Luận Văn Luận án TS Vật lý Ứng dụng lý thuyết tối ưu Rh để nâng cao chất lượng của hệ điều khiển ổn định hệ t

Chuyên ngành: Tự động hóa
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
2012

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ii
LỜI CẢM ƠN iii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết, ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài 1
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
4. Phương pháp nghiên cứu 3
5. Những đóng góp mới của luận án 3
6. Cấu trúc của luận án 3


Chương 1. TỔNG QUAN 6
1.1. Giới thiệu cấu trúc hệ thống điện 6
1.2. Điều khiển hệ thống điện 8
1.2.1. Nhiệm vụ điều khiển HTĐ 8
1.2.2. Cấu trúc điều khiển HTĐ 10
1.3. Vấn đề dao động góc tải trong HTĐ 16
1.3.1. Định nghĩa góc tải (góc rotor) 16
1.3.2. Cân bằng công suất trong HTĐ 18
1.3.3. Nguyên nhân gây ra dao động góc tải 18
1.4. Bộ ổn định HTĐ - PSS 21
1.5. Những vấn đề nghiên cứu về PSS 22
1.5.1. Một số phương pháp thiết kế PSS 22
1.5.2. Các công trình nghiên cứu về PSS 25
1.6. Hướng nghiên cứu của luận án 26
1.7. Kết luận chương 1 27

Chương 2. MÔ HÌNH TOÁN CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 28
2.1. Mô hình máy phát điện đồng bộ 30
2.1.1. Phương trình biểu diễn trên hệ trục toạ độ dq0 31
2.1.2. Phương trình với mạch từ tuyến tính 34
2.2. Mô hình kích từ và bộ điều chỉnh điện áp 36
2.3. Mô hình turbine và bộ điều chỉnh tốc độ 39
2.3.1. Mô hình turbine 39
2.3.2. Mô hình bộ điều tốc 41
2.4. Mô hình của hệ máy phát kết nối với HTĐ 42
2.4.1. Phương trình ràng buộc điện áp trong hệ đơn vị tương đối 42
2.4.2. Mô hình multi–time–scale của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 8) 43
2.4.3. Mô hình bỏ qua quá độ stator của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 6) 45
2.4.4. Mô hình two-axis của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 4) 47
2.4.5. Mô hình flux–decay của hệ máy phát kết nối với HTĐ (bậc 3) 48
2.4.6. Mô men damping 50
2.5. Kết luận chương 2 51


Chương 3. PHÂN TÍCH BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS 52
3.1. Xây dựng mô hình tín hiệu nhỏ của hệ máy phát kết nối với HTĐ 52
3.2. Phân tích ảnh hưởng của PSS đối với ổn định tín hiệu nhỏ 58
3.3. Phân tích cấu trúc các PSS 63
3.3.1. PSS đầu vào đơn – PSS1A 63
3.3.2. PSS đầu vào kép 64
3.4. Phân tích các thành phần trong PSS2A/2B 68
3.4.1. Tín hiệu tốc độ 68
3.4.2. Tín hiệu công suất điện 69
3.4.3. Tín hiệu công suất cơ 69
3.4.4. Bù pha và lựa chọn tín hiệu ổn định 70
3.4.5. Khâu giới hạn điện áp đầu cực 70
3.5. Đánh giá hiệu quả của PSS đối với ổn định góc tải 71
3.5.1. Trường hợp không sử dụng PSS và có sử dụng PSS 71
3.5.2. Trường hợp sử dụng PSS1A và PSS2A 72
3.6. Kết luận chương 3 74


Chương 4. ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU RH ĐỂ THIẾT KẾ PSS TỐI ƯU CẤU TRÚC 75
4.1. Chuyển bài toán điều khiển ổn định tín hiệu nhỏ thành bài toán điều khiển bền vững RH 75
4.2. Thiết kế bộ điều khiển bền vững RH 80
4.2.1. Khái niệm cơ bản về lý thuyết điều khiển tối ưu RH 80
4.2.2. Các bước thực hiện bài toán điều khiển tối ưu RH 81
4.2.3. Thiết kế PSS tối ưu RH 85
4.3. Mô phỏng bộ điều khiển 91
4.3.1. Mô phỏng trong Matlab 91
4.3.2. Mô phỏng theo thời gian thực 93
4.4. Kết luận chương 4 97


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO 101
PHỤ LỤC 106






DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Các phần tử cơ bản của một HTĐ 7
Hình 1.2. Các hệ thống điều khiển con và điều khiển liên quan của một trạm phát điện 9
Hình 1.3. Phân loại các chế độ của HTĐ 10
Hình 1.4. Cấu trúc điều khiển HTĐ 11
Hình 1.5. Sơ đồ khối điều khiển và bảo vệ HTKT máy phát điện đồng bộ 13
Hình 1.6. Điều khiển tần số và phân phối CSTD trong HTĐ 16
Hình 1.7. Đặc tính công suất của máy phát 17
Hình 1.8. Phân loại ổn định HTĐ (nét đậm chỉ phạm vi nghiên cứu của luận án) 19
Hình 1.9. Dao động cục bộ 19
Hình 1.10. Dao động liên khu vực 20
Hình 1.11. Sơ đồ khối điều khiển HTKT có PSS 20
Hình 1.12. Cấu trúc cơ bản của PSS 21
Hình 2.1. Sơ đồ khối một máy phát điện đồng bộ 29
Hình 2.2. Sơ đồ máy điện đồng bộ hai cực từ 30
Hình 2.3. Sơ đồ mạch máy kích từ một chiều độc lập 36
Hình 2.4. Sơ đồ mạch máy kích từ tự kích 37
Hình 2.5. Mô hình HTKT IEEE loại 1 [46] 39
Hình 2.6. Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc cơ khí - thủy lực 41
Hình 2.7. Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc điện tử - thủy lực 41
Hình 2.8. Mô hình hệ thống turbine và điều tốc đơn giản 42
Hình 2.9. Sơ đồ động học siêu quá độ của máy phát [46] 45
Hình 2.10. Mô hình hai trục (two-axis) của hệ máy phát [46] 47
Hình 2.11. Mô hình động học flux-decay của máy phát điện [46] 49
Hình 3.1. Sơ đồ khối điều chỉnh kích từ máy phát nối lưới 52
Hình 3.2. Mô hình HTKT IEEE loại 1 với tín hiệu nhỏ 56
Hình 3.3. HTKT thyristor ST1A với AVR 57
Hình 3.4. Sơ đồ khối đã tuyến tính của máy phát bao gồm kích từ & AVR 57
Hình 3.5. Đáp ứng tự nhiên của góc tải δ với các nhiễu nhỏ 59
Hình 3.6. Đồ thị vector các thành phần mô men với AVR 60
Hình 3.7. Sơ đồ khối đã tuyến tính hệ máy phát nối lưới với kích từ, AVR và PSS 60
Hình 3.8. Đồ thị vector các thành phần mô men với AVR & PSS 63
Hình 3.9. Sơ đồ khối của PSS1A – loại đầu vào đơn 64
Hình 3.10. Sơ đồ khối PSS2A (IEEE 421.5.1992) 66
Hình 3.11. Sơ đồ khối của PSS2B 66
Hình 3.12. Sơ đồ khối của PSS3B 67
Hình 3.13. Sơ đồ khối của PSS4B (Multi-band PSS) 67
Hình 3.14. Mô hình bộ chuyển đổi sai lệch tốc độ của PSS4B 68
Hình 3.15. Khâu lọc thông cao 69
Hình 3.16. Khâu lọc thông cao và tích phân đã rút gọn 69
Hình 3.17. Các cấu hình khâu lọc đối với công suất cơ 69
Hình 3.18. Khâu khuếch đại và bù pha 70
Hình 3.19. Đáp ứng góc tải δ 71
Hình 3.20. Đáp ứng tốc độ rotor ω 71
Hình 3.21. Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω 71
Hình 3.22. Đáp ứng CSTD máy phát Pe 71
Hình 3.23. Đáp ứng góc tải δ 72
Hình 3.24. Đáp ứng tốc độ rotor ω 72
Hình 3.25. Đáp ứng sai lệch tốc độ rotor Δω 72
Hình 3.26. Đáp ứng CSTD máy phát Pe 72
Hình 3.27. Đáp ứng góc tải δ 73
Hình 3.28. Đáp ứng tốc độ rotor ω 73
Hình 3.29. Đáp ứng CSTD máy phát Pe 73
Hình 3.30. Đáp ứng sai lệch tốc độ rotor Δω 73
Hình 3.31. Đáp ứng góc tải δ 73
Hình 3.32. Đáp ứng sai lệch tốc độ rotor Δω 73
Hình 4.1. Sơ đồ khối rút gọn dùng trong nghiên cứu 75
Hình 4.2. Bài toán điều khiển tối ưu RH 77
Hình 4.3. Đồ thị Bode của bộ điều khiển thiết kế (bậc 28) 89
Hình 4.4. Đồ thị giá trị suy biến Hankel 89
Hình 4.5. So sánh đồ thị Bode của bộ điều khiển ban đầu và bộ điều khiển giảm bậc 90
Hình 4.6. Giá trị suy biến đa lỗi của mô hình R ban đầu 90
Hình 4.7. So sánh đồ thị Bode của mô hình bộ điều khiển ban đầu và bộ điều khiển sau khi giảm bậc (Rr_add và Rr_mult) 91
Hình 4.8. Đáp ứng bước của ba mô hình 91
Hình 4.9. Đáp ứng sai lệch góc tải  92
Hình 4.10. Đáp ứng góc tải  92
Hình 4.11. Đáp ứng sai lệch tốc độ  92
Hình 4.12. Đáp ứng sai lệch CSTD Pe 92
Hình 4.13. Đáp ứng sai lệch điện áp đầu cực Vt 92
Hình 4.14. Hình ảnh của Card điều khiển R&D DS1104 93
Hình 4.15. Thiết lập cho môi trường Solver chạy thời gian thực 94
Hình 4.16. Thiết lập cho môi trường Real–time workshop chạy thời gian thực 94
Hình 4.17. Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển 94
Hình 4.18. Sơ đồ bàn thiết bị mô phỏng 95
Hình 4.19. Đáp ứng sai lệch góc tải Δ 96
Hình 4.20. Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω 96
Hình 4.21. Đáp ứng sai lệch CSTD ΔPe 96
Hình 4.22. Đáp ứng sai lệch điện áp đầu cực máy phát ΔVt 96
Hình 4.23. Đáp ứng sai lệch góc tải Δδ có CPSS và PSSHinfi 97
Hình 4.24. Đáp ứng sai lệch góc tải Δδ có CPSS và không có PSS 97
Hình 4.25. Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω có CPSS và PSSHinfi 97
Hình 4.26. Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω có CPSS và không có PSS 97
Hình PLI.1 Sơ đồ mô phỏng trong Matlab (CPSS và không PSS) 106
Hình PLI.2 Sơ đồ mô phỏng trong Matlab (PSS1A và PSS2A) 107
Hình PLI.3 Sơ đồ khối của CPSS (PSS1A) 108
Hình PLI.4 Sơ đồ khối của PSS2A 108
Hình PLI.5 Sơ đồ mô phỏng trong Matlab của máy phát điện đồng bộ nối lưới 109



MỞ ĐẦU
Kỹ thuật điều khiển bền vững (robust) đã được ứng dụng cho thiết kế hệ điều khiển HTĐ từ cuối những năm 1980. Sự tiện lợi chính của kỹ thuật này mang lại là một công cụ tự nhiên để mô phỏng thành công những trạng thái không ổn định của nhà máy điện. Một số các nỗ lực đó đã góp phần vào việc thiết kế cho bộ ổn định HTĐ (PSS) và/hoặc các thiết bị FACTS sử dụng khái niệm H như trong việc đưa ra công thức thiết kế độ nhạy hoà lẫn [34], [51], tổng hợp  [16], [44] và khái niệm H2 trong LQG [23], [48]. Trong các nghiên cứu này rất nhiều các mục đích điều khiển kinh điển như sự suy giảm nhiễu loạn, tính ổn định bền vững của hệ thống có nhiễu đã được thực hiện và giải quyết bằng kỹ thuật tổng hợp H.
Gần đây xuất hiện thêm nhiều kết quả nghiên cứu có liên quan đến vấn đề này. Điển hình là của G. N. Taranto, J. H. Chow [49] đưa ra bộ điều khiển cân bằng mô hình (model–matching), công trình của Hardiansyah, Seizo Furuya, Juichi Irisawa [23] đưa ra bộ điều khiển H, hay công trình của J. H. Chow, J.J. Sanchez–Gasca áp dụng phương pháp gán điểm cực để thiết kế PSS [17], Tuy nhiên các tác giả lại chưa đưa ra thiết kế các bộ điều khiển áp dụng được rộng trong các điều kiện vận hành, cũng như chỉ hạn chế được sự ảnh hưởng các tín hiệu ngoại sinh nhờ trọng số chọn trước dưới điều kiện chúng phải là đo được. Rõ ràng giả thiết này không phải lúc nào cũng được thỏa mãn trong thực tế. Chính vì thế cần thiết phải nghiên cứu phát triển các hệ thống điều khiển này dưới giả thiết tín hiệu ngoại sinh là không đo được hoặc không quan sát được.


1.Tính cấp thiết, ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài
Khi phải thiết kế, xây dựng một hệ thống điều khiển bất kỳ nào đó, các nhà thiết kế thường gặp phải bài toán là bộ điều khiển được thiết kế phải đảm bảo cho hệ thống có được chất lượng làm việc mong muốn như ổn định, tiêu hao năng lượng thấp, tính bền vững cao, . trong dải công suất làm việc lớn. Có thể thấy ngay được rằng yêu cầu này khó có thể được đáp ứng chỉ với các công cụ điều khiển có cấu trúc đơn giản đang được sử dụng nhiều trong công nghiệp như bộ điều khiển PI, PID, PSS là một trong các bộ điều khiển hiện đang được sử dụng trong các nhà máy điện. Ở Việt Nam, nó được lắp đặt trong các nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Phú Mỹ; nhà máy thủy điện Thác Bà, Yaly và Sơn La PSS có nhiệm vụ tăng cường việc giảm các dao động tần số thấp trong HTĐ [42], [45] mở rộng giới hạn truyền tải công suất và duy trì hoạt động an toàn của mạng lưới điện. Tuy vậy, nó vẫn có một hạn chế là mỗi bộ tham số điều khiển chỉ đảm bảo được tính ổn định cho hệ thống trong một dải công suất làm việc nhất định (nominal conditions), ngoài dải công suất đó kỹ sư vận hành bắt buộc phải tự chỉnh định lại các tham số làm việc của PSS. Hơn thế nữa, những tham số chuẩn được giới thiệu cũng chỉ đảm bảo được tính ổn định khi hệ thống làm việc độc lập và không bị các tương tác khác của những hệ thống xung quanh tác động dưới vai trò như các tín hiệu nhiễu ngoại sinh.
Để nâng cao được khả năng làm việc bền vững cho các bộ điều khiển, hiện người ta vẫn sử dụng nguyên tắc thủ cựu là xây dựng thêm nhiều mạch vòng điều khiển bổ sung (cascade), bằng cách sử dụng thêm bộ điều khiển PID công nghiệp [18], [50] và các bộ lọc lead–lag [32]. Song đáng tiếc, như tài liệu [22] chỉ rõ, nguyên lý điều khiển bảo thủ này vẫn chứa đựng các khiếm khuyết của nó và vẫn có thể dẫn tới sự phá vỡ chỉ tiêu chất lượng đặt ra của hệ thống, chẳng hạn như với sự gia tăng của các đường dây truyền tải điện dài công suất lớn, các máy phát lắp đặt HTKT độ nhạy cao thì trong một số trường hợp, các bộ điều khiển trên không đảm bảo được sự tắt dần đối với những dao động trong hệ thống.
Gần đây, lý thuyết tối ưu RH [2], [41], [55] được phát triển đã mở rộng kho công cụ cho các kỹ sư điều khiển để thiết kế điều khiển bền vững, cho phép tạo ra được các bộ biều khiển bổ sung có khả năng mở rộng dải công suất làm việc định mức cho hệ thống mà vẫn đảm bảo được việc loại bỏ các tác động ngoại sinh bên ngoài. Vì vậy, trong luận án này đã đề xuất xây dựng cấu trúc bộ điều khiển mới trên cơ sở lý thuyết tối ưu RH để nâng cao chất lượng điều khiển ổn định HTĐ. Điều này mang tính cấp thiết và có ý nghĩa lớn trong thực tế.


2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu RH để nâng cao chất lượng điều khiển ổn định HTĐ.


3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
– Đối tượng nghiên cứu của luận án là Hệ thống điện.
– Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong việc nghiên cứu ổn định góc tải (góc rotor) với các nhiễu nhỏ, các nhiễu nhỏ này sinh ra bởi thiếu mô men damping hoặc thay đổi về phụ tải hay máy phát trong quá trình làm việc