Áp dụng Fuzzy logic trong điều khiển SVC trên lưới điện

Áp dụng Fuzzy logic trong điều khiển SVC trên lưới điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời nói đầu Chúng ta đang bước vào thời kỳ Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá, ngành tự động hoá đóng một vai trò quan trọng trong công cuộc phát triển đất nước cụ thể là các thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển tự động đã được hình thành, phát triển và có được những kết quả rất quan trọng. Thuật toán điều khiển mờ (fuzzy logic) là lĩnh v ực mới và mang tính thời sự cao. Những năm gần đây đã chứng kiến sự phát triển nhanh chóng về số lượng cũng như những ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của fuzzy logic. Phạm vi ứng dụng từ những sản phẩm tiêu dùng như máy quay phim, máy giặt, lò viba đến điều khiển các quy trình sản xuất trong công nghiệp, thiết bị y khoa, hệ thống hỗ trợ ra quyết định, Một trong những giải pháp nhằm nâng cao tính ổn định của hệ thống và mở rộng khả năng truyền tải là 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 là rất cần thiết và góp phần vận hành ổn định hệ thống điện. Ngoài ra các phương pháp điều khiển thông thường đều cần đến mô hình đối tượng tuyến tính hay phi tuyến. Tuy nhiên đối với điều khiển mờ là không cần thiết mô hình toán học của đối tượng, nhờ vào quan hệ vào ra của đối tượng phi tuyến được nhận biết thông qua quan sát và dùng làm cơ sở để xây dựng hàm liên thuộc cũng như luật suy diễn. Thông qua phép thử và hiệu chỉnh ta sẽ tinh chỉnh bộ điều khiển mờ để đạt được kết quả tốt hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Vì vậy việc áp dụng Fuzzy logic sẽ có ý nghĩa rất lớn trong việc ứng dụng vào điều khiển SVC trên lưới điện: + Tăng tốc xử lý khi SVC cần làm việc + Đơn giản và giúp SVC thông minh hơn trong quá trình phản ứng khi lưới điện thay đổi. Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào công cuộc công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nước nói chung và phát triển ngành Tự động hoá nói riêng, trong khuôn khổ của khoá học Cao học, chuyên ngành Tự động hoá tại trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường và GS-TS Nguyễn Trọng Thuần, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “Áp dụng Fuzzy logic trong điều khiển SVC trên lưới điện”. Sau một thời gian học tập và nghiên cứu đến nay bản luận văn đã được hoàn thành. Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS-TS Nguyễn Trọng Thuần – thầy giáo hướng dẫn trực tiếp, người đã đưa ra hướng nghiên cứu tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn. Tác giả xin chân thành cảm tạ các thầy cô giáo đã tham gia giảng dạy, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nâng cao trình độ kiến thức. Xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của các Thầy, Cô giáo trong hội đồng chấm luận văn đã tạo điều kiện để luận văn được hoàn thành. Xin gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã giúp đỡ trong suốt quá trình làm luận văn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trong quá trình thực hiện đề tài, dù tác giả đã cố gắng hạn chế tối đa các khiếm khuyết và được viết khá cẩn trọng xong không tránh khỏi những sai sót vậy kính mong Hội đồng khoa học và độc giả nhận xét, đề xuất bổ xung đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả Lê Xuân Khoa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cam đoan Tôi xin cam đoan Luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của GS-TS Nguyễn Trọng Thuần. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả Lê Xuân Khoa 4 Chương 1: Thiết bị bù ngang tĩnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƯƠNG 1 THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH 1.1. Mục đích của bù ngang tĩnh Mục đích của sự bù ngang là : - Hiệu chỉnh điện áp tại điểm giữa đường dây. - Nâng cao điện áp cuối đường dây để ngăn chặn sự mất ổn định điện áp. - Làm tắt dao động công suất. 1.1.1. Hiệu chỉnh điện áp tại điểm giữa đường dây: Xét mô hình truyền tải trong đó thiết bị bù công suất phản kháng lý tưởng được mắc tại điểm giữa của đường dây truyền tải (hình 1.1). Để đơn giản đường dây được thay thế bởi cảm kháng mắc nối tiếp, thiết bị bù được thay thế bởi nguồn điện xoay chiều hình sin có tần số cơ bản cùng pha với điện áp tại điểm giữa Vm , với biên độ bằng biên độ của máy phát và điện thế Hình 1.1: Hệ thống gồm 2 máy phát với thiết bị bù lý tưởng tại điểm giữa X/2 X/2 Ism Vs Vr Vm Imr S M R ∼ ∼ ∼ Thiết bị bù lý tưởng (P=0) 5 Chương 1: Thiết bị bù ngang tĩnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Giả sử hệ thống không tổn thất, công suất thực coi như bằng nhau ở điểm phát và phụ tải, ta có quan hệ giữa điện áp điểm phát, phụ tải, dòng điện ở điểm phát và phụ tải theo công thức sau: 4δVcosmrVsmV == 4δsinX4VImrIsmI === (1.1) Với: + Ism là dòng điện đi qua đoạn thứ nhất. + Imr là dòng điện đi qua đoạn thứ hai. + Vsm là điện trên đoạn thứ nhất +Vmr là điện trên đoạn thứ hai. +δ là góc lệch trong rôto máy phát Công suất truyền tải 4δVIcos4δcossmImVmrImrVsmIsmVP ==== (1.2a) 2δsinX2V2P = (1.2b) Tương tự )2δcos(1X24V4δVIsinQ −== (1.3) Quan hệ giữa công suất P, công suất phản kháng Q theo góc δ trong trường hợp bù ngang lý tưởng được thể hiện trên đồ thị hình 1.2a. Ta thấy rằng bù ngang tại điểm giữa có thể tăng đáng kể khả năng truyền tải công suất, tại điểm giữa độ sụt áp trên đường dây lớn nhất. 6 Chương 1: Thiết bị bù ngang tĩnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.1.2. Nâng điện áp cuối đường dây để ngăn chặn mất ổn định điện áp Nâng điện áp tại điểm giữa của một hệ thống gồm 2 máy phát đã được đề cập ở trên có thể áp dụng cho trường hợp đường dây truyền tải hình tia. Thực vậy, nếu như tải thụ động có công suất P với điện thế V, được mắc vào điểm giữa 2 máy phát (hình 1.1), lúc này tổng trở X/2 và tải được thay thế bởi hệ thống hình tia đơn giản gồm tổng trở đường dây là X và tổng trở tải là Z. Rõ ràng điện áp đặt trên tải sẽ thay đổi khi phụ tải thay đổi. Hệ thống hình tia đơn giản với tổng trở đường dây X và tổng trở tải Z có quan hệ giữa điện áp ở đầu cực tải ( Vr ) theo P với hệ số công suất của tải thay đổi trong phạm vi từ 0,8 trễ đến 0,9 dẫn như hình 1.3a, điện áp giảm khi tải cảm và ngược lại khi tải dung, như vậy điện áp không ổn định phụ thuộc vào tính chất phụ tải, bù ngang công suất phản kháng có tác dụng tăng điện áp cuối đường dây ( hình 1.3b ) bằng cách cung cấp công suất phản kháng và hiệu chỉnh điện áp tại cực (V - Vr = 0) tại cuối đường dây ở đó điện thế thay đổi lớn nhất, đây là vị trí tốt nhất để đặt thiết bị bù. Thiết bị bù công suất phản kháng tại điểm giữa chỉ trao đổi công suất phản kháng với đường dây Bù ngang công suất phản kháng thường được áp dụng để hiệu chỉnh điện áp tại thanh cái chống lại sự biến đổi của tải hoặc để ngăn chặn sự sụt áp khi đường dây thiếu khả năng truyền tải, hệ thống trở nên suy giảm,điều này 7 Chương 1: Thiết bị bù ngang tĩnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn thường xảy ra khi hệ thống gồm có một hoặc vài máy phát cung cấp điện cho tải trong một phạm vi rộng. Do vậy, trong hệ thống hình tia cuối đường dây là điểm tốt nhất để đặt thiết bị bù. 1.1.3. Cải thiện quá trình ổn định Như đã xem xét ở phần trước, bù kháng ngang có thể tăng khả năng truyền tải tối đa. Vì vậy, người ta rất quan tâm đến việc điều chỉnh nhanh và thích hợp việc bù ngang để có thể thay đổi được dòng năng lượng trong hệ thống suốt quá trình biến động nhằm tăng quá trình ổn định và cung cấp công suất tác dụng để dập tắt dao động. Khi một đường dây ngắn mạch bị cắt ra, điện kháng đẳng trị của hệ thống tăng lên đột ngột làm cho đặc tính công suất máy phát hạ thấp xuống (hình 1.4). Điểm cân bằng mà hệ thống có thể làm việc xác lập sau khi sự cố là δ2, tuy nhiên chuyển từ δ1 sang δ2 là quá trình quá độ diễn ra theo đặc tính động của hệ thống. Quá trình có thể chuyển thành chế độ xác lập tại δ2 hoặc không, phụ thuộc vào tính chất hệ thống và mức độ kích động. Tại thời điểm đầu, do quán tính của 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 bằng δ2 thì tương quan công suất trở nên cân bằng, tuy vậy góc lệch δ vẫn tiếp tục tăng do quán tính. Thực chất của quá trình chuyển động quán tính này là động năng tích lũy trong roto được chuyển hóa thành công 8 Chương 1: Thiết bị bù ngang tĩnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn thắng momen hãm. Đến thời điểm góc lệch bằng δ3 động năng bị giải phóng hoàn toàn, góc lệch δ không tăng được nữa. Sau thời điểm này, không còn động năng, mà công suất điện từ PT < P(δ) nên roto quay chậm lại, góc δ giảm. Nếu kể đến momen cản ma sát quá trình sẽ tắt dần về điểm cân bằng δ2 của chế độ xác lập mới. Nếu trị số điện kháng đường dây chiếm tỷ lệ lớn hơn trong điện kháng đẳng trị hệ thống. Đặc tính công suất sau khi cắt 1 trong 2 đường dây sẽ hạ thấp xuống hơn (hình 1.5a). Gọi góc lệch rôto tại thời điểm cắt ngắn mạch là δN ta có điều kiện ổn định là A3 ≥ A1, nếu thời điểm cắt ngắn mạch lớn thì có khả năng A1 > A3 ngay cả khi δ3=δgh lúc này hệ thống mất ổn định. Tuy nhiên khi hệ thống có bù thì đặc tính công suất tăng lên như hình 1.5b sẽ nâng cao độ ổn định của hệ thống. 1.1.4. Làm tắt dao động công suất Khi hệ thống mất cân bằng dù nhỏ cũng tạo ra sự dao động góc của máy phát quanh giá trị xác lập tại tần số tự nhiên của hệ thống cơ điện. Khi máy phát tăng tốc và góc δ tăng ( dδ/dt > 0 ), công suất điện phải tăng để bù lại sự tăng công suất cơ. Ngược lại khi máy phát giảm tốc và góc δ giảm ( dδ/dt < 0 ),công suất điện phải giảm để cân bằng với công suất cơ ngõ vào. 9 Chương 1: Thiết bị bù ngang tĩnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn phản kháng ngõ ra QP của thiết bị bù ngang. Khi dδ/dt > 0 công suất phản kháng ngõ ra của thiết bị bù tăng và ngược lại khi d δ/dt < 0 công suất phản kháng bù ngõ ra giảm. Tóm lại: Chức năng cần thiết của thiết bị bù phản kháng ngang được dùng để tăng công suất truyền tải, cải thiện điện áp, cải thiện quá trình ổn định và dập tắt dao động công suất theo các điểm chính sau đây : • Thiết bị bù phải duy trì vận hành đồng bộ với hệ thống xoay chiều tại thanh cái bù, trong điều kiện vận hành bao gồm vấn đề cân bằng điện áp thanh cái, thiết bị phải có thể đồng bộ hóa ngay tức thời sau khi trạng thái ngắn mạch được giải tỏa. • Thiết bị bù phải có khả năng hiệu chỉnh điện thế thanh cái và cải thiện quá trình ổn định hoặc điều chỉnh nó để dập tắt dao động công suất và nâng cao quá trình ổn định. Tắt dần (b) 0 [...]... Thiết bị SVC +Khoảng vài ms đối với Ki = 100 *Với Ki = 300 và Ki = 500 điện áp dao động với biên độ dao động càng lớn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 34 Chương 3: Áp dụng fuzzy logic điều khiển SVC CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG FUZZY LOGIC ĐIỀU KHIỂN SVC 3.1 Fuzzy Logic Những năm gần đây đã chứng kiến sự phát triển nhanh chóng về số lượng cũng như những ứng dụng trong. .. Việc điều chỉnh điện áp được thực hiện qua việc điều khiển nhanh trở kháng của SVC và do đó dẫn đến điều khiển nhanh công suất kháng ở đầu ra của SVC Mục đích chính của bù SVC là làm tăng giới hạn ổn định của hệ thống điện xoay chiều, làm giảm dao động điện áp khi có biến động phụ tải cũng như giới hạn được mức quá điện áp khi có biến động lớn SVC về cơ bản là thiết bị có công suất kháng điều khiển. .. bị SVC CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ SVC 2.1 Thiết bị bù tĩnh (SVC) 2.1.1 Khái niệm chung Các tiến bộ trong việc áp dụng kỹ thuật thyristor vào trong hệ thống điện đã dẫn đến sự phát triển của thiết bị bù tĩnh (Static Var Compensator SVC) Thiết bị này gồm các phần tử cuộn kháng và tụ điện được điều khiển bằng thyristor  trên ba pha của đường dây cung cấp  Điều chỉnh điện áp của đường dây truyền tải nhằm áp. .. nhiều lĩnh vực khác nhau của fuzzy Khái niệm chung Fuzzy logic có hai cách hiểu Theo nghĩa hẹp, fuzzy logic là sự mở rộng của hệ thống logic nhiều giá trị Nhưng theo nghĩa rộng được sử dụng ngày hôm nay, fuzzy logic gần như đồng nghĩa với lý thuyết về tập mờ 3.1.1 Nền tảng của fuzzy logic Nền tảng của fuzzy logic bao gồm :  Toán tử logic (Logical Operation)  Luật điều khiển (If-Then Rule) 3.1.1.1... Thiết bị SVC Hình 2.6: Đặc tuyến VI của SVC 2.2 Mô hình SVC trên Matlab Để mô phỏng SVC, Matlab cung cấp khối “Static Var Compensator” nằm trong thư viện powerlib/Electrical Sources 2.2.1 Input – Output  Input : Các đầu vào A, B, C được nối trực tiếp vào lưới điện  Output :  B(pu) : dẫn nạp của SVC (SVC Susceptance) ứng với điện áp được hiệu chỉnh  Vm(pu) : điện áp thứ tự thuận của lưới do SVC đo... khối SVC 2.2.3 Mô hình khối SVC Khối SVC được kết nối trực tiếp lên lưới, đo điện áp lưới, chuyển đổi sang điện áp pha ở giá trị tương đối Điện áp pha được đưa vào khối Voltage regulator, cùng với điện áp đặt Vref Khối Voltage regulator đưa ra giá trị điện dẫn B (susceptance) ở đơn vị tương đối Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 Chương 2: Thiết bị SVC Tùy... hoạt động mà giá trị điện dẫn B hoặc Bref sẽ sử dụng để tạo nguồn dòng đưa ngược trở lại lưới Hình 2.8 : Mô hình khối SVC 2.2.4 Khối Voltage regulator : Khối Voltage regulator nhận tín hiệu điện áp đo được từ lưới, kết hợp với giá trị điện áp đặt Vref và giá trị điện áp rơi, xác định độ lệch điện áp Giá trị sai lệch này được đưa qua các khâu tỉ lệ và tích phân tỉ lệ, đầu ra là giá trị điện dẫn B (susceptance)... bộ điều khiển mờ gồm có ba khâu cơ bản :  Luật hợp thành : xử lý vector µ và cho ra giá trị mờ B’ của biến ngôn ngữ đầu ra  Khâu giải mờ : chuyển đổi tập mờ B’ thành một giá trị rõ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 một bộ điều khiển mờ)... phạm vi điều khiển bình thường Tổn thất trong TSC-TCR lúc không t i là nhỏ và tổn thất này tăng theo ả công suất đầu ra Hình 2.5 : Sơ đồ TSC-TCR 2.1.2 Đặc tuyến tĩnh của SVC  Vmax, Vmin : giới hạn điện áp hiệu chỉnh  (VCmax, VLmax : độ lớn điện áp hiệu chỉnh ứng với Qcmax, Qlmax)  Qcmax, QLmax : công suất lớn nhất của bộ tụ và cuộn kháng  Vref : điện áp yêu cầu  Icmax, ILmax : dòng điện qua SVC ứng... của TCR 2.1.1.3 Thyristor điều chỉnh cuộn kháng, Tụ cố định (TCR-FC) Hình 2.4 : Sơ đồ TCR-FC Q = QC - QL ; Công suất kháng của SVC có thể điều khiển trong khoảng từ 0 ÷ QC tuỳ thuộc vào việc điều khiển đóng - cắt công suất cuộn kháng Nếu không có yêu cầu về công suất phản kháng từ SVC (QSVC = 0) thì công suất kháng của cuộn kháng và tụ điện phải triệt tiêu nhau, dòng điện trong bộ tụ luân chuyển sang . http://www.lrc-tnu.edu.vn Vì vậy việc áp dụng Fuzzy logic sẽ có ý nghĩa rất lớn trong việc ứng dụng vào điều khiển SVC trên lưới điện: + Tăng tốc xử lý khi SVC cần làm việc. tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là Áp dụng Fuzzy logic trong điều khiển SVC trên lưới điện . Sau một thời gian học tập và nghiên cứu đến