Ứng dụng bộ điều khiển mờ trượt điều khiển SVC trên đường dây 110KV

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CAO THỊ MỸ LỆ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƢỢT ĐIỀU KHIỂN SVC TRÊN ĐƢỜNG DÂY 110KV Chuyên ngành : Tự động hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2012 Footer Page of 126 Header Page of 126 Công trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HOÀNG MAI Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN HỒNG ANH Phản biện 2: TS NGUYỄN ANH DUY Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 05 tháng 01 năm 2013 - * Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Footer Page of 126 Header Page of 126 MỞ ĐẦU LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Thuật toán điều khiển mờ (fuzzy logic) lĩnh vực có tính ứng dụng cao Những năm gần chứng kiến phát triển nhanh chóng số lượng ứng dụng nhiều lĩnh vực khác fuzzy logic Một giải pháp nhằm nâng cao tính ổn định hệ thống mở rộng khả truyền tải sử dụng hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt, việc nghiên cứu SVC thuộc hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt cần thiết góp phần vận hành ổn định hệ thống điện MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Trong khuôn khổ Luận văn này, tác giả vào nghiên cứu thuật toán điều khiển mờ trượt để điều khiển thiết bị bù SVC hệ thống điện - Mô Matlab hệ thống điều khiển mờ trượt - Mô Matlab hệ thống điều khiển mờ trượt thay đổi thông số đối tượng ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu : Bộ điều khiển SVC Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng điều khiển SVC phương pháp điều khiển mờ trượt mô phần mềm matlab - simulink Trong tập trung nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển với thông số đầu vào điện áp nút phụ tải biến thiên tải thay đổi PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu lý thuyết, xây dựng phương án, thiết kế lý thuyết Footer Page of 126 Header Page of 126 - Xây dựng mô hình mô để kiểm chứng phần mềm Matlab-Simulink - Trên sở kết thu mô hình để rút đánh giá, kết luận Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu phương pháp điều khiển so với phương pháp điều khiển kinh điển sử dụng điều khiển mờ - trượt để điều khiển SVC - Ý nghĩa thực tế: Nghiên cứu phương pháp điều khiển mờ trượt điều khiển thiết bị bù tĩnh SVC góp phần vận hành ổn định hệ thống điện, nâng cao chất lượng điện đáp ứng nhanh biến thiên điện áp CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Luận văn trình bày thành chương sau: Chương 1: Tổng quan bù công suất hệ thống điện Chương 2: Tổng quan thiết bị bù ngang tĩnh SVC (Static Var Compensator) Chương 3: Lý thuyết điều khiển trượt – mờ Chương 4: Thiết kế mô điều khiển mờ trượt điều khiển SVC Matlab – Simulink Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 VẤN ĐỀ CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN [1], [4] Công suất phản kháng đóng vai trò quan trọng hệ thống điện, cần phải luôn điều chỉnh để giữ trạng thái cân Mất cân công suất phản kháng dẫn đến chất lượng điện áp không đảm bảo, tăng tổn thất, hệ thống ổn định 1.2 BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN LƢỚI VÀ MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP BÙ [4], [11] Bù công suất phản kháng lưới hệ thống điện gắn liền với điều chỉnh điện áp Các đường dây cao áp có chiều dài lớn thường bù thông số thông qua thiết bị bù dọc bù ngang Mục đích chủ yếu việc đặt thiết bị bù nâng cao khả tải đường dây san điện áp phân bố dọc đường dây 1.2.1 Bù dọc Trị số cảm kháng lớn đường dây siêu cao áp làm ảnh hưởng xấu đến hàng loạt tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng đường dây Bù dọc giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện cảm kháng X đường dây) dung kháng XC tụ điện Giải pháp thực cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây 1.2.2 Bù ngang Bù ngang thực cách lắp kháng điện có công suất cố định hay kháng điện điều khiển CRT, SVC, STACOM…(gọi chung kháng bù ngang) trạm biến áp Kháng bù ngang đặt phía cao áp hay phía Footer Page of 126 Header Page of 126 hạ áp máy biến áp Khi đặt phía cao áp nối trực tiếp song song với đường dây nối qua máy cắt điều khiển khe hở phóng điện 1.3 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN [1],[9] 1.3.1 Ảnh hƣởng điện áp đến hoạt động HTĐ Điện áp HTĐ biến đổi thời gian do: biến đổi không ngừng phụ tải, trước hết công suất phản kháng, biến đổi tự nhiên chậm Mức điện áp HTĐ ảnh hưởng lớn đến tổn thất công suất tổn thất điện HTĐ Vì cần phải thực điều chỉnh điện áp liên tục trình vận hành HTĐ 1.3.2 Quan hệ công suất phản kháng-điện áp Nhu cầu công suất phản kháng thay đổi gây biến đổi điện áp Ta biết tổn thất điện áp tính theo công thức: P.R Q X P X Q.R U j U j U U U (1.8) 1.4 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.4.1 Ứng dụng mạng nơron mờ để điều khiển thiết bị bù tĩnh [9] 1.4.2 Ứng dụng hệ mờ điều khiển SVC lƣới [5] Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH SVC (STATIC VAR COMPENSATOR) 2.1 KHÁI NIỆM CHUNG 2.2 CẤU TẠO SVC [5], [6], [11], [12] Hình 2.1 Nguyên lý cấu tạo SVC 2.2.1 Bộ thyristor mắc song song ngƣợc a Nguyên lý hoạt động thyristor mắc song song ngược [2] T1 u T2 Zt Hình 2.2 Bộ thyristor mắc đối song song Thyristor hoạt động tương tự diode, nhiên điều kiện điện áp đặt lên thân thyristor thuận chiều yêu cầu có Footer Page of 126 Header Page of 126 xung điện áp đặt lên cực điều khiển Xung không kéo dài mà thyristor mở có điện áp ngược đặt lên thyristor Sang chu kỳ mới, điện áp thuận chiều mạch mở có tín hiệu điều khiển xung Rõ ràng thay đổi thời điểm phát xung chu kỳ thay đổi dạng đường cong dòng điện b Nguyên tắc điều khiển thyristor.[2] Trong thực tế, người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển: nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính thẳng đứng “arccos” để thực điều chỉnh vị trí đặt xung kích mở chu kỳ dương điện áp đặt thyristor Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” 2.2.2 Kháng điều chỉnh thyristor – TCR TCR phần tử SVC với khả điều khiển cách liên tục dòng điện qua cuộn cảm mắc song song với áp lưới việc điều khiển dòng điện mở thông van thyristor Dòng điện điện cảm (thuần cảm) điều khiển để dòng maximum, = 900 độ lớn = 1800, độ lớn dòng zero (không có dòng chạy qua) Phần tử TCR cuộn cảm nối tiếp với cặp thyristor mắc đối song: Hình 2.6 Cấu tạo TCR Footer Page of 126 Header Page of 126 2.2.3 Kháng đóng mở thyristor - TSR TSR phần tử SVC, gồm số cuộn kháng đấu song song, chúng đóng vào lưới cắt cách kích dẫn hoàn toàn ngắt hoàn toàn thông qua van Thyristor TSR cung cấp tổng trở nối vào hệ thống xoay chiều dòng điện phản kháng tỷ lệ với biên độ điện áp Hình 2.8 Nguyên lý cấu tạo hoạt động TSR 2.2.4 Bộ tụ đóng mở thyristor – TSC TSC có chức phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh thyristor Hình 2.9 Cấu tạo TSC Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 2.3 ỨNG DỤNG CỦA SVC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN [4], [9], [10], [11] 2.3.1 Điều chỉnh điện áp trào lƣu công suất Hình 2.11 Sự thay đổi điện áp phụ tải có SVC 2.3.2 Giới hạn thời gian cƣờng độ áp xảy cố Quan hệ áp với thời gian thể hình 2.12 Hình 2.12 Quan hệ thời gian điện áp áp 2.3.3 Ôn hòa dao động công suất hữu công 2.3.4 Tăng khả tải đƣờng dây Footer Page 10 of 126 Header Page 12 of 126 10 2.4 ĐẶC TÍNH ĐIỀU CHỈNH CỦA SVC [2], [3], [8], [10] Đặc tính điều chỉnh SVC xây dựng dựa vào nguyên lý làm việc thyristor Hình 2.15 Dạng sóng dòng điện theo góc mở α 2.4.1 Đặc tính V-I SVC Theo sơ đồ nguyên lý TCR, TSC, TSR ta thấy thay đổi góc cắt dẫn đến việc thay đổi công suất phản kháng phát hay thu vào SVC Footer Page 12 of 126 Header Page 13 of 126 11 X /X u u u u u u X I I I I Hình 2.19 Đặc tính U-I SVC 2.4.2 Đặc tính làm việc SVC Ở chế độ làm việc bình thường hệ thống điện, SVC làm nhiệm vụ tự động điều chỉnh để giữ nguyên điện áp nút a) SVC có tính cảm b) SVC có tính dung tính cảm Hình 2.20 Đặc tính làm việc SVC điều chỉnh theo điện áp Footer Page 13 of 126 Header Page 14 of 126 12 CHƢƠNG LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT – MỜ VÀ ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT [3], [7] 3.1.1 Xuất phát điểm phƣơng pháp điều khiển trƣợt 3.1.2 Nguyên lý điều khiển trƣợt 3.1.3 Các bƣớc xây dựng điều khiển trƣợt đơn 3.2 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ (FUZZY LOGIC) [3], [6], [9] 3.2.1 Khái niệm 3.2.2 Định nghĩa tập mờ 3.2.3 Các thuật ngữ logic mờ 3.2.4 Biến ngôn ngữ 3.2.6 Luật hợp thành a Mệnh đề hợp thành b Luật hợp thành mờ 3.2.7 Giải mờ a Phương pháp cực đại b Phương pháp trọng tâm 3.2.8 Mô hình mờ Tagaki-Sugen 3.2.9 Bộ điều khiển mờ a Cấu trúc điều khiển mờ b Nguyên lý điều khiển mờ c Thiết kế điều khiển mờ 3.3 CÁC BƢỚC XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƢỢT.[3] Footer Page 14 of 126 Header Page 15 of 126 13 CHƢƠNG THIẾT KÊ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƢỢT ĐIỀU KHIỂN SVC TRÊN MATLAB – SIMULINK 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SIMULINK [8] Xây dựng mô dựa Toolbox Matlab Simulink hình 4.1 Hình 4.1 Mô hình SVC Matlab Simulink 4.2 MÔ HÌNH KHỐI SVC [13] Hình 4.6 Sơ đồ khối SVC Hàm truyền hệ thống: GSVC ( s ) Vs VT Footer Page 15 of 126 1 G1G2G3G4 K 1 SL X e sTm sT (4.12) Header Page 16 of 126 14 4.3 THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 4.3.1 Thiết kế điều khiển trƣợt Từ hàm truyền 4.12 chuyển sang biến trạng thái ta có x1 x2 x2 x3 x3 -549.955 x3 - 84998.49985 x2 -1.80018 107 x1 u (4.13) 7 y 1.50015 10 (-549.955x3 -84998.49985 x2 -1.80018 10 x1 u) (4.14) Có dạng: y a( x) b( x)u Trong đó: a( x) 8.2501 109 x3 1.2751 1012 x2 2.7005 1014 x1 b( x) 1.5001 107 Chọn mặt trượt: S e k1 e k2e (4.24) Luật điều khiển u: u 549.9517 x3 8.4998 104 x2 1.8002 107 x1 k2 K e sign( S ) 1.50015 10 1.50015 107 k1 e 1.50015 10 (4.26) Chia tín hiệu điều khiển thành hai thành phần: u = ueq + ues Trong đó: ues tín hiệu khâu sign(S), tín hiệu gây tượng rung, ta cần làm mềm hóa tín hiệu Ta có sơ đồ mô hình 4.7 Footer Page 16 of 126 Header Page 17 of 126 15 Hình 4.7 Sơ đồ mô hệ thống với điều khiển trượt 4.3.2 Thiết kế điều khiển mờ trƣợt a Cấu trúc điều khiển mờ Hình 4.9 Bộ điều khiển mờ b Mờ hóa đầu vào S S { AL, AN, BK, DN, DL} Hinh 4.10 Khai báo biến ngôn ngữ đầu vào điều khiển mờ Footer Page 17 of 126 Header Page 18 of 126 16 c Mờ hóa giá trị đầu U= {amlon, amnho, zero, duongnho, duonglon} Hình 4.11 Khai báo giá trị đầu điều khiển mờ d Xây dựng luật hợp thành Hình 4.12 Xây dựng luật hợp thành mờ e Giải mờ Thực giải mờ phương pháp trọng tâm 4.4 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.4.1.Bộ điều khiển trƣợt a Khi chưa thay đổi giá trị đặt Footer Page 18 of 126 Header Page 19 of 126 17 Đáp ứng hệ thống Hình 4.16 Đáp ứng hệ thống chưa thay đổi giá trị đặt BĐK trượt Nhận xét: - Tín hiệu điện áp hệ thống đáp ứng tốt theo giá trị đặt - Hệ thống điều chỉnh, xác lập tốt Tín hiệu điều khiển Tin hieu dieu khien cua he thong khong doi gia tri dat Voltage -2 -4 -6 -8 Time in [s] Hình 4.17 Tín hiệu điều khiển chưa thay đổi giá trị đặt BĐK trượt Footer Page 19 of 126 Header Page 20 of 126 18 b Khi thay đổi giá trị đặt Đáp ứng hệ thống Hình 4.18 Đáp ứng hệ thống thay đổi giá trị đặt ĐK trượt Tín hiệu điều khiển Tin hieu dieu khien cua he thong khong doi gia tri dat Voltage -2 -4 -6 -8 Time in [s] Hình 4.19 Tín hiệu điều khiển thay đổi giá trị đặt BĐK trượt Nhận xét: - Tín hiệu điện áp hệ thống đáp ứng tốt theo giá trị đặt Footer Page 20 of 126 Header Page 21 of 126 - 19 Tín hiệu điều khiển dao động nhiều, điều giảm tuổi thọ cấu điều khiển, SVC khâu thyristor 4.4.2 Bộ điều khiển mờ trƣợt a Khi chưa thay đổi giá trị đặt Đáp ứng hệ thống Hình 4.20 Đáp ứng hệ thống chưa thay đổi giá trị đặt BĐK mờ trượt Tín hiệu điều khiển -5 x 10 Tin hieu dieu khien cua he thong khong doi gia tri dat Voltage -2 -4 -6 -8 Time in [s] Hình 4.21 Tín hiệu điều khiển chưa thay đổi giá trị đặt BĐK mờ trượt Footer Page 21 of 126 Header Page 22 of 126 20 b Khi thay đổi giá trị đặt Đáp ứng hệ thống Hình 4.23 Đáp ứng hệ thống thay đổi giá trị đặt BĐK mờ trượt Tín hiệu điều khiển -5 Tin hieu dieu khien cua he thong x 10 Voltage -2 -4 -6 -8 Time in [s] Hình 4.24 Tín hiệu điều khiển thay đổi giá trị đặt BĐK mờ trượt Footer Page 22 of 126 Header Page 23 of 126 21 Nhận xét: - Tín hiệu điện áp hệ thống đáp ứng tốt theo giá trị đặt - Tín hiệu điều khiển có dao động, nhiên xét chu kỳ dòng điện tín hiệu thay đổi không đáng kể, nghĩa giảm tượng rung tín hiệu điều khiển nhiều 4.4.3 So sánh kết a So sánh tín hiệu điều khiển: Khảo sát tín hiệu hệ thống trường hợp sử dụng điều khiển mờ trượt điều khiển trượt Bộ điều khiển trƣợt Dap ung cua he thong thay doi gia tri dat Actual Value Set Value 1.0008 1.0006 Voltage in pu 1.0004 1.0002 0.9998 0.9996 0.9994 0.9992 0.999 2.7 2.75 2.8 2.85 2.9 2.95 Time in [s] 3.05 3.1 3.15 Hình 4.26 Tín hiệu điều khiển trượt Footer Page 23 of 126 Header Page 24 of 126 22 Bộ điều khiển mờ trƣợt Dap ung cua he thong thay doi gia tri dat Actual Value Set Value 1.13 1.12 Voltage in pu 1.11 1.1 1.09 1.08 1.07 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 Time in [s] 2.75 2.8 2.85 Hình 4.27 Tín hiệu điều khiển mờ trượt Nhận xét: Qua kết mô hai trường hợp điều khiển ta thấy sử dụng điều khiển mờ giảm đáng kể tượng rung (chattering), đáp ứng đầu trơn thấy tính ưu việt sử dụng điều khiển mờ trượt b Đáp ứng Bộ điều khiển mờ trượt điều khiển trượt Hinh 4.28 So sánh đáp ứng BĐK trượt mờ trượt Footer Page 24 of 126 Header Page 25 of 126 23 c Đáp ứng Bộ điều khiển PI Dap ung cua he thong su dung BDK PI 1.15 Gia tri dat Dap dung cua bo dieu khien PI Voltage in pu 1.1 1.05 0.95 0.9 Time in [s] Hình 4.29 Đáp ứng điều khiển PI Nhận xét: Độ điều chỉnh: Đáp ứng điều khiển Mờ trượt tốt hơn, điều chỉnh Thời gian xác lập: Bộ điều khiển PI có thời gian xác lập nhanh hơn, nhiên, phía thyristor có góc mở alpha min, điện áp có độ gợn sóng Với mục tiêu ổn định điện áp cuối đường dây, thấy điều khiển Mờ trượt cho chất lượng điều khiển tốt Footer Page 25 of 126 Header Page 26 of 126 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN - Khi sử dụng điều khiển trượt điều khiển SVC, tín hiệu điều khiển dao động lớn làm giảm tuổi thọ khâu công suất - Việc sử dụng điều khiển mờ trượt cho SVC cho kết khả quan Tín hiệu điều khiển giảm độ rung đáng Chất lượng điều khiển đáp ứng tốt với tín hiệu đặt cố định tín hiệu đặt thay đổi - Tuy giảm độ rung tín hiệu điều khiển nhiều chưa triệt tiêu hoàn toàn cấu chấp hành dễ bị hỏng hóc - Đề tài chưa nghiên cứu sâu bảo vệ cho thiết bị công suất chế độ làm việc SVC hệ thống điện bị cố KIẾN NGHỊ - Luận văn nghiên cứu việc điều khiển SVC lắp lưới điện 110kV, đưa phương pháp điều khiển trượt mờ trượt để điều khiển hệ SVC, nhiên việc nghiên cứu hệ thống giới hạn dựa mô hình toán học - Ngoài nghiên cứu lý thuyết, cần phải đưa hệ thống thiết kế vào vận hành thực tế để kiểm chứng kết Tuy nhiên với khả có hạn thời gian hạn chế, giải vấn đề đặt mức độ đơn giản xét ảnh hưởng hệ thống với hai thông số đầu vào điện áp nút - Mở rộng việc xây dựng hệ thống điều khiển với ảnh hưởng đầu vào bổ sung khác như: ảnh hưởng hệ thống điện khác, khả thay đổi thông số cấu trúc hệ thống Footer Page 26 of 126 ... điều khiển mờ trượt b Đáp ứng Bộ điều khiển mờ trượt điều khiển trượt Hinh 4.28 So sánh đáp ứng BĐK trượt mờ trượt Footer Page 24 of 126 Header Page 25 of 126 23 c Đáp ứng Bộ điều khiển PI Dap... 3.2.8 Mô hình mờ Tagaki-Sugen 3.2.9 Bộ điều khiển mờ a Cấu trúc điều khiển mờ b Nguyên lý điều khiển mờ c Thiết kế điều khiển mờ 3.3 CÁC BƢỚC XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƢỢT.[3] Footer Page 14 of... với phương pháp điều khiển kinh điển sử dụng điều khiển mờ - trượt để điều khiển SVC - Ý nghĩa thực tế: Nghiên cứu phương pháp điều khiển mờ trượt điều khiển thiết bị bù tĩnh SVC góp phần vận