Tiến Sĩ Ứng dụng lý thuyết tối ưu RH để nâng cao chất lượng của hệ điều khiển ổn định hệ thống điện PSS

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NĂM 2011



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 v

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 vi
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

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,