Nâng cao ổn định động cho hệ thống điện ứng dụng bộ ổn định công suất mờ

Hình 10. Màn hình hiển thị lỗi tổ hợp Diesel - máy phát điện<br /> 4. Kết luận<br /> Hệ thống điều khiển tự động toàn phần trạm phát điện tàu thủy được xây dựng theo cấu trúc<br /> đã đề xuất, ứng dụng công nghệ khả trình mềm hóa, dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển mà<br /> không cần thay đổi phần cứng. Hệ thống đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu, tính năng tự động điều<br /> khiển cho trạm phát điện tàu thủy. Thuật toán điều khiển hệ thống đã được triển khai và kiểm<br /> nghiệm cho trạm phát điện mô phỏng chủng loại tàu 22500 DWT. Hơn thế nữa, hệ thống được<br /> giám sát trên màn hình cảm ứng, máy tính đã tạo cho người vận hành khai thác theo dõi được các<br /> thông số, cũng như trạng thái hoạt động của hệ thống một cách tổng quan và liên tục.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. GS. TSKH Thân Ngọc Hoàn,TS. Nguyễn Tiến Ban, Trạm phát và lưới điện tàu thuỷ, NXB Khoa<br /> học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2008.<br /> [2]. Bùi Thanh Sơn, Trạm phát điện tàu thuỷ, NXB Giao thông vận tải, Hà nội, 2000.<br /> [3]. Mukund R. Patel, Shipboard electrical power systems, CRC Press, 2012.<br /> [4]. Technical documents of Main switchboard of 22.500 DWT, 53.000DWT, 56.000DWT ship.<br /> [5]. БарановА.П., Судовыеавтоматизированныеэлектроэнергетическиесистемы,<br /> Судостроение, Санкт -Петербург, 2005.<br /> Ngày nhận bài: 20/02/2017<br /> Ngày phản biện: 17/06/2017<br /> Ngày duyệt đăng: 20/06/2017<br /> <br /> NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN<br /> ỨNG DỤNG BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT MỜ<br /> DYNAMIC STABILITY IMPROVEMENT OF ELECTRIC POWER SYSTEM<br /> BASED ON FUZZY LOGIC POWER SYSTEM STABILIZER<br /> NGUYỄN KHẮC KHIÊM1, HOÀNG ĐỨC TUẤN2, ĐINH ANH TUẤN2<br /> 1Trường Đại học Hàng hải Việt Nam<br /> 2Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam<br /> <br /> Tóm tắt<br /> Phụ tải điện năng của hệ thống điện có đặc điểm là biến thiên theo thời gian, biến thiên<br /> ngẫu nhiên và phụ thuộc vào chế độ làm việc, vùng hoạt động và các yếu tố khác. Do<br /> vậy, trong quá trình hoạt động của hệ thống điện, thường xuyên xảy ra sự thay đổi tải,<br /> làm cho hệ thống điện liên tục chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác.<br /> Với những sự thay đổi tải lớn, đột ngột, cũng như sự cố xảy ra thì hệ thống điện có thể<br /> dẫn đến mất ổn định. Để nâng cao ổn định cho hệ thống điện, sử dụng bộ ổn định công<br /> suất được thiết kế theo phương pháp truyền thống, tạo nên tín hiệu phụ đưa thêm vào<br /> điều khiển hệ thống kích từ, làm giảm sự dao động tần số thấp của vận tốc góc quay<br /> rotor máy phát điện. Tuy nhiên, bộ ổn định công suất này, được xây dựng theo phương<br /> pháp truyền thống và đối tượng được tuyến tính hóa, vì vậy bộ ổn định công suất chỉ làm<br /> việc tốt trong điều kiện nhất định, quanh điểm làm việc cho phép. Hệ thống điện là hệ<br /> thống có đặc điểm phi tuyến mạnh, tải điện năng thay đổi ngẫu nhiên, vì vậy bộ ổn định<br /> công suất truyền thống sẽ làm việc không hiệu quả, khi chế độ làm việc thay đổi và điểm<br /> làm việc thay đổi trong phạm vi rộng. Để giải quyết vấn đề này, bài báo đề xuất xây dựng<br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 33<br />  bộ ổn định công suất ứng dụng logic mờ, nhằm khắc phục nhược điểm của bộ ổn định<br /> công suất truyền thống, cải thiện ổn định động cho hệ thống điện.<br /> Từ khóa: Phụ tải điện, hệ thống điện, bộ ổn định công suất mờ, ổn định động.<br /> Abstract<br /> The electric loads of the electric power system is characterized by time-varying, random<br /> variation, and depending on the mode of operation, area of operation, and other factors.<br /> Therefore, during the operation of the electric power system, the load changes frequently<br /> occur, causing the system to continuously move from the steady-state mode to another.<br /> With sudden and large load changes, as well as malfunctioning, the electric power system<br /> can lead to instability. In order to improve the stability of the electric power system, the<br /> conventional power system stabilizer used to create an auxiliary stability signal that adds to<br /> the control of the excitation system to reduce low frequency oscillations of angular velocity<br /> of rotor generators. However, this power system stabilizer, built on the traditional method<br /> and the object is linearized, so that the power system stabilizer works just finely under<br /> specific operating condition around the permitted working point. The electric power system<br /> is a system with strong nonlinear characteristics, randomly changing load power, so<br /> conventional power system stabilizer will be ineffective when the operating mode changes<br /> and the working point changes in wide range. To solve this problem, the paper proposes<br /> the construction of a fuzzy logic power system stabilizer, to overcome the disadvantages of<br /> conventional power system stabilizer, and to improve the dynamic stability of the electric<br /> power system.<br /> Keywords: Electric loads, electric power system, fuzzy logic powersystemstabilizer, dynamic<br /> stability.<br /> 1. Giới thiệu<br /> Hệ thống điện đang tồn tại và phát triển không ngừng về quy mô và chất lượng. Trong quá<br /> trình làm việc của hệ thống, thường xuyên dẫn đến sự thay đổi điểm làm việc của hệ không theo<br /> quy luật, tạo nên những dao động tần số thấp, do đó có thể dẫn đến trạng thái mất đồng bộ của<br /> các tổ máy phát điện, thậm chí suy sụp hệ thống. Vì vậy, đòi hỏi cần phải nâng cao ổn định động<br /> cho hệ thống điện.<br /> Nhằm mục đích nâng cao ổn định động cho hệ thống điện, bộ ổn định công suất được sử<br /> dụng để đưa thêm tín hiệu điều khiển cấp cho hệ thống kích từ của máy phát điện, huy động<br /> nhanh năng lượng điện từ làm giảm dao động tần số thấp cho rotor [1, 2, 3, 5]. Bộ ổn định công<br /> suất này, sử dụng khá phổ biến và được thiết kế theo kỹ thuật điều khiển thông thường. Vì vậy,<br /> các hệ số của bộ điều khiển ổn định công suất được thiết kế, cài đặt cho điều kiện làm việc cụ thể,<br /> do đó, bộ điều khiển ổn định công suất sẽ làm việc kém hiệu quả và thiếu chính xác, khi điều kiện<br /> làm việc thay đổi trong phạm vi rộng.<br /> Để giải quyết vấn đề này, thì cần ứng dụng lý thuyết điều khiển mới để tổng hợp bộ điều<br /> khiển ổn định công suất. Bộ điều khiển ổn định công suất mờ được đề xuất, để giải quyết vấn đề<br /> không rõ về mô hình toán, tính phi tuyến mạnh và dải thay đổi lớn điều kiện làm việc của hệ thống<br /> điện.<br /> Bài báo đề cập đến việc xây dựng bộ ổn định công suất ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ,<br /> nhằm nâng cao ổn định động cho hệ thống điện. Kết quả nghiên cứu được trình bày trong các<br /> phần sau.<br /> 2. Mô hình hệ thống điện<br /> Mạch giới hạn<br /> và bảo vệ<br /> <br /> Bộ chuyển đổi điện áp<br /> và bù tải<br /> Bộ điều Hệ thống<br /> Lưới<br /> điện<br /> <br /> <br /> Phụ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tín hiệu Máy<br /> tải<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> đặt khiển Kích từ phát điện<br /> <br /> Bộ ổn định công<br /> suất mờ<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống điện với máy phát điện<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 34<br />  Mô hình máy phát điện nối với lưới cứng hệ thống điện, bao gồm các phần tử cơ bản như<br /> máy phát điện đồng bộ, hệ thống kích từ, bộ điều khiển, bộ chuyển đổi điện áp và bù tải, bộ ổn<br /> định công suất mờ, mạch giới hạn và bảo vệ, hệ thống thanh cái, lưới điện. Sơ đồ khối của hệ<br /> thống được trình bày như hình 1 [2, 3, 4].<br /> Cấu hình hệ thống điện, được thay thế tương đương theo định lý Thevenin [2, 3], thể hiện<br /> như hình 2.<br /> Et Eb<br /> Máy<br /> phát Lưới hệ thống<br /> điện<br /> Zeq=Re + jXe<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ tương đương của hệ thống điện với máy phát điện<br /> Mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ [1, 2, 3] mô tả trên hệ tọa độ d-q như sau:<br /> Phương trình cân bằng điện áp stator ở đơn vị tương đối<br /> ed = py d - y q wr - Ra id (1)<br /> eq = py q - y d wr - Ra iq<br /> (2)<br /> Phương trình cân bằng điện áp rotor ở đơn vị tương đối<br /> e fd = py fd - R fd i fd<br /> (3)<br /> 0 = py 1d - R1d i1d<br /> (4)<br /> 0 = py 1q - R1q i1q<br /> <br /> Phương trình cân bằng từ thông stator ở đơn vị tương đối<br /> y d = - ( Lad + L1 )id + Lad i fd + Lad i1d (5)<br /> y q = - ( Laq + L1 )iq + Laq i1q + Laq i2q (6)<br /> Phương trình cân bằng từ thông rotor ở đơn vị tương đối<br /> y fd = L fd i fd + L f 1d i1d - Lad id<br /> (7)<br /> y 1q = L11q i1q + Laq i2q - Laq iq<br /> (8)<br /> Phương trình cân bằng mô men<br /> Te = y d iq - y q id<br /> (9)<br /> Phương trình chuyển động<br /> dd<br /> = w - wb (10)<br /> dt<br /> d w wb (11)<br /> = (Tm - Te )<br /> dt 2H<br /> Trong đó: e, i, R, L, ψ, ω là điện áp, dòng điện, điện trở, điện cảm, từ thông, tốc độ góc với<br /> chỉ số phụ d, q đại điện cho trục dọc, ngang, fd cho cuộn dây kích từ; 1 đại diện cho cuộn cản của<br /> máy phát điện; H là hằng số quán tính; δ là góc rotor; Tm, Te là mô men cơ và mô men điện từ.<br /> 3. Thiết kế bộ ổn định công suất mờ<br /> Chức năng cơ bản của bộ ổn định công suất là làm giảm dao động rotor ở tần số thấp bằng<br /> cách thêm vào hệ thống kích từ một tín hiệu phụ để huy động nhanh năng lượng điện từ.<br /> Để xây dựng cấu trúc bộ điều khiển ổn định công suất mờ, sẽ sử dụng hai tín hiệu đầu vào<br /> là tín hiệu sai lệch tốc độ góc của rotor(e) và đạo hàm của nó. Đầu ra của bộ điều khiển mờ là tín<br /> hiệu điện áp (U) để cộng thêm vào tín hiệu điều khiển kích từ của máy phát điện được thể hiện<br /> trên hình 3.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 35<br />  Hình 3. Sơ đồ cấu trúc của bộ ổn định công suất mờ<br /> Mờ hóa tín hiệu đầu vào và ra<br /> Dải thay đổi tín hiệu đầu vào sai lệch tốc độ góc của rotor biến đổi từ [-1, 1] và đạo hàm của<br /> nó biến đổi từ [-3, 3]. Dải thay đổi tín hiệu đầu ra điện áp biến đổi từ [-1, 1].<br /> Tập mờ đầu vào, ra được chọn tương ứng là {AL, AV, AN, Z, DN, DV, DL}. Dạng hàm liên<br /> thuộc của tập mờ đầu vào, ra được chọn là hàm tam giác và số lượng là 7, được thể hiện trên<br /> hình 4, 5, 6.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Mờ hóa sai lệch tín hiệu đầu vào (e) Hình 5. Mờ hóa đạo hàm sai lệch tín hiệu đầu vào (de)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Mờ hóa tín hiệu đầu ra (U)<br /> <br /> Xây dựng luật hợp thành cho bộ ổn định công suất mờ<br /> Mỗi tín hiệu đầu vào gồm 7 hàm liên thuộc và 7 hàm liên thuộc cho tín hiệu đầu ra. Hai tín<br /> hiệu đầu vào chọn toán tử phép nhân “AND”, chọn phương pháp giải mờ là phương pháp trọng<br /> tâm, có thể tạo nên 49 luật hợp thành như bảng 1.<br /> Bảng 1. Luật hợp thành của bộ ổn định công suất mờ<br /> <br /> Sai lệch Đạo hàm sai lệch tốc độ góc rotor<br /> tốc độ DN<br /> AL AV AN Z DL DV<br /> góc rotor<br /> AL DL DL DL DL DV Z Z<br /> AV DL DL DL DL DV Z Z<br /> AN DV DV DV DV Z AN AN<br /> Z DV DV DN Z AN AV AV<br /> DN DN DN Z AV AV AV AV<br /> DV Z Z AV AN DL DV DN<br /> DL AN AV AN Z DL DV DN<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 36<br />  Hình 7. Luật hợp thành cho bộ ổn định công Hình 8. Quan hệ vào ra của bộ ổn định công<br /> suất mờ suất mờ<br /> 4. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống<br /> Để mô phỏng hệ thống sử dụng các thông số chính của máy phát điện đồng bộ: S=555MVA;<br /> U=24KV; F=50Hz; Et=1; H=4; Lad=1.66; Laq=1.61; L1q=0.7252; L1d=0.1713 ; Ra=0.003.<br /> Thông số của bộ ổn định công suất truyền thống: Tw=5(s); T1=0.08; T2=0.02; KST=0.001.<br /> Giá trị thông số ban đầu của máy phát điện đồng bộ được tính toán trong M-file và nhập vào<br /> mô hình mô phỏng. Mô hình nghiên cứu hệ thống với bộ ổn định công suất truyền thống và bộ ổn<br /> định công suất mờ được thể hiện trên hình 9.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 9. Mô hình hệ thống điện với bộ ổn định công suất mờ và<br /> bộ ổn định công suất truyền thống<br /> <br /> <br /> Sau khi mô phỏng hệ thống điện sử dụng bộ ổn định công suất truyền thống PSS và bộ ổn<br /> định công suất mờ FPSS, với sự thay đổi giá trị khác nhau của tải hệ thống, ta nhận được các kết<br /> quả như sau:<br /> Khi tải của hệ thống điện bằng 25% tải định mức:<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 37<br />  0.02<br /> <br /> <br /> 1<br /> 0.015<br /> <br /> 2<br /> 0.01<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Sai lech toc do goc Rotor<br /> 0.005<br /> <br /> <br /> 0<br /> <br /> <br /> -0.005<br /> <br /> <br /> -0.01<br /> <br /> <br /> -0.015<br /> <br /> <br /> -0.02<br /> 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br /> t<br /> <br /> <br /> Hình 10. Đặc tính sai lệch tốc độ góc rotor<br /> 1: Là đường đặc tính sử dụng bộ ổn định công suất thông thường<br /> 2: Là đường đặc tính sử dụng bộ ổn định công suất mờ<br /> Khi tải của hệ thống điện bằng 75% tải định mức:<br /> 0.06<br /> <br /> <br /> 1<br /> 0.04<br /> 2<br /> <br /> <br /> <br /> 0.02<br /> Sai lech toc do goc Rotor<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -0.02<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -0.04<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -0.06<br /> 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br /> t<br /> <br /> <br /> Hình 11. Đặc tính sai lệch tốc độ góc rotor<br /> 1: Là đường đặc tính sử dụng bộ ổn định công suất thông thường<br /> 2: Là đường đặc tính sử dụng bộ ổn định công suất mờ<br /> Dựa trên đặc tính sai lệch tốc độ góc rotor thu được, ta thấy rằng khi có sự tham gia của bộ<br /> ổn định công suất mờ vào hệ thống điện, đã làm cho độ quá điều chỉnh và số lần dao động giảm đi<br /> rất nhiều, so với khi hệ thống chỉ sử dụng bộ ổn định công suất thông thường.<br /> 5. Kết luận<br /> Bộ ổn định công suất mờ đã làm giảm biên độ và số lần dao động của sai lệch tốc độ góc<br /> quay rotor, do vậy, sẽ nhanh chóng đưa hệ thống điện về trạng thái ổn định mới, vì vậy sẽ nâng<br /> cao tính ổn định của hệ thống điện. Việc nghiên cứu mô hình hệ thống điện với sự tham gia của bộ<br /> ổn định công suất mờ, có ý nghĩa rất lớn trong việc phát triển nghiên cứu để chế tạo bộ điều khiển<br /> thực áp dụng cho hệ thống điện, nhằm mục đích nâng cao ổn định cho hệ thống.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Lã Văn Út, Phân tích và điều khiển ổn định hệ thống điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội,<br /> 2000.<br /> [2]. Prabha Kundur, Power system stability and control, Mc Greew-Hill, 1994.<br /> [3]. Jan Machowski, Janusz Bialek, Dr Jim Bumby, Power System Dynamics: Stability and Control,<br /> Wiley Press, 2008.<br /> [4]. A.Al-Hinai, “Dynamic stability enhancement using genetic algorithm power system stabilizer”,<br /> Power System Technology, 2010 International Conference, oct.2010, pp.1-7.<br /> [5]. A.Roosta, H.Khorsand, M.Nayeripour, “Design and analysis of fuzzy power system stabilizer”,<br /> in Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe, 2010 IEEE PES, oct.2010, pp.1-7.<br /> <br /> Ngày nhận bài: 05/6/2017<br /> Ngày phản biện: 23/6/2017<br /> Ngày duyệt đăng: 19/7/2017<br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 38<br />