4.1.1 GIỚI THIỆU VỀ SIMULINK
Simulink là chƣơng trình mở rộng của matlab nhằm mục đích mô hình hóa, mô phỏng và khảo sát các hệ thống động học. Simulink cho phép mô tả hệ tuyến tính, hệ phi tuyến, mô hình trong thời gian liên tục, gián đoạn hay kết hợp cả liên tục lẫn gián đoạn. Hệ thống cũng có thể khác nhau khi lấy mẫu và cập nhật số liệu. Để mô hình hóa simulink cung cấp một giao diện đồ họa nhằm xây dựng mô hình nhƣ là một sơ đồ khối sử dụng thao tác “nhấn, kéo” chuột. Với giao diện này ta có thể xây dựng mô hình nhƣ xây dựng mô hình trên giấy. Điều này khác với phần mềm mô phỏng trƣớc đấy mà ở đó ngƣời sử dụng phải đƣa vào các phƣơng trình vi phân và các phƣơng trình sai phân bằng ngôn ngữ lập trình.
Việc lập trình trên simulink sử dụng bộ phận lập trình đồ họa, nó đƣợc xây dựng trên cơ sở lập trình hƣớng đối tƣợng, tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho việc thay đổi các giá trị các thuộc tính trong mỗi khối thành phần.
Thƣ viện của simulink bao gồm toàn bộ thƣ viện các khối nhƣ khối nhận tín hiệu, nguồn tín hiệu, phần tử tuyến tính và phi tuyến, các đầu nối chuẩn. Ta cũng có thể thay đổi hay tạo ra các khối riêng của mình. Các mô hình bài toán trong simulink đƣợc xây dựng có thứ bậc hay còn gọi là mô hình phân cấp, do đó có thể xây dựng mô hình theo hƣớng từ dƣới lên hay từ trên xuống. Ta vừa có thể quan sát hệ thống toàn bộ, vừa có thể xem chi tiết bằng cách nháy kép vào từng khối mô hình.
Sau khi tạo lập đƣợc mô hình ta có thể mô phỏng nó trong simulink bằng cách nhập lệnh trong cửa sổ lệnh của matlap hay sử dụng các menu có sẵn. Việc sử dụng các menu đặc biệt thích hợp cho các công việc có sự tác động qua lại lẫn nhau, còn dòng lệnh thƣờng hay đƣợc dùng khi chạy một loạt các chƣơng trình mô phỏng. Các bộ scope và các khối hiển thị khác cho phép ngƣời sử dụng có thể xem kết quả trong khi chạy mô
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 72
phỏng. Hơn nữa ta có thể xem thông số một cách trực tiếp và nhận đƣợc các ảnh hƣởng đến mô hình.
4.1.2 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG SIMULINK
Trong thƣ viện của simulink cho phép xây dựng và mô phỏng mạch điện có chứa đựng cả phần tử tuyến tính và phi tuyến. [4]
Các thƣ viện khối chức năng chính đƣợc sử dụng gồm: khối nguồn (Electrical Source); Khối các phần tử (Element); Các khối đo lƣờng (Measurements); khối động cơ (Machines); Khối điện tử công suất (Power electronics).
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 73
Hình 4.2 Các khối nguồn
Hình 4.3 Khối logic mờ
Các phần tử trong các thƣ viện trên có thể cài đặt các thông số theo yêu cầu bằng cách nhấp đúp vào biểu tƣợng, khi cửa sổ hiện ra ta đặt các thông số vào đó.
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 74
Trong chế độ điều khiển này hệ thống điều khiển thực hiện điều chỉnh điện áp ba pha dựa trên sai lệch điện áp và điều chỉnh đƣờng dốc đặc tính để kiểm soát sai lệch điện áp này. Sai lệch điện áp này đƣợc xác định bởi sự khác biệt giữa điện áp đặt và điện áp U phản hồi đo từ thanh cái của đƣờng dây cao áp qua máy biến áp đƣa về.
4.1.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
Ta có sơ đồ mô phỏng hệ thống nhƣ hình 2.13, hệ thống gồm các khối nhƣ sau: Khối nguồn: Từ cửa sổ Simulink Library Browse Simscape SimPowerSystems
Electrical Sources Three-phase Programmable Voltage Sources.
Sau đó tiến hành cài đặt các thông số của khối nguồn. Điện áp pha – pha 220 kV, pha ban đầu bằng 0, tần số dòng điện là 50 Hz. Ta có đƣợc nguồn ba pha xoay chiều nhƣ sau:
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 75 Khối R – L:
Ta tiến hành cài đặt thông số của đƣờng dây:
R = 4,9 Ω; 0,0958 314 1 , 30 2 f X L S H Khối B:
Ta tiến hành cài đặt thông số của đƣờng dây:
6 6 10 . 6152 , 0 314 10 . 2 , 193 2 f B C F Khối tải:
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 76 Ta tiến hành cài đặt thông số nhƣ sau:
Điện áp định mức: U đm = 220 kV Tần số định mức: f đm = 50 Hz, Công suất tác dụng của tải:
P
T = 0 - P
max với P
max = 100 MW Công suất phản kháng của tải:
Q
T = 0 - Q
max với Q
max = 100 MVAr.
Ta dùng 4 khối tải đƣợc đóng ngắt khỏi hệ thống bằng các thiết bị đóng ngắt 3 pha để thay đổi giá trị biến thiên của tải trong quá trình mô phỏng
Khối SVC: đƣợc ghép từ 3 mạch FC-TCR nối tam giác với nhau
Các bộ SVC không trực tiếp đấu vào nguồn điện cao áp mà chúng đƣợc đấu qua một máy biến áp 220/6, hạ từ điện áp 220 kV xuống điện áp 6 kV để nhằm giảm cấp
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 77
cách điện cho các tụ và cuộn kháng điện. Trong thực tế, ngƣời ta còn mắc nhiều tụ và cuộn kháng nối tiếp nhau để giảm điện áp đặt lên chúng.
Hình 4.4 Cấu tạo bên trong khối SVC
Để giảm bớt thành phần sóng hài bậc cao trong qua trình đóng ngắt thyristor và quá trình phóng nạp của tụ điện ta phải mắc thêm vào chúng các điện trở - cuộn cảm nhỏ để giảm bớt tốc độ biến thiên của dòng và áp trên các nhánh.
Hình 4.5 Mạch động lực của bộ bù SVC
Nhƣ vậy, dung lƣợng bù đƣợc xác định: Qb = (BC - BL(α)).U2
Trong đó:
U = 6 kV là điện áp thứ cấp máy biến áp; BC = ω.C là điện dẫn của tụ;
sìn L BL 2 . 1
là điện dẫn của cuộn kháng phụ thuộc vào góc điều khiển α. Khi α = 900đi cuộn kháng là lớn nhất
L
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 78
Cho thay đổi Qb – 80 +80 Mvar tƣơng ứng với α = 900 1800 . Do đó ta xác định đƣợc giá trị điện dung của tụ và điện kháng cuộn dây.
F U C 3 2 3 6 2 6 10 . 08 , 7 ) 10 . 6 .( 314 10 . 80 . 10 . 80 H U L 6 3 2 6 6 2 10 . 72 , 0 314 . 10 . 160 ) 10 . 6 ( 10 . 160
Khối điều khiển SVC: bao gồm khối chuẩn hóa tín hiệu điện áp đo, khối điện áp đặt, khối điều chỉnh điện áp, khối tuyến tính hóa và khối phát xung điều khiển.
Hình 4.6 Khối điều khiển bộ SVC
Khối phát xung điều khiển: Góc điều khiển và tín hiệu đồng bộ đƣợc đƣa vào khối phát xung để tạo ra các xung đóng ngắt thyristor.
Hình 4.7. Bộ phát xung điều khiển đồng bộ
Bộ phát xung tạo ra các xung điều khiển có độ rộng 100, từ bộ phát xung các xung đƣợc đƣa đến để đóng – mở các van thyristor.
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 79
Hình 4.8. Cấu tạo bộ phát xung
Khối tuyến tính hóa: chuyển đổi từ tín hiệu điều khiển Qb thành góc α cho bộ phát xung. Ta có BL(α) = BSVC – BC = BL0.f(α)
Hình 4.9. Cấu tạo khối tuyến tính hóa
Với mỗi giá trị BL ta suy ra đƣợc góc α thông qua đồ thị thể hiện đƣờng đặc tính của quá trình điều khiển đóng ngắt thyristor.
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 80
Hình 4.10. Đường đặc tính điều khiển của bộ SVC
Bộ điều chỉnh điện áp: điện áp đƣợc điều chỉnh thông qua việc bù lại điện áp sai lệch giữ giá trị đo và giá trị đặt, qua đó tính toán đƣợc dung lƣợng bù cần phải điều chỉnh của bộ SVC.
Hình 4.11. Bộ PI mờ điều chỉnh dung lượng bù cho hệ thống
Hình 4.11 là bộ PI mờ điều chỉnh dung lƣợng bù cho hệ thống. Bộ điều khiển PI tính toán đƣa ra giá trị điều khiển dựa trên sai lệch điện áp, trong đó thông số Kp là độ lợi
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 81
tỉ lệ và Ki là độ lợi tích phân. Để tránh hiện tƣợng quá áp có thể làm các thiết bị bảo vệ trong hệ thống tác động, hệ số Kp đƣợc lựa chọn phải nhỏ, hệ số Ki đƣợc lựa chọn đủ lớn để nhanh chóng triệt tiêu sai lệch điều khiển.
4.2 TIẾN HÀNH MÔ PHỎNG
4.2.1 MÔ PHỎNG TRONG HỆ THỐNG IEEE 30 BUS [9]
Cách kinh điển để đánh giá ảnh hƣởng của sự thay đổi trong một thiết bị điều khiển lên điện áp hệ thống là các hệ số độ nhạy Sij . Các biến độ nhạy đƣợc xác định trong khoảng [0,1], do đó một tín hiệu liên quan với một biến ngôn ngữ “hiệu quả” trên một lĩnh vực phân chia mờ với phạm vi các giá trị là: NB, NS, ZE, PS, PB. Các hệ số nhạy cũng có thể phụ thuộc vào mức độ tải và do đó việc chọn một phƣơng pháp nhanh gọn để đánh giá độ nhạy rất quan trọng.
Để tìm thiết bị điều khiển hữu hiệu đối với các tình huống vận hành cho trƣớc, có thể sử dụng phƣơng pháp cây nhạy. Kỹ thuật cây nhạy đƣợc dùng rộng rãi trong phân tích hệ thống tuyến tính. Kỹ thuật này thể hiện mối quan hệ chính yếu giữa các hoạt động điều khiển và các hiệu quả của chúng. Vì hệ thống năng lƣợng là một hệ thống phi tuyến nên hệ số nhạy giữa đại lƣợng điều khiển công suất phản kháng và các điện áp thanh cái có thể không là giá trị hằng số. Kỹ thuật cây nhạy có thể sử dụng hiệu quả để phân tích bài toán điều khiển điện áp/công suất phản kháng của hệ thống điện.
Có thể thấy việc thay đổi mỗi đại lƣợng đo lƣờng điều khiển sẽ dẫn đến vài thay đổi điện áp thanh cái. Đối với điện áp thanh cái bất kỳ, điều này có thể tính toán bằng việc sử dụng kỹ thuật cây nhạy các thao tác điều khiển cần thiết để khử dao động điện áp này. Hai yếu tố giới hạn hoạt động điều khiển là thao tác điều khiển không vƣợt quá các ràng buộc về điều khiển, và hoạt động điều khiển đã khử vi phạm điện áp sẽ không tạo ra các vi phạm điện áp tại các thanh cái khác.
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 82
Hình 4.12. Hệ thống IEEE 30 bus
SVC đƣợc đặt vào các bus 10 và bus 24.
Ngõ vào: Các đầu A, B, C đƣợc đấu nối trực tiếp vào lƣới điện.
Ngõ ra: Lƣợng công suất cảm kháng, dung kháng cung cấp cho lƣới hoặc hấp thụ từ lƣới.
Các thông số của khối SVC:
o Nominal voltage (Vrms Ph-Ph): giá trị hiệu dụng điện áp dây định mức. o Reactive power limits [Qc(Mvar>0), Ql(Mvar<0)]: giới hạn công suất kháng của SVC.
o Three-phase base power Pbase (VA): công suất định mức. o Reference voltage Vref (pu): điện áp đặt.
o Time constant of voltage measurement system Tm (s): hằng số thời gian o của hệ thống đo điện áp.
o Average time delay due to thyristor valves firing Td (s): thời gian trễ để kích các thyristor.
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 83
Ta tiến hành đặt các thông số của SVC (hình 4.13):
Vrms = 33e3. Pbase = 1000e6. Td = 4e-3.
Bus 10: [Qc Ql] = [60 -60]. Vref = 1. Bus 24: [Qc Ql] = [18 -18]. Tm = 8e-3.
Hình 4.13 Các thông số khối SVC
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 84
Hình 4.14 Khối SVC – Fuzzy
o Khối SVC _ fuzzy đƣợc kết nối trực tiếp lên lƣới, đo điện áp lƣới, chuyển đổi sang điện áp pha ở giá trị tƣơng đối.
o Điện áp pha kết hợp với giá trị điện dẫn B (susceptance) từ khối Voltage Regulator tạo nguồn dòng phát vào lƣới.
o Khối Voltage regulator chuyển giá trị điện dẫn B (susceptance) ở đơn vị tƣơng đối.
4.2.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG:
4.2.2.1 SVC KHÔNG SỬ DỤNG FUZZY LOGIC
Điện áp tại các bus đƣợc hiệu chỉnh tốt nhất với Ki = 50 . Không đặt SVC. Bus 10 : ΔV = -25% Bus 24 : ΔV = -35% Bus 2 : ΔV = -2,5% Bus 12 : ΔV = -9,5% Bus 21 : ΔV = -33%
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong Trang 85 Sau khi đặt SVC. Bus 10 : ΔV = 0% Bus 24 : ΔV = -1% ÷ 1% Bus 2 : ΔV = -1,8% Bus 12 : ΔV = -5% Bus 21 : ΔV = -9% ÷ -8%
4.2.2.1 SVC KẾT HỢP VỚI FUZZY LOGIC VÀO LUỚI
Không đặt SVC. Bus 10 : ΔV = -25% Bus 24 : ΔV = -35% Bus 2 : ΔV = -2,5% Bus 12 : ΔV = -9,5% Bus 21 : ΔV = -33%
Sau khi đặt SVC_fuzzy.
Bus 10 : ΔV = 0% Bus 24 : ΔV = -8% Bus 2 : ΔV = -1% Bus 12 : ΔV = -5% Bus 21 : ΔV = -10%
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 86
Hình 4.15 Đáp ứng của hệ thống có sử dụng SVC
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 87
Hình 4.17 Đáp ứng hệ thống của bộ điều khiển PI và PI mờ.
Từ kết quả mô phỏng ta nhận thấy thời gian hiệu chỉnh từ 0,1s ÷ 0,2s. Với Ki càng lớn thời gian hiệu chỉnh càng ngắn.
4.2.3 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ
Khi sử dụng mô hình SVC với các hằng số Kp và Ki, để việc hiệu chỉnh đạt kết quả tốt nhất, phải xác định các giá trị Kp, Ki phù hợp với từng lƣới điện cụ thể.
Tốc độ đáp ứng của hệ thống phụ thuộc vào Ki và càng nhanh nếu Ki càng lớn. Mô hình SVC kết hợp với Fuzzy Logic không phụ thuộc vào các hằng số Kp, Ki. Tuy nhiên để kết quả chính xác thì cần phải xác định giá trị công suất Qcomp cần thiết cũng nhƣ các giá trị độ lệch điện áp tƣơng ứng.
Nhƣ vậy, việc sử dụng mô hình SVC kết hợp với Fuzzy Logic sẽ thực tế và hợp lý hơn với lƣới điện lớn. Nếu xác định đƣợc một cách chính xác và đầy đủ hơn số liệu tải, sụt áp cũng nhƣ dung lƣợng tụ bù thì kết quả hiệu chỉnh càng chính xác hơn nữa. Khối Fuzzy logic nếu đƣợc thiết kế tốt hơn với một tập mờ đầy đủ, chính xác cũng nhƣ kết hợp thêm một vài đầu vào nhƣ dòng điện, hệ số công suất thì kết quả cũng sẽ tốt hơn.
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 88
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Việc sử dụng SVC có thể giữ điện áp ổn định trong một giới hạn cho phép. Kết quả hiệu chỉnh của SVC là khá tốt. So với việc sử dụng tụ điện thì SVC có thể hiệu chỉnh điện áp nhuyễn hơn, không bị nhảy nấc.
Mặt khác, hàm liên thuộc thƣờng chọn là hình thức để giảm thiểu thời gian trong quá trình tính toán. Các thông số của các bộ điều khiển mờ chủ yếu là xác định bởi một thử nghiệm và phƣơng pháp tiếp cận lỗi, nhƣng điều này có thể là một thủ tục tốn nhiều thời gian và nó có thể là một nhiệm vụ khó khăn để tìm ra tối ƣu tham số trong một Fuzzy Logic phức tạp.
Trong phần luận văn này, chỉ xem xét trong trƣờng hợp ổn định điện áp, chƣa xem xét các vấn đề khác nhƣ tính kinh tế, khả năng đáp ứng của thiết bị. Để có thể ứng dụng đƣợc hệ thống điều khiển này vào thực tế thì cần phải xét thêm các yếu tố đầu vào nữa.
Các hƣớng mở rộng phát triển đề tài tiếp theo:
Tìm hiểu các tác nhân ảnh hƣởng tới chất lƣợng bộ điều khiển mờ.