Nâng cao chất lượng điều khiển ổn định hệ thống điện bằng bộ điều khiển thiết kế theo lý thuyết tối ưu RH

Nội dung của bài viết trình bày phương pháp thiết kế bộ điều khiển ổn định hệ thống điện (PSS- Power System Stabilizer) theo lý thuyết tối ưu RH để nâng cao chất lượng ổn định hệ thống điện. Bộ điều khiển PSS thiết kế được tối ưu cả về tham số và cấu trúc.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nâng cao chất lượng điều khiển ổn định hệ thống điện bằng bộ điều khiển thiết kế theo lý thuyết tối ưu RH Nguyễn Hiền Trung Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 90(02): 119 - 124 NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT KẾ THEO LÝ THUYẾT TỐI ƯU RH Nguyễn Hiền Trung* Trường Đại học KTCN – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Bài báo này trình bày phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển ổn định hệ thống điện (PSS- Power System Stabilizer) theo lý thuyết tối ƣu RH để nâng cao chất lƣợng ổn định hệ thống điện (HTĐ). Bộ điều khiển PSS thiết kế đƣợc tối ƣu cả về tham số và cấu trúc. Kỹ thuật giải bài toán tối ƣu RH ở đây đƣợc thực hiện thông qua giải bài toán cân bằng mô hình 0. Kết quả mô phỏng trong Matlab cho thấy rõ hiệu quả của bộ điều khiển này so với các bộ điều khiển PSS truyền thống, nhất là trong việc giảm các dao động tần số thấp của hệ thống điện (LFOs). Từ khóa: Máy phát điện đồng bộ, hệ thống kích từ, bộ điều khiển ổn định hệ thống điện (PSS), dao động tần số thấp, điều khiển bền vững. ĐẶT VẤN ĐỀ* LFOs là các dao động góc rotor của máy phát có tần số nằm trong khoảng 0,1÷3Hz 0, 0. Việc sử dụng kích từ độ khuếch đại cao, kích từ điều chỉnh kém, các bộ nghịch lƣu HVDC hoặc SVC có thể tạo ra LFOs với sự dập tắt (damping) âm, vấn đề này thuộc bài toán ổn định tín hiệu nhỏ. LFOs bao gồm các kiểu sau đây: kiểu cục bộ, kiểu điều khiển, kiểu xoắn gây ra do sự tƣơng tác giữa các thiết bị cơ và điện của hệ thống turbine - máy phát với nhau; ngoài ra còn có kiểu dao động liên khu vực gây ra bởi kích từ độ khuếch đại cao hoặc do truyền tải công suất lớn qua đƣờng dây tải điện yếu. LFOs còn có thể tạo ra từ các nhiễu loạn nhỏ trong hệ thống (sự thay đổi tải) và chúng đƣợc nhận dạng, phân tích thông qua lý thuyết ổn định tín hiệu nhỏ. Các nhiễu loạn nhỏ này làm cho góc rotor của máy phát có thể tăng hoặc giảm, là nguyên nhân của sự thiếu mô men đồng bộ hoặc thiếu mô men damping 0. Giải pháp truyền thống để ổn định tín hiệu nhỏ là sử dụng PSS 0, 0. Về cơ bản PSS có chức năng chung là cải thiện sự tắt dần đối với các dao động rotor của máy phát bằng cách điều khiển kích từ, sử dụng tín hiệu điện áp VPSS đƣa thêm vào mạch vòng điều khiển * Tel. 0912386547; Email: nguyenhientrung@tnut.edu.vn điều khiển điện áp AVR. Để cải thiện sự tắt dần, PSS phải tạo ra thành phần mô men điện cùng pha với sai lệch tốc độ rotor ∆r. Hơn nữa, PSS phải có mạch bù pha thích hợp để bù vào sự trễ pha giữa đầu vào kích từ và đầu ra mô men điện. Hầu hết các PSS hiện sử dụng trong máy phát đều có cấu trúc Lead-Lag chẳng hạn nhƣ PSS1A, PSS2A, PSS3B, PSS4B 0. Tham số các loại PSS này đều do nhà sản xuất cung cấp. Hiện có khá nhiều các luận điểm riêng rẽ cho việc chọn tham số của PSS với cấu trúc Lead-Lag nhƣ: Sử dụng phân tích  để chọn tham số cho PSS 0; Áp dụng tối ƣu LQR để để chọn tham số cho PSS 0, 0; Chọn tham số tối ƣu H cho PSS 0… Từ đây có thể nhận thấy rằng các phƣơng pháp chọn tham số trên chỉ sử dụng đƣợc khi PSS là khâu Lead-Lag. Mặt khác, cấu trúc Lead-Lag tuy là đơn giản, tiện dùng song không thể dập đƣợc các dao động khác nhau, nói cách khác nó chƣa phải là bộ điều khiển tối ƣu về cấu trúc. Bài báo này đặt ra nhiệm vụ thiết kế bộ điều khiển PSS tối ƣu cả về tham số và cấu trúc. Công cụ lý thuyết cho việc thiết kế bộ điều khiển là lý thuyết tối ƣu RH. Kết quả mô phỏng trong Matlab cho thấy rõ khả năng vƣợt trội của bộ điều khiển PSS tối ƣu RH này so với các bộ điều khiển Lead-Lag truyền thống về khả năng ổn định nhiễu loạn nhỏ. 119 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Nguyễn Hiền Trung Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ MÔ HÌNH TOÁN HỌC Cấu hình HTĐ trong nghiên cứu Đối tƣợng điều khiển là hệ thống điện (hình 1) gồm một máy phát điện đồng bộ, máy kích từ, bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR và đƣờng dây tải điện nối đến HTĐ có công suất vô cùng lớn. Tín hiệu điều khiển (PSS) đƣợc đƣa thêm vào đầu vào AVR. Hình 1. Máy phát điện đơn kết nối HTĐ Mô hình tuyến tính hóa Đối tƣợng điều khiển ở hình 1 có mô hình toán là mô hình phi tuyến Flux-Decay gồm 6 phƣơng trình vi phân phi tuyến 0. Trong đó ta không cần quan tâm tới các phƣơng trình bộ phận điều tốc vì đáp ứng của nó tƣơng đối chậm so với đáp ứng hệ thống kích từ. Mục đích nghiên cứu là ổn định tín hiệu nhỏ để dập tắt các dao động rotor, công việc thiết kế bộ điều khiển, kể cả AVR và PSS ngƣời ta sử dụng mô hình tuyến tính hóa Flux-Decay tại lân cận điểm làm việc 0. Mô hình có cấu trúc nhƣ sau: T e  K 1  K 2 E q/ T d/0 dE q/ dt  E q/ K3  E fd  K 4  (2) (3) d   0  dt (4) d  1  (T M  T e  K D  ) dt 2H (5) dt  1 V R TE d V R K A  (V r ef  V t dt TA V R V F  V PSS )  TA d V F V F K   F (V R  E fd ) dt TF T FT E (7) (8) trong đó:  - ký hiệu sai lệch nhỏ; δ - góc rotor; ω - tốc độ; Efd - điện áp kích từ; VR - điện áp đầu ra của AVR; VF - điện áp đầu ra của khâu ổn định kích từ; Vref - điện áp đặt sử dụng để điều khiển điện áp đầu cựcVt; Vs - điện áp trên thanh cái; Te - mô men điện; TM - mô men cơ; K A ,T A - hệ số khuếch đại và hằng số thời gian của AVR; K E ,T E - hệ số và hằng số thời gian của kích từ; K F ,T F - hệ số và hằng số thời gian của khâu ổn định kích từ. Nếu sử dụng hệ thống kích từ thyristor loại ST1A 0 thì các phƣơng trình trên có sơ đồ khối nhƣ hình 2. Sơ đồ này tƣơng đƣơng với sơ đồ của Heffron-Philipps Error! Reference source not found.. Các hệ số K1  K 6 tính theo 0. (1) V t  K 5   K 6E q/ d E fd 90(02): 119 - 124 (6) Hình 2. Sơ đồ khối đã tuyến tính hóa của hệ máy phát kết nối HTĐ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN Cấu trúc điều khiển tối ƣu RH Sơ đồ cấu trúc điều khiển chuẩn theo nguyên tắc tối ƣu RH đƣợc mô tả ở hình 3. Với ký hiệu các biến trạng thái là T x     E q/ E fd    cũng nhƣ đầu vào (tín hiệu điều khiển) u  V PSS ; đầu ra đo đƣợc y   ; đầu ra 120 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Nguyễn Hiền Trung ...