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

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Nguyễn Hiền Trung

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƢU RH

ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG

CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS

Chuyên ngành: Tự động hóa

Mã số: 62 52 60 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS. Nguyễn Doãn Phƣớc

2. PGS.TS. Nguyễn Nhƣ Hiển

Thái Nguyên – 2012

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hƣớng

dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả

nghiên cứu là trung thực và chƣa công bố trên bất cứ một công trình nào khác.

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hiền Trung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

iii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận đƣợc nhiều ý kiến đóng góp từ các

thầy giáo, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS. Nguyễn Doãn Phƣớc và PGS.TS.

Nguyễn Nhƣ Hiển đã dành tâm huyết hƣớng dẫn tôi trong suốt thời gian qua.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo ở bộ môn Tự động hóa –

Khoa điện – Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và gia đình đã có những ý kiến

đóng góp quí báu và tạo các điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình hoàn thành

luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng quản lý đào tạo sau đại học – Trƣờng Đại

học Kỹ thuật công nghiệp; chân thành cảm ơn bộ môn Điều khiển tự động – Viện

Điện – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, trung tâm nghiên cứu triển khai công

nghệ cao trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo những điều kiện thuận lợi để tôi

hoàn thành luận án này.

Tác giả luận án

Nguyễn Hiền Trung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

iv

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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2

4. Phƣơng pháp nghiên cứu 3

5. Những đóng góp mới của luận án 3

6. Cấu trúc của luận án 4

Chƣơng 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 17

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 phƣơng pháp thiết kế PSS 22

1.5.2. Các công trình nghiên cứu về PSS 25

1.6. Hƣớng nghiên cứu của luận án 26

1.7. Kết luận chƣơng 1 27

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

v

Chƣơng 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. Phƣơng trình biểu diễn trên hệ trục toạ độ dq0 31

2.1.2. Phƣơng trình với mạch từ tuyến tính 35

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 động học của hệ máy phát kết nối với HTĐ 42

2.4.1. Phƣơng trình ràng buộc điện áp trong hệ đơn vị tƣơng đối 42

2.4.2. Mô hình multi–time–scale của hệ máy phát kết nối với HTĐ 43

2.4.3. Mô hình bỏ qua quá độ stator của máy phát kết nối với HTĐ 45

2.4.4. Mô hình two-axis của hệ máy phát kết nối với HTĐ 47

2.4.5. Mô hình flux–decay của hệ máy phát kết nối với HTĐ 48

2.4.6. Mô men damping 50

2.5. Kết luận chƣơng 2 51

Chƣơng 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 hƣởng 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

3.5.1. Trƣờng hợp không sử dụng PSS và có sử dụng PSS 71

3.5.2. Trƣờng hợp sử dụng PSS1A và PSS2A 72

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

vi

3.6. Kết luận chƣơng 3 74

Chƣơng 4. ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU RH ĐỂ THIẾT KẾ PSS

TỐI ƢU 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 ƣu RH 80

4.2.2. Các bƣớc thực hiện bài toán điều khiển tối ƣu RH 81

4.2.3. Thiết kế PSS tối ƣu 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 chƣơng 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

x

Các vector biến trạng thái

y

Vector đầu ra của hệ thống

u

Vector đầu vào của hệ thống

n n

Ma trận có các phần tử 0 có kích thƣớc

n n

n

I

Ma trận đơn vị có kích thƣớc n

a, b, c Cuộn dây stator mỗi pha

fd Cuộn dây kích từ

kd Cuộn cản theo trục d, (k=1,2)

kq Cuộn cản theo trục q, (k=1,2)

va

, vb

, vc

Điện áp pha tức thời stator

ia

, ib

, ic Dòng điện tức thời stator các pha a, b, c

ifd, ikd, ikq

Các dòng điện mạch kích từ, cuộn cản dọc trục và

ngang trục

rfd, rkd, rkq

Các điện trở mạch rotor, cuộn cản

laa, lbb, lcc

Tự cảm các cuộn dây stator

lab, lbc, lca

Hỗ cảm giữa các cuộn dây stator

lafd, lakd, lakq

Hỗ cảm giữa các cuộn dây rotor và stator

l

ffd, lkkd, lkkq

Tự cảm của mạch rotor

Rs

Điện trở pha phần ứng (stator)

s Toán tử laplace = d/dt

δ Góc rotor (góc tải) của máy phát (rad)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

viii

θ Góc xác định bởi trục pha a và trục d (rad)

vs

Góc pha đầu của điện áp trên thanh cái hệ thống

ω Tốc độ góc của máy phát (rad/s)

ω0 Tốc độ đồng bộ (rad/s)

Pm Công suất cơ (p.u)

TM Mô men cơ (p.u)

Pe Công suất điện (p.u)

Te Mô men điện (p.u)

Qe Công suất phản kháng (p.u)

TD Mô men dammping – mô men dập (damping torque)

TS Mô men đồng bộ (synchronizing torque)

KD

Hệ số mô men damping

KS

Hệ số mô men đồng bộ

H Hằng số quán tính máy phát (s)

d

Từ thông stator dọc trục

q

Từ thông stator ngang trục

Efd

Điện áp kích từ

Vt Điện áp đầu cực của máy phát (p.u)

Vd

Điện áp stator dọc trục

Vq

Điện áp stator ngang trục

Id

Dòng điện stator dọc trục

Iq

Dòng điện stator ngang trục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ix

E’d

Điện áp quá độ dọc trục

E’q

Điện áp quá độ ngang trục

kd

Từ thông móc vòng cuộn cản dọc trục

kq

Từ thông móc vòng cuộn cản ngang trục

Xd

; X’d

; X’’d

Điện kháng đồng bộ, quá độ và siêu quá độ dọc trục của

máy phát

Xq

; X’q

; X’’q

Điện kháng đồng bộ, quá độ và siêu quá độ ngang trục

của máy phát

Xls

Điện kháng khe hở (stator leakage inductance)

T’d0; T’’d0 Hằng số thời gian quá độ và siêu quá dộ dọc trục (s)

T’q0; T’’q0 Hằng số thời gian quá độ và siêu quá dộ ngang trục (s)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

x

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Biểu diễn Ghi chú tiếng anh

PSS Bộ ổn định HTĐ Power System Stabilizer

AVR Tự động điều chỉnh điện áp Automatic Voltage

Regulator

LMI Bất đẳng thức ma trận tuyến tính Linear Matrix Inequalities

LFO Dao động tần số thấp Low Frequency

Oscillation

LFC Điều khiển tần số–tải Load–Frequency Control

AGC Automatic Generation

Control

HTKT Hệ thống kích từ Excitation Systems

CSTD Công suất tác dụng Active Power

CSPK Công suất phản kháng Reactive Power

FACTS Hệ thống truyền tải điện xoay chiều

linh hoạt

Flexible AC Transmission

Systems

HVDC Truyền tải điện một chiều cao áp High Voltage Direct

Current

SVC Thiết bị bù công suất phản kháng

tĩnh

Static Var Compensator

HTĐ Hệ thống điện Power System

MBA Máy biến áp Transformer

AC Xoay chiều

DC Một chiều

p.u Đơn vị tƣơng đối Per unit

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Các phần tử cơ bản của một HTĐ 7

Hình 1.2. Các hệ thống điều khiển con và điều khiển liên quan của một trạm phát

điện 9

Hình 1.3. Phân loại các chế độ của HTĐ 10

Hình 1.4. Cấu trúc điều khiển HTĐ 11

Hình 1.5. Sơ đồ khối điều khiển và bảo vệ HTKT máy phát điện đồng bộ 13

Hình 1.6. Điều khiển tần số và phân phối CSTD trong HTĐ 16

Hình 1.7. Đặc tính công suất của máy phát 17

Hình 1.8. Phân loại ổn định HTĐ 19

Hình 1.9. Dao động cục bộ 19

Hình 1.10. Dao động liên khu vực 20

Hình 1.11. Sơ đồ khối điều khiển HTKT có PSS 20

Hình 1.12. Cấu trúc cơ bản của PSS 21

Hình 2.1. Sơ đồ khối một máy phát điện đồng bộ 29

Hình 2.2. Sơ đồ máy điện đồng bộ hai cực từ [47] 30

Hình 2.3. Sơ đồ mạch máy kích từ một chiều độc lập 36

Hình 2.4. Sơ đồ mạch máy kích từ tự kích 37

Hình 2.5. Mô hình HTKT IEEE loại 1 [47] 39

Hình 2.6. Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc cơ khí - thủy lực 41

Hình 2.7. Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc điện tử - thủy lực 41

Hình 2.8. Mô hình hệ thống turbine và điều tốc đơn giản 42

Hình 2.9. Sơ đồ động học siêu quá độ của máy phát [47] 45

Hình 2.10. Mô hình two-axis của hệ máy phát [47] 47

Hình 2.11. Mô hình động học flux-decay của máy phát điện [47] 49

Hình 3.1. Sơ đồ khối điều chỉnh kích từ máy phát nối lƣới 52

Hình 3.2. Mô hình HTKT IEEE loại 1 với tín hiệu nhỏ 56

Hình 3.3. HTKT thyristor ST1A với AVR 57

Hình 3.4. Sơ đồ khối đã tuyến tính của máy phát bao gồm kích từ & AVR 57

Hình 3.5. Đáp ứng tự nhiên của góc tải δ với các nhiễu nhỏ 59

Hình 3.6. Đồ thị vector các thành phần mô men với kích từ & AVR 60

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

xii

Hình 3.7. Sơ đồ khối đã tuyến tính hệ máy phát nối lƣới với kích từ, AVR và PSS60

Hình 3.8. Đồ thị vector các thành phần mô men với kích từ, AVR & PSS 63

Hình 3.9. Sơ đồ khối của PSS1A – loại đầu vào đơn 64

Hình 3.10. Sơ đồ khối PSS2A (IEEE 421.5.1992) 66

Hình 3.11. Sơ đồ khối của PSS2B 66

Hình 3.12. Sơ đồ khối của PSS3B 67

Hình 3.13. Sơ đồ khối của PSS4B (Multi-band PSS) 67

Hình 3.14. Mô hình bộ chuyển đổi sai lệch tốc độ của PSS4B 68

Hình 3.15. Khâu lọc thông cao 69

Hình 3.16. Khâu lọc thông cao và tích phân đã rút gọn 69

Hình 3.17. Các cấu hình khâu lọc đối với công suất cơ 69

Hình 3.18. Khâu khuếch đại và bù pha 70

Hình 3.19. Đáp ứng góc tải δ 71

Hình 3.20. Đáp ứng tốc độ rotor ω 71

Hình 3.21. Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω 71

Hình 3.22. Đáp ứng CSTD máy phát Pe 71

Hình 3.23. Đáp ứng góc tải δ 72

Hình 3.24. Đáp ứng tốc độ rotor ω 72

Hình 3.25. Đáp ứng sai lệch tốc độ rotor Δω 72

Hình 3.26. Đáp ứng CSTD máy phát Pe 72

Hình 3.27. Đáp ứng góc tải δ 73

Hình 3.28. Đáp ứng tốc độ rotor ω 73

Hình 3.29. Đáp ứng CSTD máy phát Pe 73

Hình 3.30. Đáp ứng sai lệch tốc độ rotor Δω 73

Hình 3.31. Đáp ứng góc tải δ 73

Hình 3.32. Đáp ứng sai lệch tốc độ rotor Δω 73

Hình 4.1. Sơ đồ khối rút gọn dùng trong nghiên cứu 75

Hình 4.2. Bài toán điều khiển tối ƣu RH 77

Hình 4.3. Đồ thị Bode của bộ điều khiển ban đầu (bậc 28) 89

Hình 4.4. Đồ thị giá trị suy biến Hankel 89

Hình 4.5. So sánh đồ thị Bode của bộ điều khiển ban đầu và bộ điều khiển giảm bậc

90

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

xiii

Hình 4.6. Giá trị suy biến tƣơng đối của mô hình R ban đầu 90

Hình 4.7. So sánh đồ thị Bode của mô hình bộ điều khiển ban đầu và bộ điều khiển

sau khi giảm bậc (Rr_add và Rr_mult) 91

Hình 4.8. Đáp ứng bƣớc của ba mô hình 91

Hình 4.9. Đáp ứng sai lệch góc tải  92

Hình 4.10. Đáp ứng góc tải  92

Hình 4.11. Đáp ứng sai lệch tốc độ  92

Hình 4.12. Đáp ứng sai lệch CSTD Pe 92

Hình 4.13. Đáp ứng sai lệch điện áp đầu cực Vt 92

Hình 4.14. Hình ảnh của Card điều khiển R&D DS1104 93

Hình 4.15. Thiết lập cho môi trƣờng Solver chạy thời gian thực 94

Hình 4.16. Thiết lập cho môi trƣờng Real–time workshop chạy thời gian thực 94

Hình 4.17. Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển 94

Hình 4.18. Sơ đồ bàn thiết bị mô phỏng 95

Hình 4.19. Đáp ứng sai lệch góc tải Δ 96

Hình 4.20. Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω 96

Hình 4.21. Đáp ứng sai lệch CSTD ΔPe 96

Hình 4.22. Đáp ứng sai lệch điện áp đầu cực máy phát ΔVt 96

Hình 4.23. Đáp ứng sai lệch góc tải Δδ có CPSS và PSSHinfi 97

Hình 4.24. Đáp ứng sai lệch góc tải Δδ có CPSS và không có PSS 97

Hình 4.25. Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω có CPSS và PSSHinfi 97

Hình 4.26. Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω có CPSS và không có PSS 97

Hình PLI.1 Sơ đồ mô phỏng trong Matlab (CPSS và không PSS) 106

Hình PLI.2 Sơ đồ mô phỏng trong Matlab (PSS1A và PSS2A) 107

Hình PLI.3 Sơ đồ khối của CPSS (PSS1A) 108

Hình PLI.4 Sơ đồ khối của PSS2A 108

Hình PLI.5 Sơ đồ mô phỏng trong Matlab của máy phát điện đồng bộ nối lƣới 109

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn