ỨNG DỤNG LOGIC mờ TRONG điều KHIỂN tần số tải

Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, đường dây, trạm biến áp là một thể thống nhất. Chất lượng điện năng được đánh giá bởi hai thông số kỹ thuật là điện áp và tần số. Trong đó điện áp có tính chất cục bộ, tần số mang tính hệ thống hay nói cách khác là tần số có giá trị như nhau tại mỗi nút trong hệ thống điện. Độ lệch tần số ảnh hưởng đến hoạt động của tất cả các thiết bị trong hệ thống điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

TIỂU LUẬN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN

ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ

TẢI

Hải Phòng – 2021

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 KHẢI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TẢI 5

1.1.Điều khiển tần số tải 5

1.2 Hệ thống cho điều khiển tần số tải Load Frequency Control (LFC) 5

1.3 Mô hình hóa tự động điều chỉnh công suất trong hệ thống cô lập 5

1.4 Mô hình hóa tự động điều chỉnh công suất trong hệ thống đa liên kết 7

CHƯƠNG 2 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 9

2.1.Khái niệm logic mờ 9

2.2.Bộ điều khiển mờ 10

2.2.1.Cấu trúc một bộ điều khiển mờ 10

2.2.2.Nguyên lý điều khiển mờ 11

2.2.3.Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 13

2.2.4.Các bước thực hiện khi xây dựng bộ điều khiển mờ 13

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TẢI 14

3.1.Lý thuyết ứng dụng logic mờ trong điều khiển tần số tải 14

3.2.Kết quả mô phỏng hệ thống ứng dụng logic mờ trong điều khiển tần số tải 16

3.2.1.Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tần số tải của hệ thống cô lập 16

3.2.2.Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tần số tải của hệ thống 2 khu vực 18

KẾT LUẬN 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

PHẦN MỞ ĐẦU

Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, đường dây, trạm biến áp là một thể thốngnhất Chất lượng điện năng được đánh giá bởi hai thông số kỹ thuật là điện áp và tần số.Trong đó điện áp có tính chất cục bộ, tần số mang tính hệ thống hay nói cách khác là tần

số có giá trị như nhau tại mỗi nút trong hệ thống điện Độ lệch tần số ảnh hưởng đến hoạtđộng của tất cả các thiết bị trong hệ thống điện.

Như chúng ta biết, sự thay đổi công suất tác dụng trong lười sẽ làm cho tần số của

hệ thống thay đổi theo Trong khi đó, sự thay đổi của công suất phản kháng không làmthay đổi nhiều tần số trong lưới, mà nguyên nhân chính làm thay đổi biên độ điện áp Vìvậy, trong hệ thống điện công suất thực và công suất phản kháng được điều khiển độc lậpnhau Bài toán điều khiển tần số tải ( Load frequency control LFC) được thực hiện thôngqua mối quan hệ giữa công suất thực và tần số còn hai bào toán tự động điều chỉnh điện

áp ( Automatic Voltage Regulator AVR) thực chất là bài toán điều khiển công suất phảnkháng theo biên độ điện áp tải Bài toán điều khiển tần số là bài toán quan trọng trong một

hệ thống điện có độ liên kết cao vào nó phục vụ cho công tác vận hành hệ thống điện lớn.Ngoài ra, còn đề cập tới một bộ điều khiển Logic mờ ( Fuzzy Logic Controller) Vậy

bộ điều khiển mờ là gì ? Khi bộ điều khiển mờ kết hợp để điều khiển tần số tải thì hệthống điện có ổn định hay không ?

Trong bài tiều luận này em sẽ phân tích, mô phỏng hệ thống điều khiển tần số tảidựa trên bộ điều khiển logic mờ Nội dung của bài tiều luận này bao gồm:

Chương 1 Khái quát về điều khiển tần số tải

Chương 2 Bộ điều khiển Logic mờ

Chương 3 Mô phỏng điều khiển tần số tải dựa trên Logic mờ

CHƯƠNG 1 KHẢI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TẢI 1.1 Điều khiển tần số tải

Điều khiển tần số tải ( Load Frequency Control - LFC) là cần thiết cho hoạtđộng đáng tin cậy của hệ thống điện lớn được kết nối với nhau Công việc chính củađiều khiển tần số phụ tải là điều chỉnh công suất phát của máy phát trong một khuvực xác định liên quan đến sự thay đổi tần số hệ thống và công suất đường dây;chẳng hạn như để duy trì tần số hệ thống theo lịch trình và trao đổi điện với các khuvực khác trong một giới hạn quy định

1.2 Hệ thống cho điều khiển tần số tải Load Frequency Control (LFC)

Nguyên nhân của việc giảm tần số là do động cơ chính chạy chậm lại để bù đắpcho sự mất cân bằng công suất Tuy nhiên, tốc độ được điều khiển bởi quá trình phátđiện Khi tốc độ thay đổi giảm dần Tín hiệu phản hòi trở nên nhỏ hơn và tốc độ của

bộ điều tốc không đổi Tuy nhiên, không thể cố đinh tốc độ bộ điều tốc đến một điểm

đã đã định vì tải thay đổi theo thời gian Do đó chúng ta sử dụng một hệ thống điềukhiển với một bộ tích hợp Cơ chế điều khiển và phân tích sự thay đổi và thực hiệncác hiệu chỉnh cho phù hợp để loại bỏ điểm thiếu hụt Khả năng hệ thống trở lại trạngthái bình thường được gọi là điểm đặt lại Do đó, AGC là một chương trình tự độngkhôi phục tần số về giá trị đặt

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống tự động điều khiển tần số tải

1.3 Mô hình hóa tự động điều chỉnh công suất trong hệ thống cô lập

Các bộ phận chính của hệ thống bao gồm bộ điều tốc, tải, động cơ sơ cấp và môhình quán tính được mô tả như sau:

+ Mô hình bộ điều tốc: Lệnh ∆�g được biến đổi bởi độ khuếch đại thủy lực đến

vị trí van hơi ∆v Các �g là hằng số thời gian của bộ điều tốc, hàm truyền của bộ điềutốc là:

∆� g (s)

∆v(s)Trong đó: �g là hằng số thời gian

hệ giữa độ thay đỏi công suất cơ APC theo độ thay đổi vị trí van điều khiển ∆� v Với mỗituabin khác nhau thì mối quan hệ này là khác nhau Đối với tuabin của nhầ máy nhiệt điệnkhông có chu trình hồi nhiệt, hàm truyền đưa ra là:

+ Yếu tố phản hồi tần số: Hệ số phân biệt tần số là tổng của sự thay đổi tải nhạy tần

số (K) và điều chỉnh tốc độ như trong công thức

-tốc Khi đó, để độ lệch tần số tiến về zero, chúng ta phải thực hiện cài đătk lại Chúng ta

có thể thực hiện công việc này thông qua khâu tích phân kết hợp với bộ LFC – khâu tíchphân sẽ giúp cho quá trình tiến tới Zero của độ lệch tần số nhanh chóng hơn Mô hình bộđiều khiển lúc này:

Hình 1.2 Sơ đồ tự động điều khiển công suất của hệ thống cô lập

1.4 Mô hình hóa tự động điều chỉnh công suất trong hệ thống đa liên kết

Trong hệ thống đa liên kết có nhiều tập hợp nhóm máy phát có đặc tính bêntrong hầu như giống nhau Hơn nữa, tuabin của các máy phát này có cùng đặc tínhđáp ứng Khi đó, chúng ta có thể mô hình các tổ máy này bằng 1 tổ máy tương đương

có cùng một bộ điều khiển điều chỉnh tần số tải (LFC) thay thế cho toàn bộ nhómmáy Chúng ta bắt đầu bài toán tự động điều khiển trông hệ thống đa liên kết bằngviệc xem một hệ có hai thống gốm có hai khu vực Hai khu vực được đại diện bằnghai máy phát tương đương như hình:

Hình 1.3 Mô hình hệ thống liên kết hai khu vực

Hai khu vực được liên kết với nhau thông qua đường dây với tổng trở

bỏ qua tổn thất công suất tác dụng trong mạng) Trong suốt quá trình vận hành bình thường, công suất truyền qua đường dây đã xem xét và được xác định theo công thức:

�12 = |��1||

2|

�12

sin 12

Trong đó: �12= �1 + �2 + �d

và �12=1 − �2 Nhưng vậy phương trình trên có thể được tuyến tính hóatrong một đoạn thay đổi nhỏ của công suất truyền ∆12 như sau:

số

công

suất

được

đồng

bộ

hóa:

|�1||�2|

12 1

2

12

Biết rằng độ lớn và chiều của dòng công suất truyền tải qua đường dây liên kết phụ thuộc vào công suất tạihai đầu đường dây hay cũng chính là góc công suất tại đó Nếu

∆1 > ∆2 thì công suất sẽ truyền từ khu vực 1 sang khu vực 2 và ngược

lại Sơ đồ khối đại diện cho hai vùngvới hệ thống LFC chứa các vòng lặp

sơ cấp được minh họa sau:

Hình 1.4 Sơ đồ tự động điều khiển công suất của hệ thống hai khu vực

Trường hợp tại khu vực 1 có một sự thay đổi tải ∆L1 và ở trạng thái ổn định tĩnh độ lệch tần số tại hai khu vực là như nhau Có nghĩa

CHƯƠNG 2 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ

Điều khiển mờ chiếm một vị trí quan trọng trong điều khiển học kỹ thuật hiện đại.Ngay từ buổi đầu, điều khiển mờ đã đem lại sự ngạc nhiên đáng kể rằng hoàn toàn trái vớitên gọi của nó, kỹ thuật điều khiển này đồng nghĩa với độ chính các và khả năng thựchiện Ứng dụng điều khiển mờ trong công nghiệp rộng rãi như: Điều khiển nhiệt độ, điềukhiển giao thông vận tải, điều khiển trong các lĩnh vực sản xuất hàng hóa dân dụng, Trong thực tế, nhiều giải pháp tổng hợp thiết kế bộ điều khiển kinh điển thường bị

bế tắc khi gặp những bài toán có độ phức tạp hệ thống cao, độ phi tuyến lớn, sự thườngxuyên thay đổi trạng thái và cấu trúc của đối tượng hoặc giả nếu cí thể tổng hợp đượctrong phạm vi lý thuyết thì khi thực hiện cũng gặp không ít khó khắn vào độ tin cậy củasản phẩm Những khó khăn đó sẽ không còn là vấn đề nan giải khi bộ điều khiển đượcthiết kế dựa trên cơ sở logic mờ và càng đơn giản hơn trong việc thực hiện giải pháp này.Các bộ điều khiển được thiết kế trên cơ sở logic mờ được gọi là bộ điều khiển mờ

2.1 Khái niệm logic mờ

Lôgic mờ (tiếng Anh: Fuzzy logic) được phát triển từ lý thuyết tập mờ để thực hiệnlập luận một cách xấp xỉ thay vì lập luận chính xác theo lôgic vị từ cổ điển Lôgic mờ cóthể được coi là mặt ứng dụng của lý thuyết tập mờ để xử lý các giá trị trong thế giới thựccho các bài toán phức tạp (Klir 1997)

Người ta hay nhầm lẫn mức độ đúng với xác suất Tuy nhiên, hai khái niệm nàykhác hẳn nhau; độ đúng đắn của lôgic mờ biểu diễn độ liên thuộc với các tập được địnhnghĩa không rõ ràng, chứ không phải khả năng xảy ra một biến cố hay điều kiện nào đó

Để minh họa sự khác biệt, xét tình huống sau: Bảo đang đứng trong một ngôi nhà có haiphòng thông nhau: phòng bếp và phòng ăn Trong nhiều trường hợp, trạng thái của Bảotrong tập hợp gồm những thứ "ở trong bếp" hoàn toàn đơn giản: hoặc là anh ta "trongbếp" hoặc "không ở trong bếp" Nhưng nếu Bảo đứng tại cửa nối giữa hai phòng thì sao?Anh ta có thể được coi là "có phần ở trong bếp" Việc định lượng trạng thái "một phần"này cho ra một quan hệ liên thuộc đối với một tập mờ Chẳng hạn, nếu Bảo chỉ thò mộtngón chân cái vào phòng ăn, ta có thể nói rằng Bảo ở "trong bếp" đến 99% và ở trongphòng ăn 1% Một khi anh ta còn đứng ở cửa thì không có một biến cố nào (ví dụ mộtđồng xu được tung lên) quyết định

rằng Bảo hoàn toàn "ở trong bếp" hay hoàn toàn "không ở trong bếp" Các tập mờ được đặt cơ sở trên các định nghĩa mờ về các tập hợp chứ không phải dựa trên sự ngẫu nhiên

Hình 2.1 Ví dụ minh họa logic mờ

Lôgic mờ cho phép độ liên thuộc có giá trị trong khoảng đóng 0 và 1, và ở hình thứcngôn từ, các khái niệm không chính xác như "hơi hơi", "gần như", "khá là" và "rất" Cụthể, nó cho phép quan hệ thành viên không đầy đủ giữa thành viên và tập hợp Tính chấtnày có liên quan đến tập mờ và lý thuyết xác suất Lôgic mờ đã được đưa ra lần đầu vàonăm 1965 bởi GS Lotfi Zadeh tại Đại học California, Berkeley

2.2 Bộ điều khiển mờ

2.2.1 Cấu trúc một bộ điều khiển mờ

Một bộ điều khiển mờ gồm 3 khâu cơ bản:

+ Khâu mờ hóa (Fuzzy hóa): Có nhiệm vụ chuyển một giá trị rõ đầu vào �O thành một vector � gồm các độ phụ thuộc của giá trị rõ đố theo các giá trị mờ ( tập mờ) đã định nghĩa

cho biến ngôn ngữ đầu vào

+ Khâu thực hiện luật hợp thành: có tên gọi là thiết bị hợp thành xử lý vector � và cho ra giá trị mờ �u của biến ngôn ngữ đầu ra

+ Khâu giải mờ, có nhiệm vụ chuyển đổi tập mờ

u thành một giá tị rõ u chấp nhậnđược cho đối tượng ( tín hiệu điều chỉnh)

Các bộ điều khiển mờ sẽ được phân loại dựa trên quan hệ vào/ra toàn cục của tín hiệu

�O và tín hiệu ra u biểu diễn ánh xạ O  �u Quan hệ toàn cục đó có tên gọi là quan hệ truyền đạt

Xét bộ điều khiển mờ MISO sau, với vector đầu vào X=

[[[[[[[[[[[[[[ [ 1, 2, 3, … , n]T

Hình 2.2 Sơ đồ bộ điều khiển mờ cơ bản

Hình 2.3 Cấu trúc bên trong của bộ điều khiển mờ

2.2.2 Nguyên lý điều khiển mờ

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bộ điều khiển mờ

Về nguyên tắc, hệ điều khiển mờ cũng không có gì khác với các bộ điều khiển tựđộng thông thường khác Sự khác biệt ở đây là bộ điều khiển mờ làm việc có tư duy như “

bộ não” dưới dạng trí tuệ nhân tạo Nếu khẳng định việc làm với bộ điều khiển mờ có thểgiải quyết được mọi vấn đề từ trước đến nay chưa giải quyết được theo phương pháp kinhđiển thì không hoàn toàn chính xác, vì hoạt động của bộ điều khiển phụ thuộc vào kinhnghiệm và phương pháp rút ra kết luận theo tư duy của con người, sau đó cài đặt vào máytính trên cơ sở logic mờ Hệ thống điều khiển mờ do đó cũng có thể coi là một hệ thốngnơron ( hệ thần kinh), hay đúng hơn là hệ thống điều khiển được thiết kế mà không cầnbiết ttruwocs mô hình đối tượng

Trái tim của bộ điều khiển mờ chính là luật điều khiển mờ cơ bản có dạng là tập cácmệnh đề hợp thành cấu trúc NẾU – THÌ_ và nguyên tắc triển khai các mệnh đề hợp thành

đó có tên là nguyên tắc MAX – MIN hay SUM – MIN

Một hệ thống điều khiển mờ bao gồm:

+ Giao diện đầu vào gồm các khâu mờ hóa và các khâu hiệu chỉnh như tỷ lệ, tíchphân, vi phân,

+ Thiết bị hợp thành: Mô hình R của luật điều khiển được xây dựng theo mộtnguyên tắc triển khai đã chọn trước và có tên gọi là luật hợp thành Thiết bị thực hiện luậthợp thành trong bộ điều khiển mờ là thiết bị hợp thành

+ Giao diện đầu ra gồm: Khâu giải mờ và các khâu giao diện trực tiếp với đối tượng

2.2.3 Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ

Trong quá trình xây dựng bộ điều khiển mờ, người ta thiết kế hệ thống phải đặt câuhỏi làm thế nào để tổng hợp được các bộ điều khiển mờ có chất lượng điều khiển tốt, thỏamãn các yêu cầu chất lượng đặt ra Câu trả lời không đơn giản vì cho đến nay vẫn chưa cócác nguyên tắc chuẩn mực cho việc thiết kế cũng như khảo sát ổn định của hệ thống sửdụng bộ điều khiển mờ

Việc sử dụng bộ điều khiển mờ cho các hệ thống cần độ an toàn cao vẫn còn bị hạnchế, do những yêu cầu chất lượng và mục đích của hệ thống chỉ có thể xác định và đạtđược thông qua thực nghiệm

2.2.4 Các bước thực hiện khi xây dựng bộ điều khiển mờ.

- Định nghĩa tất cả biến vào ra, định nghĩa tập mờ ( giá trị ngôn ngữ) cho các biến vàora

+ Xác định miền giá trị vật lý cho các biến ngôn ngữ vào ra

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TẢI 3.1 Lý thuyết ứng dụng logic mờ trong điều khiển tần số tải

Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển logic mờ

Hình 3.2 Sơ đồ khối chức năng để điều khiển tần số tải

Hình 3.3 Hình ảnh trên Matlab

Trong đó:

Mờ hóa: có liên quan đến sự không xác định và không xác định trong một ngôn ngữ tự

nhiên Trong ứng dụng điều khiển mờ, dữ liệu quan sát được thường sắc nét Thao tác dữliệu trong bộ điều khiển logic mờ dựa trên lý thuyết tập mờ, việc xử lý mờ là cần thiếttrong giai đoạn trước đó

Kiến thức cơ bản: Kiến thức cơ bản của bộ FLC bao gồm quy tắc cơ bản và cơ sở dữ liệu.

Các chức năng cơ bản của cơ sở dữ liệu là cung cấp thông tin cần thiết cho hoạt độngthích hợp của mờ hóa, cơ sở quy tắc và giải mờ Cơ sở dữ liệu cung cấp thông tin về cáctập mờ đại diện cho ý nghĩa các giá trị ngôn ngữ của quá trình và điều khiển các biến đầu

ra Chức năng cơ bản của cơ sở quy tắc là biểu diễn trong một cấu trúc các các quy luậtđiều khiển

Hình 3.4 Biểu đồ chức năng thành viên

Hình 3.5 Luật mờ trên MatLab

3.2 Kết quả mô phỏng hệ thống ứng dụng logic mờ trong điều khiển tần số tải 3.2.1 Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tần số tải của hệ thống cô lập

Theo sơ đồ ở chương 2:

Giả sử:

=0.5s, � =0.2s, K=2, H=2, � =2, A=1= 0.5 = const,

Hình 3.6 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tần số tải của hệ độc lập kết hợp với bộ điều

khiển mờ trên MatLab

Đường đặc tính không sử dụng bộ điều

khiển mờ

Đường đặc tính sử dụng bộ điều khiển mờ