BỘ GIÁO DỤC VÀ

ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

……..….***…………

VŨ DUY THUẬN

Nghiên cứu ổn định và tối ưu hệ thống phức hợp

nhiều thành phần ứng dụng cho hệ thống điện

Chuyên ngành: Lý thuyết điều khiển và điều khiển tối ưu

Mã số: 62.52.60.05

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2017

Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và

Công nghệ -

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Thái Quang Vinh

Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Hoàng Ngọc Nhân

Phản biện 1: …

Phản biện 2: …

Phản biện 3: ….

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ,

họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa

học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng

… năm 201….

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Một trong những thách thức đầu tiên của lý thuyết hệ thống phải

đối mặt khi nghiên cứu các hệ thống lớn là các hệ thống này có mô

hình toán học ngày càng phức tạp và cồng kềnh. Điều này được lý

giải là do bản thân các hệ thống lớn ngày nay luôn chịu sự ảnh

hưởng tương hỗ của nhiều quá trình công nghệ, môi trường và xã hội

phức tạp. Ngoài ra, khối lượng tính toán cho mỗi hệ thống lớn này lại

thường phát triển nhanh hơn nhiều so với sự gia tăng về kích thước

của bản thân hệ thống nên các vấn đề phát sinh của mỗi hệ thống lớn

phức tạp như vậy hoặc là không thể giải quyết được, hoặc là không

kinh tế, cho dù khoa học tính toán ngày nay đã tương đối phát triển.

2. Mục tiêu, phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu

a, Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu về một phương pháp phân tích

hệ thống phức hợp nhiều thành phần thành các hệ thống con có tính

độc lập tương đối. Sau đó, luận án sẽ tập trung xây dựng thuật toán

điều khiển phi tập trung cho hệ thống đa phức hợp đã được phân rã

thành các hệ con nói trên. Phương pháp điều khiển đề xuất trong luận

án được áp dụng cho một đối tượng điển hình là các hệ thống điện

lớn. Với mục tiêu trên, nhiệm vụ của luận án sẽ bao gồm:

- Nghiên cứu về hệ thống phức hợp nhiều thành phần với mối

quan hệ tương tác bất định để từ đó xây dựng cơ sở toán học cho

việc phân rã hệ thống điện lớn thành các vùng con có tính độc lập

tương đối.

2

- Xây dựng 2 lớp bài toán điều khiển: điều khiển phi tập trung

tuyến tính để điều khiển quá độ các vùng con và điều khiển mờ kiểu

PD để kiểm soát tần số cho hệ thống điện lớn.

- Xây dựng và mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink để

kiểm tra lại tính đúng đắn của các luật đã đề ra.

b, Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Trên cơ sở nghiên cứu trước của các tác giả về ứng dụng thực

tiễn bài toán tối ưu hóa mô hình mẫu, bài toán con lắc ngược, mạng

Neuron, hệ thống điện... bài toán môi trường và các yếu tố, ứng dụng

logic mờ vào robot song song đã được kiểm chứng; tác giả sử dụng

phương pháp khái quát hóa và chọn một phương án tính toán bao

quát chung nhất, ứng dụng vào xây dựng hướng giải pháp cho bài

toán Ổn định tần số hệ thống lưới điện diện rộng. Phạm vi nghiên

cứu của bài toán này là xây dựng mô hình toán cho hệ thống lưới

điện có từ 3 đến 5 đối tượng (máy phát, phụ tải, SMES...) có mối liên

hệ bất định, với các điều kiện ràng buộc và giả thiết ban đầu để cụ

thể hóa đối tượng, nhằm xây dựng mô hình đối tượng và tính toán

các thông số nằm trong phạm vi cho phép. Từ các biến động về máy

phát, truyền tải và phụ tải, kết hợp với bộ SMES, tác giả xây dựng

luật điều khiển và phương pháp tính mới (sử dụng giải tích và logic

mờ), áp dụng một trong các giải pháp mà các công trình đã công bố

và được kiểm nghiệm bằng MATLAB, từ đó xác định được mức độ

sai lệch của phương pháp đề xuất cho áp dụng vào tính toán ổn định

và tối ưu các luật mờ - Hệ tương tác bất định của mô hình tính toán

đề xuất.

c, Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích lý thuyết, xây dựng cơ sở lý

3

thuyết cho bài toán tương tác bất định với một số luật và điều kiện

cho trước. Nhiệm vụ là ổn định về tần số cho lưới điện diện rộng.

- Công cụ: Lý thuyết ôn định Lyapunov, Phương trình Riccati,

sử dụng các phương pháp của Đại số tuyến tính, lý thuyết điều khiển

mờ...

- Luận án sử dụng lý thuyết điều khiển mờ, giải tích với phương

trình Riccati, lý thuyết ổn định Lyapunov... Tổng hợp bộ điều khiển

dựa trên phương trình đại số Riccati 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 tính ổn định của hệ

thống. Tiếp theo, sẽ sử dụng thuật toán điểu khiển thông minh dựa

trên logic mờ loại PD, kết hợp với bộ SMES để kiểm soát tần số -

phụ tải. 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. Tác giả 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.

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Khẳng định lại tính đúng đắn của một số lí thuyết được xem xét

và áp dụng vào nghiên cứu tính toán trong điều khiển tối ưu và điều

khiển mờ.

- Khái quát hóa một phương thức tính toán, tốt nhất, đơn giản

nhất có thể để thu được kết quả với các phép sai số cho phép. Áp

dụng cho xây dựng hướng giải pháp cho bài toán kiểm soát tần số -

phụ tải của hệ thống điện diện rộng.

4

- Ý nghĩa thực tiễn: do hệ thống điện được coi là mạch máu lưu

thông nguồn năng lượng của đất nước nên việc ổn định hệ thống

truyền tải là cực kỳ quan trọng. Việc xây dựng bộ điều khiển mờ lai

kết hợp với bộ SMES giải quyết được bài toán về ổn định tần số khi

phụ tải thay đổi (gọi tắt là ổn định tần số - phụ tải), tăng hiệu suất và

nâng cao chất lượng điện năng, đảm bảo được an ninh về năng lượng

quốc gia.

4. Cấu trúc luận án

Nội dung của luận án được trình bày trong bốn chương:

Chương I. Tổng quan: phân tích chung về hệ thống lớn. Đánh

giá tóm tắt các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, những vấn

đề còn tồn tại và hướng giải quyết của luận án.

Chương II. Lý thuyết về hệ phân tán và điều khiển phi tập

trung. Nội dung chủ yếu của chương này là trình bày về xây dựng

mô hình tổng quát cho đối tượng Hệ thống điện lớn, xét vùng ổn

định của hệ. Xây dựng bài toán điều khiển 2 lớp: điều khiển ổn định

quá trình quá độ cho vùng con và điều khiển mờ lai để ổn định tần số

- phụ tải cho toàn hệ thống.

Chương III. Nghiên cứu chiến lược điều khiển phi tập trung

hiệu quả để ổn định chất lượng hệ thống điện quy mô lớn. Trình bày

về cấu trúc chung và mô hình toán học của hệ thống điện đa máy

phát. Sau đó, phân tích và đề xuất giải pháp điều khiển ổn định chất

lượng của hệ thống điện đa máy phát. Áp dụng cho một hệ điển hình

3 phần tử với các chế độ vận hành khác nhau. Phân tích, đánh giá

chất lượng điều khiển thông qua việc mô phỏng trên phần mềm

MATLAB – Simulink.

5

Chương IV. Nghiên cứu và giải pháp điều khiển hệ thống điện

diện rộng. Ở chương này, luận án giới thiệu về mô hình hóa và mô

hình toán hệ thống điện diện rộng. Giới thiệu về mô hình thiết bị lưu

trữ từ trường SMES. Từ đó, đề xuất giải pháp điều khiển thông minh

sử dụng bộ điều khiển mờ lai với SMES để ổn định và kiểm soát tần

số - phụ tải của hệ thống điện diện rộng. Phân tích, đánh giá và so

sánh chất lượng của bộ điều khiển mờ lai SMES với các bộ điều

khiển khác.

Kết luận và kiến nghị. Trình bày tóm tắt các kết quả trong quá

trình nghiên cứu. Đánh giá, so sánh và bàn luận về kết quả đạt được

và đưa ra các hướng nghiên cứu trong tương lai.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Đặc điểm của hệ thống phức hợp nhiều thành phần

1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước về tối ưu hóa các mô hình

của hệ tương tác

1.1.1. Các nghiên cứu trong nước

1.1.2. Nghiên cứu nước ngoài về sự ổn định và hệ thống phức hợp

nhiều thành phần

1.3. Kết luận sơ bộ về tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài

1.4. Kết luận chương I

- Nghiên cứu ổn định và tối ưu các hệ thống phức hợp nhiều

thành phần với mối quan hệ tương tác bất định là một lĩnh vực còn

mới mẻ không chỉ ở Việt Nam mà còn ở trên thế giới. Đặc biệt, khi

xét vào hệ thống điện diện rộng tại Việt Nam, đó làm một bài toán có

đặc điểm đầy đủ tính chất của một hệ phức hợp có nhiều liên kết bất

định.

6

- Hiện nay, trong nước cũng như ngoài nước đã có nhiều công

trình khoa học nghiên cứu về hệ thống phức hợp nhiều thành phần.

Đặc biệt là đối với hệ thống điện diện rộng trong vài năm gần đây.

Các bài báo trình bày về các bộ điều khiển khác nhau như PID, mờ,

nơ ron, mờ trượt, thích nghi...nhằm ổn định các thông số của hệ

thống điện điện rộng. Tuy nhiên, mỗi công trình nghiên cứu vẫn còn

các vấn đề mở cần tìm hiểu và nghiên cứu tiếp theo.

CHƯƠNG 2: HỆ PHÂN TÁN VÀ ĐIỀU KHIỂN PHI TẬP

TRUNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN LỚN

2.1. Giới thiệu

Khi xem xét nghiên cứu các hệ thống lớn, người ta nhận thấy các

hệ thống điện diện rộng có nhiều đặc điểm để trở thành một ví dụ

tiêu biểu cho các hệ thống lớn. Một hệ thống điện phức tạp thường

bao gồm nhiều vùng phát điện; mỗi vùng phát điện được xem là một

vùng điều khiển, nó bao gồm ba thành phần cơ bản như điều tốc,

turbine và máy phát đồng bộ với các phụ tải riêng của vùng.

SN

SkS3

S2

S1Large-scale

system

Interconnection

units

Hình 2.1. Một hệ thống lớn gồm N hệ thống con liên kết chặt

chẽ với nhau

Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất hai lớp bài toán điều khiển

ổn định quan trọng của một hệ thống điện đa máy phát kết nối phức

7

tạp. Thứ nhất là bài toán ổn định quá độ (transient stability). Thứ hai

là bài toán kiểm soát tần số - phụ tải, một lớp bài toán cốt lõi của

chiến lược kiểm soát phát điện tự động cho mỗi hệ thống điện.

2.2. Mô hình tổng quát hệ thống điện đa máy phát

Xét một hệ thống điện lớn gồm n máy phát với phương trình mô

tả chuyển động của máy phát đồng bộ thứ i là:

i i i i mi eiM D P P , i = 1, 2,…, n (2.1)

Trong đó: ij ij1cos( )

n

ei i j i jjP E E Y

Trong công thức (2.1) thì ,i miM P và iE là các giá trị không

đổi cho tất cả các máy phát. Đặt:

i

i

D

M , i = 1, 2,…, n (2.2)

Xét vector 2( 1)nx R có:

0 0

1 2 1, 1 1 1, 1,( , ,..., , ,..., )T

n n n n n n n n n nx (2.3)

Với in in n , ,in i n i i và

0

ij được giải từ các

phương trình cân bằng công suất: 0

ij( )ei miP P với i = 1, 2,…, n – 1 (2.4)

Ta có hàm Lur’e-Postnikov:

( )T

x Ax Bf y

y C x

(2.5)

Phương trình (2.5) có thể được viết lại thành:

0 1( ) h ( )

1 0 0

0 1

i i i i i

i i

x x y x

y x

, i = 1, 2,…, n – 1

(2.10)

8

Hệ thống mô tả bởi (2.10) có dạng các hệ con Lur’e –

Postnikov kết nối. Các hệ con này được mô tả bởi phương trình sau:

1

( ) ; , 1, 2,...,s

T

i i i i i i ij ij i i i

j

x A x b e h c x i s

2.2.2. Phân tích các hệ thống con

Mỗi hệ thống con có tính độc lập tương đối được biểu diễn bởi

hệ phương trình trạng thái sau:

1

0 1( )

1 0 0

[0 1]

i i i

i i

x x y

y x

(2.13)

Theo ý tưởng của hai tác giả Walker và McClamroch (1967) , ta

lựa chọn hàm Lyapunov:

0

( ) ( )

Ti ic x

T

i i i i i i i i iV x x H x y dy (2.18)

Trong đó Hi là ma trận hằng và i là các đại lượng vô hướng.

Theo [20], điều kiện Popov được chỉ ra dưới đây:

1 1Re (1 j )c (A j I) 0Ti i i ib (2.19)

. 21/2

(7.15)( ) ( ) gTi i i i i i i iV x y x (2.20)

Bây giờ, ta tiến hành ước lượng vùng ổn định cho * 0.ix Theo

thủ tục được đề xuất năm 1967 bởi Walker và McClamroch, chúng

ta cho 1 0i và xét điều kiện:

2

22 2 2

( 1)0 0i i

i

(2.22)

Một ước lượng i của vùng ổn định

i chứa điểm gốc là một

vùng mở kết nối chứa trong i ( )i i . Giá trị này được xác định

cho mỗi hệ con như sau:

9

0: ( ) , 1,2,..., -1i i i i ix V x V i n

(2.36)

với 0

iV xác định từ (2.35).

2.2.3. Vùng ổn định

Với mỗi giá trị i cho trước, ta có có thể chọn một hệ số0

ij(0 os )i i c mô tả trong (2.30) ' ' 0 0sin( ) sin , k= 1, 2ik ik in iny y

1i i i (2.52)

Và ( )m i i iG kết hợp với (2.51) ta có:

11 1 0 1 0 0

1

( )2 cos sin sin( )

( )

ni M i

i n i in in in i ij ij ij

ji m ij i

HM M A M A

H

i = 1, 2,…, n – 1 (2.53)

Từ (2.53) ta có thể suy ra rằng nếu các giá trị của Aịj càng nhỏ

thì càng dễ dàng chọn lựa các giá trị phù hợp cho εi. Điều này có

nghĩa là việc phân tích các mô hình hệ thống điện thành các hệ thống

con trở nên đơn giản hơn nếu chúng được liên kết yếu. Đây cũng là

nguyên lý chung được áp dụng khi phân tích tính ổn định của các hệ

thống động lực học.

2.3. Các chiến lược điều khiển ổn định chất lượng hệ thống điện

2.3.1. Giới thiệu

2.3.2. Bài toán ổn định quá trình quá độ

Giả sử rằng mô hình hệ thống điện lớn này bao gồm N hệ thống

con, biểu diễn toán học tương ứng của nó như sau [18-20]:

0

0 0

( ) ( ) ( ) ( , ( )),

( ) , 1,2,3,...,

i i i i i i

i i

x t A x t B u t f t x t t t

x t x i N

(2.60)

10

Để giải quyết bài toán phi tuyến trên, người viết đề nghị sử dụng

một phương pháp gồm hai bước dựa trên các phương trình đại số

Riccati đã thay đổi để thiết lập các luật điều khiển phi tập trung

tuyến tính như sau.

Bước 1: Thành lập các phương trình đại số Riccati đã cải tiến:

1

1,

1,

0

NT T T

i i i i i ij ij ij i i i i i i

j j i

NT T

ij i i ji ji i

j j i

A P P A P p G G P PB R B P

p W W W W Q

(2.64)

trong đó Ri > 0 và Qi(ni x ni) và Pi(ni x ni) là các ma trận xác

định.

Bước 2: Giải các phương trình đại số Riccati trên để tìm các luật

điều khiển tối ưu như trình bày ở biểu thức sau:

1

( ) ( )i i i

T

i i i i

u t K x t

K R B P

(2.65)

Luật điều khiển phản hồi trạng thái nêu trên có khả năng kiểm

soát và dập tắt các dao động tức thời của hệ thống do ảnh hưởng của

các nhiễu loạn, qua đó đảm bảo tính ổn định của hệ thống điện lớn

đang xét. Một trường hợp riêng là hệ thống điện gồm ba máy phát

như đã đề cập đến trong hình 2.2. Khi xét đến mô hình này, luật điều

khiển phản hồi trạng thái tương ứng được đưa ra dưới đây:

0

0 0

1

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

i i i

i i i i i

Pi mi mi Xi ei ei

T

i i i i

u t K x t

K t K t

K P t P K X t X

K R B P

(2.66)

11

Đây là một chiến lược điều khiển tối ưu kinh điển mang lại hiệu

quả và chất lượng điều khiển tốt. Chương sau sẽ kiểm chứng hiệu

quả của phương pháp điều khiển đề xuất ở mục này.

2.3.3. Điều khiển mờ áp dụng cho bài toán kiểm soát tần số - phụ

tải

2.3.3.1 Khái niệm chung về logic mờ

2.3.3.2. Nguyên tắc và các bước thiết kế bộ điều khiển mờ

2.3.4. Các bộ điều khiển mờ

2.4. Kết luận chương 2

Mục đích chính của nghiên cứu là tìm hiểu, phân tích các hệ

thống lớn đa thành phần bất định và phi tuyến với ví dụ điển hình là

các hệ thống điện đa máy phát. Tác giả cũng đưa ra một hướng đánh

giá vùng ổn định cho các hệ thống điện này khi coi chúng như một

tập hợp của các hệ thống con được liên kết yếu (phương pháp phân

tách – decomposition) bằng cách sử dụng hàm Lyapunov.

Trong lớp bài toán ổn định hệ thống điện lớn, tác giả đề xuất

nghiên cứu hai bài toán quan trọng: ổn định tức thời (quá độ) và

kiểm soát tần số - phụ tải. Với mỗi lớp bài toán, tác giả lại đề xuất

chiến lược điều khiển riêng và hiệu quả.

12

Chương 3: CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN PHI TẬP

TRUNG ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

3.1. Giới thiệu

3.2. Cấu trúc chung của các hệ thống điện đa máy phát

(a)

AN

AkA3

A2

A1

Tie-line

P3k

Tie-lin

e

P 12

Tie

-lin

eP

kn

Tie-lineP1n

Tie

-lin

e

P23

P2n

P 3n

P2k

P13 P

1k

Governor Turbine Generator

Disturbance

Load change

_

_

r*(t) δ(t)

(b) Hình 3.1: Cấu trúc chung của các hệ thống điện đa máy phát

3.3. Mô hình toán học của hệ thống điện đa máy

M1

M3

M2

Noise

Tie-line 1-2

Transm

issio

n line

2-3Transmission line 2-3

Hình 3.2. Mô hình hệ thống điện ba máy phát kết nối

13

3.4. Giải pháp điều khiển ổn định hệ thống điện đa máy phát

Giả sử rằng mô hình hệ thống điện lớn này bao gồm N hệ thống

con, biểu diễn toán học tương ứng của nó như sau:

0

0 0

( ) ( ) ( ) ( , ( )),

( ) , 1,2,3,...,

i i i i i i

i i

x t A x t B u t f t x t t t

x t x i N

(3.23)

Trong đó, fi(t, x(t)) = fi(x) biểu thị các thành phần liên kết với

nhau (là kết quả của quá trình trao đổi công suất qua đường dây

truyền tải điện năng giữa các vùng). Chúng được mô tả như các hàm

số phi tuyến của các hệ thống con thứ i. Các thành phần phi tuyến

này cần đáp ứng các điều kiện Lipschitz dưới đây:

( ),

( ) ( )

i n

i i

f x c xx y

f x f y h x y

(3.24)

1,

( ) ( , ), 1,2,3,..., .N

i ij ij i j

j j i

f x G g x x i N

(3.25)

Trong phương trình (3.25), gij(xi, xj) là một hàm phi tuyến và nó cần

thỏa mãn điều kiện ràng buộc sau:

( , ) W (t) (t) , , jinn

ij i j i i ij j i jg x x x W x x x (3.26)

Rõ ràng là hệ thống điện đang xét có tính phi tuyến và bất định

mạnh.

14

Mô hình hệ thống điện

con thứ i

Công thức (3.23)

Vector độ lợi K

(phản hồi trạng thái)

Công thức (3.29)

_

( )ix t( ) . ( )i i iu t K x t *( ) 0ix t

Hình 3.3. Mô hình điều khiển phản hồi trạng thái áp dụng cho hệ i

3.5. Mô phỏng và đánh giá

Trong chương này, tác giả đưa ra ba trường hợp mô phỏng. Thực

hiện ba bước giải và phương pháp thu được các kết quả mô phỏng

dưới đây.

Bước 1: Xây dựng mô hình toán học cho một vùng điều khiển.

Các phương trình toán học mô tả đối tượng điều khiển cho các

máy thứ nhất và thứ hai:

1,

( ) ( ) ( ) ( , ), 1,2,3,..., .N

i i i i i ij ij ij i j

j j i

x t A x t B u t p G g x x i N

(3.30)

Bước 2: Tìm các nghiệm của phương trình đại số Riccati đã cải

tiến được đưa ra trong (2.64).

Với các thông số cho trước, sử dụng phần mềm MATLAB, ta

thu được kết quả như sau:

15

1 1 1 1

2 2 2 2

1

2

[ ]

[ 174.7398 42.2510 10.7218 5.2562].

[ ]

[ 174.2508 29.2102 10.7003 5.4231]

P X

P X

K K K K K

K K K K K

(3.31)

Bước 3: Tiến hành thử nghiệm tính toán cần thiết để chứng minh

tính khả thi của chiến lược điều khiển đã đề xuất.

Hình 3.4. Đáp ứng động học của các máy phát thứ nhất và thứ

hai trong trường hợp mô phỏng thứ nhất

0 1 20

0.5

1

1,2

(ra

d)

time (s)(a)

Machine 1

Machine 2

0 1 2-2

0

2

4

1,2

(ra

d/s

)

time (s)(b)

Machine 1

Machine 2

0 1 2-0.5

0

0.5

P

m1

,2 (

p.u

.)

time (s)(c)

Machine 1

Machine 2

0 1 2-0.5

0

0.5

1

X

e1

,2 (

p.u

.)

time (s)(d)

Machine 1

Machine 2

16

Hình 3.5. Đáp ứng động học của các máy phát thứ nhất và thứ

hai trong trường hợp mô phỏng thứ hai

Hình 3.6. So sánh thời gian xác lập cho cả hai trường hợp mô

phỏng

0 1 20

0.5

1

time (s)(a)

1,2

(ra

d)

Machine 1

Machine 2

0 1 2-2

0

2

4

1,2

(ra

d/s

)

time (s)(b)

Machine 1

Machine 2

0 1 2-0.5

0

0.5

P

m1

,2 (

p.u

.)

time (s)(c)

Machine 1

Machine 2

0 1 2-1

0

1

2

X

e1

,2 (

p.u

.)

time (s)(d)

Machine 1

Machine 2

Machine 1 Machine 20

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

(a)

Settlin

g tim

e(s

)

Pm

Xe

Machine 1 Machine 20

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

(b)

Settlin

g tim

e(s

)

Pm

Xe

17

3.6. Kết luận chương 3

Trong chương này, tác giả trình bày một chiến lược điều khiển

phi tập trung tuyến tính để cải thiện chất lượng điều khiển và nâng

cao sự ổn định của một hệ thống lớn đặc trưng bởi các yếu tố phi

tuyến và bất định. Ý tưởng cơ bản xuyên suốt chiến lược điều khiển

này là sự tuyến tính hóa các hàm phi tuyến, sau đó áp dụng phương

án điều khiển tối ưu bằng cách thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng

thái. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái này thực chất sử dụng một

vector độ lợi K có các thành phần được tính từ nghiệm của một

phương trình đại số Riccati đã cải tiến. Chất lượng điều khiển của

chiến lược đã đề xuất được kiểm chứng thông qua một mô hình hệ

thống điện ba máy phát kết nối trực tiếp dưới ảnh hưởng của các

nhiễu loạn liên tục (chẳng hạn như phụ tải thay đổi). Các kết quả mô

phỏng đã khẳng định chất lượng điều khiển rất tốt của chiến lược

điều khiển đã nghiên cứu. Hệ thống tác động nhanh, thời gian xác lập

ngắn, độ quá điều chỉnh nhỏ là những đặc tính kỹ thuật đầy hứa hẹn

mà giải pháp điều khiển đề xuất trong nghiên cứu này mang lại.

18

CHƯƠNG 4: KIỂM SOÁT TẦN SỐ - PHỤ TẢI LƯỚI

ĐIỆN LỚN

4.1. Giới thiệu

4.2. Mô hình hóa hệ thống điện diện rộng trong bài toán kiểm

soát tần số - phụ tải

4.2.1. Khái quát về hệ thống điện diện rộng

4.2.2. Mô hình toán học của hệ thống điện diện rộng

Turbine-i

From tie-lines

,D iP

_

_

,tie iP

( )iF s

, ( )T iG s

Governor-i

, ( )G iG s

Load &

Machine-i

, ( )P iG s

, ( )G iP s , ( )Tnr iP s( )iU s

Hình 4.2. Cấu trúc chung của một vùng điều khiển (vùng phát điện)

Từ hình 4.2, các phương trình trạng thái mô tả cho một vùng

điều khiển được xây dựng như sau:

, , , ,( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ,i P i Tnr i D i tie iF s G s P s P s P s

(4.1)

, , ,( ) ( ). ( ),Tnr i Tnr i G iP s G s P s (4.2)

, ,

1( ) ( ) ( ) ( ) .G i G i i i

i

P s G s U s F sR

(4.3)

1,,

2( ) ( ) ,areas # & # are connected directly

( ) .

0, otherwise

n

ij i j

j j itie i

T F s F s i jsP s

(4.4)

19

4.2.3. Mô hình thiết bị lưu trữ từ trường siêu dẫn - SMES

Hình 4.3. Mô hình nguyên lý thiết bị SMES

Giá trị điện áp đầu ra của bộ biến đổi được tính theo biểu thức:

, 1 2 0 0.cos ' .cos 'd i d d d dE U U V V (4.11)

Trong biểu thức (4.11), Vd0 và V’d0 là các điện áp một chiều

không tải lý tưởng của mỗi bộ biến đổi; α và α’ lần lượt là các góc

điều khiển cho các van của mỗi bộ chuyển đổi điện áp R1 và R2. Về

mặt lý thuyết, điện áp đầu ra của thiết bị SMES là tổng điện áp ra của

hai bộ biến đổi điện áp trên. Phương trình sau thể hiện mối quan hệ

này:

,

, 0,

,

0 if rectifying mode2

2 .cos with

0 if inverting mode2

d i

d i d i

d i

E

E V

E

(4.12)

Khi sử dụng thiết bị SMES như là một phần của chiến lược kiểm

soát tần số - phụ tải, một yêu cầu bắt buộc là chúng ta cần phải mô

hình hóa thiết bị này. Ý tưởng điều khiển ở đây là sự thay đổi của

phụ tải có thể được bù đắp bởi sự nạp hay phóng của cuộn dây siêu

dẫn, do đó dòng điện một chiều chạy qua cuộn dây Id,i có thể được

xem là một tín hiệu điều khiển.

Hệ thống làm mát

đông lạnh

(Cryogenic cooling

system)

Power

conditioning and

switching devices

Tải

Bình chân không chứa Heli

(Helium vessel)

Cuộn dây siêu dẫn

Utility system

20

(a)

,D iP( )iF s

( )jF s

,tie iP

_

_ GG,i (s) GT,i (s) GP,i (s)

1

iR

_

Ui (s), ( )G iP s

, ( )T iP s

(c)

Machine and

load unitTurbine unit Governor unit

, ( )

Calculation

tie iP s

SMES

Model

( )iF s

,SM iP

_

Area

#m

SMESm

Area

#n

SMESn

,D mP ,D nP

Tie-line mn

(b)

Hình 4.5. Mô hình bộ SMES trong bài toán kiểm soát tần số -

phụ tải

4.3. Các bộ điều khiển kiểm soát tần số - phụ tải

4.3.1 Các bộ điều khiển kinh điển

4.3.2. Các bộ điều khiển logic mờ kiểu PD

Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ loại PD này được

trình bày trên hình 4.8.

21

( )iF siU

UKiuDefuzzi-

fication

Evaluation

of control

rules

Fuzzifi-

cation

eK

deK

iace

idace

iACE

idACE

,

Calculate

( )tie iP s

Compute

ACE &i idACE

Rule base PD-BASED FUZZY LOGIC

CONTROLLER

Database

Non-

reheat

turbine

Governor

model

, ( )L iP s

( )kF s

( )iF s

_

_

CONTROL-AREA MODELi

Machine-

load

model

, ( )tie iP s

, ( )tie iP s

( )iF s

Hình 4.6. Cấu trúc điều khiển kiểm soát tần số - phụ tải một vùng sử

dụng bộ điều khiển mờ PD

4.4. Mô phỏng và kết quả

(i) Trường hợp 1: Phụ tải thay đổi ngẫu nhiên ở vùng quan trọng

nhất (giả định là vùng 5) như thể hiện trên hình 4.11(a).

(ii) Trường hợp 2: Phụ tải được giả định thay đổi trong tất cả các

vùng điều khiển. Trong đó, phụ tải ở vùng thứ 5 được giữ nguyên so

với trường hợp 1, các vùng khác phụ tải biến đổi ở các thời điểm

cũng như biên độ khác nhau (xem hình 4.11b).

4.4.1. Hiệu quả của các bộ điều khiển mờ kiểu PD

(1) Độ quá điều chỉnh và thời gian xác lập của đáp ứng dao động

sai lệch tần số cho bộ điều khiển logic mờ kiểu PD là nhỏ hơn nhiều

so với bộ điều khiển kiểu PI truyền thống. Điều này có nghĩa là chất

lượng điều khiển nó mang lại là tốt hơn cho bài toán kiểm soát tần số

- phụ tải.

(2) Do phụ tải được giả định là chỉ thay đổi ở vùng 5 nên tần số

lưới sẽ chịu ảnh hưởng lớn nhất và sớm nhất từ vùng này. Có nghĩa

rằng, tần số sẽ bị dao động với biên độ lớn nhất và thời gian xác lập

sẽ dài nhất ở vùng này trong tương quan so sánh với các vùng khác

(xem hình 4.13).

22

4.4.2. Tác dụng của các bộ SMES

Bộ SMES có tác dụng hỗ trợ bộ điều khiển PD trong việc bù

năng lượng do phụ tải tăng, qua đó góp phần bù tần số lưới.

Hình 4.9. Hai trường hợp thay đổi của phụ tải được sử dụng cho

mô phỏng

Hình 4.10. Đáp ứng sai lệch tần số trong các vùng điều khiển #1,

#4 và #5 trong trường hợp mô phỏng thứ nhất

0 5 101520 30 40 500

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

Time (sec)(a)

Load

var

iatio

n (p

.u.)

A#5

0 5 101520 30 40 500

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

Time (sec)(b)

Load

var

iatio

n (p

.u.)

A#1

A#2

A#3

A#4

A#5

0 10 20 30 40 50-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

Time (sec)(a)

Fre

q B

ias (

p.u

.)

A#5-PI

A#5-FLC

0 10 20 30 40 50-15

-10

-5

0

5x 10

-3

Time (sec)(b)

Fre

q B

ias (

p.u

.)

A#1-PI

A#4-PI

A#1-FLC

A#4-FLC

23

Hình 4.13. Đáp ứng tần số thay đổi cho các vùng điều khiển 2, 3

và 5 trong trường hợp mô phỏng thứ hai

Bảng 4.2: So sánh độ vọt lố của đáp ứng thay đổi công suất

đường dây cho các vùng điều khiển

Vùng

điều

khiển

Trường hợp mô phỏng 1 Trường hợp mô phỏng 2

PI PD-FL FL-

SMES PI PD-FL

FL-

SMES

Area 1 0.0048 0.0028 0.0021 0.0035 0.0019 0.0015

Area 2 0.0049 0.0029 0.0022 0.0051 0.0030 0.0024

Area 3 0.0049 0.0029 0.0020 0.0051 0.0033 0.0024

Area 4 0.0049 0.0029 0.0023 0.0053 0.0033 0.0028

Area 5 0.0195 0.0114 0.0090 0.0189 0.0114 0.0087

4.5. Kết luận chương 4

Một số kết luận chính được rút ra từ chương này như sau:

0 10 20 30 40 50-0.01

0

0.01

Time (sec)(a)

Fre

q B

ias (

p.u

.)

A#5-FLC

A#5-FL_SMES

0 10 20 30 40 50-5

0

5

10x 10

-3

Time (sec)(b)

Fre

q B

ias (

p.u

.)

A#2-FLC

A#3-FLC

A#2-SMES

A#3-SMES

24

(1) Hệ thống điện diện rộng với các yếu tố bất định, phi tuyến

phức tạp là một ví dụ điển hình của hệ thống điều khiển lớn nói

chung.

(2) Kiểm soát tần số - phụ tải là một trong những vấn đề cốt lõi

của điều khiển hệ thống điện, đảm bảo sự làm việc tin cậy, an toàn

và kinh tế của toàn bộ lưới điện.

(3) Các giải pháp điều khiển ứng dụng điều khiển mờ, ví dụ như

bộ điều khiển mờ kiểu PD, có thể thay thế cho các bộ điều khiển

truyền thống như PI.

(4) Bộ SMES có thể hỗ trợ đắc lực cho việc bù công suất khi phụ

tải thay đổi trong lưới điện, qua đó góp phần chỉnh định tần số lưới.

(5) Sự kết hợp của điều khiển mờ và bộ SMES hình thành giải

pháp điều khiển lai mang lại hiệu quả điều khiển với chất lượng tốt.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Đánh giá kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu về các hệ thống lớn với nhiều thành phần phi tuyến

bất định là một công việc hết sức khó khăn. Khi các thành phần cấu

trúc của hệ thống ngày càng đa dạng, phi tuyến và bậc cao đã làm

cho khối lượng tính toán của các sách lược điều khiển ổn định hệ

thống tăng lên nhanh chóng. Hơn nữa, ảnh hưởng của các nhiễu loạn

bất định với mức độ phức tạp ngày càng cao đã làm cho việc thiết kế

các chiến lược ổn định hệ thống đối mặt với nhiều thách thức.

Trong luận án này, dựa trên phân tích những kết quả đã nghiên

cứu về hệ thống lớn đa thành phần bất định trong và ngoài nước, tác

giả đã đề xuất hướng nghiên cứu tập trung vào vấn đề điều khiển ổn

25

định cho hệ thống điện đa máy phát – một ví dụ tiêu biểu của các hệ

thống lớn. Để giải quyết vấn đề đã đặt ra, tác giả đã tiến hành:

a) Mô hình hóa hệ thống điện đa máy phát kết nối với các thành

phần bất định.

b) Đề xuất và thiết kế chiến lược điều khiển phi tập trung tuyến

tính sử dụng các phương trình Riccati cải tiến để ổn định hệ thống

điện, tối thiểu hóa hoặc dập tắt nhanh chóng ảnh hưởng của các

nhiễu loạn đến hệ thống.

c) Đề xuất giải pháp điều khiển lai sử dụng bộ điều khiển mờ PD

kết hợp với các bộ lưu trữ năng lượng từ trường siêu dẫn để kiểm

soát tần số lưới điện. Các nhiễu phụ tải với đặc thù thay đổi liên tục,

ngẫu nhiên trong toàn hệ thống ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp

đến tần số lưới điện cũng như công suất truyền tải trên đường dây.

Khi áp dụng chiến lược điều khiển này, ảnh hưởng của chúng sẽ

được giảm thiểu, qua đó nâng cao chất lượng và sự ổn định của hệ

thống.

Với các chiến lược điều khiển và ổn định hệ thống điện đã đề

xuất, tác giả đã tiến hành quá trình mô phỏng, kiểm nghiệm thông

qua phần mềm chuyên dụng. Những kết quả mô phỏng số đầy hứa

hẹn đạt được là những tín hiệu đầu tiên khẳng định sự ưu việt, hiệu

quả và tính khả thi của các chiến lược điều khiển đã đề xuất để giải

quyết một lớp bài toán trọng tâm của các hệ thống lớn phi tuyến bất

định.

2. Hướng phát triển của nghiên cứu

Những kết quả đã đạt được của nghiên cứu này được xem là

những bước đầu tiên hứa hẹn của quá trình can thiệp vào sự ổn định

hệ thống điện lớn phức tạp. Với sự phát triển như vũ bão của khoa

26

học và công nghệ ngày nay, tác giả đề xuất các hướng phát triển của

luận án như sau:

a) Áp dụng các thành tựu tiên tiến của khoa học và kỹ thuật để

xây dựng cơ sở dữ liệu đáng tin cậy về sự thay đổi phụ tải liên tục,

ngẫu nhiên trong hệ thống điện. Điều này đòi hỏi phải có các thiết bị

đo lường, đánh giá và dự báo đạt tiêu chuẩn quốc tế.

b) Xây dựng các mô hình hệ thống điện đa thành phần phi tuyến

và bất định với độ chính xác và tin cậy cao.

c) Áp dụng các chiến lược điều khiển đã đề xuất vào thực tế theo

hướng chuyển giao công nghệ hiệu quả.

d) Tiếp tục xây dựng các chiến lược điều khiển thông minh và

tiên tiến áp dụng logic mờ, mạng nơ-ron và các giải thuật tối ưu hóa

sinh học để thực hiện hiệu quả và nâng cao chất lượng các quá trình

điều khiển, vận hành, ổn định và kinh tế của các lưới điện thực tế.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

1. Thai Quang Vinh, Vu Duy Thuan, Mai Ngoc Thang, Maxim

Shcherbakov, Nataliya Shcherbakova, Valeriy Kamaev, Hybrid renewable

energy systems control based onpredictive models and genetic

algorithms, Processding of scientific workshop on “progress and

trends in science and technology, 2016. Pp 27-38, Hanoi.

2. Vu Duy Thuan, Nguyen Ngoc Khoat, Thai Quang Vinh,

Modeling and control of a large-scale systems – A typical

application for interconnected Multi-machine power systems,

International conference on information and convergence

technology for smart society, 2016, Vol.2 No.1 pp 61-65, Ho Chi

Minh.

3. Vu Duy Thuan, Thai Quang Vinh, Nguyen Ngoc Khoat, An

Efficient Decentralized Control Strategy Applied to an

Interconnected Multi-Machine Electric Power Grid, Indian Journal

of Science & Technology, 2016, Volume 9, Issue 22.

4. Vu Duy Thuan, Thai Quang Vinh, Hoang Ngoc Nhan, Nguyen

Ngoc Khoat, Ngo Si Tan, A Novel Integration of PD-Type Fuzzy

Logic Controllers and SMES Devices to Maintain Network

Frequency of a Large-Scale Power System, Journal of Computer

Science and Cybernetics, 2016, Vol 32, No 3, pp 225-241.