Ổn định hệ thống nhiều máy phát sử dụng PSS dựa trên cơ sở trí tuệ nhân tạo

Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN ĐỨC KHÁNH ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NHIỀU MÁY PHÁT SỬ DỤNG PSS DỰA TRÊN CƠ SỞ TRÍ TUỆ NHÂN TẠO CHUYÊN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp.Hồ Chí Minh, tháng năm 2008 Luận văn tốt nghiệp Ổn định hệ thống nhiều máy phát sử dụng PSS dựa sở trí tuệ nhân tạo MỤC LỤC Trang Chương : Giới thiệu đề tài 1.1 1.2 1.3 Sự cần thiết đề tài Các cơng trình nghiên cứu liên quan Mục tiêu nhiệm vụ đề tài Chương 2: Lý thuyết ổn định hệ thống điện 2.1 Khái niệm ổn định hệ thống điện 2.2 Ổn định tĩnh 2.3 Ổn định động 2.4 Ổn định trung hạn dài hạn 2.5 Ổn định điện áp Chương 3: Bộ PSS 3.1 Ổn định hệ máy làm việc với vô hạn 3.1.1 Mơ hình thay máy phát 3.1.2 Ảnh hưởng động học mạch kích từ 3.1.3 Ảnh hưởng thay đổi từ thơng kích từ lên ổn định 3.1.4 Ảnh hưởng hệ thống kích từ 3.2 Bộ PSS Chương 4: Lý thuyết điều khiển 4.1 Khái niệm điều khiển 4.2 Lý thuyết điều khiển PID 4.3 Mạng neural nhân tạo 4.4 Điều khiển mờ 4.5 ANFIS Chương 5: Mô họat động PSS hệ thống nhiều máy phát 5.1 Giới thiệu 5.2 Mô hình hóa hệ thống 5.3 Xây dựng khối fuzzy control 5.4 Kết mơ 5.4.1 Sự cố thống qua 5.4.2 Sự cố lâu dài 5.4.3 Sự cố xảy cách B1 120km 5.4.4 Sự cố xảy cách B1 140km 5.4.5 Sự cố xảy cách B1 150km 5.5 Kết luận 5.6 Hướng phát triển đề tài Tài liệu tham khảo CBHD : TS Lê Minh Phương 6 12 13 18 18 19 12 28 30 34 45 45 46 51 61 79 81 81 82 86 97 100 104 100 104 107 108 109 110 HVTH : Trần Đức Khánh Luận văn tốt nghiệp Ổn định hệ thống nhiều máy phát sử dụng PSS dựa sở trí tuệ nhân tạo CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Sự cần thiết đề tài: Vấn đề cải thiện điều khiển ổn định hệ thống điện quan tâm từ sớm sau ngành điện khí hố đời Qua trình vận hành hệ thống điện quốc gia giới Việt Nam có cố nghiêm trọng dẫn đến tan rã phần toàn hệ thống điện, đe doạ đến an ninh lượng gây thiệt hại lớn cho kinh tế Vì vấn đề giữ ổn định cho hệ thống điện ngày trọng nhiều Cho đến nay, điều khiển ổn định hệ thống điện có nhiều giải pháp thực Để đạt hiệu tốt người ta kết hợp phương pháp trên, việc sử dụng trí tuệ nhân tạo vào PSS (power system stabilizer) để ổn định hệ thống phương pháp quan trọng hiệu Ở nước ta kinh tế đà phát triển nhanh nên nhu cầu phụ tải tăng nhanh Hệ thống điện ngày mở rộng nâng cấp Ngòai ra, xu cạnh tranh chung việc ổn định hệ thống điện ngày đòi hỏi chất lượng Trong năm gần đây, qui mô hệ thống điện ngày lớn, địi hỏi cơng tác vận hành hệ thống ngày ổn định tin cậy tính ổn định hệ thống giảm hệ thống có công suất truyển tải lớn, khỏang cách truyền tải xa Thêm vào đó, nguồn điện phát triển chậm so với nhu cầu phụ tải tăng nhanh, làm độ ổn định hệ thống ngày giảm Tuy nhiên, hệ thống điện Việt Nam phát triển chậm so với mặt chung giới, xét hiệu đầu tư việc dụng PSS nhà máy điện biện pháp Hiện dao động điện hệ thống điện nghiên cứu nhiều Các dao động hay nhiều máy phát, liên quan đến nhiều máy phát xa Dập tắt dao động hệ thống điện không tăng khả truyển tải mà ổn định công suất hệ thống, sau xảy cố nghiêm CBHD : TS Lê Minh Phương HVTH : Trần Đức Khánh Luận văn tốt nghiệp Ổn định hệ thống nhiều máy phát sử dụng PSS dựa sở trí tuệ nhân tạo trọng Các dao động nhỏ thường xảy với kích từ máy phát để ổn định trở lại thường sử dụng PSS Ứng dụng mạng fuzzy vào PSS có ưu điểm cấu trúc mạng đơn giản Dữ liệu huấn luyện mạng lấy từ hệ thống sử dụng PSS Mạng fuzzy ngày trở nên hữu dụng điều khiển ổn định hệ thống vì: xử lý tín hiệu song song nên cho kết nhanh, xử lý hiệu ngõ vào phi tuyến, điều khiển thích nghi với chế độ vận hành khác Trong hệ thống nhiều máy phát thường xuất nhiều lọai dao động khác nhau, nhiều phương pháp ổn định hệ thống áp dụng Bộ PSS sử dụng mơ hình hóa phận phi máy phát thành phần tử tuyến tính áp dụng vào điều khiển vận hành 1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan: - Design of a hierarchical fuzzy logic pss for a multi-machine power system, T Hussein , A L Elshafei , A Bahgat- Electrical Power and Machines Department, Cairo University, Gama Street, Giza, Egypt: Đặc tính PSS fuzzy logic (FPSS), đình chỉnh tự động điều kiện vận hành hệ thống thay đổi, nghiên cứu việc lắp vào hệ thống nhiều máy phát FPSS phát triển sử dụng độ lệch tốc độ đạo hàm độ lệch tốc độ ngõ vào điều khiển thay đổi Hai thơng số đặc tính tỉ lệ giới thiệu để điều chỉnh FPSS Các thông số tỉ lệ ngõ hệ thống fuzzy logic khác (FLS), mà ngõ vào điều kiện vận hành hệ thống Sơ đồ đề xuất liên hệ PSS fuzzy tự điều chỉnh (TFPSS) Cơ cấu điều chỉnh FPSS làm tương thích với thay đổi điều kiện vận hành Đáp ứng hệ thống với ba PSS, gọi CPSS, FPSS FPSS tự điều chỉnh so sánh với nhau.Người ta thấy FPSS tự điều chỉnh trội CPSS FPSS cố định thông số Ảnh hưởng phương pháp giải mờ đáp ứng tín hiệu điều khiển đề cập báo CBHD : TS Lê Minh Phương HVTH : Trần Đức Khánh Luận văn tốt nghiệp Ổn định hệ thống nhiều máy phát sử dụng PSS dựa sở trí tuệ nhân tạo - Intelligent dual input power system stabilizers for multi-machine system, Avdhesh sharma an d M.L Kothary SIMEEE:: Bài báo giải PSS hai ngõ vào cho hệ thống nhiều máy phát sử dụng mạng fuzzy thích ứng (ANFIS) ANFIS huấn luyện để tính tốn thơng số tố ưu PSS hai ngõ vào điều kiện tải biến đổi theo thời gian thực Phương pháp giải vấn đề có hệ thống cho việc thiết kế PSS thông minh cho hệ thống nhiều máy phát giới thiệu Những nghiên cứu cho thấy đặc tính PSS thơng minh hệ thống nhiều máy phát hồn tồn hoạt động tốt điều kiện tải biến động lớn - Neuro-fuzzy dual input power system stabilizer for a multi-machine system, Avdhesh Sharma, and M.L.Kothari, Senior Member, IEEE : Trong báo này, kỹ thuật điều chỉnh thời gian thực thông số PSS hai ngõ vào hệ thống nhiều máy phát sử dụng neuro-fuzzy giới thiệu Phương pháp giải vấn đề có hệ thống cho việc tạo mơ hình huấn luyện việc huấn luyện neuro-fuzzy giới thiệu Những nghiên cứu cho thấy đặc tính PSS hai ngõ vào neuro-fuzzy hệ thống nhiều máy phát hoàn tồn có khả hoạt động điều kiện tải biến động lớn - Ứng dụng mạng neural ổn định hệ thống điện, Lê Minh Phương Phạm Thành Nhân, Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh: Công cụ mạng neural thiết kế PSS tương thích giới thiệu Việc khảo sát lấy mẫu liệu theo PSS P.Kunder dạng PID thực từ non tải đến tải; hệ số công suất từ trễ pha đến sớm pha, sử dụng công cụ neural huấn luyện xây dựng nên neural PSS tương ứng Các kết kiểm tra cho thấy PSS dùng neural đề xuất cho kết cực nhanh, hiệu cao ngõ vào ngõ phi tuyến, thích nghi với điều kiện vận hành khác CBHD : TS Lê Minh Phương HVTH : Trần Đức Khánh Luận văn tốt nghiệp Ổn định hệ thống nhiều máy phát sử dụng PSS dựa sở trí tuệ nhân tạo 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài: a Mục tiêu: • Nghiên cứu mơ hình cấu trúc mạng neural, fuzzy fuzzy-neural khác • Lựa chọn giải thuật huấn luyện mạng để tạo mạng fuzzy-neural tối ưu • Mơ so sánh kết đạt PSS theo Kunder PSS trí tuệ nhân tạo b Nhiệm vụ đề tài: • Nghiên cứu phương pháp ổn định hệ thống điện • Khảo sát PSS kiểu PID • Nghiên cứu cấu trúc, thuật tốn mạng fuzzy-neural Các phương pháp huấn luyện tạo nhiều mạng fuzzy-neural khác Ứng dụng mạng fuzzy-neural vào PSS • Khảo sát mô kết tác dụng mạng fuzzy-neural vào PSS điều khiển ổn định hệ thống nhiều máy phát mơi trường MatLab Simulink • So sánh đánh giá mức độ cải thiện PSS fuzzy-neural so với PSS khác 1.4 Nội dung đề tài : Chương : Giới thiệu đề tài Chương 2: Lý thuyết ổn định hệ thống điện Chương 3: Bộ PSS Chương 4: Lý thuyết điều khiển Chương 5: Mô họat động PSS hệ thống nhiều máy phát Tài liệu tham khảo CBHD : TS Lê Minh Phương HVTH : Trần Đức Khánh Luận văn tốt nghiệp Ổn định hệ thống nhiều máy phát sử dụng PSS dựa sở trí tuệ nhân tạo CHƯƠNG LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Khái niệm ổn định hệ thống điện 2.1.1 Khái niệm Hệ thống điện tập hợp phần tử phát, dẫn, phân phối có mối tương tác lẫn phức tạp, tồn vô số nhiễu tác động lên hệ thống Hệ thống điện phải đảm bảo tính ổn định trước tác động nhiễu Ổn định hệ thống điện khả vận hành trở lại bình thường hay ổn định sau chịu tác động nhiễu Nó điều kiện thiết yếu để hệ thống tồn vận hành Chẳng hạn chế độ xác lập, để tồn cần có cân cơng suất hệ thống đồng thời phải trì độ lệch nhỏ thơng số định mức kích động ngẫu nhiên nhỏ Hoặc tác động thao tác đóng cắt, hệ thống điện phải chuyển thành công từ chế độ xác lập sang chế độ xác lập 2.1.2 Tác hại ổn định hệ thống Khi hệ thống ổn định phải cắt hàng lọat tổ máy phụ tải, làm tan rã tịan hệ thống điện gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến kinh tế quuốc dân Do cần nghiên cứu ổn định hệ thống điện thiết kế vận hành hệ thống nhằm đảm bảo: - Ổn định hệ thống tình huống, vận hành bình thường sau cố - Có thể vận hành bình thường tình thao tác vận hành kích động cố 2.2 Ổn định tĩnh 2.2.1 Khái niệm: Ổn định tĩnh khả phục hồi chế độ ban đầu sau kích động nhỏ phụ tải thay đổi đột ngột (nhiễu nhỏ) Trong nhiều trường hợp, trình tăng cơng suất tác dụng, cơng suất phản kháng làm hệ thống tiến dần đến chế độ tới hạn theo điều kiện ổn định tĩnh, vượt qua CBHD : TS Lê Minh Phương HVTH : Trần Đức Khánh Luận văn tốt nghiệp Ổn định hệ thống nhiều máy phát sử dụng PSS dựa sở trí tuệ nhân tạo dẫn đến ổn định Do góc lệch rotor máy phát δ phận lại hệ thống điện tăng lên Lúc dự trữ, công suất phản kháng hệ thống chưa sử dụng hết trì mức điện áp bình thường Trong trường hợp có độ tăng góc lệch rotor máy phát δ cho biết tiến dần đến ổn định tĩnh Nếu khơng cịn dự trữ cơng suất kháng q trình tiến dần điện áp giảm xuống làm ổn định hệ thống độ dự trữ ổn định tĩnh kiểm tra đồ thị biểu diễn trị số góc lệch rotor máy phát δ điện áp 2.2.2 Nguyên nhân gây ổn định tĩnh Khi thay đổi chế độ làm việc hệ thống, tiến đến giới hạn điều kiện ổn định tĩnh gọi tiến dần đến ổn định hệ thống Trong nhiều trường hợp, trình q trình tằng cơng suất tác dụng cơng suất phản kháng phụ tải hệ thống Lúc góc lệch rotor số máy phát phận lại hệ thống tăng lên Nếu nguồn dự trữ công suất phản kháng hệ thống chưa sử dụng hết trì mức điện áp bình thường Nếu khơng cịn dự trữ cơng suất phản kháng, q trình tiến dần này, điện áp giảm xuống làm tăng khả ổn định tĩnh Như trị số dự trữ ổn định tĩnh kiểm tra qua trị số góc lệch rotor máy phát điện điện áp hệ thống Trong thực tế, khả ổn định xảy phụ tải hệ thống tăng lên lúc cố xảy đóng cắt động ngắn mạch Để tránh ổn định tĩnh, chế độ làm việc bình thường, góc lệch rotor máy phát phải hạn chế giới hạn định điện áp nút chủ yếu hệ thống không giảm thấp mức qui định Do đó: + Qui định góc lệch giới hạn rotor máy phát giới hạn cơng suất truyền tải + Qui định điện áp giới hạn theo điều kiện ổn định tĩnh nút chủ yếu 2.2.3 Các biện pháp ổn định tĩnh: - Sử dụng tự động điều chỉnh kích từ - Hạn chế giảm điện áp nút chủ yếu hệ thống CBHD : TS Lê Minh Phương HVTH : Trần Đức Khánh Luận văn tốt nghiệp Ổn định hệ thống nhiều máy phát sử dụng PSS dựa sở trí tuệ nhân tạo - Hạn chế góc lệch rotor máy phát điện - Sa thải phụ tải theo tần số - Dự trữ đủ công suất tác dụng công suất phản kháng 2.2.4 Các tiêu chuẩn khảo sát ổn định tĩnh: Ổn định nhiễu nhỏ: Một hệ chế độ xác lập có cân lượng phát lượng tiêu thụ Mỗi chế độ xác lập tương thích với thơng số xác định trạng thái hệ Nếu có nhiễu làm thông số thay đổi theo hướng khuếch đại, hệ khơng ổn định Điều xảy lượng phát lớn lượng tiêu tán Tiêu chuẩn lượng ổn định hệ mô tả qua bất đẳng thức sau: ΔW