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

1. 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* điều khiển điện áp AVR. Để cải thiện sự tắt LFOs là các dao động góc rotor của máy phát dần, PSS phải tạo ra thành phần mô men điện có tần số nằm trong khoảng 0,1÷3Hz 0, 0. cùng pha với sai lệch tốc độ rotor ∆r. Hơn Việc sử dụng kích từ độ khuếch đại cao, kích nữa, PSS phải có mạch bù pha thích hợp để từ điều chỉnh kém, các bộ nghịch lƣu HVDC bù vào sự trễ pha giữa đầu vào kích từ và đầu hoặc SVC có thể tạo ra LFOs với sự dập tắt ra mô men điện. (damping) âm, vấn đề này thuộc bài toán ổn Hầu hết các PSS hiện sử dụng trong máy phát định tín hiệu nhỏ. LFOs bao gồm các kiểu sau đều có cấu trúc Lead-Lag chẳng hạn nhƣ đây: kiểu cục bộ, kiểu điều khiển, kiểu xoắn PSS1A, PSS2A, PSS3B, PSS4B 0. Tham số gây ra do sự tƣơng tác giữa các thiết bị cơ và các loại PSS này đều do nhà sản xuất cung điện của hệ thống turbine - máy phát với cấp. Hiện có khá nhiều các luận điểm riêng rẽ nhau; ngoài ra còn có kiểu dao động liên khu cho việc chọn tham số của PSS với cấu trúc vực gây ra bởi kích từ độ khuếch đại cao hoặc Lead-Lag nhƣ: Sử dụng phân tích  để chọn do truyền tải công suất lớn qua đƣờng dây tải tham số cho PSS 0; Áp dụng tối ƣu LQR để điện yếu. để chọn tham số cho PSS 0, 0; Chọn tham số LFOs còn có thể tạo ra từ các nhiễu loạn nhỏ tối ƣu H cho PSS 0 trong hệ thống (sự thay đổi tải) và chúng Từ đây có thể nhận thấy rằng các phƣơng đƣợc nhận dạng, phân tích thông qua lý pháp chọn tham số trên chỉ sử dụng đƣợc khi thuyết ổn định tín hiệu nhỏ. Các nhiễu loạn PSS là khâu Lead-Lag. Mặt khác, cấu trúc nhỏ này làm cho góc rotor của máy phát có Lead-Lag tuy là đơn giản, tiện dùng song thể tăng hoặc giảm, là nguyên nhân của sự không thể dập đƣợc các dao động khác nhau, thiếu mô men đồng bộ hoặc thiếu mô men nói cách khác nó chƣa phải là bộ điều khiển damping 0. tối ƣu về cấu trúc. Giải pháp truyền thống để ổn định tín hiệu Bài báo này đặt ra nhiệm vụ thiết kế bộ điều nhỏ là sử dụng PSS 0, 0. Về cơ bản PSS có khiển PSS tối ƣu cả về tham số và cấu trúc. chức năng chung là cải thiện sự tắt dần đối Công cụ lý thuyết cho việc thiết kế bộ điều với các dao động rotor của máy phát bằng khiển là lý thuyết tối ƣu RH . Kết quả mô cách điều khiển kích từ, sử dụng tín hiệu điện phỏng trong Matlab cho thấy rõ khả năng áp VPSS đƣa thêm vào mạch vòng điều khiển vƣợt trội của bộ điều khiển PSS tối ƣu RH này so với các bộ điều khiển Lead-Lag truyền * Tel. 0912386547; Email: [email protected] thống về khả năng ổn định nhiễu loạn nhỏ. 119 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2. Nguyễn Hiền Trung Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 90(02): 119 - 124 MÔ HÌNH TOÁN HỌC dV K R A ( VV Cấu hình HTĐ trong nghiên cứu dt T rtef A (7) Đối tƣợng điều khiển là hệ thống điện (hình V VV ) R 1) gồm một máy phát điện đồng bộ, máy kích F PSS T từ, bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR và A đƣờng dây tải điện nối đến HTĐ có công suất d VFFF V K () VER fd (8) vô cùng lớn. Tín hiệu điều khiển (PSS) đƣợc dt TFFE T T đƣa thêm vào đầu vào AVR. 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; KTAA, - hệ số khuếch đại và hằng số thời gian của AVR; KTEE, - hệ số và hằng số thời gian của kích từ; KTFF, - hệ số và hằng Hình 1. Máy phát điện đơn kết nối HTĐ số thời gian của khâu ổn định kích từ. Mô hình tuyến tính hóa Nếu sử dụng hệ thống kích từ thyristor loại ST1A 0 thì các phƣơng trình trên có sơ đồ Đối tƣợng điều khiển ở hình 1 có mô hình khối nhƣ hình 2. Sơ đồ này tƣơng đƣơng với toán là mô hình phi tuyến Flux-Decay gồm 6 sơ đồ của Heffron-Philipps Error! phƣơng trình vi phân phi tuyến 0. Trong đó ta Reference source not found Các hệ số không cần quan tâm tới các phƣơng trình bộ KK tính theo 0. phận điều tốc vì đáp ứng của nó tƣơng đối 16 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: / TKKEeq 12  (1) // Hình 2. Sơ đồ khối đã tuyến tính hóa của hệ máy / dEqq E TEKd04 fd  (2) phát kết nối HTĐ dt K 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN / VKKEtq 56  (3) Cấu trúc điều khiển tối ƣu RH d  Sơ đồ cấu trúc điều khiển chuẩn theo nguyên 0 (4) dt tắc tối ƣu RH đƣợc mô tả ở hình 3. Với ký hiệu các biến trạng thái là d  1 (5) () TTKM e D  T dt2 H / x  Eq E fd dE fd 1 VR (6) cũng nhƣ đầu vào (tín hiệu điều khiển) dt TE uV PSS ; đầu ra đo đƣợc y  ; đầu ra 120 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3. Nguyễn Hiền Trung Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 90(02): 119 - 124 (không mong muốn) z  ; đầu vào (nhiễu) Tổng hợp bộ điều khiển tối ưu RH thì mô hình tuyến tính hóa xung pT m Bộ điều khiển thiết kế qua hai bƣớc: quanh điểm làm việc của HTĐ đã có ở trên sẽ Bước 1: viết lại đƣợc thành dạng chung: Với công cụ hỗ trợ của Matlab và thông số x A x B12 p B u (9) các phần tử cho ở phần phụ lục III, theo (16) z C x D p D u (10) 1 11 12 ta tính đƣợc: y C x D p D u (11) 2 21 22 S(), s S (), s S (), s S () s (17) 11 12 21 22 p ( Tm) z( ) Vì tất cả các điểm cực của (17) đều có phần Kích từ, AVR thực âm nên đối tƣợng đã ổn định. Quan hệ u( VPSS) và máy phát y( ) giữa các thành phần can thiệp đƣợc của bộ - S(s) điều khiển là yu đƣợc biểu diễn bởi 0 : Bộ điều khiển 1 bền vững GSSR22 22 1 22 (18) R(s) và quan hệ giữa các thành phần không can thiệp đƣợc của bộ điều khiển là pz đƣợc Hình 3. Sơ đồ khối bài toán điều khiển tối ưu biểu diễn bởi: RH trong nghiên cứu 1 GSSRSRS11 11 12 1 22 21 (19) đây cũng là mô hình thƣờng đƣợc sử dụng với Mục tiêu là tìm bộ điều khiển R phụ thuộc công cụ LMI 0, 0 của điều khiển bền vững. tham số Q , vớiQ RH để (18) ổn định, và Ta có thể giả thiết một cách tổng quát cho hệ (19) đƣa đƣợc về dạng TUQ . Để đơn bậc n, với x là vector các trạng thái hệ thống; giản ta chọn u Rm là tín hiệu điều khiển đầu vào; z là 11 vector các tín hiệu ra không mong muốn; p là RSRQRQSQ 11 22 22 (20) vector các đầu vào nhiễu; m là tín hiệu y R Thay (20) vào (18) ta đƣợc đầu ra đo lƣờng đƣợc. Tuy nhiên, đối tƣợng GSSQ (1 ) , do G ổn định (S và Q hai đầu vào hai đầu ra ở đây với B =B; 22 22 22 22 22 2 đều ổn định ) nên (20) là bộ điều khiển chấp B1=C;C1=D;C2=E và D11=D12=D21=D22=0 thì mô hình trên trở thành nhận đƣợc với mọi Q là phần tử của RH . Bước 2: x A x Bu Cp (12) Thay (20) vào (19) đƣợc bài toán tối ƣu z Dx (13) T UQ min (21) y Ex (14) trong đó: trong đó, các ma trận hệ số A÷E cho ở phụ lục T()() s S11 s (22) I. Mô hình này tƣơng đƣơng với: U s S12()*() s S 21 s (23) z()() s S11()() s S 12 s p s (15) và với đối tƣợng đang xét thì cả T(s), U(s) y()() sS()() s S s u s 21 22 đều là các hàm bền. Mặt khác, với hệ đang khảo sát và T,U RH , Ss11(), Ss12 (), Ss21(), Ss22 () đƣợc tính từ các ma trận hệ số trong (12)-(14) nhƣ sau: U(s) không có một điểm không nào nằm bên phải trục ảo. Bởi vậy theo 0 ta có: S()() s S s D 1 11 12 sI A C, B (16) * T()() s T s0 Es() S21()() s S 22 s E Q (24) U()() s F s 121 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4. Nguyễn Hiền Trung Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 90(02): 119 - 124 Với Es()là đa thức bậc 12 và Fs() là đa 34.4048 34.4047 thức bậc 7. Vì Q không hợp thức (Q RH ) , without PSS nên theo 0 bằng cách chia mẫu số của (24) 34.4046 cho đa thức bậc 5, ta có nghiệm cận tối ƣu 34.4045 CPSS PSS Hinfi *  34.4044 * Q E() s Q 34.4043 (es 1)5 Fs() (25) 34.4042 Dap ung goc tsi (degree) tsi gocDap ung với e 0,03 (10 e nhỏ tùy ý). 34.4041 34.404 * 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Rõ ràng Q hợp thức và bền. Thay (17), (25) Thoi gian (sec) vào (20) ta đƣợc hàm truyền bộ điều khiển R()()/() s N s D s (26) Hình 5. Đáp ứng góc tải  -6 x 10 Với N(s) và D(s) là các đa thức bậc 28. 6 without PSS Giảm bậc bộ điều khiển 4 CPSS PSS Hinfi Bộ điều khiển với bậc 28 rất khó thực hiện 2 trong thực tế. Ta sẽ giảm bậc cho nó bằng kỹ thuật giảm bậc theo chuẩn Hankel 0. Với 0 công cụ hỗ trợ của Matlab trong việc giảm -2 bậc này ta thu đƣợc bộ điều khiển sau khi (p.u) Saitai lechgoc giảm bậc là: -4 6 5 4 -6 N(s) = -92.89s - 485.1s - 7567s 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 - 2.809e004s3 - 3.099e004s2 + 53.51s Thoi gian (sec) - 1.722e-013 Hình 6. Đáp ứng sai lệch góc tải Δ 6 5 4 3 2 -7 D(s)= s + 37.5s + 566.9s + 5136s + 3410s x 10 - 2.187e-011s + 3.506e-026 20 MÔ PHỎNG 15 - Để kiểm chứng bộ điều khiển, ta xây dựng 10 without PSS sơ đồ mô phỏng trong Matlab nhƣ hình 4. CPSS K4 5 PSS Hinfi K4 Step3 Constant delta Constant1 0 K1 delta2 Step2 K1 Goto1 (p.u.) do Sai lechtoc Product 0 detal_Vref Sine Wave 1 1 -K- K3 -K- wb K2 s s rad2deg1 Scope In1 Out1 den(s) 1/2H Integrator wb Integrator1 Transfer Fcn Gain excited -5 K6 -K- Gain1 delta_Pe 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -T- Dw Scope1 Goto2 -T- Thoi gian (sec) detal_Vt Scope20 Goto K5 Gain2 Hình 7. Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω delta_Upss delta_w Hinf -5 x 10 Hình 4. Sơ đồ mô phỏng trong Matlab 3 2.5 - Số liệu mô phỏng cho trong phụ lục II. 2 1.5 without PSS - Giả thiết tại thời điểm 1s xuất hiện nhiễu 1 CPSS PSS Hinfinitive vào sau 1 chu kỳ lƣới thì mất 0. 0.5 - Ta sẽ xem xét kết quả mô phỏng trong 3 0 trƣờng hợp là không sử dụng PSS, sử dụng bộ SailechCSTD (p.u.) Pe -0.5 -1 điều khiển ổn định HTĐ thông thƣờng 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thoi gian (sec) (CPSS) và sử dụng bộ điều khiển PSS RH (ký hiệu là PSSHinfi). Hình 8. Đáp ứng sai lệch CSTD ΔPe 122 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5. Nguyễn Hiền Trung Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 90(02): 119 - 124 -6 x 10 4 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Doãn Phƣớc (2007), Lý thuyết điều khiển 3 nâng cao. NXB Khoa học & Kỹ thuật. 2 CPSS Vũ Gia Hanh, Phan Tử Thụ, Trần Khánh Hà, PSS Hìnif Nguyễn Văn Sáu (2009), Máy điện tập 2. Nhà 1 xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 0 Aaron Francis Snyder (1997), Inter-Area Oscillation Damping with Power System -1 Stabilizers and Synchronized Phasor Sai lech dien ap dau cuc (p.u.) Saicuc lechdaudien ap without PSS Measurements. Master of Science in Electrical -2 0 2 4 6 8 10 Engineering. Paris, France. Thoi gian (sec) Anders Hammer (2011), Analysis of IEEE Power Hình 9. Đáp ứng sai lệch điện áp đầu cực ΔVt System Stabilizer Models. Master of Science in Electric Power Engineering. Norwegian Với chế độ ban đầu là điện áp Vs = 1pu; điện University of Science and Technology. kháng đƣờng dây Xe = 0,1pu; công suất Si = Chee Mun Ong (1998), Dynamic Simulation of 0,8 + j0,6 pu ta thấy góc rotor (góc tải) giữ ổn Electric Machinery. Prentice Hall PTR. E.V. Larsen, and D.A. Swann (1981), Applying định ở 34,40 (hình 5). Khi không sử dụng power system stabilizers, part I; general concepts, PSS, góc tải (hình 6), tốc độ (hình 7), CSTD part II; performance objectives and turning (hình 8) biến thiên rất nhiều; trƣờng hợp sử concepts, part III; practical considerations. IEEE dụng PSS RH thì chỉ sau 1 hoặc 2 lần dao Trans. on power apparatus and system, vol. PAS- động thì cả tốc độ, công suất và đặc biệt là 100, pp 3017-3046. góc tải trở về điểm làm việc ban đầu. Hình 9 G. Rogers (2000), Power System Oscillations, Kluwer, Norwell, MA. là đáp ứng điện áp đầu cực máy phát, so với Gahinet, P. and Apkarian, P. (1994), A linear trƣờng hợp không có PSS và CPSS, tác dụng matrix inequality approach to H control. của bộ điều khiển RH đối với ổn định điện International Journal of Robust and Non-linear áp là không rõ. Control, 4(4), pp. 421-448. KẾT LUẬN Hardiansyah, Seizo Furuya, Juichi Irisawa (2004), LMI-based robust H2 controller design for Bài báo này trình phƣơng pháp thiết kế và damping oscillations in power systems, IEEE những tính toán ứng dụng lý thuyết tối ƣu Trans. PE., vol. 124, no. 1, pp. 113-120. RH cho bộ điều khiển PSS cải thiện dập tắt Hung-Chi Tsai, Chia-Chi Chu, Yung-Shan Chou các dao động rotor của máy phát điện. Kết (2004), Robust power system stabilizer design for quả mô phỏng trong Matlab cho thấy bộ điều an industrial power system in Taiwan using linear matrix inequality techniques. Power Engineering khiển làm việc tốt hơn so với các bộ điều Society General Meeting. IEEE. khiển có cấu trúc khác. Bên cạnh chất lƣợng IEEE Recommmended Practice for Excitation ổn định tín hiệu nhỏ đã đƣợc cải thiện rõ rệt System Models for Power System Stability nhờ bộ điều khiển tối ƣu RH thì bộ điều Studies, IEEE Stadard 421.5-1992. khiển này cũng có nhƣợc điểm là cấu trúc của J. C. Doyle, K. Glover, P.P. Khargonekar, and nó phụ thuộc vào mô hình của đối tƣợng cụ B.A. Francis (1989), State-space solutions to standard H2 and RH control problems, IEEE thể. Trong khi bộ điều khiển PSS Lead-Lag Trans. Automat. Contr., vol. 34, pp. 831-847. có cấu trúc chung cho tất cả các đối tƣợng. K. Prasertwong, N. Mithulananthan & D. Thakur, Nếu đƣợc mô phỏng theo thời gian thực hoặc Understanding low frequency oscillation in power kiểm tra hiệu quả bộ điều khiển trên thiết bị systems. M. Bouhamida, A. Mokhtari, M. A. Denai (2005), thực thì nghiên cứu này sẽ thuyết phục hơn, Power System Stabilizer Design Based on Robust và đây là một vấn đề mới cần tiếp tục giải Control Techniques. ACSE Journal, Volume (5), quyết của tác giả. Issue (III). 123 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6. Nguyễn Hiền Trung Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 90(02): 119 - 124 M. Dehghani and S.K.Y.Nikravesh (2007), Robust Peter W.Sauer, M.A.Pai (1998), Power System Tuning of PSS Parameters Using the Linear Dynamics and Stability. Pretice Hall. Matrix Inequalities Approach. Power Tech., IEEE S. Chen, and O.P. Malik (1995), H Optimasation- Lausanne. Based Power System Stabilizer Design. IEEE Mohammed S. R. Abu Hatab (2009), Model Order Reduction Using LMI, The Islamic University of Proc. Part C, vol. 142, no. 2, pp 179-181. Gaza. W. Heffron and R. Phillips, Effect of modern P. Kundur, J. Paserba, and et al. (2004), Definition apllidyne voltage regulators on under-excited and classification of power system stability. IEEE operation of large turbine generators. AIEE transactions on power system, vol.19, no.2, pp. Transactions, pt. III, vol. 71, pp. 692-696, 1952 1387-1401. PHỤ LỤC I. Các ma trận hệ số A÷E 00 0 0 0 0 KHKHKH12/ 2 D / 2 / 2 0 0 1/ 2H A ; B ; C KTKTT//// 0 1/ 1/ 0 0 4d 0 3 d 0 d 0 KT/ 0 KKTKKTTAAAAA56/ 0 / 1/ AA D 1 0 0 0 ; E 0 1 0 0 II. Thông số các phần tử frated = 50; Poles = 4;Pfrated= 0.9; Vrated =18e3; Prated=828315e3; Rs = 0; Xd = 1.790; Xq = 1.660; Xls = 0.215; X’d = 0.355; X’q = 0.570; X’’d = 0.275; X’’q = 0.275; Tdo = 7.9; Tqo = 0.410; T’do = 0.032; T’qo = 0.055; H = 3.77; Domega = 2; KA = 50; TA =.06; VRmax = 1; VRmin = -1; TE = 0.052; KE = -0.0465; TF = 1.0; KF = 0.0832; Re = 0; Ks = 120; Tw = 1; T1 = 0.024; T2 = 0.002; T3 = 0.024; T4 = 0.24; pss_limit = 0.05 SUMMARY ENHANCING QUALITY CONTROL POWER SYSTEM STABILITY CONTROLLER USING DESIGN THEORY OPTIMAL RH Nguyen Hien Trung* College of Technology – TNU This paper presents design methods of the power system stabilizer (PSS) by RH optimization theory to improve the quality of the power system stability. PSS controller design is optimized in terms of parameters and structure. Techniques solve the problem optimal RH here is done through solve the problem modell maching. Matlab simulation results clearly show the effectiveness of this controller compared with the traditional PSS controllers, especially in reducing low-frequency oscillations of the power system (LFOs). Key words: Synchronous machine, Excitation system, Low frequency oscillations, Power System Stabilizer, Robust control. * Tel. 0912386547; Email: [email protected] 124 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên