Nghiên cứu ứng dụng bộ bù SVC với thuật toán điều khiển mờ cho lưới truyền tải ở nước ta

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng bù SVC với thuật toán điều khiển mờ cho lưới truyền tải nước ta Tác giả luận văn: Lê Văn Minh Khóa: 2009 - 2011 Người hướng dẫn: GS.TS Nguyễn Trọng Thuần Nội dụng tóm tắt: a) Lý chọn đề tài Để nâng cao chất lượng điện năng, việc áp dụng tiến khoa học công nghệ bán dẫn vào lĩnh vực sản xuất, truyền tải phân phối điện có ý nghĩa vô quan trọng Các ứng dụng đặc biệt rõ nét việc tạo nguồn cơng suất phản kháng có giá trị thay đổi linh hoạt đảm bảo đáp ứng biến thiên phụ tải, thay đổi thông số hệ thống Để tạo nguồn cung cấp công suất phản kháng đảm bảo yêu cầu trên, người ta dùng bù tĩnh (SVC) có cơng suất phản kháng ngõ thay đổi liên tục Khi sử dụng SVC đảm bảo cân công suất phản kháng hệ thống, chất lượng điện nâng cao, điện áp nút phụ tải giữ ổn định, làm giảm tổn thất nâng cao hiệu truyền tải đường dây Để đáp ứng yêu cầu ngày cao hệ thống điều khiển ta áp dụng hướng điều khiển là: điều khiển mờ cho bù SVC Việc nghiên cứu điều khiển bù SVC dùng điều khiển mờ vấn đề cần thiết, có ý nghĩa quan trọng, có khả ứng dụng vào thực tế để nâng cao chất lượng thiết bị b) Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi phạm vi nghiên cứu Mục đích: Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ để nâng cao chất lượng bù tĩnh SVC nhằm nâng cao chất điện hệ thống điện công suất lớn Đối tượng nghiên cứu: Bộ bù tĩnh SVC Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát, xây dựng thuật tốn điều khiển mờ cho bù SVC, dùng cơng cụ Matlab Simulink để mô hệ thống, so sánh chất lượng điều khiển PID truyền thống PID mờ c) Tóm tắt nội dung đóng góp tác giả Với mục tiêu phạm vi nghiên cứu nêu luận văn bố cục thành chương: Chương I: Tổng quan hệ thống điện Việt Nam vấn đề điều chỉnh cân công suất phản kháng hệ thống Chương II: Vai trò thiết bị bù SVC hệ thống điện Chương III: Xây dựng thuật toán điều khiển mờ cho bù SVC Chương IV: Mô phỏng, kết đánh giá Kết luận kiến nghị d) Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng thuật tốn điều khiển - Mơ hình hóa, mơ máy tính để phân tích, kiểm nghiệm e) Kết luận Các vấn đề đề cập luận văn cho thấy khả ứng dụng điều khiển mờ cho bù tĩnh SVC việc điều khiển công suất ổn định hệ thống điện, đồng thời nâng cao chất lượng điện áp cho phụ tải điện Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ VĂN MINH LÊ VĂN MINH ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ BÙ SVC VỚI THUẬT TOÁN DIỀU KHIỂN MỜ CHO LƯỚI TRUYỀN TẢI Ở NƯỚC TA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HĨA KHỐ 2009 Hà Nội – Năm 2011 Lê Văn Minh – ĐK & TĐH I Khóa 2009 Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ VĂN MINH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ BÙ SVC VỚI THUẬT TOÁN DIỀU KHIỂN MỜ CHO LƯỚI TRUYỀN TẢI Ở NƯỚC TA Chuyên ngành : ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : GS.TS NGUYỄN TRỌNG THUẦN Hà Nội – Năm 2011 Lê Văn Minh – ĐK & TĐH II Khóa 2009 Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang Lời cam đoan Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM VÀ VẤN ĐỀ ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG 1.1 Khái niệm chung hệ thống điện lưới điện 1.1.1 Hệ thống điện 1.1.2 Lưới điện 1.1.3 Điện áp lưới điện 1.1.4 Khả tải lưới điện 1.1.5 Tiêu chuẩn đánh giá lưới điện 1.2 Tổng quan hệ thống điện Việt Nam 10 1.2.1 Tình hình phát triển hệ thống điện Việt Nam 10 1.2.2 Hiện trạng hệ thống điện Việt Nam giai đoạn gần 11 1.2.3 Hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2010 đến 2015 14 1.2.4 Tình trạng vận hành lưới điện 16 1.3 Vấn đề điều chỉnh công suất phản kháng hệ thống 17 1.3.1 Hoạt động hệ thống điện 17 1.3.2 Ảnh hưởng điện áp đến hoạt động HTĐ 22 1.3.3 Quan hệ công suất phản kháng – điện áp 23 1.3.4 Quan công suất phản kháng ổn định HTĐ 24 1.3.5 Điều chỉnh điện áp, tổn thất công suất tổn thất điện 27 1.3.6 Phân cấp điều chỉnh điện áp HTĐ 28 Lê Văn Minh – ĐK & TĐH III Khóa 2009 Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học CHƯƠNG 29 VAI TRÒ CỦA THIẾT BỊ BÙ SVC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Thiết bị bù công suất phản kháng SVC 29 2.1.1 Vai trò thiết bị bù ngang 29 2.1.2 Thiết bị bù ngang tĩnh có điều khiển – SVC 30 2.1.3 Đặc tính điều chỉnh SVC 35 2.2 Thuật toán điều khiển bù SVC điều chỉnh điện áp hệ thống 41 2.2.1 Vị trí trạm bù cơng suất phản kháng đường dây truyền tải 41 2.2.2 Nguyên tắc chung điều khiển điện áp bù SVC 42 2.3 Xây dựng điều chỉnh điện áp bù SVC 47 2.3.1 Đặt vấn đề 47 2.3.2 Tính tốn xác định dung lượng bù cho hệ thống 48 2.3.3 Xây dựng điều chỉnh điện áp cho bù SVC 50 CHƯƠNG 57 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO BỘ BÙ SVC 3.1 Logic mờ 57 3.1.1 Tập mờ 57 3.1.2 Luật hợp thành mờ 62 3.1.3 Giải mờ 67 70 3.2 Bộ điều khiển mờ 3.2.1 Bộ điều khiển mờ 70 3.2.2 Các nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ 70 73 3.3 Bộ điều khiển PI mờ 3.3.1 Cấu trúc điều khiển PI mờ 73 3.3.2 Thiết kế điều khiển mờ luật sở 75 CHƯƠNG 81 MÔ PHỎNG, KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ Lê Văn Minh – ĐK & TĐH IV Khóa 2009 Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học 4.1 Mô hệ thống điều khiển SVC Simulink 81 4.1.1 Giới thiệu Simulink 81 4.1.2 Thư viện mô điện tử công suất Simulink 82 4.1.3 Xây dựng mơ hình mơ 84 89 4.2 Tiến hành mô 4.2.1 Mô tả đường dây tham số dải 89 4.2.2 Mô trường hợp thông số dải 90 4.2.3 Đánh giá nhận xét 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Lê Văn Minh – ĐK & TĐH V Khóa 2009 Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ khoa hoc: “Nghiên cứu ứng dụng bù công suất phàn kháng SVC với thuật toán toán điều khiển mờ cho lưới truyền tải nước ta” tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo GS.TS Nguyễn Trọng Thuần Các số liệu kết hoàn toàn với thực tê Để hoàn thành luận văn này, sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép, tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 30 tháng 03 năm 2011 Học viên Lê Văn Minh Lê Văn Minh – ĐK & TĐH VI Khóa 2009 Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học Danh mục ký hiệu , chữ viết tắt: HTĐ : Hệ thống điện NMTĐ : Nhà máy thủy điện NMNĐ : Nhà máy nhiệt điện MBA : Máy biến áp LHT : Lưới hệ thống LTT : Lưới truyền tải LPP : Lưới phân phối TTG : Trạm trung gian TKV : Trạm khu vực TPP : Trạm phân phối CĐBT : Chế độ làm việc bình thường CĐSC : Chế độ cố ĐDSCA : Đường dây siêu cao áp CSPK : Công suất phản kháng ĐCĐA : Điều chỉnh điện áp TBK : Tuabin khí TĐK : Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ VAR : Volt –Amperes Reactive SVC : Static VAR Compensator TSC : Thyristor Switched Capacitor TCR : Thyristor Controller Reactor FC – TCR : Fixed Capacitor - Thyristor Controller Reactor HVDC : High Voltage Direct Current FLC : Fuzzy Logic Controller PID : Proportional – Integral – Derivative EMTP : Electromagnetic Transients Programme Lê Văn Minh – ĐK & TĐH VII Khóa 2009 Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học Danh mục bảng: Bảng 1.1 Khả tải đường dây trung áp theo điều kiện phát nóng ∆U cp Bảng 1.2 Khả tải tính theo cơng suất tự nhiên Bảng 1.3 Độ dài giới hạn đường dây không cáp Bảng 1.4 Các nhà máy điện tính đến năm 2008 (nguồn EVN) Bảng 3.1 Bảng luật điều khiển Danh mục hình vẽ đồ thị: Hình 1.1 Vị trí hệ thống điện kinh tế quốc dân Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện Hình 1.3 Đặc tính vận hành máy phát điện Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống điện Hình 1.5 Quan hệ cơng suất tác dụng điện áp cấp Hình 2.1 Cấu tạo đặc tính TCR Hình 2.2 Tụ đóng ngắt thyrristor Hình 2.3 TCR SVC Hình 2.4 Dạng sóng dịng điện I theo góc mở α Hình 2.5 Dạng sóng dịng điện qua TCR Hình 2.6 Đặc tính điều chỉnh TCR Hình 2.7 Sơ đồ trạm bù đường dây truyền tải 220 kV Hình 2.8 a) mạch tương đương; b) đồ thị vec tơ lúc chưa bù; c) đồ thị véc tơ lúc có bù Hình 2.9 Đặc tính vơn – ampe bù tĩnh SVC Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống truyền tải điện Hịa Bình – Hà Đơng Hình 2.11 Sơ đồ bù tĩnh SVC hệ thống điện Lê Văn Minh – ĐK & TĐH VIII Khóa 2009 Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học hệ số khuếch đại Ki hệ số tích phân Để tránh tượng áp làm thiết bị bảo vệ hệ thống tác động, hệ số Kp lựa chọn phải nhỏ, hệ số Ki lựa chọn đủ lớn để nhanh chóng triệt tiêu sai lệch điều khiển 4.2 Tiến hành mô 4.2.1 Mô tả đường dây thông số dải Để mô tả tham số dải đường dây ta dùng khối: Distributed Parameters Line khối thực mơ hình đường dây tham số phân tán N pha với mát gộp Mô hình dựa phương pháp sóng truyền Bergeron sử dụng Chương trình độ điện từ (EMTP) Trong mơ hình này, đường dây LC phân tán khơng mát tính đặc trưng hai giá trị (đối với dịng pha): tổng trở sóng Z C = L / C vận tốc pha v = 1/ LC Mơ hình thực tế sử dụng biểu thức e + Zi (trong e điện áp dòng i dòng điện) vào đầu đường dây đưa đến đầu không thay đổi sau thời gian truyền τ = d / v , d chiều dài đường dây Bằng cách gộp R/4 hai đầu đường dây R/2 đường dây sử dụng phương pháp bơm dòng phần mềm SimPowerSystems hành, mơ hình hai cổng có nguồn gốc sau đây: ⎛ 1+ h ⎞⎡ ⎤ ⎛ 1− h ⎞⎡ ⎤ Ish (t) = ⎜ e t − + hi t − +⎜ τ τ ( ) ( ) r r ⎟⎢ ⎟ ⎢ es ( t −τ ) + his ( t −τ ) ⎥ ⎥ ⎝ ⎠⎣ Z ⎦ ⎝ ⎠⎣ Z ⎦ (4.1) ⎛ 1+ h ⎞⎡ ⎤ ⎛ 1− h ⎞⎡ ⎤ Irh (t) = ⎜ ⎟ ⎢ es ( t −τ ) + his ( t −τ )⎥ + ⎜ ⎟ ⎢ er ( t −τ ) + hir ( t −τ ) ⎥ ⎝ ⎠⎣ Z ⎦ ⎝ ⎠⎣ Z ⎦ (4.2) Hình 4.12 Mơ hình mạng cửa đường dây dài Lê Văn Minh – ĐK & TĐH 89 Khóa 2009 Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học R ZC − R ; Z = L ;τ = d LC Trong đó: Z = Z C + ; h = R C C ZC + Đối với mơ hình đường dây nhiều pha, phương thức chuyển đổi sử dụng để chuyển đổi số lượng đường dây từ giá trị pha (dòng điện áp đường dây) thành giá trị phương thức độc lập với Các tính tốn trước thực phương thức trước chuyển đổi trở lại giá trị pha 4.2.2 Mô trường hợp đường dây thông số dải Lựa chọn thông số khối Distributed Parameters Line, tiến hành mô hệ thống điện có thơng số đường dây dải với điều khiển PI truyền thống điều khiển PI mờ, so sánh đánh giá đáp ứng hai điều khiên ta có: Uref & Umes Qhệ thống (MVAr) Ptải (MW) Qtải (MVAr) Qbù (MVAr) Hình 4.13 Đáp ứng hệ thống với điều khiển truyền thống Lê Văn Minh – ĐK & TĐH 90 Khóa 2009 Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học Uref & Umes Qhệ thống (MVAr) Ptải (MW) Qtải (MVAr) Qbù (MVAr) Hình 4.14 Đáp ứng hệ thống với điều khiển PI mờ Hình 4.15 So sánh đáp ứng điện áp điều khiển truyền thống PI mờ Lê Văn Minh – ĐK & TĐH 91 Khóa 2009 Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học 4.2.3 Đánh giá, nhận xét Với việc điều khiển SVC dùng điều khiển PI theo luật mờ so với điều khiển PI thông thường điện áp mắc SVC có chất lượng điều khiển tốt hơn: đáp ứng nhanh hơn, bám sát giá trị đặt thông số hệ thống biến thiên phi tuyến, phụ tải thay đổi liên tục Kết mơ cho ta thấy hồn tồn áp dụng điều khiển mờ để điều khiển điện áp cho đường dây biết cấu trúc nó, dung lượng bù SVC cơng suất cực đại phụ tải, chí ta áp dụng cho vị trí tải ta biết dung lượng bù thiết bị bù tĩnh điểm Lê Văn Minh – ĐK & TĐH 92 Khóa 2009 Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong nghiên cứu này, ý đồ PI mờ tự điều chỉnh cho ổn định VAR hệ thống điện phát triển Nó cho biết mạng cơng suất bao gồm tải biến thiên phi tuyến theo thời gian thay đổi hành vi thường xuyên Bộ điều khiển mờ đưa để làm việc tình mà có khơng chắn lớn hay biến thiên không rõ thông số đối tượng cấu Nói chung, mục tiêu điều khiển thích nghi trì thực quán hệ thống bất trắc Vì chế kiểm soát tiên tiến mờ nên bao gồm đặc điểm thích nghi Để đối phó với tải phi tuyến, chế thích nghi phi tuyến xây dựng Kiến trúc đề xuất bao gồm điều khiển PI sở điều chỉnh mạng chế FLC tùy thuộc vào hành vi trình Cơ chế thích ứng phụ thuộc vào giá trị sai lệch điện áp tốc độ Mặt khác, biết cơng việc quan trọng để điều chỉnh thông số điều khiển hệ số tỷ lệ, hàm liên thuộc cấu trúc quy tắc sở Trong số biến thiết kế, phải ý nhiều tới điều chỉnh hệ số tỷ lệ yếu tố tỷ lệ hành động FLC hệ số khuếch đại điều khiển thông thường Các luật sở FLC đặt trung tâm FLC cấu trúc nói chung tương tự cho trình cụ thể Mặt khác, hàm liên thuộc thường chọn hình thức để giảm thiểu thời gian q trình tính tốn Các thơng số điều khiển mờ chủ yếu xác định thử nghiệm phương pháp tiếp cận lỗi, điều thủ tục tốn nhiều thời gian nhiệm vụ khó khăn để tìm tối ưu tham số FLC phức tạp Lê Văn Minh – ĐK & TĐH 93 Khóa 2009 Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học Trong luận văn xét trường hợp ổn định điện áp, chưa xem xét vấn đề kinh tế Để ứng dụng hệ thống điều khiển vào thực tế cần phải xét thêm yếu tố đầu vào Các hướng mở rộng phát triển đề tài tiếp theo: - Mở rộng điều khiển với ảnh hưởng đầu vào bổ sung biến động thông số hệ thống, biến động công suất nguồn phát, tương tác qua lại hệ thống điện Khi số lượng biến đầu vào tăng lên, qui tắc điều khiển tăng lên, liệu đưa vào đào tạo mạng tăng lên - Xem xét tác nhân ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển mờ, sóng hài bậc cao - Xem xét khả ứng dụng điều khiển trường hợp hệ thống ba pha đối xứng tải Việc xem xét xây dựng hệ thống điều khiển mờ cho SVC hồn chỉnh mơ hình lý thuyết việc ứng dụng vào hệ thống điện thực tế có tính khả thi cao Với lực hạn chế, luận văn cịn nhiều thiếu sót, tác giả mong nhận góp ý Thầy cô, bạn bè đồng nghiệp để luận văn thực có giá trị mặt khoa học Lê Văn Minh – ĐK & TĐH 94 Khóa 2009 Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh Heikki Koivo (2000), Adaptive Neuro – Fuzzy Inference Systems (ANFIS), Wedsite www.control.hut.fi Heikki Koivo (2001), Fuzzy exercises, Wedsite www.control.hut.fi K B Dalci, M Uzunoglu and I B Kucukdemiral, “Genetic algorithm based optimal self-tuning fuzzy logic controller for power system staticVAR stabiliser”, International Journal of Electrical Engineering Education 41/1 Fuzzy Logic Toolbox for use with MATLAB, User’s Guide Version 2, The MathWorks, Inc Tiếng Việt Trần Bách (2002), Lưới điện & hệ thống điện tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật Bùi Công Cường, Chu Văn Hỷ, Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, Nguyễn Hoàng Phương (1998), Hệ mờ ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật Phan Đăng Khải, Huỳnh Bá Minh (2001), Bù công suất phản kháng lưới cung cấp phân phối, NXB Khoa học Kỹ thuật Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển mờ, NXB Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Phùng Quang (2000), Matlab & Simulink, NXB Khoa học Kỹ thuật Lã Văn Út (1996), Các thiết bị bù tĩnh có điều khiển - ứng dụng hệ thống điên, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Trần Trọng Minh(2010), Bài giảng Điện tử công suất nâng cao, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Lê Văn Minh – ĐK & TĐH a Khóa 2009 Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học PHỤ LỤC Lê Văn Minh – ĐK & TĐH b Khóa 2009 ... Khoa Học BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ VĂN MINH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ BÙ SVC VỚI THUẬT TOÁN DIỀU KHIỂN MỜ CHO LƯỚI TRUYỀN TẢI Ở NƯỚC TA Chuyên... BỘ BÙ SVC 3.1 Logic mờ 57 3.1.1 Tập mờ 57 3.1.2 Luật hợp thành mờ 62 3.1.3 Giải mờ 67 70 3.2 Bộ điều khiển mờ 3.2.1 Bộ điều khiển mờ 70 3.2.2 Các nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ 70 73 3.3 Bộ. .. Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ khoa hoc: ? ?Nghiên cứu ứng dụng bù công suất phàn kháng SVC với thuật toán toán điều khiển mờ cho lưới truyền tải nước ta? ?? tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo GS.TS