khiển điện dễ ứng dụng và kinh tế hơn hệ thống điều khiển cơ khí.  Hằng số thời gian hồi tiếp nhỏ và một hệ thống điều khiển điện là một hệ thống tác động liên tục, vì thế nó làm cho hệ thống có đáp ứng phẳng hơn. Điều khiển kích từ cung cấp cho máy phát được xem như là Bộ ổn định hệ thống điện (PSS) [3], nó được chọn đầu tiên để nâng cao việc giảm dao động của hệ thống kích từ. Chức năng chính của một bộ PSS là mở rộng giới hạn ổn định bằng cách điều chỉnh hệ thống kích từ để hạn chế dao động của Rotor máy phát đồng bộ với các máy phát khác. Đó là những dao động có tần số từ 0.2 đến 2 Hz và những dao động này làm giảm khả năng truyền công suất.  GVHD: TS.   Trang 4 Để ngăn ngừa dao động, Bộ ổn định phải tạo ra được một mômen điện trong Rotor cùng pha với sự thay đổi tốc độ. Tín hiệu đầu vào của bộ PSS là một trong các thành phần bên dưới hoặc là tổ hợp của chúng:  Độ lệch tốc độ.  Gia tốc.  Độ lệch tần số thanh cái.  Độ chênh lệch công suất. 1.3 Các  Bộ ổn định hệ thống điện (PSS) đang được nghiên cứu và mở rộng trong những thập kỷ qua, nhiều kỹ thuật được ứng dụng để thiết kế bộ PSS. 1.3.1  - conventional power system stabilizer (CPSS) Bộ PSS đầu tiên được gọi là bộ PSS thông thường [2] được thiết kế dựa trên hàm truyền sử dụng lý thuyết điều khiển cổ điển. Nó sử dụng hệ thống bù sớm trể pha để bù sự dịch chuyển pha do dao động tần số thấp gây ra do sự nhiễu loạn trong hệ thống bằng cách điều chỉnh thích hợp các thông số hệ thống bù sớm trể pha. Nó có thể làm cho hệ thống giảm bớt dao động. Tuy nhiện hệ thống điện là một hệ thống phi tuyến. Mô hình hệ thống tuyến tính hóa được sử dụng để thiết kế Bộ ổn định hệ thống thông thường chỉ được đánh giá tại thời điểm vận hành tại đó hệ thống được tuyến tính hóa. Bộ điều khiển thống số cố định CPSS không thể hoạt động tối ưu trong điều kiện vận hành rộng lớn. Vì thế có một số vấn đề tồn tại trong bộ CPSS là:  Cách chọn một hàm truyền chính xác để cho bộ PSS đáp ứng cho việc cung cấp tín hiệu điều khiển.  Cách điều chỉnh hiệu quả các thông số PSS. [...]... nghiên cứu ng dụng giải thuật bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization) để xác định thông số tối ưu của bộ PSS nhằm cải thiện trạng thái ổn định của máy phát, nâng cao đặc tính ổn định động của hệ thống 1.5 Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu giải thuật bầy đàn (PSO) cho việc xác định thông số tối ưu của bộ PSS nhằm cải thiện trạng thái ổn định của máy phát, nâng cao đặc tính ổn định động của... và ứng dụng của giải thuật PSO 2.5.1 Đặc điểm Giải thuật PSO có các đặc điểm nổi bật sau:  Giải thuật PSO tìm kiếm nhiều điểm tối ưu cùng một lúc Các cá thể trao đổi thông tin với nhau nhờ vậy mà giảm bớt khả năng kết thúc tại một điểm cực trị địa phương  Giải thuật PSO chỉ làm việc với các cá thể là mã của các lời giải Do đó với một PSO có sẵn, đôi khi chỉ cần thay đổi cách biểu diễn là có giải thuật. .. trong tương lai nhưng con kiến khác có thể tạo ra các lời giải tốt hơn ACO đã được ứng dụng thành công để giải nhiều bài toán tối ưu Hình 2.1: Mô tả kiến tìm đường  Giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization – PSO) lấy ý tưởng từ cách đàn chim tìm thức ăn, nguồn nước Đây là giải thuật tối ưu toàn cục nhằm giải những bài toán mà lời giải tốt nhất có thể biểu diễn bằng một điểm, hay một...  Tối ưu hóa không ràng buộc – Unconstrained Optimization  Tối ưu hóa ràng buộc – Constrained Optimization  Tối ưu đa mục tiêu – Multi Objective Optimization  Bài toán nhiều lời giải – Multi Solution Problem  Tối ưu hóa động – Dynamic Optimization Problem  Huấn luyện mạng neural – Training Neural Network  Game Learning 2.6 Hiệu chỉnh bộ PSS bằng thuật giải bầy đàn Một bộ PSS sử dụng thuật giải. .. và sự ổn định  Kỹ thuật điều khiển để hạn chế dao động trong hệ thống điện  Các loại bộ ổn định hệ thống điện  Mục tiêu nghiên cứu  Phạm vi nghiên cứu  Kết cấu của luận văn  Phương pháp nghiên cứu Chương 2: Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn  Chương này tìm hiểu các vấn đề:  Lịch sử phát triển  Các khái niệm cơ bản của giải thuật bầy đàn  Mô tả thuật toán  Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật bầy... giải thuật cho một bài toán mới  Giải thuật PSO chỉ cần đánh giá hàm mục tiêu để phục vụ quá trình tìm kiếm chứ không đòi hỏi các thông tin bổ trợ khác  Các thao tác cơ bản trong giải thuật PSO dựa trên khả năng tích hợp tính ngẫu nhiên trong quá trình xử lý 2.5.2 ng dụng Với đặc điểm là đơn giản, dễ cài đặt, không cần tính toán các đạo hàm và dễ song song hóa PSO đã được ứng dụng vào để giải nhiều... 2.2: Lưu đồ giải thuật của thuật toán PSO Luận văn tốt nghiệp Trang 14 HVTH: Nguyễn Hoàng Linh GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm Sơ đồ thuật toán trên là cho bài toán tối ưu cực tiểu giá trị hàm mục tiêu Tại mỗi bước lặp ta sẽ cập nhật lại giá trị tốt nhất của từng cá thể trong quá khứ cho tới thời điểm hiện tại và giá trị tốt nhất của toàn bộ quần thể cho tới thời điểm hiện tại Tối ưu hóa bầy đàn được cho là... dụng thuật giải PSO để hiệu chỉnh tham số bộ PSS trong việc cải thiện trạng thái ổn định của máy phát, nâng cao đặc tính ổn định động của hệ thống Luận văn tốt nghiệp Trang 22 HVTH: Nguyễn Hoàng Linh GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm Trong thuật giải PSO thì mỗi phần tử sẽ chứa 5 tham số Kp, Ki, Kd, Kdd, Ka, điều đó có nghĩa là không gian tìm kiếm là năm tham số trên, từ đó ta sẽ có lưu đồ giải thuật của hệ thống... bản trong giải thuật bầy đàn [17]  Cá thể: Mỗi cá thể trong thuật toán biểu diễn một lời giải của bài toán nhưng chưa phải là lời giải tối ưu Tùy vào từng bài toán mà mỗi cá thể được biểu diễn bởi những cách khác nhau như chuỗi nhị phân, cây, chuỗi số, v.v…  Quần thể: Là một tập hợp các cá thể có cùng một số đặc điểm nào đấy Trong giải thuật tối ưu bầy đàn thì quần thể là một tập các lời giải của... thống  Cách tính toán phản ứng sự thay đổi giữa các máy phát Nhiều nghiên cứu để giải các vấn đề này, một trong những bộ điều khiển thích nghi là khả năng tự động điều khiển để thích nghi với điều kiện làm việc mới 1.3.2 Bộ ổn định hệ thống thích nghi – adaptive power system stabilizer (APSS) Nhiều công trình nghiên cứu bộ PSS thích nghi (APSS) [1] Nhiều bộ PSS thích nghi sử dụng sơ đồ điều khiển thích . tài trình bày về việc xác định thông số tối ưu cho bộ PSS và thuật toán bầy đàn (Particle swarm optimization- PSO) để xác định thông số tối ưu cho bộ PSS. Đầu vào của bộ PSS là độ lệch tốc độ,.  ng dụng giải thuật bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization) để xác định thông số tối ưu của bộ PSS nhằm cải thiện trạng thái ổn định của máy phát, nâng cao đặc tính ổn định động của. mô phỏng cho thấy rằng giải thuật tối ưu bầy đàn PSO ứng dụng cho bộ PSS để giảm dao động rất tốt cho hệ thống điện trong các điều kiện vận hành khác nhau và cải thiện đáng kể ổn định của hệ