1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong thực tế sản lượng điện tiêu thụ thay đổi liên tục từng giờ, từng phút thậm chí là từng giây. Nguyên
nhân là do sự thay đổi của tải như các hộ tiêu dùng, các nhà máy xí nghiệp thường xuyên sử dụng năng lượng
quá tải hoặc hệ thống gặp sự cố. Việc công suất tải sử dụng liên tục thay đổi dẫn đến rất khó để cân bằng được
với công suất cấp. Chính vì vậy, dẫn đến tần số làm việc hệ thống luôn thay đổi so với giá trị mong muốn và có
thể thay đổi liên tục trong những khoảng thời gian rất ngắn.
Độ lệch tần số ảnh hưởng đến hoạt động của tất cả các thiết bị trong hệ thống điện như các thiết bị tự
dùng trong các nhà máy điện tức là ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện. Khi tần số suy giảm có thể dẫn đến
ngừng một số bơm tuần hoàn trong nhà máy điện và khi tần số giảm quá nhiều có thể dẫn đến ngừng tổ máy.
Ngoài ra sự thay đổi tần số làm thay đổi trào lưu công suất trong hệ thống. Tần số giảm dẫn đến tăng tiêu thụ
công suất phản kháng đồng nghĩa với thay đổi trào lưu công suất tác dụng và tăng tổn thất trên các đường dây
truyền tải. Bên cạnh đó sự thay đổi tần số còn gây ra những hậu quả xấu cho các thiết bị điện ở các hộ tiêu thụ
như tần số giảm dẫn đến việc động cơ các thiết bị truyền động bị giảm hiệu suất làm việc.
Chính vì vậy luận án chọn đề tài thiết kế bộ điều khiển thông minh điều khiển tần số cho hệ thống điện
đa nguồn phát.
2. Câu hỏi nghiên cứu
Hệ thống điện trong thực tế là một hệ thống phi tuyến và phức tạp với nhiều thông số hệ thống thay đổi
liên tục trong quá trình vận hành gây mất ổn định tần số trong hệ thống. Chính vì vậy, cần nghiên cứu thiết kế
những bộ điều khiển thông minh nhằm ổn định tần số hệ thống.
3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Đây là một hệ thống phức tạp với rất nhiều thông số mà trong quá trình vận hành hệ thống các thông số
thay đổi liên tục không theo quy luật. Do đó, mục tiêu của luận án là nghiên cứu, xây dựng mô hình hệ thống
điện lớn, đa máy phát kết nối, có tính đến các yếu tố phi tuyến, bất định, có xét đến những dạng năng lượng tái
tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời. Khi xây dựng mô hình phải đáp ứng được việc đánh giá chỉ tiêu
chất lượng điều khiển, cũng như phải dựa vào tiêu chuẩn ổn định Lyapunov. Kiểm chứng sự ảnh hưởng của các
yếu tố bất định đến chất lượng điều khiển ổn định tần số của từng vùng của hệ thống. Từ đó đưa ra chiến lược
điều khiển thông minh, điều khiển lai để đạt được mục tiêu điều tần số tốt, đáp ứng được các tiêu chuẩn Việt
Nam cũng như quốc tế điều khiển thông minh, các giải pháp điều khiển lai nhằm tối ưu cập nhật thống số của bộ
điều khiển khi các thông số hệ thống bị thay đổi trong quá trình vận hành.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Trên cơ sở nghiên cứu trước của các tác giả về sử dụng các phương pháp xây dựng mô hình hệ thống
điện đa kết nối theo kiểu hàm truyền và theo mô hình không gian trạng thái có phân tích các yếu tố bất định.
Đồng thời phân tích các phương pháp điều điều khiển thông minh, điều khiển tối ưu vào xây dựng hướng giải
pháp cho bài toán Ổn định tần số hệ thống điện đa nguồn phát. Phạm vi nghiên cứu của bài toán này là xây dựng
mô hình toán cho hệ thống lưới điện có từ 2 đến 3 vùng (máy phát, phụ tải,..) có trong hệ thống những yếu tố phi
tuyến, bất định và có sự tham gia của các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió năng lượng mặt trời. Từ
các biến động về máy phát, truyền tải và phụ tải, luận án xây dựng luật điều khiển và phương pháp tính mới (sử
dụng giải tích và logic mờ các bộ điều khiển tối ưu), áp dụng một trong các giải pháp mà các công trình đã công
2
bố và được kiểm nghiệm bằng Matlab/Simulink, từ đó đánh giá được hiệu quả của các chiến lược điều khiển tần
số đã đề xuất.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết. Xây dựng mô hình đối tượng hệ thống
điện đa kết nối theo mô tả bằng hàm truyền và không gian trạng thái có xét đến những yếu tố bất định được mô
tả thay đổi sao cho phù hợp với thực tế. Rồi từ đó phân tích xem xét các phương pháp điều khiển thông minh có
thể cập nhật được thông số của bộ điều khiển khi hệ thống có những yếu tố bất định trong quá trình hoạt động.
Nhiệm vụ là ổn định về tần số cho hệ thống điện đa kết nối. Các công cụ lý thuyết điều khiển được sử dụng như
lý thuyết điều khiển mờ, các bộ điều khiển lai tối ưu các phương pháp nghiên cứu mà các nhà nghiên cứu thực
hiện.
Luận án sử dụng lý thuyết điều khiển thông minh như mờ, tối ưu, các bộ điều khiển lai. Tổng hợp bộ
điều khiển cải tiến để tìm ra luật điều khiển tối ưu phản hồi trạng thái có khả năng kiểm soát và dập tắt các dao
động của hệ thống do ảnh hưởng nhiễu, đảm bảo ổn định tần số của hệ thống. Sau đó mô phỏng trên phần mềm
Matlab/Simulink để kiểm chứng tính đúng đắn cũng như sự ưu việt của các luật và phương pháp đề ra đối với
đối tượng đã xem xét. Để đánh giá sự ổn định và các tiêu chuẩn ổn định của hệ thống. Nghiên cứu sinh cho rằng
kết quả nghiên cứu này sẽ là nền tảng cho những nghiên cứu sâu hơn về tính ổn định cho hệ thống bất định cũng
như tối ưu hóa và điều khiển ứng dụng vào thực tiễn.
6. Đóng góp mới của luận án
6.1. Đóng góp về khoa học, lý luận
Nghiên cứu trong luận án này sẽ thiết kế bộ điều khiển thông minh những thuật toán và các phương
pháp toán học như: Phương pháp điều khiển mờ, các phương pháp điều khiển tối ưu, điều khiển theo mô hình
mẫu để đạt được tối ưu hóa việc ổn định tần số hệ thống điện đa máy phát kết nối thông qua việc xem xét các bài
toán đã được giải quyết của các tác giả trước. Đồng thời đề xuất thêm một số thuật toán điều khiển để chất lượng
đáp ứng đầu ra tốt hơn đối với yêu cầu đặt ra.
6.2. Đóng góp về nghiên cứu thực tiễn
Ngiên cứu sinh cho rằng kết quả nghiên cứu này sẽ là nền tảng cho những nghiên cứu sâu hơn về tính ổn
định cho hệ thống bất định cũng như tối ưu hóa và điều khiển ứng dụng vào thực tiễn.
7. Kết cấu của luận án
Ngoài phần mở đầu, tài liệu tham khảo, phụ lục, toàn bộ nội dung của luận án được trình bày trong 4
chương:
Chương 1: Tổng quan về điều khiển tần số: Phân tích về điều khiển tần số trong hệ thống điện đa kết
nối. Phân tích và đánh giá các công trình nghiên cứu đã công bố trong và ngoài nước. Những điểm hạn chế và
các hướng giải quyết của luận án.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Nội dung chủ yếu của chương này là trình bày cơ sở lý thuyết của các
phương pháp điều khiển và xây dựng mô hình hóa hệ thống điện về dạng sơ đồ khối, hàm truyền, không gian
trạng thái. Mô phỏng các đáp ứng của hệ thống sử dụng phần mềm Matlab/Simulink bị ảnh hưởng bởi các yếu tố
phi tuyến, bất định, năng lượng tái tạo đến việc ổn định tần số của hệ thống.
3
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển thích nghi hàm Gauss cho bài toán điều khiển tần số: Sử dụng lý
thuyết ổn định Lyapunov để thiết kế bộ điều khiển thích nghi ổn định tần số hệ thống điện kết nối hai vùng tua
bin không hồi nhiệt.
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển thông minh điều khiển tần số cho hệ thống đa nguồn phát: Mục đích
của chương là thiết kế bộ điều khiển thông minh mờ - PID để điều khiển ổn định tần số của hệ thống điện hai
vùng, thiết kế bộ điều khiển mờ - PSO - PID cho hệ thống điện có ba vùng trong đó các thông số của bộ điều
khiển được tối ưu hóa theo hàm mục tiêu dựa vào phương pháp tối ưu PSO. Mô phỏng đáp ứng của hệ thống khi
sử dụng các bộ điều khiển này. Khi đó trong các hệ thống xét đến các yếu tố phi tuyến, bất định, tính trễ thời
gian trong hệ thống và có sự tham gia của những nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt
trời.
4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ
Một hệ thống điện sẽ làm việc bình thường tại tần số và công suất đường dây ở giá trị định mức bằng
việc điều khiển công suất thực. Nhưng khi tải ở các nơi tiêu thụ thay đổi ngẫu nhiên và liên tục dẫn đến tần số hệ
thống và công suất đường dây trên hệ thống cũng thay đổi liên tục. Và điều này gây ra những hậu quả không tốt
cho các thiết bị trong hệ thống điện.
Dựa vào thời gian thay đổi của tải tiêu thụ người ta phân bộ điều khiển thành các cấp (theo thông tư
số 25/2016/TT-BCT) như sau:
“Điều chỉnh tần số sơ cấp: Là quá trình điều chỉnh tức thời tần số hệ thống điện được thực hiện bởi
số lượng lớn các tổ máy phát điện có trang bị hệ thống điều tốc”.
“Điều chỉnh tần số thứ cấp: Là quá trình điều chỉnh tiếp theo của điều chỉnh tần số sơ cấp được thực
hiện thông qua tác động của hệ thống AGC (Automatic Gain Control) đối với một số tổ máy phát
điện được quy định cụ thể trong hệ thống điện hoặc hệ thống sa thải phụ tải theo tần số hoặc lệnh
điều độ”.
Theo như thông tư trên lúc đầu hệ thống sẽ sử dụng bộ điều chỉnh tần số sơ cấp, được thực hiện do các
bộ điều tốc của tua bin cho phép thay đổi lưu lượng hơi hoặc nước qua các tổ máy tỷ lệ với sự thay đổi của tần
số. Điều chỉnh tần số sơ cấp là bắt buộc. Các giải pháp điều khiển được xem là tối ưu khi luôn tồn tại cả điều
chỉnh sơ cấp trong hệ thống. Tuy nhiên để thực hiện điều chỉnh sơ cấp hệ tống cần phải thỏa các yêu cầu như là:
Điều chỉnh sơ cấp là bắt buộc vì nếu ngừng điều khiển sơ cấp thì không một giải pháp điều khiển nào được cho
là tối ưu, không thể hủy bỏ giới hạn phụ tải bằng điều khiển sơ cấp (giới hạn tải không được điều chỉnh đúng khi
tần số quá lớn xuất hiện lúc này các tổ máy không có khả năng đáp ứng được), điều chỉnh sơ cấp cần phải điều
chỉnh càng nhanh càng tốt trong trường hợp có sự mất cân bằng giữa công suất tiêu thụ điện và công suất phát
điện, trong điều chỉnh sơ cấp cần phải loại bỏ các nguồn gốc gây nên tính trễ và mất ổn định của hệ thống điện
đó chính là vùng chết và dải lọc, điều khiển sơ cấp phải được thực hiện ở từng tổ máy. Từ những yêu cầu trên
đối với điều chỉnh sơ cấp thì đối với một hệ thống điện không thể chỉ có điều chỉnh sơ cấp mà rất cần thiết phải
có điều chỉnh tần số thứ cấp. Bởi nếu chỉ dừng lại ở điều chỉnh sơ cấp thì khi có sự biến động về phụ tải hệ thống
chỉ ổn định nhưng vẫn luôn tồn tại sai lệch về tần số.
Vậy mục đích cốt yếu của tự động điều chỉnh máy phát AGC là: Đưa tần số hệ thống trở về giá trị danh
định, điều chỉnh trào lưu công suất trao đổi giữa các khu vực theo một kế hoạch xác định, bằng việc điều chỉnh
công suất ra của một số máy phát được lựa chọn trước và phương pháp này được gọi là điều chỉnh tải – tần số
LFC. Phân bổ lại lượng công suất thay đổi trong số các máy phát để tối ưu hóa chi phí vận hành. Luôn luôn cần
đảm bảo có điều chỉnh sơ cấp trong hệ thống chính vì vậy điều chỉnh tần số thứ cấp cần phải chậm hơn điều
chỉnh tần số sơ cấp.Với một hệ thống điện có thể là hệ thống điện cô lập hoặc hệ thống điện liên kết giữa các
vùng với nhau thông qua các đường dây. Một hệ thống điện đơn lẻ gồm những thành phần cơ bản: Máy điều tốc
(Governor), tua bin gồm 3 loại: tua bin không hồi nhiệt (Non- Reheat Turbine), tua bin hồi nhiệt (Reheat
Turbine), tua bin thủy lực, máy phát (Generator). Hình 1.1 dưới đây trình bày về cấu trúc của một hệ thống điện
đơn vùng cơ bản.
5
Bộ điều
tốc Tuabin Máy phát và
tải tiêu thụ
1/R
ΔP
-
+
-
+
Δf
ΔPc
Hình 1. 1: Cấu trúc cơ bản của hệ thống điện đơn vùng
Hệ thống điện đa liên kết được trình bày như hình 1.2 gồm nhiều vùng nối với nhau thông qua các
đường dây truyền tải. Đây mà một hệ thống phức tạp vì vậy điều khiển tần số trong hệ thống gặp phải nhiều khó
khăn. Sai lệch công suất trong hệ thống điện liên kết sẽ gây ra sai lệch tần số và sai lệch về trào lưu công suất
trao đổi giữa các khu vực. Và mục đích chính của bộ điều chỉnh thứ cấp là cần khôi phục độ lệch tần số và độ
lệch trào lưu công suất trao đổi giữa các hệ thống về 0. Để có thể chỉnh định cả độ lệch tần số và độ lệch công
suất giữa các vùng bằng không thì hệ thống sẽ chỉnh định lỗi điều khiển khu vực ACE (Area Control Error) về 0.
Trong đó tính ACE theo công thức 1.1
,,i tie i j i i
ACE P f
(1.1)
Trong đó
,,tie i j
P
,
i
và
i
f
lần lượt là độ lệch công suất giữa vùng i và vùng j, hệ số độ dốc đặc tính tần
số vùng i và sai lệch tần số ở vùng i.
Vùng 1
Vùng 2
Vùng 3
Vùng N
Vùng K
. . .
. . .
. . .
P23
P2N
P2K
P12
P3K
P1N
P1K
P13
P3N
Hình 1. 2: Hệ thống điện đa liên kết nhiều vùng
Để ổn định tần số trong hệ thống điện đa liên kết gặp phải nhiều vấn đề trong hệ thống phát sinh làm
ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển của hệ thống như: Các thiết bị có thành phần làm hệ thống phi tuyến gồm
có: dải chết của bộ điều tốc GDB (Governor Dead Band), giới hạn tốc độ của máy phát điện GRC ( Generation
rate constrain), tính trễ của thời gian trong hệ thống, các thông số của thiết bị điện bị thay đổi trong quá trình vận
hành hệ thống. Hơn nữa, với hệ thống điện hiện nay đã được kết nối với một số nguồn năng lượng tái tạo nhằm
tăng đa dạng nhu cầu phát điện. Bằng cách tăng cường thâm nhập các nguồn năng lượng tái tạo, quán tính của hệ
thống điện được kết nối có thể không đủ nên tạo ra các vấn đề về động đối với điện áp và tần số ổn định của hệ
thống và gây ra tác động tiêu cực đến tính ổn định và khả năng phục hồi của hệ thống điện. Nếu việc phát điện