2.3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ:
Để xem xét khả năng điều khiển SVC điều chỉnh điện áp hệ thống truyền tải, ta xét một ví dụ cụ thể nhƣ sau: Xét đƣờng dây cao áp 220 kV, từ nhà máy nhiệt điện khí Cà Mau cấp điện cho TP. Cà Mau, chiều dài đƣờng dây là 70 km, loại dây AC 450, lộ đơn. Tại TP. Cà Mau: đặt một trạm có 2 MBA công suất 125 MVA, điện áp đƣợc hạ xuống 35 kV cấp cho các huyện, một đƣờng dây 220kV cấp cho trạm 220 kV Trần Văn Thời có công suất đặt là 250 MVA. Công suất tác dụng của phụ tải lớn nhất ở phía thanh cái cao áp ở trạm TP. Cà Mau là 220 MW, công suất phản kháng của phụ tải biến thiên từ 0 đến 110 MVAr. Tại trạm TP. Cà Mau ta đặt SVC để giữ điện áp trên thanh cái phía 220 kV tại đây không thay đổi. Bây giờ ta xây dựng hệ điều khiển để điều khiển góc mở α của Thyristor trong TCR, nhằm giữ điện áp U tại thanh cái cao áp phụ tải không thay đổi khi tải (PT, QT) biến thiên.
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 42
Hệ thống có điện áp đầu nguồn là E = 230 kV. Với dây AC 450 có: r0 = 0,07 Ω/km; x0 = 0,419 Ω/km; b0 = 2,76 .10-6 (Ω.km). Do đó ta có: Zs = l(r0 + jx0) = 4,9 + j30,1Ω; B = l/b0 = 25,36.10-6 1/ Ω. Phụ tải biến thiên: PT = 0 – 220 MW; QT = 0 – 110 MVAr; Để có thể áp dụng công thức ở chƣơng I ta xem công suất phản kháng của đƣờng dây phát ra đƣợc đặt ở cuối đƣờng dây với công suất: Qb = - j B.U12, khi đó ta có phụ tải của đƣờng dây là: S’T = PT + j(QT – Qb). Công suất bù của SVC sẽ thay đổi từ - Qb đến Qmax nhờ thay đổi góc α
2.3.2 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH DUNG LƢỢNG BÙ:
Nối ngang các tụ vào mạng điện cho phép nâng cao điện áp, bởi vì các tụ có thể phát công suất phản kháng, nâng cao hệ số công suất của mạng và đồng thời điều chỉnh điện áp, vì giảm tổn thất điện áp trong mạng. Công suất các tụ thƣờng đƣợc chọn theo phụ tải phản kháng lớn nhất. Trong chế độ phụ tải nhỏ, điện áp trong mạng tăng lên. Vì vậy cần dự kiến giảm công suất phản kháng bằng cách mắc thêm cuộn kháng song song với các tụ. Hình 2.13 mô tả bộ bù tĩnh SVC trong hệ thống điện, trong đó cả điện kháng cuộn dây có thể thay đổi linh hoạt đƣợc thông qua việc điều chỉnh đóng ngắt các thyristor, từ đó thay đổi đƣợc lƣợng công suất phản kháng bù cho hệ thống theo yêu cầu của tải.
Hình 2.13 Sơ đồ bộ bù tĩnh SVC
Quá trình đóng ngắt các thyristor dẫn đến dòng điện đi qua cuộn kháng và tụ điện không dạng hình sin, thành phần sóng hài bậc cao ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng điện áp, vì vậy trong các bộ bù tĩnh SVC phải mắc các bộ lọc thành phần sóng hài bậc cao song
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 43
song với cuộn cảm và tụ điện. Công suất của các tụ đƣợc chọn xuất phát từ điều kiện nâng cao điện áp trên đƣờng dây khi phụ tải tác dụng không thay đổi.
Nếu tổn thất điện áp trong mạng trƣớc khi đặt các tụ có giá trị:
đm U QX R P U 1 . (2.7)
Khi nối song song các tụ với phụ tải, tổn thất điện áp đƣợc xác định nhƣ sau:
đm b U X Q Q R P U2 . ( ) (2.8)
Trong đó: P,Q: Công suất tác dụng và công suất phản kháng của tải. Qb : Công suất phát của tụ bù.
Uđm : Điện áp định mức thanh cái. X: Điện kháng của đƣờng dây.
Giả định, khi đặt các tụ phụ tải phản kháng của mạng giảm và nhận đƣợc giá trị tăng của điện áp nhƣ sau:
đm b U X Q U U U 1 2 (2.9) 2 đm b đm U X Q U U U (2.10)
Giá trị tăng của điện áp tính theo phần trăm đƣợc xác định theo công suất sau: 2 . 10 % đm b U X Q U (2.11)
Trong đó: Qb : Công suất phát của các tụ (kVar). Uđm - điện áp định mức đƣờng dây (kV) X: Điện kháng của đƣờng dây (Ω)
Công suất phản kháng đơn vị của các tụ để tăng điện áp lên 1% đƣợc xác định theo công thức (kVAr)
X U U Q Q b đm b 2 . 10 % (2.12)
Để đảm bảo chất lƣợng điện áp, độ sụt áp trong tiêu chuẩn cho phép ±5%Uđmta tính đƣợc công suất bù cần thiết cho hệ thống là:
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong Trang 44 80 1 , 30 220 . 10 . 5 . 5 2 b b Q Q (Mvar) (2.13)
Khi đặt các tụ song song với phụ tải sự tăng điện áp thực tế không phụ thuộc vào dòng điện phụ tải I, và đƣợc xác định chủ yếu bằng các thông số của mạng và giá trị công suất phát của các tụ . Đối với các giá trị công suất không đổi của các tụ, sự tăng điện áp trên một đoạn của mạng hay là trên đƣờng dây sẽ có giá trị lớn nhất tại chỗ đặt bộ tụ
2.3.3 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP CHO BỘ BÙ SVC:
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
Hình 2.14 Sơ đồ khối điều chỉnh điện áp.
Hình 2.14 là sơ đồ khối của vòng điều chỉnh điện áp, sự thay đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng của phụ tải dẫn đến sự thay đổi điện áp trên thanh cái của trạm khu vực.
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 45
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 46
Bộ điều chỉnh điện áp tùy theo sai lệch giữa điện áp đặt và điện áp đo đƣợc sẽ đƣa ra tín hiệu đầu ra là công suất phản kháng bù theo dự kiến. Công suất phản kháng dự kiến qua bộ chuyển đổi của hệ thống điều khiển thành giá trị độ dẫn Bref
Công suất phản kháng bù dự kiến đƣợc tính toán từ công thức (2.30) 2 đm b đm U X Q U U U (2.14) X U U Qb . đm (MVar) (2.15)
Sau khi xác định giá trị công suất phản kháng cần bù, khối chuyển đổi tính toán để đƣa ra giá trị độ dẫn Bref tƣơng ứng cho bộ bù SVC theo công thức:
Qb = (BC – BL ).(α).U2 = Bref (α).U2 (2.16) ) ( ) ( Bref 2 f U Qb (2.17)
Tín hiệu độ dẫn Bref qua bộ tuyến tính hóa thành góc mở α cho các trong mạch phát xung để điều khiển đóng mở các thyristor.
Tiến hành mô phỏng trong trƣờng hợp bài toán này với các tham số đƣờng dây là xác định nhƣ trên. Các giá trị (PT, QT) đƣa vào mạng đƣợc thay đổi bởi các bộ đóng ngắt mạch 3 pha, qua đó ta thấy đƣợc ảnh hƣởng của tải lên chất lƣợng điện áp. Sau đó ta cho đóng bộ bù SVC vào lƣới để quan sát tác dụng của bộ bù trong việc ổn định điện áp hệ thống.
Các giá trị (PT, QT) đƣa vào mạng nhƣ sau:
- Từ 0 đến 0,3s có : PT = Pđm = 150MW; QT = Qđm= 55Mvar - Từ 0,3s đến 0,6s có : PT = 150 + 70 W; QT = Qđm = 55Mvar - Từ 0,6s đến 0,9s có : PT = Pđm = 150MW ; QT = Qđm = 55 + 50MVar - Từ 0,9s đến 1,2s có : PT = 150 + 70 W; QT = Qđm = 55 + 50MVar - Từ 1,2s đến 1,5s có : PT = 100 MW ; QT = 30Mvar
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 47
Ta đo điện áp thanh cái so sánh nó với điện áp đặt, quan sát sự thay đổi của tải (PT, QT) xem xét sự ảnh hƣởng của chúng lên điện áp thanh cái; quan sát công suất phản kháng bù của bộ SVC và sự thay đổi công suất phản kháng toàn hệ thống
Hình 2.16 Ảnh hưởng của tải lên điện áp thanh cái khi chưa có bộ bù SVC
Trên hình 2.16 biểu diễn ảnh hƣởng của tải lên điện áp thanh cái khi chƣa có bộ bù SVC, ở điều kiện tải định mức điện áp trên thanh cái bằng điện áp định mức mong muốn, khi tải tăng so với tải định mức (P hoặc Q tăng hoặc cả P và Q đều tăng) thì điện áp thanh cái giảm, khi P và Q giảm so với tải định mức thì điện áp thanh cái tăng. Do chƣa có bộ bù SVC trong hệ thống dung lƣợng công suất phản kháng bù Q , công suất phản kháng toàn hệ thống thay đổi và điện áp thanh cái đã thay khi tải thay đổi làm ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng điện áp.
Khi có sự tham gia bộ bù SVC vào hệ thống, xem xét tác dụng của nó trong việc ổn định điện áp thanh cái hệ thống.
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 48
Hình 2.17 Tác dụng của bộ bù SVC trong ổn định điện áp
Trên hình 2.17 mô tả đáp ứng của điện áp khi đóng bộ SVC vào hệ thống, cùng với sự biến thiên của tải nhƣ trên ta thấy rằng điện áp thanh cái đã đƣợc điều chỉnh ổn định về điện áp đặt mong muốn. Với mỗi sự thay đổi của tải, bộ bù SVC đều đƣa ra giá trị công suất bù thích hợp để đƣa vào hệ thống nhằm ổn định điện áp. Công suất phản kháng của toàn hệ thống cũng ổn định quanh một giá trị cân bằng. Trên đây ta mô phỏng hệ thống trong trƣờng hợp coi thông số đƣờng dây dài là tập trung và xác định. Trong thực tế các tham số của đƣờng dây dài là các thông số rải thay đổi theo điều kiện vận hành và bị ảnh hƣởng mạnh bởi điều kiện môi trƣờng mỗi vùng mà đƣờng dây dài đi qua...vv. Thực hiện mô phỏng với trƣờng hợp thông số đƣờng dây thay đổi, và so sánh với trƣờng hợp thông số đƣờng dây có thông số tập trung xác định ở trên, ta có kết quả mô phỏng nhƣ sau:
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 49
Hình 2.18 Đáp ứng điện áp khi thông số đường dây xác định và biến thiên
Quan sát hình 2.18 ta có nhận xét sau:
Điện áp thanh cái của trạm điện phụ thuộc vào công suất tải, thông số đƣờng dây truyền tải và chế độ vận hành của trạm điện.
Cùng với một bộ thông số điều khiển không thay đổi, khi đƣờng dây tải điện dài và thông số dải thì điện áp bị sai lệch nhiều so với điện áp đặt.
Công suất phản kháng bù dự kiến đƣợc xác định thông qua thông số điện kháng X của của đƣờng dây truyền tải.
Khi đƣờng dây tải điện có dạng thông số thay đổi dẫn đến sự sai lệch trong tính toán dung lƣợng bù cần thiết cho hệ thống.
Việc xác định chính xác các tham số bộ điều khiển là khó khăn, khó xác định chính xác mô hình toán học của đối tƣợng.
Để khắc phục nhƣợc điểm này, nhằm nâng cao chất lƣợng điều chỉnh điện áp của hệ thống, ta có thể xây dựng SVC dựa trên logic mờ cho tăng cƣờng ổn định của hệ thống điện.
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 50
CHƢƠNG 3 :
BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ BỘ BÙ SVC 3.1 LOGIC MỜ
Logic mờ (Fuzzy logic) đƣợc phát triển từ lý thuyết tập mờ để thực hiện lập luận một cách xấp xỉ thay vì lập luận chính xác theo lôgic vị từ cổ điển. Lôgic mờ có thể đƣợc coi là mặt ứng dụng của lý thuyết tập mờ để xử lý các giá trị trong thế giới thực cho các bài toán phức tạp. [1÷3]
3.1.1 TẬP MỜ 3.1.1.1 Định nghĩa : 3.1.1.1 Định nghĩa :
Tập mờ F xác định trên tập kinh điển X là một tập hợp mà mỗi phần tử của nó là một cặp các giá trị (x, µ(x)), trong đó x ∈ X và µFlà ánh xạ µF: X → [0, 1]
Ánh xạ µF đƣợc gọi là hàm thuộc (hoặc hàm phụ thuộc) của tập mờ F. Tập kinh điển X đƣợc gọi là tập nền của tập mờ F.
Ví dụ: Một tập mờ F của các số tự nhiên nhỏ hơn 6 với hàm phụ thuộc µF (x) có dạng nhƣ hình vẽ 3.1. Tập mờ F định nghĩa trên nền X sẽ chứa các phần tử sau:
F = {(1, 1) , (2, 1) , (3, 0,8) , (4, 0,07)}
Số tự nhiên 1 và 2 có độ phụ thuộc bằng 1: µF(1) = µF(2) = 1.
Các số tự nhiên 3 và 4 có độ phụ thuộc nhỏ hơn 1: µF(3) = 0,8; µF(4) = 0,07. Những số không liệt kê có độ phụ thuộc bằng không.
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 51
3.1.1.2 Các phép toán trên tập mờ
Các phép toán cơ bản trên tập mờ là phép hợp, phép giao và phép bù. Thực chất của các phép toán này là là xác định các hàm thuộc cho phép hợp, phép giao, phép bù từ những tập mờ A, B.
a. Phép hợp :
Phép hợp hai tập mờ có cùng cơ sở Hợp của hai tập mờ A, B có cùng tập nền X là một tập mờ A∪B cũng xác định trên tập nền X có hàm thuộc µ A∪B(x) thỏa mãn:
µ A∪ B(x) chỉ phụ thuộc vào µ A(x) và µB(x) µB(x) = 0 với mọi x thì µ A∪B(x) = µ A(x) µ A∪ B(x) = µ B∪A(x);
µ (A∪B) ∪C (x) = µ A∪ (B ∪C) (x)
µ A1(x) ≤ µ A2(x) thì µ A1∪B(x) ≤ µ A2∪B(x)
Các công thức thông dụng dùng để tính hàm thuộc µ A∪ B(x): Luật SUM: µ A∪B(x) = min {1, µA(x) + µB(x)}
Luật MAX: µ A∪B(x) = max {µA(x); µB(x)}
Luật EINSTEIN: µ A∪B(x) = (µA(x) + µB(x))/(1+ µA(x) + µB(x)) Luật tổng trực tiếp: µ A∪B(x) = [µA(x) + µB(x)] - µA(x). µB(x); Phép hợp hai tập mờ khác cơ sở
Hàm thuộc của hợp hai tập mờ A và B với µA(x) định nghĩa trên nền M và B với µB(x) định nghĩa trên nền N là một hàm hai biến µ(µA; µB): [0; 1]2 → [0; 1] xác định trên tập nền M x N thỏa mãn: µB = 0 thì µ(µA; µB) = µA µ(µA; µB) = µ(µB; µA) µ((µA; µB); µC) = µ(µA; (µB; µC)) µ(µA; µB) ≤ µ(µC; µD), với ∀µA≤ µC, µB≤ µD b. Phép giao
Phép giao của hai tập mờ có cùng cơ sở Giao của hai tập mờ A, B có cùng tập nền X là một tập mờ A∩B cũng xác định trên tập nền X có hàm thuộc µ A∩B (x) thỏa mãn:
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 52 µ A∩B (x) chỉ phụ thuộc vào µ A(x) và µB(x) µB(x) = 1 với mọi x thì µ A∩B (x) = µ A(x) µ A∩B (x) = µ B∩A (x)
µ ((A∩B) ∩C) (x) = µ ((A∩(B∩C)) (x)
µ A1(x) ≤ µ A2(x) thì µ A1∩B (x) ≤ µ A2∩B (x)
Các công thức thông dụng dùng để tính hàm thuộc µ A∩B (x): Luật PROD: µ A∩B (x) = µA(x).µB(x)
Luật MIN: µ A∩B (x) = min {µA(x); µB(x)}
Luật EINSTEIN: µ A∩B (x) = (µA(x)µB(x))/(2 - µA(x) - µB(x) + µA(x)µB(x) Luật lukasiewics : µ A∩B (x) = max {0; µA(x) + µB(x) – 1}
Phép giao hai tập mờ khác cơ sở
Hàm thuộc của giao hai tập mờ A với µA(x) định nghĩa trên miền M và B với µB(x) định nghĩa trên nền N là một hàm hai biến µ (µA; µB): [0; 1]2→[0; 1] xác định trên miền MxN thỏa mãn:
µB = 1 thì µ (µA; µB) = µA; µ (µA; µB) = µ (µB; µA)
µ((µA; µB); µC) = µ(µA; (µB; µC))
µ(µA; µB) ≤ µ(µC; µD), với ∀µA≤ µC, µB≤ µD
c. Phép bù
Tập bù của tập mờ A định nghĩa trên nền X là một tập mờ AC cùng xác định trên tập nền X với hàm thuộc:
µ(µA): [0; 1] → [0; 1] thỏa mãn: µ(1) = 0 và µ(0) = 1.
µA < µB thì µ(µA) ≥ µ(µB).
Nếu hàm một biến µ(µA) liên tục và µA < µB và µ(µA) > µ(µB), thì phép bù trên là bù mờ chặt.
Một phép bù mờ chặt gọi là bù mờ mạnh nếu µ(µA) = µA, tức là (AC)C = A. Hàm thuộc của µ(µA) của một phép bù mạnh gọi là hàm phủ định mạnh. Phép bù mờ của tập
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 53
mờ A hay dùng trong điều khiển mờ là phép bù có tập mờ AC với hàm thuộc µ(µA) = 1 – µA(x).
3.1.1.3 Biến ngôn ngữ
Biến ngôn ngữ là biến xác định trên các miền các giá trị ngôn ngữ, mà mỗi giá trị trong miền này lại đƣợc mô tả trên tập nền là miền các giá trị vật lý tƣơng ứng của nó.
Hình 3.2 Mô tả các giá trị ngôn ngữ bằng tập mờ
Các giá trị ngôn ngữ của biến x là AA, BB, CC, DD, EE, FF đƣợc mô tả bằng các tập mờ với hàm thuộc µAA(x); µBB(x); µCC(x); µDD(x); µEE(x); µFF(x) có tập nền là miền các giá trị rõ tƣơng ứng.
Nhƣ vậy với mỗi giá trị rõ đầu vào X ta đƣợc một bộ giá trị tƣơng ứng đƣợc đặc