Áp dụng fuzzy logic trong điều khiển svc trên lưới điện

Lời nói đầu Chúng ta bước vào thời kỳ Cơng nghiệp hố - Hiện đại hố, ngành tự động hố đóng vai trị quan trọng cơng phát triển đất nước cụ thể thuật toán điều khiển hệ thống điều khiển tự động hình thành, phát triển có kết quan trọng Thuật toán điều khiển mờ (fuzzy logic) lĩnh v ực mang tính thời cao Những năm gần chứng kiến phát triển nhanh chóng số lượng ứng dụng nhiều lĩnh vực khác fuzzy logic Phạm vi ứng dụng từ sản phẩm tiêu dùng máy quay phim, máy giặt, lò viba đến điều khiển quy trình sản xuất cơng nghiệp, thiết bị y khoa, hệ thống hỗ trợ định, 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 Ngoài phương pháp điều khiển thơng thường cần đến mơ hình đối tượng tuyến tính hay phi tuyến Tuy nhiên điều khiển mờ khơng cần thiết mơ hình tốn học đối tượng, nhờ vào quan hệ vào đối tượng phi tuyến nhận biết thông qua quan sát dùng làm sở để xây dựng hàm liên thuộc luật suy diễn Thông qua phép thử hiệu chỉnh ta tinh chỉnh điều khiển mờ để đạt kết tốt Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Vì việc áp dụng Fuzzy logic có ý nghĩa lớn việc ứng dụng vào điều khiển SVC lưới điện: + Tăng tốc xử lý SVC cần làm việc + Đơn giản giúp SVC thơng minh q trình phản ứng lưới điện thay đổi Xuất phát từ tình hình thực tế nhằm góp phần thiết thực vào cơng cơng nghiệp hố - Hiện đại hố đất nước nói chung phát triển ngành Tự động hố nói riêng, khn khổ khố học Cao học, chun ngành Tự động hoá trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, tạo điều kiện giúp đỡ nhà trường GS-TS Nguyễn Trọng Thuần, tác giả lựa chọn đề tài tốt nghiệp “Áp dụng Fuzzy logic điều khiển SVC lưới điện” Sau thời gian học tập nghiên cứu đến luận văn hoàn thành Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS-TS Nguyễn Trọng Thuần – thầy giáo hướng dẫn trực tiếp, người đưa hướng nghiên cứu tận tình giúp đỡ, bảo tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm tạ thầy cô giáo tham gia giảng dạy, giúp đỡ em suốt trình học tập, nâng cao trình độ kiến thức Xin trân trọng cảm ơn giúp đỡ Thầy, Cô giáo hội đồng chấm luận văn tạo điều kiện để luận văn hoàn thành Xin gửi lời cảm ơn đến tất bạn bè, đồng nghiệp người thân giúp đỡ suốt trình làm luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trong trình thực đề tài, dù tác giả cố gắng hạn chế tối đa khiếm khuyết viết cẩn trọng xong khơng tránh khỏi sai sót kính mong Hội đồng khoa học độc giả nhận xét, đề xuất bổ xung đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả Lê Xuân Khoa Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cam đoan Tôi xin cam đoan Luận văn cơng trình tơi tổng hợp nghiên cứu hướng dẫn GS-TS Nguyễn Trọng Thuần Trong luận văn có sử dụng số tài liệu tham khảo nêu phần tài liệu tham khảo Tác giả Lê Xuân Khoa Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương 1: Thiết bị bù ngang tĩnh CHƯƠNG THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH 1.1 Mục đích bù ngang tĩnh Mục đích bù ngang : - Hiệu chỉnh điện áp điểm đường dây - Nâng cao điện áp cuối đường dây để ngăn chặn ổn định điện áp - Làm tắt dao động công suất 1.1.1 Hiệu chỉnh điện áp điểm đường dây: Xét mơ hình truyền tải thiết bị bù công suất phản kháng lý tưởng mắc điểm đường dây truyền tải (hình 1.1) Để đơn giản đường dây thay cảm kháng mắc nối tiếp, thiết bị bù thay nguồn điện xoay chiều hình sin có tần số pha với điện áp điểm Vm , với biên độ biên độ máy phát điện S ∼ Vs X/2 Ism Thiết bị bù lý tưởng (P=0) M ∼ Imr Vm X/2 R Vr ∼ Hình 1.1: Hệ thống gồm máy phát với thiết bị bù lý tưởng điểm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương 1: Thiết bị bù ngang tĩnh Giả sử hệ thống không tổn thất, công suất thực coi điểm phát phụ tải, ta có quan hệ điện áp điểm phát, phụ tải, dòng điện điểm phát phụ tải theo công thức sau: δ V = V = Vcos sm mr 4V δ I sm = I mr = I = sin X (1.1) Với: + Ism dòng điện qua đoạn thứ + Imr dòng điện qua đoạn thứ hai + Vsm điện đoạn thứ +Vmr điện đoạn thứ hai + δ góc lệch rơto máy phát Công suất truyền tải δ δ P = Vsm Ism = Vmr I mr = Vm Ism cos = VIcos 4 P=2 (1.2a) δ V2 sin X (1.2b) Tương tự Q = VIsin δ 4V δ = (1 − cos ) X (1.3) Quan hệ công suất P, công suất phản kháng Q theo góc δ trường hợp bù ngang lý tưởng thể đồ thị hình 1.2a Ta thấy bù ngang điểm tăng đáng kể khả truyền tải công suất, điểm độ sụt áp đường dây lớn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương 1: Thiết bị bù ngang tĩnh 1.1.2 Nâng điện áp cuối đường dây để ngăn chặn ổn định điện áp Nâng điện áp điểm hệ thống gồm máy phát đề cập áp dụng cho trường hợp đường dây truyền tải hình tia Thực vậy, tải thụ động có cơng suất P với điện V, mắc vào điểm máy phát (hình 1.1), lúc ổt ng trở X/2 tải thay hệ thống hình tia đơn giản gồm tổng trở đường dây X tổng trở tải Z Rõ ràng điện áp đặt tải thay đổi phụ tải thay đổi Hệ thống hình tia đơn giản với tổng trở đường dây X tổng trở tải Z có quan hệ điện áp đầu cực tải ( V r ) theo P với hệ số công suất tải thay đổi phạm vi từ 0,8 trễ đến 0,9 dẫn hình 1.3a, điện áp giảm tải cảm ngược lại tải dung, điện áp không ổn định phụ thuộc vào tính chất phụ tải, bù ngang cơng suất phản kháng có tác dụng tăng điện áp cuối đường dây ( hình 1.3b ) cách cung c ấp công suất phản kháng hiệu chỉnh điện áp cực (V - Vr = 0) cuối đường dây điện thay đổi lớn nhất, vị trí tốt để đặt thiết bị bù Thiết bị bù công suất phản kháng điểm trao đổi công suất phản kháng với đường dây Bù ngang công suất phản kháng thường áp dụng để hiệu chỉnh điện áp chống lại biến đổi tải để ngăn chặn sụt áp đường dây thiếu khả truyền tải, hệ thống trở nên suy giảm,điều Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương 1: Thiết bị bù ngang tĩnh thường xảy hệ thống gồm có vài máy phát cung cấp điện cho tải phạm vi rộng Do vậy, hệ thống hình tia cuối đường dây điểm tốt để đặt thiết bị bù 1.1.3 Cải thiện trình ổn định Như xem xétở phần trước, bù kháng ngang tăng khả truyền tải tối đa Vì vậy, người ta quan tâm đến việc điều chỉnh nhanh thích hợp việc bù ngang để thay đổi dịng lượng hệ thống suốt q trình biến động nhằm tăng trình ổn định cung cấp công suất tác dụng để dập tắt dao động Khi đường dây ngắn mạch bị cắt ra, điện kháng đẳng trị hệ thống tăng lên đột ngột làm cho đặc tính cơng suất máy phát hạ thấp xuống (hình 1.4) Điểm cân mà hệ thống làm việc xác lập sau cố δ2, nhiên chuyển từ δ1 sang δ2 trình độ diễn theo đặc tính động hệ thống Q trình chuyển thành chế độ xác lập δ2 khơng, phụ thuộc vào tính chất hệ thống mức độ kích động Tại thời điểm đầu, qn tính roto máy phát, góc lệch δ chưa kịp thay đổi, công suất điện từ PT > P(δ) làm máy phát quay nhanh lên, góc δ tăng dần Đến thời điểm góc lệch δ2 tương quan công suất trở nên cân bằng, góc lệch δ tiếp tục tăng qn tính Thực chất q trình chuyển động qn tính động tích lũy roto chuyển hóa thành cơng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương 1: Thiết bị bù ngang tĩnh thắng momen hãm Đến thời điểm góc lệch δ3 động bị giải phóng hồn tồn, góc lệch δ khơng tăng Sau thời điểm này, khơng cịn động năng, mà cơng suất điện từ PT < P(δ) nên roto quay chậm lại, góc δ giảm Nếu kể đến momen cản ma sát trình tắt dần điểm cân δ2 chế độ xác lập Nếu trị số điện kháng đường dây chiếm tỷ lệ lớn điện kháng đẳng trị hệ thống Đặc tính cơng suất sau cắt đường dây hạ thấp xuống (hình 1.5a) Gọi góc lệch rơto thời điểm cắt ngắn mạch δN ta có điều kiện ổn định A3 ≥ A1, thời điểm cắt ngắn mạch lớn có khả A1 > A3 δ3=δgh lúc hệ thống ổn định Tuy nhiên hệ thống có bù đặc tính cơng suất tăng lên hình 1.5b nâng cao độ ổn định hệ thống 1.1.4 Làm tắt dao động công suất Khi hệ thống cân dù nhỏ tạo dao động góc máy phát quanh giá trị xác lập tần số tự nhiên hệ thống điện Khi máy phát tăng tốc góc δ tăng ( dδ/dt > ), cơng suất điện phải tăng để bù lại tăng công suất Ngược lại máy phát giảm tốc góc δ giảm ( dδ/dt < ),cơng suất điện phải giảm để cân với công suất ngõ vào Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương 1: Thiết bị bù ngang tĩnh phản kháng ngõ QP thiết bị bù ngang Khi dδ/dt > công suất phản kháng ngõ thiết bị bù tăng ngược lại d δ/dt < công suất phản kháng bù ngõ giảm Tắt dần Tóm lại: Chức cần thiết thiết bị bù phản kháng ngang dùng để tăng công suất truyền tải, cải thiện điện áp, cải thiện trình ổn định dập tắt dao động cơng suất theo điểm sau : (b) • Thiết bị bù phải trì vận hành đồng với hệ thống xoay chiều bù, ều kiện vận hành bao gồm vấn đề cân điện áp cái, thiết bị phải đồng hóa tức thời sau trạng thái ngắn mạch giải tỏa • Thiết bị bù phải có khả hiệu chỉnh điện cải thiện trình ổn định điều chỉnh để dập tắt dao động cơng suất nâng cao q trình ổn định Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 67 Chương 4: Ứng dụng vào hệ chuẩn  Kp = 0, Ki = 100 Delta Volt (%) t(s) Hình 5.13 : Điện áp bus 10 với Kp = 0, Ki = 100 Delta Volt (%) t(s) Hình 5.14 : Điện áp bus 45 với Kp = 0, Ki = 100 68 Chương 4: Ứng dụng vào hệ chuẩn Delta Volt (%) t(s) Hình 4.15 : Điện áp bus với Kp = 0, Ki = 100 Delta Volt (%) t(s) Hình 4.16 : Điện áp bus 12 với Kp = 0, Ki = 100 69 Chương 4: Ứng dụng vào hệ chuẩn Delta Volt (%) t(s) Hình 5.17 : Điện áp bus 21 với Kp = 0, Ki = 100  Kp = 0, Ki = 150 Delta Volt (%) t(s) Hình 5.18 : Điện áp bus 10 với Kp = 0, Ki = 150 Delta Volt (%) 70 Chương 4: Ứng dụng vào hệ chuẩn t(s) Hình 4.19 : Điện áp bus 24 với Kp = 0, Ki = 150 Delta Volt (%) t(s) Hình 4.20 : Điện áp bus với Kp = 0, Ki = 150 Delta Volt (%) 71 Chương 4: Ứng dụng vào hệ chuẩn t(s) Hình 4.21 : Điện áp bus 12 với Kp = 0, Ki = 150 Delta Volt (%) t(s) Hình 4.22 : Điện áp bus 21 với Kp = 0, Ki = 150  Kp = 0, Ki = 300 Delta Volt (%) 72 Chương 4: Ứng dụng vào hệ chuẩn t(s) Hình 4.23 : Điện áp bus 10 với Kp = 0, Ki = 300 Delta Volt (%) t(s) Hình 4.24 : Điện áp bus 24 với Kp = 0, Ki = 300 Delta Volt (%) t(s) 73 Chương 4: Ứng dụng vào hệ chuẩn Hình 4.25 : Điện áp bus với Kp = 0, Ki = 300 Delta Volt (%) t(s) Hình 4.26 : Điện áp bus 12 với Kp = 0, Ki = 300 Delta Volt (%) t(s) 74 Chương 4: Ứng dụng vào hệ chuẩn Hình 4.27 : Điện áp bus 21 với Kp = 0, Ki = 300 4.3 Điều khiển SVC Fuzzy Logic 4.3.1 Thông số SVC  Vrms = 33e3  Bus 10 : [Qc Ql] = [60 -60]  Bus 24 : [Qc Ql] = [18 -18]  Pbase = 1000e6  Vref =  Tm = 8d-3  Td = 4e-3 4.3.2 Kết mô Delta Volt (%) 75 Chương 4: Ứng dụng vào hệ chuẩn t(s) Hình 4.28 : Điện áp bus 10 Delta Volt (%) t(s) Hình 4.29 : Điện áp bus 24 Delta Volt (%) t(s) 76 Chương 4: Ứng dụng vào hệ chuẩn Hình 4.30 : Điện áp bus Delta Volt (%) t(s) Hình 4.31 : Điện áp bus 78 Delta Volt (%) 77 Chương 4: Ứng dụng vào hệ chuẩn t(s) Hình 4.32 : Điện áp bus 11 Q (Var) t(s) Hình 5.34 : Cơng suất kháng SVC bus 41 79 Chương 5: Tổng kết CHƯƠNG TỔNG KẾT 5.1 Tổng kết 5.1.1 SVC không sử dụng fuzzy logic 5.1.1.1 Lưới điện đơn giản  Kết hiệu chỉnh điện áp tốt với Kp = Ki = 100 (hình 2.14)  Không đặt SVC  Sau đặt SVC ∆V = 0% t : khoảng vài ms  Khoảng 10s Ki =  Khoảng vài ms với Ki = 100  Với Ki = 300 Ki = 500 điện áp dao động với biên độ dao động lớn 5.1.1.2 Đường dây  Điện áp hiệu chỉnh tốt với Kp = Ki = 100 (hình 2.26) Ki = 300 (hình 2.28)  Khơng đặt SVC ∆V1 = -3% ∆V2 = -12% ∆V3 = -23% ∆V2 = 12% ∆V2 = 9% ∆V3 = 3%  Sau đặt SVC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 80 ∆V = 0% Chương 5: Tổng kết t : khoảng vài ms  Với Ki = 1, tốc độ đáp ứng chậm (khoảng 1s) 5.1.2 SVC_ fuzzy bù đường dây  Điện áp hiệu chỉnh tương đối xác (hình 3.23) ∆V2 = 9% ∆V3 = 3% ∆V1 = 0,3% ∆V2 = 1,2% ∆V3 = 0% ∆V2 = -1% ∆V2 = -1% ∆V3 = 1,2% ∆V2 = 12%  Sau đặt SVC  Tốc độ đáp ứng từ đến giây 5.1.3 Áp dụng SVC vào lưới điện  Điện áp bus hiệu chỉnh tốt với Ki = 50 (hình 4.3 – hình 4.7)  Không đặt SVC Bus 10 : ∆V = -25% Bus 24 : ∆V = -35% Bus : ∆V = -2,5% Bus 12 : ∆V = -9,5% Bus 21 : ∆V = -33%  Sau đặt SVC Bus : ∆V = -1,8% Bus 12 : ∆V = -5% Bus : ∆V = -9% ÷ -8% Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 81 Chương 5: Tổng kết  Thời gian hiệu chỉnh khoảng từ 0,1s ÷ 0,2s  Với Ki lớn, thời gian hiệu chỉnh ngắn 5.1.3.1 SVC kết hợp với fuzzy logic  Điện áp bus hiệu chỉnh tốt (hình 4.3 – hình 4.7) Bus : ∆V = -2,5% Bus 12 : ∆V = -9,5% Bus 21 : ∆V = -33%  Sau đặt SVC Bus 10 : ∆V = 0% Bus 24 : ∆V = -8% Bus : ∆V = -1% Bus 12 : ∆V = -5% Bus 21 : ∆V = -10%  Thời gian hiệu chỉnh khoảng 4s 5.2 Nhận xét  Việc sử dụng SVC giữ điện áp ổn định giới hạn cho phép Kết hiệu chỉnh SVC tốt So với việc sử dụng tụ điện SVC hiệu chỉnh điện áp nhuyễn hơn, khơng bị nhảy nấc  Tốc độ đáp ứng hệ thống phụ thuộc vào Ki nhanh Ki lớn  Mơ hình SVC kết hợp với Fuzzy Logic không phụ thuộc vào số Kp, Ki Tuy nhiên để kết xác cần phải xác định giá trị công suất Qcomp cần thiết giá trị độ lệch điện áp tương ứng Các giá trị xác định đo đạc thực tế phần mềm có sẵn thị trường  Tốc độ đáp ứng SVC dùng fuzzy logic chậm tăng lên cách sử dụng thiết bị đo đếm có tốc độ nhanh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 82 Chương 5: Tổng kết ⇒ Như vậy, việc sử dụng mô hình SVC kết hợp với Fuzzy Logic thực tế hợp lý với lưới điện lớn Nếu xác định cách xác đầy đủ số liệu tải, sụt áp dung lượng tụ bù kết hiệu chỉnh xác Vấn đề xác định dung lượng tụ bù thực phần mềm có sẵn thị trường thuật toán giải thuật di truyền Khối fuzzy logic thiết kế tốt với tập mờ đầy đủ, xác kết hợp thêm vài đầu vào dòng điện, hệ số cơng suất kết tốt Tóm lại, việc sử dụng fuzzy logic điều khiển SVC để ổn định điện áp bù công suất kháng lưới đem lại kết tốt Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ...Vì việc áp dụng Fuzzy logic có ý nghĩa lớn việc ứng dụng vào điều khiển SVC lưới điện: + Tăng tốc xử lý SVC cần làm việc + Đơn giản giúp SVC thơng minh q trình phản ứng lưới điện thay đổi... http://www.lrc-tnu.edu.vn 37 Chương 3: Áp dụng fuzzy logic điều khiển SVC 3.2 Fuzzy Logic Toolbox ( sử dụng phần mềm matlab để hỗ trợ việc thiết kế điều khiển mờ) Nhằm hỗ trợ việc thiết kế điều khiển mờ, Matlab cung... http://www.lrc-tnu.edu.vn 43 Chương 3: Áp dụng fuzzy logic điều khiển SVC  Khối compensation xác định Qcomp 3.3.2 Mơ hình SVC sử dụng fuzzy logic Khối SVC _fuzzy có cấu tạo tương tự khối SVC nguyên thủy Matlab