Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu RH để nâng cao chất lượng điều khiển ổn định HTĐ

1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết, ý nghĩa lý luận thực tiễn đề tài Khi phải thiết kế, xây dựng hệ thống điều khiển đó, nhà thiết kế thường gặp phải toán điều khiển thiết kế cần đảm bảo cho hệ thống có chất lượng làm việc mong muốn tính ổn định, mức tiêu hao lượng thấp, tính bền vững cao, dải cơng suất làm việc lớn Có thể thấy yêu cầu khó đáp ứng với cơng cụ điều khiển có cấu trúc đơn giản sử dụng nhiều công nghiệp điều khiển PI, PID,… PSS (Power System Stabilizer) điều khiển sử dụng nhà máy điện Ở Việt Nam, lắp đặt nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Phú Mỹ; nhà máy thủy điện Thác Bà, Yaly Sơn La,… PSS có nhiệm vụ tăng cường giảm dao động tần số thấp hệ thống điện (HTĐ), mở rộng giới hạn truyền tải công suất trì hoạt động an tồn mạng lưới điện Tuy nhiên, có hạn chế tham số điều khiển đảm bảo tính ổn định cho hệ thống dải công suất làm việc định, ngồi dải cơng suất kỹ sư vận hành bắt buộc phải tự chỉnh định lại tham số làm việc PSS Hơn nữa, tham số chuẩn giới thiệu đảm bảo tính ổn định hệ thống làm việc độc lập không bị tương tác khác hệ thống xung quanh tác động vai trò tín hiệu nhiễu ngoại sinh Để nâng cao khả làm việc bền vững cho điều khiển, người ta sử dụng nguyên tắc thủ cựu xây dựng thêm nhiều mạch vòng điều khiển bổ sung, cách sử dụng điều khiển PID lọc lead–lag Song đáng tiếc tài liệu [Glover K Doyle J C (1998)] rõ, nguyên lý điều khiển bảo thủ chứa đựng khiếm khuyết dẫn tới phá vỡ tiêu chất lượng đặt hệ thống, số trường hợp điều khiển không đảm bảo dập tắt dao động hệ thống Gần đây, lý thuyết tối ưu RH  phát triển [Nguyễn Doãn Phước (2007)], [Pal B and Chaudhuri B (2005)], [Zhou K., Doyle J C and Glover K (1996)] mở rộng kho công cụ cho kỹ sư điều khiển để thiết kế điều khiển bền vững, cho phép tạo điều khiển bổ sung có khả mở rộng dải công suất làm việc định mức cho hệ thống mà đảm bảo việc loại bỏ tác động ngoại sinh bên ngồi Vì vậy, luận án đề xuất xây dựng cấu trúc điều khiển sở lý thuyết tối ưu RH  để nâng cao chất lượng điều khiển ổn định HTĐ Điều mang tính cấp thiết có ý nghĩa lớn thực tế 2 Mục đích nghiên cứu đề tài Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu RH để nâng cao chất lượng điều khiển ổn định HTĐ Đối tượng phạm vi nghiên cứu – Đối tượng nghiên cứu luận án HTĐ – Phạm vi nghiên cứu luận án giới hạn việc nghiên cứu ổn định góc tải (góc rotor) với nhiễu nhỏ, nhiễu nhỏ sinh thiếu mô men damping thay đổi phụ tải hay máy phát trình làm việc Kỹ thuật thiết kế điều khiển lý thuyết điều khiển tối ưu RH Phương pháp nghiên cứu – Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá hệ thống hóa cơng trình nghiên cứu cơng bố thuộc lĩnh vực liên quan: báo, tạp chí, sách chuyên ngành; nghiên cứu cấu trúc phương pháp lựa chọn thông số PSS Đánh giá ưu nhược điểm PSS – Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu cấu trúc PSS lắp đặt nhà máy điện Việt Nam, phân tích lý giải so sánh Kiểm chứng điều khiển PSS thiết kế mô Matlab R2010a & Simulink, sau mơ thời gian thực Card R&D DS1104 Đánh giá khả ứng dụng PSS – Lấy ý kiến chuyên gia: Tham khảo ý kiến nhà khoa học, ý kiến kỹ sư vận hành nhà máy điện nhà sản xuất thiết bị PSS hãng ABB Những đóng góp luận án – Luận án nghiên cứu cách hệ thống PSS Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu RH thiết kế thành công PSS tối ưu cấu trúc tham số để nâng cao chất lượng ổn định HTĐ Bộ điều khiển cho thấy làm việc bền vững với sai lệch mơ hình nhiễu Ngồi chất lượng ổn định lại nhạy cảm với sai lệch mơ hình nhiễu – Luận án dùng chuẩn Hankel để giảm bậc điều khiển từ bậc 28 xuống bậc 6, giúp cho việc thực điều khiển RH có tính khả thi thực tế – Luận án đánh giá hiệu loại PSS theo chuẩn IEEE 421.5.2005 vấn đề giảm dao động góc tải máy phát điện HTĐ – Kết nghiên cứu luận án mở khả ứng dụng RH – PSS HTĐ thực tế Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận kiến nghị luận án gồm chương sau đây: Chương giới thiệu cấu trúc chung HTĐ; vấn đề điều khiển HTĐ điều khiển điện áp, điều khiển tần số; phân tích nguyên nhân gây nên dao động góc tải, tác hại dao động Cuối chương trình bày phương pháp thiết kế PSS mô men damping, đáp ứng tần số hay giá trị riêng ma trận trạng thái Phân tích tồn nghiên cứu cịn bỏ ngỏ Chương luận án dành để xây dựng mơ hình tốn tổng qt trạm phát điện HTĐ Cụ thể xây dựng mơ hình tốn máy phát điện đồng bộ, kích từ AVR, turbine điều tốc Phần chương xây dựng mơ hình tốn hệ máy phát điện kết nối với HTĐ qua đường dây tải điện Chương dành để xây dựng mơ hình tốn tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc hệ máy phát kết nối với HTĐ bị nhiễu loạn nhỏ tác động, từ đưa hệ phương trình trạng thái HTĐ Trên đồ thị vector, giải thích chất vật lý thành phần mơ men chưa có AVR có AVR từ thấy cần thiết PSS Phần chương giới thiệu cấu trúc PSS theo chuẩn IEEE 421.5.2005, phân tích thành phần cấu trúc PSS2A/2B Cuối chương thực đánh giá hiệu PSS ổn định góc tải Kết nghiên cứu chương đóng góp luận án Chương chương trọng tâm luận án Công việc dành cho việc chuyển tốn điều khiển ổn định tín hiệu nhỏ thành toán điều khiển bền vững Phần trình bày tổng quan lý thuyết điều khiển tối ưu bước thiết kế điều khiển bền vững PSS Với công cụ hỗ trợ phần mềm Matlab, tác giả tìm điều khiển bậc 28 Để điều khiển có tính khả thi thực tế, tác giả dùng chuẩn Hankel để giảm bậc điều khiển bậc Phần cuối chương dành cho việc mô điều khiển hai trường hợp Mô Matlab mô theo thời gian thực Kết nghiên cứu chương đóng góp quan trọng luận án Phần cuối luận án cơng trình cơng bố liên quan đến luận án, tài liệu tham khảo phần phụ lục Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu cấu trúc HTĐ Điện tạo trạm phát điện truyền tải đến hộ tiêu thụ thông qua mạng lưới điện phức tạp bao gồm đường dây truyền tải, máy biến áp, thiết bị đóng cắt,…Ta phân mạng lưới điện thành hệ thống sau: hệ thống truyền tải; hệ thống truyền tải trung gian; hệ thống phân phối HTĐ mô tả tạo nên phức tạp cấu trúc độ tin cậy, Một mặt, HTĐ cho phép khai thác tối đa ưu điểm vận hành kinh tế, cho phép hệ thống chống lại cố bất thường mà không làm gián đoạn việc cung cấp điện cho hộ tiêu thụ Mặt khác, tiền đề thuận lợi cho việc phát triển nguồn điện công suất lớn việc đấu nối vào hệ thống Tuy nhiên, làm nảy sinh vấn đề ổn định HTĐ 1.2 Điều khiển HTĐ 1.2.1 Nhiệm vụ điều khiển HTĐ Chức HTĐ biến đổi lượng từ dạng tự nhiên sang dạng điện truyền tải đến điểm tiêu thụ Sự tiện lợi lượng điện dễ truyền tải điều khiển với hiệu suất độ tin cậy cao Trong trình vận hành HTĐ cần đảm bảo yêu cầu sau đây:  Hệ thống phải có khả đáp ứng cách liên tục với thay đổi nhu cầu tải CSTD công suất phản kháng  Chất lượng điện phải đảm bảo tiêu chuẩn: tần số hệ thống không đổi; điện áp nút không đổi 1.2.2 Cấu trúc điều khiển HTĐ Các điều điều khiển HTĐ Phía nhà máy điện Phía tryền tải điện FACTS Bộ điều khiển khí Turbine Kích từ, (nhanh) (chậm) Điều khiển tần số tải (LFC) AVR (nhanh) Hình 1.4 Cấu trúc điều khiển HTĐ Hình 1.4 cấu trúc điều khiển HTĐ phân chia làm hai khối:  Khối điều khiển phía nhà máy điện có hai phận bản: điều khiển tần số tải (LFC) điều tốc turbine, dùng để giữ tần số máy phát giá trị định mức (50 Hz); phận quan trọng khác hệ thống điều khiển kích từ  Khối điều khiển phía đường dây có phận quan trọng thiết bị FACTS [Antonio Griffo (2006)], FACTS thiết kế góp phần tăng khả truyền tải, điều khiển luồng công suất dập tắt dao động HTĐ Ngoài khối điều khiển nêu trên, HTĐ Việt Nam cịn có trung tâm điều độ HTĐ Quốc gia, điều độ miền Bắc, miền Nam miền Trung để huy vận hành HTĐ đáp ứng yêu cầu sản xuất tiêu thụ điện Sau ta xem xét vấn đề điều khiển hai thông số quan trọng chế độ hệ thống điện áp tần số 1.2.2.1 Điều khiển điện áp Để điều khiển điện áp người ta thực điều khiển việc sản xuất, tiêu thụ công suất phản kháng tất cấp HTĐ Các máy phát phương tiện để điều khiển điện áp, việc điều khiển dịng điện kích từ thơng qua AVR trì điện áp đầu cực máy phát điện Hệ thống kích từ (HTKT) bao gồm kích từ AVR hệ thống thiết bị quan trọng định đến làm việc an tồn máy phát điện Nó có nhiệm vụ cung cấp dòng điện chiều cho cuộn dây kích từ máy phát điện đồng 1.2.2.2 Điều khiển tần số Quá trình điều khiển tần số gắn liền với điều khiển tốc độ máy phát điện đồng Tần số hệ thống đảm bảo dựa cân công suất tác dụng (CSTD) Trong hệ thống có nhiều tổ máy, nhiều nhà máy điện nên cần có phân phối cơng suất tổ máy với Bộ điều chỉnh tốc độ turbine máy phát làm chức điều chỉnh tốc độ sơ cấp, điều khiển thứ cấp làm nhiệm vụ phân phối công suất (AGC) độc lập nhau, Trong hệ thống liên kết có hai hay nhiều khu vực điều khiển điều khiển tần số nguồn phát khu vực phải điều khiển để trì lượng cơng suất trao đổi khu vực theo kế hoạch định trước Điều khiển nguồn phát tần số thông thường biết đến với thiết bị điều khiển tần số–tải (LFC) Ngày nay, thiết bị tự động điều khiển cho phép trì tần số hệ thống kết hợp phân bố kinh tế công suất tổ máy nối song song đồng thời điều khiển luồng cơng suất cịn thiếu hụt HTĐ nhà máy 1.3 Vấn đề dao động góc tải HTĐ 1.3.1 Định nghĩa góc tải (góc rotor) Góc tải (góc rotor) góc vector sức điện động bên Eg từ thơng dịng điện kích từ sinh với vector điện áp đầu cực máy phát Vt Vt (hình 1.7c) Ở chế độ xác lập công suất đầu máy phát cho [Kundur P (1994)]: EV Pe g t sin Đáp ứng mối quan hệ công suất góc  biểu diễn hình 1.7d Nếu góc tăng, cơng suất truyền tải tăng (giá trị cực đại thường đảm bảo 900), sau góc tiếp tục tăng cơng suất giảm Cịn tiếp tục tăng góc dẫn tới ổn định 1.3.2 Cân công suất HTĐ Trong trình vận hành, bị nhiễu loạn thay đổi đột ngột, tốc độ công suất máy phát biến đổi xung quanh điểm vận hành Mối quan hệ biểu diễn phương trình chuyển động sau [Kundur P (1994)]: 2H d 2  TMTe  dt Theo (1.2), chế độ xác lập HTĐ, có cân mô men đầu vào mô men điện đầu máy phát (TMTe ) góc tải, tốc độ rotor trì số Nếu hệ thống bị nhiễu loạn, điểm cân bị thay đổi, kết làm cho rotor bị tăng tốc hay giảm tốc so với tần số hệ thống, khiến hoạt động máy phát khơng ổn định 1.3.3 Nguyên nhân gây dao động góc tải Khi có tải yêu cầu đến trạm có nhiều tổ máy, phận AGC làm nhiệm vụ phân công suất cho tổ máy để hướng tới cân Tuy nhiên động học máy phát khác nhau, gây nên luồng công suất trao đổi nội trạm phát, máy phát với hệ thống qua đường truyền Những tác động xen kênh khiến cho rotor máy phát dao động xung quanh điểm làm việc Một nguồn khác gây nên dao động góc tải việc sử dụng kích từ đáp ứng nhanh với AVR hệ số khuếch đại lớn có tác dụng cải thiện giới hạn ổn định tĩnh ổn định động, lại làm giảm thành phần mô men damping, gây bất lợi với ổn định tín hiệu nhỏ  Tác hại dao động: Khi góc tải dao động khiến tốc độ rotor khơng cịn tốc độ đồng nữa, góc tải vượt 900 (hình 1.7d), làm cho hoạt động máy phát bị đồng bộ, trường hợp không khống chế kịp thời, bị cộng hưởng với dao động khác gây nên đồng nghiêm trọng máy phát lưới chí gây tan rã HTĐ  Cách tiếp cận nghiên cứu ổn định: Trong cách phân loại ổn định HTĐ, ổn định góc tải chia làm hai loại ta xem xét toán ổn định tín hiệu nhỏ (nhiễu loạn nhỏ) Các nhiễu loạn coi đủ nhỏ cho phép ta sử dụng phương trình tuyến tính hệ thống để phân tích ổn định Lý thuyết ổn định tín hiệu nhỏ dùng để nhận dạng phân tích dao động điện tần số thấp HTĐ Các dao động làm cho góc rotor máy phát tăng lên giảm so với điểm làm việc nguyên nhân thiếu mô men đồng mô men damping Theo Rogers G (2000) Prasertwong K., Mithulananthan N., Thakur D., dao động tần số thấp gồm có dạng sau đây: Các dao động cục bộ: Những dao động thường liên quan đến nhiều máy phát đồng quay với nhà máy điện so với HTĐ lớn hay trung tâm phụ tải Tần số dao động khoảng 0,7–2 Hz Các dao động liên khu vực: Những dao động thường liên quan đến việc kết hợp nhiều máy phát phần HTĐ phần khác HTĐ thông qua đường truyền yếu Tần số dao động thường nhỏ 0,5 Hz Các dao động toàn cầu: Những dao động liên quan đến nhiều HTĐ lớn kết nối với diện rộng Tần số dao động nhỏ 0,2 Hz Giải pháp để dập dao động kể sử dụng thiết bị ổn định HTĐ PSS hoạt động thông qua điều chỉnh điện áp AVR 1.4 Bộ ổn định HTĐ - PSS Nhiệm vụ PSS ước lượng dao động  (t) gửi tín hiệu điện áp VPSS tác động lên mạch kích từ để tạo thành phần mô men điện từ dập dao động Thay phải đo trực tiếp góc tải, người ta thường đo biến thiên tốc độ rotor (t) và/hoặc công suất điện máy phát Pe (t ) đẳng trị với (t) lấy hai tín hiệu để làm đầu vào cho PSS Khâu lọc sTw Khâu bù lead-lag 1sTw T (s) Hình 1.12 Cấu trúc PSS Theo chuẩn IEEE 421.5–2005, PSS chia ra: PSS1A loại có đầu vào sai lệch tốc độ , sai lệch tần sốf , công suất điện Pe ; PSS đầu vào kép, có tín hiệu đầu vào sai lệch tốc độ công suất điện Pe (PSS2A, PSS2B, PSS3B PSS4B) Hình 1.12 sơ đồ khối PSS sử dụng HTĐ Nó bao gồm khâu lọc thông cao, khâu bù lead-lag, khâu lọc xoắn khâu giới hạn Tựu chung tất PSS sử dụng có cấu trúc cứng với tham số chọn tự thường không quán Mỗi hãng sản xuất có luận điểm riêng phức tạp việc chọn tham số 1.5 Những vấn đề nghiên cứu PSS 1.5.1 Một số phương pháp thiết kế PSS Trong thực tế máy phát điện tương tác với thơng qua điện áp dịng điện, ảnh hưởng động học máy khác Do phải xem xét cách cụ thể thiết kế PSS, điều biết đến giống việc phối hợp điều chỉnh PSS hệ thống có nhiều máy phát Sau số phương pháp tiếp cận thiết kế PSS [Bikash Pal, Balarko Chaudhuri (2005)] 1.5.1.1 Phương pháp tiếp cận mô men damping Khi sử dụng phương pháp phải tìm hệ số K1K6 mơ hình Heffron – Phillips (1952), ảnh hưởng máy phát khác tác động lên máy cụ thể, việc tính tốn cách bổ sung thêm mô men làm giảm dao động gọi mô men damping Trong dải tần số rộng, lý thuyết phân tích tín hiệu nhỏ sử dụng để kiểm tra dao động tắt dần máy phát Ưu điểm phương pháp đơn giản, hệ số khuếch đại KPSS chọn, tham số khác PSS như: khâu lọc thông cao, khâu bù pha,…tính tốn dễ dàng Nhưng có nhược điểm phân tích giá trị riêng dao động cục dao động liên khu vực mạch vịng kín khơng đầy đủ, nên điều chỉnh hệ số khuếch đại gặp nhiều khó khăn khiến góc tải dao động 1.5.1.2 Phương pháp tiếp cận đáp ứng tần số Ưu điểm phương pháp bù pha cách xác, hệ số khuếch đại xem xét trường hợp có nhiễu thực tế Nhược điểm phương pháp việc giải phương trình phi tuyến gặp khó khăn, phải lập đồ thị quỹ đạo nghiệm để xét xem hệ có ổn định hay khơng, khiến cho việc tìm hệ số gặp khó khăn định 1.5.1.3 Phương pháp tiếp cận giá trị riêng biến trạng thái Phân tích giá trị riêng phần nghiên cứu liên quan đến ổn định tín hiệu nhỏ Phương pháp sử dụng rộng rãi việc điều chỉnh phân tích làm việc PSS hệ thống có nhiều máy phát Độ nhạy giá trị riêng công cụ hữu ích để nhận vị trí máy phát tốt cho việc thiết kế PSS Phương pháp không bị giới hạn phức tạp mô hình 1.5.2 Các cơng trình nghiên cứu PSS Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu PSS, đa số tập trung vào phương pháp lựa chọn tham số cho PSS theo cấu trúc cứng có Chẳng hạn chọn tham số tối ưu H cho PSS [Chen S and Malik O P (1995)]; áp dụng chuẩn H2 để chọn tham số cho PSS [Doyle J C., Glover K., Khargonekar P P and Francis B A (1989)]; phương pháp thiết kế PSS bền vững sử dụng cấu trúc phân tích để chọn tham số cho PSS [Chen S and Malik O P (1995)]; điều khiển bền vững “loop shaping” [Mendiratta J K., Jayapal R (2010)], Sự thành công phương pháp dựa nhiều vào việc lựa chọn trọng số, nhiên lại không đưa luật rõ ràng để áp dụng cho sau Nếu việc giải toán điều khiển tối ưu gặp giới hạn cách tiếp cận chuẩn H để giải bất đẳng thức ma trận tuyến tính (LMI) áp dụng Sự tiện lợi kỹ thuật sử dụng cho nhiều mục đích điều khiển khác nhau, chẳng hạn nhiễu lọc điều khiển tối ưu cưỡng H thông qua H2 gán điểm cực thông qua LMI [Dehghani M and Nikravesh S K Y (2007)], [Gahinet P and Apkarian P (1994)] Gần đây, với phát triển kỹ thuật điều khiển thơng minh khả trình, thuật toán di truyền [Zhang P and Coonick A H (2000)], mạng neural [Zhang Y., Chen G P., Malik O P and Hope G S (1993)] logic mờ [Hosseinzadeh N and Kalam A (1999)] giải số toán chọn tham số cho PSS 1.6 Hướng nghiên cứu luận án Các phân tích cho thấy rằng, có nhiều luận điểm riêng rẽ cho việc lựa chọn tham số PSS với cấu trúc định trước tham số PSS sử dụng chưa phải tốt Cũng vậy, cấu trúc PSS dùng chưa phải tối ưu sách lược thiết kế PSS tối ưu cấu trúc chưa có nghiên cứu Vì vậy, luận án đặt nhiệm vụ nghiên cứu thiết kế cấu trúc PSS tối ưu sở lý thuyết RH từ thử nghiệm đánh giá, so sánh chất lượng với PSS có cấu trúc chuẩn sử dụng Bộ điều khiển RHđề xuất luận án không thay điều khiển có HTĐ ngoại trừ PSS Cụ thể, khơng thay turbine & điều tốc, kích từ & AVR, Nó bổ sung thêm vào HTĐ PSS tối ưu tham số cấu trúc để dập tắt dao động góc rotor máy phát điện Các dao động có tần số khoảng 0,1–2 Hz hệ tương tác máy phát, máy phát với hệ thống thiếu thành phần mô men damping phản ứng nhanh HTKT Tính tối ưu điều khiển RH nằm chỗ ảnh hưởng tới điều khiển khác, chất lượng động học có hệ thống nhỏ 1.7 Kết luận chương – Phân tích nguyên nhân gây dao động, tác hại dao động biện pháp khắc phục Từ đưa vấn đề sử dụng PSS hoạt động thông qua AVR để dập tắt dao động góc rotor máy phát điện do(p.u ) Toc Thoi gian (sec) Hình 3.19 Đáp ứng góc tải δ Hình 3.20 Đáp ứng tốc độ rotor ω -4 x 10 (p.u.) Sailechtocdo -4 -2 -6 19 20 21 Hình 3.21 Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω 3.5.2 Trường hợp sử dụng PSS1A PSS2A Kết mô Matlab thể hình 3.2740.5 Goctai(degree) 40 39.5 39 38.5 38 37.5 19 20 Thoi gian (sec) Hình 3.27 Đáp ứng góc tải δ Khi dùng PSS2A góc tải tăng cao 21 Thoi gian (sec) định dao động tốc độ rotor CSTD máy phát tốt dùng PSS2A khoảng 40,3 sau 2,5s góc tải ổn định 38,70 dùng PSS1A phải sau 4s góc tải ổn định Chất lượng ổn 3.6 Kết luận chương tac may phat Cong (p.u.) suat dung Hình 3.28 Đáp ứng tốc độ rotor Thoi gian (sec) Hình 3.29 Đáp ứng CSTD máy phát Pe – Xây dựng mơ hình tốn học tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc hệ máy phát kết nối với HTĐ bị nhiễu loạn nhỏ tác động, đưa hệ phương trình trạng thái HTĐ dùng cho việc thiết kế điều khiển PSS sau – Trên đồ thị vector giải thích chất vật lý thành phần mô men chưa xét đến AVR xét đến AVR Kết phân tích cho thấy nhược điểm việc sử dụng AVR độ nhạy cao tạo nên thành phần mơ men damping tăng theo chiều âm, khiến hoạt động máy phát không ổn định Bằng việc bổ sung 18 thêm thành phần vector mô men pha với sai lệch tốc độ Δω khắc phục nhược điểm AVR, thành phần mơ men có dùng thêm PSS – Giới thiệu cấu trúc PSS theo chuẩn IEEE 421.5.2005, phân tích thành phần cấu trúc PSS2A/2B – Đánh giá hiệu PSS ổn định góc tải Kết mô Matlab cho thấy hiệu tốt việc sử dụng PSS ổn định góc tải, đặc biệt PSS2A, dẫn đến ổn định tốc độ rotor CSTD đầu máy phát Tuy nhiên, biên độ chu kỳ dao động lớn Chương ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU RH ĐỂ THIẾT KẾ PSS TỐI ƯU CẤU TRÚC 4.1 Chuyển tốn điều khiển ổn định tín hiệu nhỏ thành toán điều khiển bền vững RH Như phân tích mục 3.2, bị nhiễu loạn tác động (th cách trang bị PSS có góc tải bị dao động Bởi vậy, ta đề xuất điều khiển bền vững PSS có sơ đồ khối hình 4.2 (sơ đồ rút gọn từ sơ đồ hình 3.7) Đối tượng S(s) hình 4.2 có dạng tổng quát: x Ax BuCp z Dx y Ex đó: biến trạng thái hệ thống đạo w; tín hiệu điều khiển uVrefVPSS , với giả thiết làVref đo pTM ; A, y B,C, Hệ kín hình 4.2 có ma trận hàm truyền đạt:    Z   S   Y   Từ ma trận hàm truyền hệ kín (4.17) ta thấy quan hệ thành phần không can thiệp điều khiển p z biểu diễn bởi: G11 (s ) S11 (s ) S12 (s )R (s )IS 22 (s )R (s ) S 21(s) 1 11S12R I I 19 Nhiệm vụ điều khiển đặt thiết kế điều khiển R(s) thỏa mãn:   4.2 Làm hệ kín từ w sang y ổn định Có ảnh hưởng nhiễu p sang z nhỏ Thiết kế điều khiển bền vững RH 4.2.1 Khái niệm lý thuyết điều khiển tối ưu RH (luận án) 4.2.2 Các bước thực toán điều khiển tối ưu RH 4.2.2.1 Xác định tập (s) điều khiển làm hệ SISO ổn định Trường hợp đối tượng S(s) ổn định a) Tập (s) gồm tất điều khiển làm ổn định hệ thống có dạng phụ thuộc tham số Q sau [Nguyễn Doãn Phước (2007)]:    (s )R (s )  b) Tập  Trường hợp đối tượng S (s) không ổn định (s) gồm tất điều khiển làm hệ kín ổn định có cấu trúc:   X  MQ (s) = R (s )   X ,Y ,Q , M , N RHvà NX MY1 YNQ   (4.35) 4.2.2.2 Tìm R (s) (s) để hệ có độ nhạy nhỏ Xác định hàm nhạy với sai lệch mơ hìnhS F (s )1 RS 1 (4.36) nhiệm vụ điều khiển phải xác định được: 1 F  1 R (s )S (s)  R (s)  (s) cho với có (4.38) Chuyển tốn tối ưu (4.38) thành tốn cân mơ hình Thay (4.35) vào (4.38) được: F (s ) Khi tốn tối ưu (4.38) trở thành: * R  arg THQ với T , HRH biết QRH Tìm nghiệm toán tối ưu (4.39) cho hệ SISO (luận án) (4.39) 4.2.3 Thiết kế PSS tối ưu RH 4.2.3.1 Trình tự thiết kế 20 Bước thứ nhất: Với thơng số phần tử biết Áp dụng công thức (4.11 – luận án) ta tính hàm truyền đạt S11 (s ), S12 (s ), S 21 (s ), S 22 (s) Vì tất điểm cực S11 (s ), S12 (s ), S 21 (s ), S 22 (s) có phần thực âm nên đối tượng ổn định Từ (4.17) ta viết quan hệ yu biểu diễn bởi: G22 quan hệ p z biểu diễn bởi: G11 S11S12R1S22R 1 S21 Mục tiêu tìm điều khiển R phụ thuộc tham số Q , vớiQRH để (4.45) ổn định (4.46) đưa dạng THQ Đơn giản chọn  R   thay (4.47) vào (4.45) ta G 22 S 22 (1S 22Q) (4.48) ổn định (S22 Q ổn định) nên (4.47) điều khiển chấp nhận Bước thứ hai: Bài toán tương đương với T (s ) S11(s) bên trái trục ảo Vì hệ SISO T , HRH , H (s) khơng có điểm khơng s0 nằm bên phải trục ảo Bởi vậy, theo [Nguyễn Dỗn Phước (2007)] ta có: T (s )T (s0 ) * Q  H (s )  E (s) đa thức bậc 12, F (s) đa thức bậc Vì vậy, Q khơng hợp thức, nên cách chia mẫu số (4.52) cho đa thức bậc 5, ta có nghiệm cận tối ưu * Q  Q * (es1) Với E (s) , F (s) đa thức bậc 12 Rõ ràng Q* hợp thức bền có điểm cực nằm bên trái trục ảo Thay S22 , (4.53) vào (4.47) ta điều khiển bậc 28 (luận án) Dạng tổng quát R (s ) N (s ) / D (s) 4.2.3.2 Giảm bậc mơ hình điều khiển Vì bậc điều khiển cao, nên ta tìm cách giảm bậc điều khiển để thực thuận tiện thực tế công cụ Robust Control Toolbox Matlab 7.10.0 (R2010a) 21 Bode Diagram Magnitude (dB) Hankel S Phase (deg) Hình 4.3 Đồ thị Bode điều khiển thiết kế (bậc 28) Hình 4.4 Đồ thị giá trị suy biến Hankel Hình 4.3 đồ thị Bode điều khiển ban đầu Động học đáng quan tâm điều khiển nằm dải tần số từ đến 20 rad/s, trị số quan tâm tần số rad/s tương đương với tần số 1Hz Mục tiêu tìm điều khiển bậc thấp bảo tồn nội dung thông tin dải tần số Comparing Original (R) to the Reduced models (Rr_add and Rr_mult) Step Response 40 Magnitude (dB) 20 Amplitude -20 360 (deg) R - 28-state original Phase Time (sec) Hình 4.8 Đáp ứng bước ba mơ hình Frequency (rad/sec) Hình 4.7 So sánh đồ thị Bode mơ hình điều khiển ban đầu điều khiển sau giảm bậc theo hai cách (Rr_add Rr_mult) Hình 4.4 đồ thị giá trị suy biến Hankel, ta thấy có trạng thái chủ đạo Tuy nhiên, đóng góp trạng thái cịn lại cịn đáng kể Bởi vậy, ta lấy trạng thái để tìm điều khiển xấp xỉ với điều khiển ban đầu Hình 4.7 đáp ứng tần số điều khiển ban đầu điều khiển sau giảm bậc theo hai cách Vì động học điều khiển sau giảm bậc theo „add‟ hankelsv có khác nhiều, nên ta tìm cách giảm bậc điều khiển theo cách dùng tùy chọn „mult‟ hankelsv Động học điều khiển sau giảm bậc theo cách tương đồng với điều khiển ban đầu Hơn nữa, quan sát đáp ứng bước ba mơ hình hình 4.8 ta thấy đáp ứng điều khiển theo tùy chọn „mult‟ phù hợp Vậy, thuật toán giảm bậc toán cụ thể bstmr Từ đó, tính điều khiển (bậc 6) là: 22 92,89s  485,1s  7567s  2,809e 004s  3, 099e 004s  53,51s 1, 722e 013 s  37,5s  566,9s  5136s  3410s  2,181e 011s 1, 722e 3,506e 026 4.3 Mô điều khiển 4.3.1 Mô Matlab Dap ung Sai lech goc toc tai (p.u) (degree) Kiểm chứng làm việc điều khiển RH so với trường hợp sử dụng CPSS trường hợp không sử dụng PSS vấn đề giữ ổn định góc tải Thoi gian (s) Hình 4.11 Đáp ứng sai lệch t Thoi gian (s) x 10 -6 Sai Sai lech CSTD lech dien ap (p.u) dau cuc (p.u) -20 Thoi gian (s) Thoi gian (s) Hình 4.12 Đáp ứng sai lệch CSTDPe Hình 4.10–4.13 kết mơ với điện áp Vs 1p.u , công suất S 0,8 j 0, 6p.u , trở kháng đường dây Re 0; Xe 0,1p.u Ta thấy, không sử dụng PSS, góc tải, tốc độ CSTD đầu máy phát dao động nhiều Trường hợp sử dụng PSSHinfi góc tải dao động nhỏ xung quanh điểm làm việc, sau 2,5s góc tải trở điểm làm việc ban đầu (góc 34,40); tốc độ rotor ổn định nhanh, điện áp CSTD máy phát có xáo trộn chút nhanh chóng trở giá trị ban đầu 4.3.2 Mô theo thời gian thực Để mô thời gian thực ta sử dụng Card điều khiển R&D DS1104 hãng dSPACE (luận án) Kết mô thời gian thực bước tiến gần tới thí nghiệm thực so với mơ Matlab Hình 4.19–4.22 đáp ứng sai lệch 23 góc tải, sai lệch tốc độ, sai lệch CSTD sai lệch điện áp đầu cực máy phát, chất lượng điều khiển thiết kế theo lý thuyết RH tốt lên nhiều vấn đề ổn định dao động Nếu thời điểm 1s xuất nhiễu sau 2,5s góc tải trở góc làm việc ban đầu biên độ dao động nhỏ hơn, sử dụng CPSS phải sau 4s góc tải dần ổn định biên độ dao động lớn CPSS PSSHinfi Without PSS Without PSS Hình 4.19 Đáp ứng sai lệch góc tải Δ Hình 4.20 Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω CPSS PSSHinfi Without PSS Without PSS Hình 4.21 Đáp ứng sai lệch CSTD ΔPe 4.4 Kết luận chương – Chuyển tốn điều khiển ổn định tín hiệu nhỏ thành tốn điều khiển bền vững Từ đó, thấy nhiệm vụ cần phải thực thiết kế điều khiển PSS – Tổng quan lý thuyết điều khiển tối ưu bước thiết kế điều khiển bền vững PSS Với công cụ hỗ trợ phần mềm Matlab, luận án tìm điều khiển bậc 28 Để điều khiển có tính khả thi thực tế, luận án dùng chuẩn Hankel để giảm bậc Kết thu điều khiển bậc 24 – Các kết mô Matlab mô theo thời gian thực cho thấy điều khiển PSS bền vững có tác dụng rõ rệt việc rút ngắn thời gian dao động hạ thấp biên độ dao động góc tải so với PSS truyền thống KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận – Luận án nghiên cứu cách hệ thống PSS Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu RH thiết kế thành công PSS tối ưu cấu trúc tham số để nâng cao chất lượng ổn định HTĐ Bộ điều khiển cho thấy làm việc bền vững với sai lệch mơ hình nhiễu Ngồi chất lượng ổn định lại nhạy cảm với sai lệch mơ hình nhiễu – Luận án dùng chuẩn Hankel để giảm bậc mơ hình điều khiển từ bậc 28 xuống bậc 6, giúp cho việc thực điều khiển RH có tính khả thi thực tế – Luận án đánh giá hiệu loại PSS theo chuẩn IEEE 421.5.2005 vấn đề giảm dao động góc tải máy phát điện HTĐ – Kết nghiên cứu luận án mở khả ứng dụng RH – PSS HTĐ thực tế Kiến nghị Luận án giúp cho nhà thiết kế kỹ sư vận hành HTĐ hiểu rõ PSS sử dụng, đồng thời cung cấp, giới thiệu thêm PSS thiết kế lý thuyết tối ưu RH Tiến tới cài đặt cho PSS này, thay PSS có để nâng cao chất lượng ổn định HTĐ Để nâng cao chất lượng cho hệ thống cần phải cải tiến PSS Việc cải tiến phải dựa nguyên tắc tổng hợp thiết kế trực tiếp từ mô hình phi tuyến máy phát, lý thuyết điều khiển tối ưu H  phi tuyến Đây toán lớn cần hỗ trợ nhiều lý thuyết điều khiển khác ... nghiên cứu cách hệ thống PSS Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu RH thiết kế thành công PSS tối ưu cấu trúc tham số để nâng cao chất lượng ổn định HTĐ Bộ điều khiển cho thấy làm việc bền vững... nghiên cứu cách hệ thống PSS Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu RH thiết kế thành công PSS tối ưu cấu trúc tham số để nâng cao chất lượng ổn định HTĐ Bộ điều khiển cho thấy làm việc bền vững... đích nghiên cứu đề tài Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu RH để nâng cao chất lượng điều khiển ổn định HTĐ Đối tượng phạm vi nghiên cứu – Đối tượng nghiên cứu luận án HTĐ – Phạm vi nghiên cứu