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

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