Điều khiển ổn định hệ thống điện sử dụng trí tuệ nhân tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÝ TRẦN HÙNG DUY ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 7 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÝ TRẦN HÙNG DUY ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO NGHÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hướng dẫn khoa học: TS LÊ MỸ HÀ Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2019 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Lý Trần Hùng Duy Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 20/11/1994 Nơi sinh: An Giang Quê quán: An Giang Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: 309/1/17 Lê Đức Thọ Phường 17 Quận Gò Vấp Điện thoại riêng:0966869103 E-mail: duylytran94@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 08/2012 đến 08/2016 Nơi học: Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh Ngành học: Cơng nghệ kỹ thuật điện, điện tử Tên đồ án: Thiết kế cung cấp điện cho tòa nhà chung cư cao tầng Ngày & nơi bảo vệ đồ án: Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ tháng 4/2015 đến tháng 04/2017 Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Điện Tên đồ luận văn: Điều khiển ổn định hệ thống điện sử dụng trí tuệ nhân tạo Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án: /04/2019 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2016 - 2017 Công ty cổ phần điện nước tỉnh An Giang Kỹ sư kỹ thuật, an tồn 2018 - Đại Học Cơng Nghệ TP.HCM Thanh Tra LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 03 năm 2019 Tác giả luận văn Lý Trần Hùng Duy LỜI CẢM ƠN Trước hết chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm khoa Điện– Điện tử, quý thầy,cô tạo điều kiện thuận lợi cho tơi học tập, nghiên cứu nâng cao trình độ, thực tốt đề tài thời gian qua Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Lê Mỹ Hà – người nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt thời gian học tập trình thực đề tài Cảm ơn quan, đồng nghiệp, người bạn thân Và tất cả, tơi muốn chia sẻ lịng biết ơn đến tất thành viên gia đình , cảm ơn Cha, Mẹ động viên tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành nhiệm vụ học tập nghiên cứu Xin gửi lời cảm ơn đến thành viên hội đồng, chỉnh sửa, phản biện góp ý cho tơi để tơi hồn thành luận văn Ngồi tơi xin nói lời cảm ơn đến anh chị học viên lớp cao học Kỹ thuật điện 2017B tơi đồn kết, gắn bó vượt qua khoảng thời gian dài học tập Trân trọng ! Học viên thực Lý Trần Hùng Duy TĨM TẮT LUẬN VĂN Trong thời kì Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 phát triển mạnh mẽ Khái niệm "Cách mạng Công nghiệp 4.0" nhắc đến nhiều truyền thông mạng xã hội Cùng với hứa hẹn "đổi đời" ngành ứng dụng Cùng với phát triển kinh tế xã hội , hệ thống điện phát triển nhanh số lượng quy mô Do phức tạp hệ thống điện, phương pháp phân tích hệ thống điện truyền thống tốn nhiều thời gian giải nên gây chậm trễ việc định, ngồi tính phi tuyến hệ thống điện có trở ngại việc phân tích ổn định hệ thống Trọng tâm đề tài so sánh hiệu suất phương pháp tuyến tính (truyền thống) phi tuyến tính (trí tuệ nhân tạo) Bằng cách so sánh phương pháp này, ta thấy phương pháp có ưu điểm nhược điểm Từ đánh giá phát triển phương pháp phù hợp cải thiện thuật toán để kết nhận tối ưu Có nhiều phương pháp để áp dụng thực đề tài “điều khiển ổn định hệ thống điện” , song phương pháp cải tiến như: Fuzzy Neural , Neural networks and deep learning … cho kết khả quan so với phương pháp truyền thống ABSTRACT In the period Industrial Revolution 4.0 is growing very strong The Concept of “Industrial Revolution 4.0” is mentioned a lot on media and social networks Along with that is the promise of "Change life" of the application industry Along with the socio-economic development, the electricity system is developing rapidly in both quantity and scale Due to the complexity of the electrical system, traditional power system analysis methods take a long time to solve, leading to delays in decision making, in addition to the nonlinearity of the electrical system there are problems in the stability analysis of the system The topic focuses on the performance of linear (traditional) and non-linear (artificial intelligence) methods By comparing these methods, we find that each method has its advantages and disadvantages Thereby assessing and further developing appropriate methods and improving algorithms to get the best results There are many methods to apply the topic of “stable control of electrical systems” However, improved methods such as Fuzzy Neural, Neural networks and deep learning give better results than traditional methods MỤC LỤC Chương - TỔNG QUAN - ĐẶT VẤN ĐỀ - TỔNG QUAN VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU - - 1.1 1.1.1 Trong nước - - 1.1.2 Ngoài nước - - 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI - - 1.3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - - 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - - 1.5 CẤU TRÚC LUẬN VĂN - - Chương - LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN - 2.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN - 2.2 PHÂN LOẠI: - 2.2.1 Ổn định tĩnh - 2.2.2 Ổn định động: - 13 2.3 CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO TÍNH ỔN ĐỊNH - 13 2.3.1 Cải thiện phần tử HTĐ: - 14 2.3.2 Thêm vào hệ thống phân tử phụ: - 16 CHƯƠNG - 17 BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN - 17 3.1 HỆ THỐNG ĐIỆN MỘT MÁY PHÁT LÀM VIỆC VỚI THANH CÁI CĨ CƠNG SUẤT VƠ HẠN: - 17 3.2 BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN: - 19 3.2.1 Các khái niệm: - 19 3.2.2 Các phương pháp thiết kế điều khiển Ổn định hệ thống điện: - 19 3.2.3 Bộ ổn định hệ thống điện - 24 3.3 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH - 25 3.3.1 Phương pháp quỹ đạo nghiệm số: - 25 - numVR=0; Kp=0; t=linspace(0,10,500); for m=1:10 Kp=Kp+5; Ki=0; for n=1:10 Ki=Ki+0.1; numVR=[Kp,Kp*Ki]; numG=conv(numPS1,numVR); denG=conv(denPS1,denVR); [numTotal,denTotal]=feedback(numG,denG,1,1); [y,x,t]=step(numTotal,denTotal,t); y=0.1.*y; r=1; while y(r) effect of w on electrical torque % K=0.2462-> synchronizing torque loop % D=0.1563-> damping torque loop % we get the new state space matrices from main A matrix as: % A=A33(square matrix 5*5), B=a32(column vector 5*1), C=a23(row vector 1*5) % then we connect resultant t-f to the filters % and plot the freq response of F(s) clc clear numVRcomp=[40,4.0]; denVRcomp=[1,0.0125]; A1=[-2.17,2.30,-0.0171,-0.0753,1.27;30.0,-34.3,0,0,0;0,0, -8.44,6.33,0;0,0,15.2,-21.5,0;6.86,-59.5,1.50,6.63,-114]; B1=[0.262;0;0;0;-23.1]; C1=[-0.137,-0.123,-0.0124,-0.0546,0]; D1=0; [numQ,denQ]=ss2tf(A1,B1,C1,D1); numGw=conv(numQ,numVRcomp); denGw=conv(denQ,denVRcomp); numWF=[10,0]; denWF=[10,1]; numTOR=[0,0,-1]; denTOR=[0.0017, 0.061, 1]; numFilters=conv(numWF,numTOR); denFilters=conv(denWF,denTOR); - 54 - numF=conv(numFilters,numGw); denF=conv(denFilters,denGw); w=logspace(0,2,100); [magF,phaseF,w]=bode(numF,denF,w); bode(numF,denF,w); grid on; title('Freq response of the damping loop'); save 'decomp.mat' % saves the workspace variables % end of code % FREQUENCY RESPONSE DESIGN % from the bode plot of F(s) in decomp_speedtorque_mat.m % we find that the phase at 2rad/sec=-37 degrees; phase at 12 rad/sec=-65 d % and phase at 20 rad/sec= -105 degrees % from the design specifications, we need: % phase of F(s).Kd(s) to be to -20 degrees in the range to 20 rad/sec % hence, we require to add a phase of approximately: % 35 deg at rad/sec; 50 to 60 deg at 12 rad/sec; 90 to 100 deg at 20 rad/sec % we plot Pm vs alpha to show the relation clc clear phi=linspace(0,90,1000); alpha=(1-sind(phi))./(1+sind(phi)); plot(phi,alpha); grid on; title('Pm vs a'); xlabel('Pm (degrees) ->'); ylabel('alpha ->'); % from the lead compensator design metod in K.Ogata: % we select max phase addition to be achieved in freq 20 rad/sec= 100 deg % since the phase addition is too large for a single leadcompensator, % we take series lead-compensators, each providing 50deg add at 20rad/s % sin(Pm)=(1-a)/(1+a); or, a=(1-sin(Pm))/(1+sin(Pm)) clc clear Pm=50; wm=20; a=(1-sind(50))/(1+sind(50)); T=1/(sqrt(a)*wm); - 55 - z=(ceil((1/T)*100))/100; p=ceil(1/(a*T)); Kc=(1/a); sprintf('There are identical lead-compensators in series') sprintf('for each compensator:') sprintf('max phase addition Pm = %d deg at wm = %d radian/sec',Pm,wm) sprintf('alpha=%f, T=%f',a,T) sprintf('zero at=%0.2f pole at=%d',z,p) sprintf('gain Kc=%0.1f',Kc) % root locus of the damping loop: %FREQUENCY RESPONSE DESIGN % from lead_control_design_F5.m, we get the lead controller for PSS loop: % Kd(s)=K*[7.5*(s+7.14)/(s+55)]^2 % we implement this in the design and plot the root locus of it % from this root locus, we get K=15 to 20 for Z>=15% % we then imlement the full system in simulink model % final_compensated_systemF7.mdl clc clear load tf_ps.mat numVRcomp=[40,4]; denVRcomp=[1,0.0125]; numPSS=[56,800,2855]; denPSS=[1,110,3025]; numWF=[10,0]; denWF=[10,1]; numTOR=[0,0,-1]; denTOR=[0.0017, 0.061, 1]; numG=conv(numPS,numVRcomp); numFilters=conv(numWF,numTOR); numH=conv(numFilters,numPSS); denG=conv(denPS,denVRcomp); denFilters=conv(denWF,denTOR); denH=conv(denFilters,denPSS); numFINAL1=conv(numG,numH); - 56 - numFINAL=15.*numFINAL1; denFINAL=conv(denG,denH); rlocus(numFINAL1,denFINAL); axis([-25,5,-5,30]); title('root locus (PSS loop with lead compensator)'); % uncompensated system and compare the tr and Mp: % FREQUENCY RESPONSE DESIGN % plotting the step response of system with and without PSS loop % the variables are taken from simulink simulation % Vt1= output without PSS loop % Vtclcom= output with PSS loop clc clear load final_stepresponse.mat plot(tout,Vt1,tout,Vtclcom);grid on; axis([0,10,0,0.12]); title('comparison of step response with and without pss'); xlabel('time(sec) >'); ylabel('voltage(V) >'); legend('without PSS','with PSS'); % rise time and max overshoot of final system i.e Vtclcom % tolerance= 85% of final value r=1; while Vtclcom(r)