Ứng dụng thuật toán PID thích nghi cho bộ điều khiển PSS2A trong nhà máy thủy điện

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Công trình ñược hoàn thành Header Page of 126 NGUYỄN HỒNG PHÚC ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN PID THÍCH NGHI CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN PSS2A ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hoàng Mai Phản biện 1: TS Nguyễn Bê Phản biện 2: TS Phan Văn Hiền TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN Luận văn ñã ñược bảo vệ Hội ñồng chấm luận văn tốt Chuyên ngành: Tự ñộng hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT nghiệp Thạc sỹ ngành Tự ñộng hóa họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 26 tháng 08 năm 2012 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Thư viện Học liệu, Đại học Đà Nẵng Đà Nẵng - Năm 2012 Footer Page of 126 Header Page of 126 MỞ ĐẦU Lý chọn ñề tài Trong vài năm qua, thuật ngữ “Power system stability” ñã Phạm vi nghiên cứu ñề tài nghiên cứu phương pháp ñiều khiển thích nghi cho ñiều khiển PSS2A nhà máy thủy ñiện Phương pháp nghiên cứu ñược nhắc ñến nhiều ñược sử dụng rộng rãi hệ thống - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu vấn ñề phát dẫn ñiện Tuy nhiên việc yêu cầu sử dụng ñiều khiển ổn ứng dụng ñiều khiển thích nghi, mô hình ñiều khiển PSS2A ñịnh hệ thống ñiện với thiết bị kích từ có ñã tạo nên ñối tượng có tham gia vào trình ñiều khiển nhiều nhầm lẫn khả ứng dụng mục ñích lợi ích chúng hệ thống [12] Đề tài: “Ứng dụng thuật toán PID thích nghi cho ñiều khiển PSS2A nhà máy thủy ñiện” cung cấp phương pháp - Phương pháp mô phỏng: Xây dựng mô hình mô ñể kiểm chứng phần mềm Matlab-Simulink Trên sở kết thu ñược mô hình ñể rút ñánh giá, kết luận Ý nghĩa khoa học thực tiễn ñề tài nghiên cứu phân tích ổn ñịnh dao ñộng nhỏ hệ - Ý nghĩa khoa học: thống ñiện PSS2A thiết bị ñiều khiển phụ, ñược sử dụng kết Đề tài hướng nghiên cứu ñiều khiển ổn ñịnh hợp với hệ thống kích từ máy phát, cung cấp tín hiệu ñiều khiển dao ñộng nhỏ hệ thống ñiện Góp phần nâng cao tính ổn ñể tăng cường làm giảm dao ñộng hệ thống mở rộng ñịnh hệ thống ñiện nâng cao chất lượng ñiện giới hạn truyền tải ñiện - Ý nghĩa thực tiễn: Để phục vụ cho công tác nghiên cứu, phương pháp ñược Nghiên cứu thành công ñề tài có ý nghĩa quan trọng nhiều nhà khoa học nước sử dụng nhiều ñó việc nghiên cứu nâng cao chất lượng ñiện ổn ñịnh phương pháp ñiều khiển thích nghi Trong luận văn tác giả sử dụng hệ thống ñiện Do cấu trúc không phức tạp, giá thành hợp lý phương pháp ñiều khiển thích nghi phần mềm Matlab Simulink, xây nên có giá trị thực tiễn dựng mô hình hoá mô hệ thống ñiều khiển Cấu trúc luận văn Mục tiêu nghiên cứu Mở ñầu Mục tiêu nghiên cứu ñề tài ứng dụng thuật toán PID thích Chương 1: Tổng quan máy phát ñiện ñồng hệ thống kích từ nghi cho ñiều khiển PSS2A Đánh giá ảnh hưởng hệ thống Chương 2: Điều khiển ổn ñịnh hệ thống ñiện kích từ có sử dụng ñiều khiển PID thích nghi cho Chương 3: Bộ ñiều khiển PID ñiều khiển thức nghi PSS2A ñến khả ổn ñịnh hệ thống Chương 4: Thiết kế ñiều khiển PID thích nghi cho ñiều khiển Đối tượng phạm vi nghiên cứu PSS2A nhà máy thủy ñiện Đối tượng nghiên cứu hệ thống kích từ cho máy phát ñiện nhà máy thủy ñiện Footer Page of 126 5 Header Page of 126 Chương TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ 1.1 KHÁI QUÁT VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ PHA Máy phát ñồng biến ñổi công suất thành công suất ñiện với ñiện áp tần số xác ñịnh, ñó ñộng sơ cấp cung cấp công suất cho máy phát ñộng diesel, tuabin hơi, tuabin thủy lực hay tuabin khí Cho dù loại ñộng sơ cấp ñược sử dụng ñể dẫn ñộng máy phát, ñặc tính chúng tốc ñộ phải gần không ñổi với nhu cầu ñiện tải.[6] 1.1.1 Kết cấu nguyên lý Ở ñây, ta xét kết cấu nguyên lý làm việc máy phát ñiện ñồng ba pha làm việc hệ thống ñiện Chúng có hai phần phần tĩnh phần quay 1.1.1.1 Phần tĩnh 1.1.1.2 Phần quay 1.1.2 Đặc ñiểm phân loại 1.1.2.1 Máy phát nhiệt ñiện 1.1.2.2 Máy phát thủy ñiện 1.2 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ Hệ thống kích từ có nhiệm vụ cung cấp dòng ñiện chiều cho cuộn dây kích từ nhằm giữ ñiện áp không ñổi phụ tải biến ñổi nâng cao giới hạn công suất truyền tải từ nhà máy ñiện vào hệ thống ñảm bảo ổn ñịnh tĩnh ổn ñịnh ñộng Hệ thống kích từ ñược chế tạo theo loại sau: 1.2.1 Hệ kích từ chiều 1.2.2 Hệ tự kích từ xoay chiều 1.2.2.1 Hệ chỉnh lưu tĩnh Footer Page of 126 1.2.2.2 Hệ chỉnh lưu quay 1.2.3 Hệ tự kích từ 1.2.3.1 Hệ tự kích từ chỉnh lưu nguồn áp 1.2.3.2 Hệ tự kích từ chỉnh lưu nguồn hỗn hợp 1.2.3.3 Hệ tự kích từ chỉnh lưu hỗn hợp có ñiều khiển 1.2.4 Tác ñộng hệ thống kích từ ñối với ổn ñịnh Duy trì ổn ñịnh hệ thống ñiện phụ thuộc tốc ñộ ñáp ứng khả cưỡng hệ thống kích từ Tăng khả cưỡng giảm thời gian ñáp ứng làm tăng ñộ ổn ñịnh, tác ñộng ñược minh họa hình 1.8 1.3 MÔ HÌNH HÓA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.3.1 Phương trình chuyển ñộng quay Phương trình chuyển ñộng quay ñược biểu diễn phương trình vi phân bậc sau: d∆ω r = (Tm − Te − K D ∆ω r ) dt 2H dδ = ω 0∆ω r dt (1.18) (1.19) 1.3.2 Mô hình máy phát nối với hệ thống nghiên cứu ổn ñịnh Trong nghiên cứu ổn ñịnh tín hiệu nhỏ hệ thống ta không sử dụng phương trình mô tả ñiện ñộng máy phát ñộc có ý nghĩa ñối với hệ thống nhỏ máy phát hoạt ñộng ñộc lập Do ñó ñể phục vụ cho toán ñặt ta thực mô hình hóa cho hệ máy phát ñược nối với hệ thống có công suất lớn [13] 1.3.2.1 Các phương trình máy phát ñồng 1.3.2.2 Các phương trình lưới Phương trình ràng buột cho hệ thống (1.35) 7 Header Page of 126 Đối chiếu thành phần d, q phương trình trên, rút Tuyến tính hóa phương trình ñiện áp: ∆u d = − Ra ∆id + Ll ∆iq − ∆ψ aq ñược (1.36), (1.37) Tổng hợp lại ta tính ñược thành phần id , iq mối quan hệ biến trạng thái ψ fd δ (1.39) Các phương trình mô tả hệ thống ñược phân tích phương trình phi tuyến, nghiên cứu phân tích ổn ñịnh tín hiệu nhỏ cho hệ thống ta thường sử dụng mô hình tuyến tính hóa rút ∆u q = − Ra ∆iq + Ll ∆id − ∆ψ ad (1.55) Phương trình ñiện áp viết cho giá trị nhiễu loạn dạng rút gọn là: ∆U t = K ∆δ + K ∆ψ fd (1.56) K5 K6 ñược tính từ (1.57) Từ phương trình ñược tổng hợp Mô hình hệ từ nhiễu loạn nhỏ mô hình hệ thống Do ñó ta cần phải tuyến thống tuyến tính ñược mô tả dạng sơ ñồ khối hình 1.13 tính hóa cho phương trình mô tả hệ thống 1.4 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG KÍCH TỪ 1.3.3 Tuyến tính hóa mô hình hệ thống Mô hình hệ thống kích từ ñược ñưa nghiên cứu phần Từ phương trình (1.39), phương trình dòng ñiện viết mối quan hệ giá trị nhiễu là: hệ thống kích từ tự kích sử dụng cầu chỉnh lưu có ñiều khiển hình 1.14 Đây hệ thống ñiều khiển liên tục ñược ∆id = m1∆δ + m2 ∆ψ fd (1.41) ∆iq = n1∆δ + n2 ∆ψ fd sử dụng phổ biến nhà máy ñiện 1.4.1 Mô hình hóa thành phần hệ thống kích từ m1 , m2 , n1 , n2 ñược xác ñịnh từ (1.42) Máy biến áp chỉnh lưu Tuyến tính hóa phương trình từ thông ta ñược: Nếu giá trị ñiện áp pha kí hiệu Ut ta viết: ∆ψ ad = − n2 Laqs ∆ψ fd − n1 Laqs ∆δ (1.44) Tuyến tính hóa phương trình mô men từ (1.30) ta ñược: ∆Te = ψ ad ∆iq + iq ∆ψ ad −ψ aq ∆id − id ∆ψ aq (1.46) (1.47) Sự biến thiên từ thông ψ fd ñược xác ñịnh phương trình ñộng học mạch kích từ: [ K3 ∆E fd − K ∆δ + sT3 ] K3 , K4 , T3 ñược xác ñịnh từ (1.51) Footer Page of 126 (1.60) Trong ñó KR số tỷ lệ TR số thời gian lọc Bộ có chức so sánh ñiện áp Udc phản hồi với giá trị tham chiếu ñể tạo ñiện áp Ue Điện áp gọi ñiện áp lỗi K1 , K2 ñược xác ñịnh từ (1.48) ∆ψ fd = KR Ut + sTR Bộ ñiều chỉnh ñiện áp tham chiếu (Bộ so sánh) Thay ∆id , ∆iq , ∆ψ ad , ∆ψ aq vào (1.46) ta ñược: ∆Te = K1∆δ + K ∆ψ fd U dc = tỷ lệ với ñiện áp sai lệch U e = k (U REF − U dc ) (1.61) Bộ khuếch ñại (1.50) Các khuếch ñại ñược ñặc trưng số khuếch ñại KA với số thời gian TA viết: Header Page of 126 UR = KA Ue + sTA 10 (1.62) Với khuếch ñại giá trị bão hòa cần phải ñược xác ñịnh, chẳng hạn URMIN < UR < URMAX ñược biểu diễn hình 1.18 Máy kích từ Máy kích từ chiều tự kích ñược mô tả hình 1.19 Eef = U R + E FD Ref dE FD Eef = E FD [1 + S e ( E FD )] + TE Rg dt (1.63) (1.64) U R − S E ( E FD ) E FD K E + sTE Từ khối thứ hình 1.20 ta có: KA E fd = (U REF − U − U ) + sT A Viết dạng nhiễu loạn nhỏ KA ∆E fd = (− ∆U ) + sTA (1.69) (1.70) (1.71) 1.5 TỔNG HỢP MÔ HÌNH HỆ THỐNG Thay Eef vào (1.26) ta viết ñược: E FD = Hay (1.68) Thay ∆U t từ (1.56) ta ñược: K K ∆U s∆U = ∆δ + ∆ψ fd − TR TR TR Từ phương trình (1.47), (1.50), (1.56), (1.67), (1.71), mô hình hệ thống ñược mô tả dạng sơ ñồ khối hình 1.21 (1.65) 1.6 CÁC THÔNG SỐ MÁY PHÁT VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ 1.7 KẾT LUẬN 1.4.2 Tổng hợp mô hình hệ thống kích từ Từ việc phân tích mô hình thành phần chi tiết trên, mô hình cấu trúc hệ thống kích từ hoàn chỉnh ñược trình bày hình 1.20 Mô hình hệ thống kích từ theo tiêu chuẩn IEEE ñược Chương ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 CÁC BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS Tùy vào loại tín hiệu ñầu vào PSS ñược sử dụng mà kí hiệu ST1A Với hệ thống kích từ loại ST1A thông số máy kích từ PSS có tên gọi khác khả ñiều khiển chúng KE=1, TE=0 SE=0, KF TF hệ số khuếch ñại số thời Với vài biến ñổi nhỏ, nhiều ổn ñịnh công suất dựa gian mạch ổn ñịnh ñiều khiển, hệ thống không sử dụng sở ñộ sai lệch tốc ñộ ñã ñược chế tạo sử dụng Tuy nhiên mạch ổn ñịnh khối ñược bỏ qua với ổn ñịnh hệ thống ñiện dựa tốc ñộ hạn chế nó kích thích mô hình dao ñộng xoắn Tuyến tính hóa cho mô hình hệ thống kích từ Từ khối thứ hình 1.20 ta sử dụng giá trị nhiễu loạn vào tốc ñộ ñiều khiển ñầu vào kép công suất-tốc ñộ nhỏ ta có: ∆U = Để khắc phục hạn chế ñã nêu PSS có tín hiệu ∆U t + sTR Footer Page of 126 (1.67) (∆P-ω), hay gọi ổn ñịnh công suất gia tốc ñã ñược xem xét thiết kế Với loại PSS tín hiệu công suất ñược sử dụng Header Page of 126 11 12 công suất gia tốc máy phát mà có tương tác xoắn thấp Với ñiều khiển loại hệ số khuếch ñại PSS ñược tăng lên mà không làm ñi ổn ñịnh từ ñó làm tắt nhanh dao ñộng Theo tiêu chuẩn IEEE ñược kí hiệu PSS2A 2.2 BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS2A 2.2.1 Cơ sở lý thuyết PSS2A từ máy phát, với mục ñích tạo thành phần mô men ñiện rotor máy phát ñồng bộ, thành phần mô men tác ñộng giống mô men cản ñể chống lại dao ñộng rotor Để hiểu ñược tác ñộng PSS2A ta xét sơ ñồ khối hệ thống hình 2.1 vòng sơ ñồ không xét ñến tác ñộng ñiều chỉnh ñiện áp (2.1) Khi ñó hệ số mô men ñồng tổng bằng: K s = K1 + K s ( ∆ψ fd ) = K1 + − K K3K − K K3K5 K A (2.7) + K3 K6 K A ñược ñặt trưng số khuếch ñai KA có khuynh hướng làm tăng thành phần mô men ñiện trạng thái ổn ñịnh Như vậy, tác ñộng ñiều chỉnh ñiện áp tạo thành phần mô men ñồng hóa dương thành phần mô men giảm âm Trong trường hợp với máy kích từ có ñáp ứng cao tạo một men hãm âm Do ñó có mâu thuẫn yêu cầu với ñộ nhạy kích từ Hoạt ñộng PSS2A tác ñộng thông qua khối hàm truyền ñạt GEP(s) mô men ñiện ñầu vào hệ thống máy kích từ ñể Như phản ứng phần ứng làm giảm ñồng hóa mô men K2K3K4 khắc phục hạn chế ñã nêu ñiều chỉnh ñiện áp Cấu trúc Lead/Lag ñiều khiển PSS2A ñược mô tả Mô tả cho thay ñổi thành phần mô men ñiện theo thay ñổi ∆Te = K1∆δ + K ∆ψ fd (2.2) Ở trạng thái ổn ñịnh s = jω = ta viết lại phương trình mô men = K ∆ψ fd (2.4) Sự biến thiên từ thông ∆ψ fd ñược xác ñịnh từ mạch vòng ñiều khiển hình 2.1 ñược viết phương trình (2.5) Từ (3.6) ta xác ñịnh hệ số mô men ñồng hóa là: Footer Page of 126 hình 2.2 2.2.2 Chức PSS2A góc ñược viết sau: ∆ψ fd (2.6) có lợi việc tăng mô men ñồng hóa, nhiên ñó Các thành phần mô men ñiện ñược tạo thông qua mạch ∆Te − K K3 K − K K3 K5 K A 1+ K K K A Từ phương trình (2.7) ta nhận thấy tác ñộng AVR Bộ ổn ñịnh hệ thống ñiện phận phụ hệ thống kích K K K ∆Te = K1∆δ − ∆δ + sT3 K s ( ∆ψ fd ) = Tác dụng PSS2A mở rộng giới hạn ổn ñịnh hệ thống ñiện cách cung cấp bổ sung giảm dao ñộng rotor máy phát ñồng thông qua hệ thống kích từ máy phát ñồng Để làm giảm nhanh dao ñộng rotor, PSS2A tạo thành phần mô men ñiện ñặt lên rotor góc pha có tốc ñộ biến thiên Thành phần mô men tỷ lệ với ñộ sai lệch tốc ñộ thực tốc ñộ ñồng Khi rotor có dao ñộng thành phần mô 13 14 men tác ñộng giống mô men cản ñể chống lại dao ñã biết công suất thay ñổi chậm nhiều ñược thể ñộng rotor rõ ñộ dốc ñường ñặc tính làm việc Header Page of 126 Như ñã phân tích trên, trễ pha mạch vòng ñiều Vì lý này, tín hiệu tích phân sai lệch công suất khiển hệ thống kích từ nên tạo thành phần mô men ñược ñưa qua lọc thông thấp ñể giảm tần số xoắn, lọc giảm ∆TD Mục ñích PSS2A tạo tín hiệu ñiều ñược gọi lọc “Ramp-Tracking” Một lọc thông thấp ña khiển ñể bù cho thành phần mô men giảm Từ mục ñích ñó cực cho phép tín hiệu công suất thay ñổi chậm ñi cấu trúc PSS2A gồm khối bù pha ñể bù cho trể pha qua Sơ ñồ khối thực ñể ñưa tín hiệu công suất ñược biểu ñầu vào máy kích từ mô men ñiện diễn hình 2.3 Tiếp theo xác ñịnh tín hiệu công suất gia tốc 2.2.3 Cấu trúc PSS2A Bộ PSS2A loại có nhiều ñầu vào ñược thiết kế dựa sở phương trình ñiện máy phát Phương trình ñộng học cho tốc ñộ rotor hàm mô men ñược viết sau: d∆ω 1 = (∆Tm − ∆Te ) = ∆Tac dt 2H 2H ∆Pacc = ∆Pm' − ∆Pe (2.17) Bây quay lại xem xét chất tín hiệu ñầu vào tốc ñộ công suất ñiện Cả tín hiệu tốc ñộ công suất ñiện (2.13) nói chung ñều có giá trị trạng thái ổn ñịnh thay ñổi từ từ chu kì thời gian dài Vì lý mà hầu hết PSS2A Trong hệ ñơn vị tương ñối ta xem mô men công suất ñược thiết kế phải sử dụng lọc thông cao cho tín hiệu ñầu có giá trị tương ñương Thay mô men (T) công suất (P) vào, lọc ñược gọi lọc “Washout” (hình 2.5) Bộ lọc viết lại phương trình ta ñược có tác dụng loại bỏ tín hiệu thay ñổi với tần số thấp ∆Pm = Hs∆ω + ∆Pe (2.14) Tích phân sai lệch công suất gia tốc ñầu vào Trong thực tế việc ño lường trực tiếp tín hiệu công suất PSS2A có cấu trúc phase Lead/Lag với số khuếch ñại khó khăn Do ñó phương trình cho phép hàm giới hạn ñầu Khả bù PSS phụ thuộc vào việc tính tổng hợp hiệu tín hiệu công suất từ tín hiệu tốc ñộ chọn giá trị KPSS số thời gian Ở ñây số thời công suất ñiện ño ñược, ñây tín hiệu tốc ñộ công suất ñiện ta gian trễ vượt ñược ñiều chỉnh khoảng 0.01s ≤ T ≤ 6s ño ñược dễ dàng Tuy nhiên, nhược ñiểm phép tổng Vậy cấu trúc hoàn thiện PSS2A ñược mô tả sau hợp công suất ñiện thay ñổi nhanh có biến cố thoáng hình 2.7 (Theo tiêu chuẩn IEEE) qua (tức thời) hệ thống công suất Điều làm cho công 2.2.4 Tính chọn tham số cho PSS2A suất ñược tổng hợp thay ñổi nhanh Trong thực tế 2.2.4.1 Chọn thông số cho lọc thông cao Với cấu trúc lọc thông cao ñã trình bày giá trị số thời gian lọc Tw phải ñược chọn ñủ lớn ñể cho phép Footer Page of 126 Header Page of 126 15 16 dao ñộng kết hợp với thay ñổi tốc ñộ công suất ñiện ñi qua Ở tần số dao ñộng 12,56 rad/s, tức s = jω = j12,56 ∆ψ không ñổi Tw không giới hạn có giá trị dãi ∆u s từ ñến 20s Trong trường hợp ta chọn số thời gian cho lọc “Washout” ñầu vào Tw = 10s ñó có tần số cắt có khu vực, ñó giá trị số thời gian lọc ñã chọn hợp lý 2.2.4.2 Chọn thông số lọc “Ramp-Tracking” Hàm truyền ñạt dạng tổng quát (2.22) Hầu hết lọc “Ramp-tracking” ta thường sử dụng với hệ số N=1 M=5 Điều cung cấp lọc cực với quan hệ tử số mẫu số số nhỏ Các số thời gian T8 T9 lọc ñược chọn cho cung cấp ñủ suy giảm tất tần số xoắn trục thời gian bám theo thay ñổi mô men ñiện Ở ñây T9 thường ñược chọn 0.1s chấp nhận ñược, ñó T8 = 0.5s Khi ñó: PSS A = K ∆ψ fd (2.36) PSS A ∆TPSS A = 1,4329∠ − 45,210 ∆u s (2.37) Với PSS2A ta sử dụng giai ñoạn bù ñó giai ñoạn bù góc có giá trị φMax = 45,210/2 = 22,6050 Thay vào (2.31) ta tính ñược giá trị “a” sau: ϕ Max = sin −1 ( a −1 ) = 22,605 a +1 Suy ra: a = 2,2489 Từ (2.32) ta tính ñược số thời gian T T= ∆ω Max a = = 0,053 s 12,56 2,2489 Suy số thời gian khâu Phase Lead Hàm truyền ñạt khâu phase Lead (2.30) Góc vượt pha lớn (φMax) cần bù trường hợp ñược mô tả (2.31) Hằng số thời gian T xác ñịnh tần số dao ñộng ∆ωMax (2.32) với góc vượt pha ñể bù cho trễ pha lớn Giả sử, hệ thống xảy dao ñộng với tần số ∆ω Max = 12,56 rad/s tương ứng với ∆f Max = Hz Từ phân tích ta tiến hành tính góc pha cần bù trường hợp sau Từ hình 2.1 biến thiên từ thông tác ñộng PSS2A Footer Page of 126 80,32 37,0637 + j 37,3421 ∆TPSS A = ∆Te 2.2.4.3 Chọn thông số cho khâu bù Lead/Lag K K = A (− K ∆ψ fd + ∆u s ) + sT3 = Thành phần mô men ñiện PSS2A tác ñộng là: giá trị 0.0159Hz Tần số thấp tần số mô hình liên ∆ψ fd fd (2.33) T2 = T4 = T = 0,053 s T1 = T3 = aT = 0,12 s Cuối ta xác ñịnh hệ số khuếch ñại KPSS Từ (2.41), hệ số mô men ñồng tổng là: K s = K1 + K s ∆ψ fd = 0,7193 + 0,1382 = 0,8575 (pu mômen/rad) Thành phần mô men cản ∆ψ fd là: TD ( ∆ψ fd ) = −0,1917( j∆δ ) Từ ∆ω = s∆δ / ω0 = jω∆δ / ω0 TD (∆ψ fd ) = −0,1917( j∆δ ) = (2.42) − 0,1917ω0 ω ∆ω (2.43) 17 Header Page of 126 18 Với ω = 12,56 rad / s TD ( ∆ψ fd ) = −4,8∆ω 3.1.2 Các phương pháp xác ñịnh tham số ñiều khiển PID (2.44) Toàn hệ số mô men cản có tác ñộng AVR 3.1.2.1 Phương pháp Ziegler-Nichols Phương pháp Ziegler-Nichols pháp thực nghiệm ñể xác ñịnh tham số ñiều khiển P, PI, PID cách dựa vào ñáp ứng PSS2A là: K D = K D ( AVR ) + K D ( PSS ) = −4,8 + K PSS (1,4329) H (2.45) Như từ (2.45) ta thấy rằng, ñiều khiển PSS2A với mục ñích tạo thành phần mô men ñiện ñể bù cho giảm âm ñộ ñối tượng ñiều khiển Tùy theo ñặc ñiểm ñối tượng, Ziegler Nichols ñã ñưa hai phương pháp lựa chọn tham số ñiều khiển mô men ñồng tác ñộng ñiều khiển AVR Ở ñiều kiện Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất: Phương pháp áp lý tưởng thành phần mô men bù xác cho thành phần dụng cho ñối tượng có ñáp ứng ñối với tín hiệu vào hàm nấc có mô men bị giảm, nghĩa là: dạng chữ S hình 3.3 nhiệt ñộ lò nhiệt, tốc ñộ ñộng cơ,… K D = −4,8 + K PSS (1,4329)2 H = Vậy hệ số KPSS ñược chọn cho trường hợp là: K PSS = 4,8 = 1,1166 1,4329 * H Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai: Phương pháp áp dụng cho ñối tượng có khâu tích phân lý tưởng mực chất lỏng bồn chứa, vị trí hệ truyền ñộng dùng ñộng cơ, … Đáp ứng ñộ hệ hở ñối tượng tăng ñến vô Phương pháp ñược thực sau: [10] 2.2.4.4 Giới hạn PSS2A Giới hạn ñầu ổn ñịnh ñược cài ñặt dãi giá trị từ − 0,15 < us < 0,15 pu - Thay ñiều khiển PID hệ kín khuếch ñại hình 3.4 - Tăng hệ số khuếch ñại tới giá trị tới hạn kth ñể hệ kín chế ñộ biên giới ổn ñịnh, tức h(t) có dạng dao ñộng ñiều hòa 2.3 KẾT LUẬN Chương BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI - Xác ñịnh chu kỳ Tth dao ñộng 3.1.2.2 Phương pháp Chien-Hrones-Reswick Phương pháp áp dụng cho ñối tượng có ñáp ứng 3.1 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ñối với tín hiệu vào hàm nấc có dạng chữ S hình 3.6 3.1.1 Khái quát ñiều khiển PID có thêm ñiều kiện b/a > Cấu trúc ñiều khiển PID hình 3.1 gồm có ba thành 3.1.2.3 Phương pháp tối ưu modul phần khâu khuếch ñại (P), khâu tích phân (I) khâu vi phân (D) 3.1.2.4 Phương pháp tối ưu ñối xứng Khi sử dụng thuật toán PID thiết phải lựa chọn chế ñộ làm việc 3.2 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI P, I hay D sau ñó ñặt tham số cho chế ñộ ñã chọn Một cách 3.2.1 Giới thiệu chung tổng quát, có ba thuật toán ñược sử dụng P, PI PID Footer Page of 126 Điều khiển thích nghi tổng hợp kỹ thuật nhằm tự ñộng Header Page 10 of 126 19 chỉnh ñịnh ñiều chỉnh mạch ñiều khiển ñể thực hay trì mức ñộ ñịnh chất lượng hệ thông số 20 hóa hàm ñặc tính ñó Các thành phần vec tơ trình ñiều khiển trước thay ñổi theo thời gian Hệ thống ñiều khiển thích nghi gồm có hai vòng: vòng hồi tiếp thông thường vòng hồi tiếp ñiều khiển thích nghi Các ñiều khiển thích nghi thường lựa chọn hợp lý, ta khả không kinh tế, khảo sát cách hoàn hảo thay ñổi biến trình 3.2.2 Hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) Mô hình mẫu ñược chọn ñể tạo ñáp ứng mong muốn ñối với tín hiệu ñặt, ym , mà ngõ hệ thống, y, phải bám theo Hệ thống có vòng hồi tiếp thông thường bao gồm ñối tượng ñiều khiển Sai lệch bám e hiệu ngõ hệ thống ngõ mô hình mẫu, e = ym - y Bộ ñiều khiển có thông số thay ñổi dựa vào sai số Hệ thống có hai vòng hồi tiếp: vòng hồi tiếp vòng hồi tiếp thông thường vòng hồi tiếp hiệu chỉnh tham số cho vòng hồi tiếp bên Vòng hồi tiếp bên ñược giả thiết nhanh vòng hồi tiếp bên Hệ thống thích nghi mô hình mẫu ñược phân thành hai loại: trực tiếp gián tiếp 3.2.3 Luật thích nghi - Luật MIT (Massachusetts Institute Technology) - Hàm Lyapunov xác ñịnh dương - Phương pháp gradient phương pháp bình phương bé dựa tiêu chí ñánh giá hàm chi phí sai lệch bám 3.2.3.1 Phương pháp ñộ nhạy (Luật MIT) Phương pháp ñộ nhạy ñược sử dụng ñể thiết kế luật thích nghi cho tham số ước lượng ñược ñiều chỉnh theo hướng tối thiếu Footer Page 10 of 126 ∂e ñạo hàm ñộ nhạy sai số với ∂θ tham số chỉnh ñịnh θ Thông số γ xác ñịnh tốc ñộ thích nghi Luật MIT ñược giải thích sau: giả sử thông số θ thay ñổi chậm nhiều so với biến khác hệ thống, ñể bình phương sai số bé cần thay ñổi tham số theo hướng gradien âm bình phương sai số (e2) Trở ngại phương pháp luật thích nghi ñược thực thi ñược tạo on-line Việc sử dụng hàm ñộ nhạy ước lượng ñể thực ñược dẫn ñến sơ ñồ ñiều khiển thích nghi mà tính ổn ñịnh thấp thiết lập ñược 3.2.3.2 Gradient phương pháp bình phương bé dựa tiêu chí ñánh giá hàm chi phí sai số Phương pháp Gradient hàm chi phí ñược sử dụng cho việc triển khai luật thích nghi ñể ước lượng tham số quan tâm θ mô hình tham số Phương pháp gradient bao gồm việc khai triển phương trình sai số ước lượng ñại số làm ñộng thúc ñẩy việc lựa chọn hàm chi phí gần ñúng J(θ) mà hàm lồi toàn không gian θ(t) Sau ñó, hàm chi phí ñược cực tiểu hóa theo tham số θ(t) phương pháp gradient sau: θ = − γ ∇J (θ ) 3.2.3.3 Hàm Lyapunov Trong phương pháp này, lý thuyết ổn ñịnh Lyapunov (tiêu chuẩn ổn ñịnh thứ hai) dung ñể thiết kế luật thích nghi, ñảm bảo ổn ñịnh cho hệ thống vòng kín Do ñó, sơ ñồ ñiều khiển thích nghi dựa lý thuyết ổn ñịnh Lyapunov không gặp trở ngại Header Page 11 of 126 21 22 U = K p ( ∆ω dm − ∆ω ) sơ ñồ sử dụng luật MIT Tiêu chuẩn ổn ñịnh thứ hai Lyapunov ñiều kiện ñủ, không (4.6) Thay (4.6) vào (4.5) ta ñược: phải ñiều kiện cần Nếu thỏa tiêu chuẩn hệ ổn ñịnh, không ⇒ ∆ω = thỏa vấn ñề kết luận tính ổn ñịnh bỏ ngõ, phụ thuộc vào cách chọn hàm mục tiêu xác ñịnh dương V(x) biến trạng thái x bK p 0,12s + s + bK p ∆ω dm Sai số hệ thống vòng kín: e = ∆ω − ∆ω m 3.3 KẾT LUẬN Chương ⇒ KHIỂN PSS2A TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 4.1 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ số tỉ lệ Kp ñiều khiển ñược thông số b trình (4.1) ñược Do ñó phải sử dụng phép xấp xỉ ñể loại bỏ ñi thông số chưa biết Áp dụng nguyên tắc tối ưu ñối xứng, ta chọn ñiều khiển PI Hàm truyền ñạt mong muốn hệ thống vòng kín: Do tham số Kpss phục thuộc vào sai lệch tốc ñộ ∆ω nên tham số b ⇔ ∆ω m = biến ñổi Do ñó ñiều khiển kinh ñiển tự cập nhật theo thông số b trình ñược Vấn ñề ñặt thiết kế ñiều khiển cho thích nghi với trình thông số b thay ñổi theo thời gian khoảng tương ñối rộng Bộ ñiều khiển thích nghi mô hình tham chiếu (MRAS) giải 4.2 GIẢI THUẬT (0,12s + s + bK p )Y = bK pU C ≡ (0,12 s + s + 20)Ym = 20U C Hay bK pU C = 20 Do ñó phương trình (4.11) xấp xỉ: Chọn Kp tham số ñiều khiển Footer Page 11 of 126 dt (4.5) (4.13) muốn phương trình (4.7) ñạt tới phương trình mong muốn (4.12): dK p Hàm truyền ñạt vòng hở trình (4.4) 20∆ω dm (0,12s + s + 20) Khi hàm truyền ñạt hệ thống ñạt tới hàm truyền ñạt mong toán Luật ñiều khiển: (4.10) Phương trình (4.11) sử dụng trực tiếp ñể cập nhật hệ Từ ñó ta có hàm truyền ñạt ñối tượng là: ⇔ (0,12 s + s ) ∆ω = bU ∂e b(0,12s + s ) = ∆ω dm ∂K p (0,12s + s + bK p ) Do ñó, theo luật MIT, luật cập nhật hệ số tỉ lệ Kp có dạng (4.11) Sơ ñồ cấu trúc mạch vòng hình 4.1 (4.9) Từ (4.8) suy ñộ nhạy sai số theo hệ số tỉ lệ Kp THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI BỘ ĐIỀU K K K A K PSS S (s) = (1 + sT3 )(2 Hs + K D ) (4.8) = − γ ′e  b(0,12s + s )  ∂e ∆ω dm  (4.14) = − γ ′( ∆ω − ∆ω m )  ∂K p  (0,12s + s + 20)  Hơn nữa, ñặt thể xấp xỉ: γ = − γ ′ b , lần phương trình (4.14) có 23 Header Page 12 of 126 24  (0,12s + s )  = − γ ′(∆ω − ∆ω m )  ∆ω dm  (4.15) 2 dt  (0,12 s + s + 20)  dK p Phương trình (4.14) ñã loại bỏ thông số b qua lần xấp xỉ ñó sử dụng ñể cập nhật hệ số tỉ lệ Kp ñiều khiển Với phép xấp xỉ hàm truyền ñạt vòng kín hệ thống Hình 4.3 Mô hình mô ñiều khiển PSS2A hội tụ hàm truyền ñạt vòng kín mong muốn thông số γ ñược chọn ñủ nhỏ Phép xấp xỉ γ ′ = − γ ′ b ñã gộp thông số b thay ñổi KHOI THICH NGHI theo thời gian vào γ, hay nói cách khác γ trở thành thay ñổi theo thời gian LUAT DIEU KHIEN Add1 delta Add delta-m b trình Việc lựa chọn thông số γ ' ñiều khiển thích nghi phải vào tầm thay ñổi thông số b hệ thống hoạt ñộng 4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG BẰNG MATLABSIMULINK 4.3.1 Các sơ ñồ mô MATLAB-SIMULINK Kp Tóm lại, tính ổn ñịnh hệ thống phụ thuộc nhiều vào thông số 1 s 0.12s2+s Integrator den(s) delta-dm Transfer Fcn Kp s Product1 In1 Integrator Product Add Out1 Product Hình 4.5 Luật ñiều khiển Hình 4.4 Khối thích nghi 4.3.2 Các kết mô Điện áp ñầu cực máy phát DIEN MO HINH MAY PHAT LAM VIEC DOC LAP NOI LUOI AP DA U CUC MA Y PHA T Ut ps s 2A t hic h nghi k hong ps s 2A 1.02 1.01 Scope U t( p u ) y2 Vabc Vt y Scope5 T o Workspace 0.7516 Do luong1 0.98 T o Workspace4 Dieu toc Scope4 Scope1 0.97 wref Pref m Iabc Pm Pm y1 It Va b c A A B B we A Vf _ b B c C B c C c C C B C y5 B To Workspace5 t 11 (s ) 12 13 14 15 Hình 4.6 Điện áp ñầu cực máy phát không PSS2A PSS2A_Thích nghi 10,000 MVA, 230 kV source Điện áp kích từ MC A T o Workspace3 v s tab Scope2 b DZ a MBA y3 Vf vq b C DO LUONG A vd 10 gian A B C MAY PHAT 200 M VA 13.8 kV Thoi a A T ermi nator v ref Do luong3 a gate dw T o Workspace1 Ia b c Pe0 1 0.99 T o Workspace2 y4 tai PSS DIEN A P HT kich tu KICH TU Uk t w Swi tch Scope3 Out1 Pe pss 2A thic h nghi k hong ps s 2A 2.2 300MW 1.8 b Conti nuous U k t( p u ) 1.6 1.4 1.2 Hình 4.2 Mô hình mô máy phát ñộc lập nối với lưới ñiện 0.8 0.6 0.4 10 Thoi gian t 11 (s ) 12 13 14 15 Hình 4.7 Điện áp kích từ PSS2A PSS2A_Thích nghi Footer Page 12 of 126 25 Header Page 13 of 126 26 Tốc ñộ rotor KẾT LẬN VÀ KIẾN NGHỊ TOC DO RO TO W r 1.004 ps s 2A thic h nghi k hong ps s 2A 1.003 dụng thuật toán PID thích nghi cho ñiều khiển PSS2A nhà 1.002 w ( p u ) Qua trình nghiên cứu thực luận văn tốt nghiệp“Ứng 1.001 máy thủy ñiện” ñã ñạt ñược số kết sau: 0.999 Mô hình hóa ñược hệ thống gồm máy phát ñược nối với hệ thống 0.998 0.997 Thoi 10 gian t (s ) 11 12 13 ñể phục vụ cho toán nghiên cứu ổn ñịnh tín hiệu dao ñộng nhỏ Nghiên cứu vai trò chức PSS2A từ ñó ñưa Hình 4.8 Dao ñộng tốc ñộ rotor phương pháp tính chọn tham số cho ổn ñịnh công suất PSS2A Điện áp ñầu PSS2A DIEN AP DAU RA PSS2A ps s 2A t hic h nghi Nghiên cứu phương pháp thực thi ñiều khiển thích nghi 01 theo mô hình mẫu (MRAS) Từ ñó thiết kế ñiều khiển thích nghi U p s s ( p u ) 005 theo mô hình mẫu ñược dựa lý thuyết ổn ñịnh Lyapunov -0 005 -0 01 -0 015 Thoi 10 gian t (s ) 11 12 13 (tiêu chuẩn ổn ñịnh thứ hai) nhằm ñạt ñược hệ thống ñiều khiển ổn ñịnh có tiêu chí hàm ñặc tính mong muốn Hình 4.9 Điện áp ñầu Upss2A Xây dựng mô hình mô ñể kiểm chứng phần mềm Công suất tác dụng Pe CONG SUAT TAC DUNG Matlab-Simulink Pe ps s2A t hich nghi k hong ps s 2A Với kết trên, cho thấy mô hình thiết kế ñảm bảo tốt yêu P e ( p u ) cầu chức ñiều khiển, ñây sở quan trọng ñể tiến hành thử nghiệm với mô hình thực tế Tuy nhiên, với thời gian nghiên cứu có hạn, luận văn Thoi 10 gian t 11 12 13 (s ) giải ñược vấn ñề sở lý thuyết hệ thống tự Hình 4.10 Công suất tác dụng Pe ñộng ổn ñịnh ñiện áp ổn ñịnh công suất, triệt tiêu dao ñộng Dòng ñiện ñầu cực máy phát It DONG DIEN DA U CUC MA Y nhỏ máy phát ñiện Mô hình mô hoạt ñộng cho kết PHAT It ps s 2A t hic h nghi k hong ps s 2A tốt Một hạn chế luận văn I t( p u ) 1 dừng lại việc nghiên cứu ổn ñịnh cho máy phát ñộc lập nối với hệ thống, thực tế nhà máy thường có nhiều nhà 8 Thoi 10 gian t (s ) 11 Hình 4.11 Dòng ñiện ñầu cực máy phát It 5.3 KẾT LUẬN Footer Page 13 of 126 12 13 máy làm việc song song với Do ñó, ñể ứng dụng ñiều khiển vào thực tiễn ta cần phải xem xét ñến trường hợp ñây hướng phát triển ñề tài  ... tham gia vào trình ñiều khiển nhiều nhầm lẫn khả ứng dụng mục ñích lợi ích chúng hệ thống [12] Đề tài: Ứng dụng thuật toán PID thích nghi cho ñiều khiển PSS2A nhà máy thủy ñiện” cung cấp phương... 4: Thiết kế ñiều khiển PID thích nghi cho ñiều khiển Đối tượng phạm vi nghi n cứu PSS2A nhà máy thủy ñiện Đối tượng nghi n cứu hệ thống kích từ cho máy phát ñiện nhà máy thủy ñiện Footer Page... 2: Điều khiển ổn ñịnh hệ thống ñiện kích từ có sử dụng ñiều khiển PID thích nghi cho Chương 3: Bộ ñiều khiển PID ñiều khiển thức nghi PSS2A ñến khả ổn ñịnh hệ thống Chương 4: Thiết kế ñiều khiển