Tóm tắt: Bài báo này trình bày mô phỏng thời gian thực để phân tích hành vi rời rạc của bộ điều khiển cho hệ thống điện liên kết với nhau. Một hệ thống điện năng kết nối hai khu vực bao gồm các nhà máy điện không đồng nhất với các liên kết truyền EHVAC như kết nối được xem xét để điều tra. Các thủy điện và nhà máy điện hạt nhân bao gồm các khu vực 1 và khu vực 2tương ứng. Trong bài báo này các chiến lược điều khiển mới cho bộ điều khiển kỹ thuật số đang được phát triển tùy thuộc vào thời gian lấy mẫu để kiểm tra bộ điều khiển trong môi trường mô phỏng thời gian thực và không biến đổi các điều khiển vào một thời gian thực điều khiển nguyên mẫu, được sử dụng để thử nghiệm các thuật toán trong điều kiện làm việc thực tế.
Trang 1Tạp chí Quốc tế về Kỹ thuật Điện và Tin học - Tập 4, Số 1, tháng 3 năm 2012
Mô phỏng thời gian thực hệ điều khiển tự động Đối với hệ thống điện liên kết với nhau
Naimul Hasan, Ibraheem, Shuaib Farooq
Khoa Điện Jamia Millia Islamia, New Delhi-110.025, Ấn Độ
naimul_hasan@rediffmail.com
Tóm tắt: Bài báo này trình bày mô phỏng thời gian thực để phân tích hành vi rời
rạc của bộ điều khiển cho hệ thống điện liên kết với nhau Một hệ thống điện năng kết nối hai khu vực bao gồm các nhà máy điện không đồng nhất với các liên kết truyền EHVAC như kết nối được xem xét để điều tra Các thủy điện và nhà máy điện hạt nhân bao gồm các khu vực 1 và khu vực 2-tương ứng Trong bài báo này các chiến lược điều khiển mới cho bộ điều khiển kỹ thuật số đang được phát triển tùy thuộc vào thời gian lấy mẫu để kiểm tra bộ điều khiển trong môi trường mô phỏng thời gian thực và không biến đổi các điều khiển vào một thời gian thực điều khiển nguyên mẫu, được sử dụng
để thử nghiệm các thuật toán trong điều kiện làm việc thực tế
Thời gian thực tế mô phỏng cung cấp một giải pháp nhanh chóng tạo mẫu cho chức năng mới trong các loại khác nhau của quá trình công nghiệp và các thiết bị kiểm soát với một phức tạp phân phối hệ thống điều khiển Thời gian thực tế mô phỏng sử dụng mô hình rời rạc của AGC Do đó, điều khiển rời rạc cho AGC có nguồn gốc từ bộ điều khiển liên tục bởi discritization của bộ điều khiển liên tục sử dụng chuyển đổi Tustin, hoặc hình thang phương pháp xấp xỉ và sự ổn định vòng khép kín được kiểm tra bằng cách lấy điểm của vòng khép kín của mô hình AGC cho các thời điểm lấy mẫu khác nhau, phản ứng năng động cốt truyện cho 1% xáo trộn tải trong khu vực-1 Bộ điều khiển rời rạc được báo mẫu và thời gian thực mô phỏng được thực hiện để theo dõi kết quả, các lô năng động phản ứng là
thu được 1% xáo trộn tải trong khu vực-1 của mô hình thời gian thực
Từ khóa: AGC, kiểm soát mẫu, thủy điện và điện hạt nhân kết nối với nhau,
thời gian thực mô phỏng
1 Giới thiệu
Trong thực tế, các hệ thống điện bao gồm các hình thức thông thường của các hệ thống điện như: nhiệt điện, thủy điện và điện hạt nhân là một phần chủ yếu của năng lượng điện Các cấu hình của hệ thống điện tích hợp ngày nay trở nên phức tạp hơn do các điện cây có khác nhau nhiều về tính năng động Đơn vị hạt nhân có hiệu quả thường được lưu giữ tại cơ sở tải gần đầu ra tối đa của họ không có sự tham gia trong
hệ thống điều khiển tự động thế hệ (AGC) [1-3] Phát điện Gas là lý tưởng cho các cuộc họp thay đổi nhu cầu phụ tải Tuy nhiên, các nhà máy như vậy không đóng vai trò quan trọng lắm trong AGC của phần lớn hệ thống điện, kể từ khi các nhà máy này tạo thành một tỷ lệ rất nhỏ trong tổng số hệ thống Khí thực vật chỉ được sử dụng để đáp
Trang 2vị nhiệt hoặc thủy Nhưng với hoà nhập của các nhà máy điện hạt nhân trong hệ thống điện, nó cũng cần thiết để nghiên cứu hành vi của AGC cho hệ thống điện liên kết với nhau khi xem xét các nhà máy điện hạt nhân Một cuộc khảo sát văn học cho thấy rằng hầu hết các tác phẩm trước đó trong lĩnh vực AGC liên quan đến các hệ thống nhiệt kết nối với nhau và tương đối ít sự chú ý đã được dành cho AGC được liên nối hệ thống hạt nhân hydro [4-5] Các đặc điểm khởi phát đơn vị thủy điện như sử dụng trong run-of-river thực vật có khả năng phản ứng tuyệt vời
Nhiều người có thể được quay vòng qua toàn bộ phạm vi hoạt động của họ trong một phút Đơn vị đầu cao phải có tỷ lệ phản ứng của họ giảm bớt phần nào để ngăn chặn thiệt hại sự va đập của nước trong đường ống dẫn Ngay cả với một giới hạn như vậy, các đơn vị có thể đáp ứng với chuyến du ngoạn rất lớn, nếu mong muốn Tuy nhiên, nhà máy thủy điện tải cơ động có thể yêu cầu sự phối hợp cẩn thận với các đơn
vị thủy điện khác phía thượng lưu, hạ lưu trên cùng hệ thống sông và hầu hết các đơn vị hạt nhân có thể đun sôi nước (BWR) hoặc áp lực nước (PWR) máy phát điện hơi nước Hầu hết là không được kiểm soát bởi AGC, nhưng có những trường hợp ngoại lệ Đơn
vị BWR hoạt động theo AGC thường có thể đáp ứng ở mức 3% mỗi phút trong 10 phút hoặc lâu hơn trong phạm vi điều chỉnh của họ Đến khi di chuyển bên ngoài phạm vi các yêu cầu làm thay đổi bằng tay trong các mô hình kiểm soát-rod, nhiều hơn một quá trình dài Điều khiển công suất trong các đơn vị PWR được thực hiện bằng cách điều chỉnh các thanh kiểm soát trong lò phản ứng cốt lõi, và di chuyển lớn hơn ở tốc độ chậm hơn, bằng cách thay đổi nồng độ của boric axit trong vòng lặp chính Các đơn vị này có khả năng thực hiện dịch chuyển 20% ở mức gần 3% mỗi phút
Các mục tiêu định nghĩa truyền thống cho AGC xuất hiện được mơ hồ và không đầy đủ Chỉ so sánh các thuộc tính của chiến lược AGC từ các khía cạnh khác nhau và cho từng thuộc tính, chiến thuật được chỉ định Các khái niệm phát triển cho các trường hợp khu vực kiểm soát duy nhất là sau đó
mở rộng để có một kết nối bao gồm một số lĩnh vực kiểm soát Bổ sung bộ điều khiển được thiết kế để điều chỉnh các lỗi kiểm soát khu vực không có hiệu quả Một số kỹ thuật thiết kế hiện đại đã được sử dụng để tối ưu hóa các thông số của bộ điều khiển bổ sung và những kỹ thuật này thường được phân tích trong mô phỏng off-line sử dụng bộ giải bước biến Như các bộ điều khiển thường được thực hiện ở chế độ rời rạc do đó việc phân tích thời gian rời rạc của các chiến lược phải được thực hiện trước khi triển khai thực hiện trong lĩnh vực kiểm soát Tạo mẫu nhanh chóng kiểm soát (RCP) là một phương pháp thiết kế điều khiển, nơi thử nghiệm của một bộ điều khiển mới được thực hiện đầu tiên trong môi trường mô phỏng Các mô hình mô phỏng sau đó được chuyển đổi với trợ giúp của thế hệ mã tự động để điều khiển một nguyên mẫu có thể được sử dụng trong lĩnh vực thí nghiệm Với phương pháp này, thời gian cần thiết để phát triển các chức năng mới được giảm đáng kể bởi vì mã hiệu máy tính thực hiện trái với giai đoạn của thiết kế và thử nghiệm quy trình Do đó, nó có thể để đánh giá các giải pháp điều khiển khác nhau mà không có sự chậm trễ thêm
2 Hệ thống điện mẫu dưới điều tra
Trang 3Điều tra đã được tiến hành trên một hệ thống Hydro-hạt nhân liên kết với nhau như thể hiện trong Hình 1., bỏ qua những hạn chế mức độ phát sinh
Hình 1 Chuyển mô hình chức năng của một hệ thống hai khu vực nước-hạt nhân liên kết với nhau
3 Hệ thống mẫu
Mô hình toán học được phát triển và bước tải nhiễu loạn của 1% tải danh nghĩa có được xem xét trong khu vực-1 để nghiên cứu hành vi động của hệ thống [6-9] Below là toán học của mỗi thành phần cần thiết để xây dựng các mô hình hệ thống điện
A Máy phát
Sự năng động Generator được mô hình hóa bởi phương trình swing và được đưa
ra trong phương trình 1
P m P e
dt
d H
2
2
Đối với sự thay đổi nhỏ các mối quan hệ trên có thể được biểu diễn bằng một sơ
đồ khối thể hiện trong hình 2
Trang 4
Hình 2 Chuyển sơ đồ chức năng của máy phát điện
Tương tự tải composite đã xem xét và chuyển giao chức năng tương ứng cho các
mô hình tải trọng được đưa ra như:
P e P LDw (2)
Nơi ~PL là sự thay đổi tần số tải không nhạy cảm và D~ω là tần số nhạy cảm thay đổi tải D được thể hiện như phần trăm thay đổi trong tải chia cho phần trăm thay đổi trong tần số
Vì vậy các chức năng chuyển giao kết hợp cho các mô hình tải điện được thể hiện trong hình 3
Hình 3 Kết hợp chức năng chuyển giao sơ đồ của máy phát điện và tải
B Dây điện hình tia
Các đường dây điện hình tia được đại diện trong phương trình 3 và sơ đồ khối tương ứng phát triển từ phương trình 3,4,5 được đưa ra trong hình 4
( 0 )
2
0 1 12
2 1 1
X
V V
Trong đó, 0
2
0
1 ,
là Góc Sức mạnh của máy tương đương của hai khu vực
Để thay đổi gia tăng trong 0
2
0
1 ,
các dòng điện tie cộng dồn có thể được thể hiện như sau:
2 1 12 1
, ( ) (
Từ góc độ gia tăng của điện là không thể thiếu của các tần số gia tăng, có thể được viết như:
P tie,1(pu) 2 T12(f1dt f2dt) (5)
Trong đó, f 1, f2 là thay đổi tần số cộng dồn của Area-1 và Area-2 tương ứng
Trang 5
Hình 4 Mô hình Isolated của hệ thống thủy điện cho LFC
C Turbine thủy lực Hệ thống đốc
Các chức năng chuyển giao cho các thống đốc thủy lực cơ khí được đưa ra bởi công thức 6 và tuabin được cho bởi công thức 7:
) 1
1 )(
1 ( ) (
4
2 2
2
h
gh gh
gh
sT
sT sT
K governor
H T
4
2
5 0 1
1 ) (
h
h sT
sT H
T
Trong đó: K và T là đạt được và thời gian liên tục của các hệ thống thủy lực (h,
2 và 4 là hậu tố cho khu vực Hydro và g cho thống đốc)
Các mô hình kết hợp cho hệ thống thủy điện bị cô lập được đưa ra trong hình 5
Hình 5 Mô hình Isolated của hệ thống thủy điện cho LFC
D Turbine hạt nhân hệ thống đốc
Các mô hình toán học xem xét cho đơn vị hạt nhân với tuabin tandem-hợp chất, một phần HP và hai phần LP với HP Reheater được thể hiện trong hình 6 [10-11]
Trang 6
Hình 6 Mô hình Isolated của hệ thống năng lượng hạt nhân cho LFC
4 Điều khiển Mô hình và điều chỉnh
Trong bài báo này, khuc vực 1 là hệ hệ thống điện được kết nối gồm hệ thống thuỷ điện và khuc vực 2 bao gồm các hệ thống năng lượng hạt nhân và thông thường là điều khiển PI
Các đầu ra của bộ điều khiển PI thông thường được đưa ra trong công thức 8
) ) (
1 )
( ( )
(
dt t e T t e K t U
i
Các tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào tín hiệu sai số e (t) Trong trường hợp này
e (t) là lỗi kiểm soát khu vực (ACE) Nơi Kp là đạt được tỷ lệ, Ti là lần thiếu và khu vực kiểm soát lỗi (ACE) được thể hiện như sự kết hợp tuyến tính của tần số gia tăng và dòng điện tie Vì vậy ACE cho kiểm soát khu 1 và để kiểm soát khu 2 được cho là:
) ( )
( )
) ( )
( )
Để điều chỉnh độ lợi của bộ điều khiển, hệ thống điều tra đầu tiên được coi là không có bộ điều khiển AGC và sau đó 1% nhiễu loạn load bước được đưa ra trong cả các lĩnh vực và tích phân tiêu chí lỗi được sử dụng để có được các thông số thu được tối
ưu cho điều khiển Trong đó, bắt đầu từ những lợi ích không thể thiếu được cho là 0 và giá trị tối ưu của độ lợi (Kp) thu được Với giá trị này của Kp, tích phân được tối ưu hóa sử dụng ISE tiêu chí Năng động hiệu suất của hệ thống AGC phụ thuộc vào bộ điều khiển thuyết tăng lợi nhuận do đó tối ưu hóa được tính bằng các kỹ thuật ISE có chỉ số hiệu suất được cho là:
2 2
Một giá trị là 0,65 được sử dụng cho α và β và sau nhiều lần lặp mang lại giá trị tối ưu 0.03 được tính
5 Bộ điều khiển kỹ thuật số Mô hình và điều chỉnh
Các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để chuyển đổi các hệ thống liên tục vào các hệ thống rời rạc nhưng hệ thống liên tục chỉ có thể xấp xỉ và các hệ thống rời rạc
Trang 7không bao giờ có thể được chính xác tương đương Phương pháp khác nhau có thể dẫn đến màn trình diễn điều khiển khác nhau [12-14] Phương pháp này được sử dụng trong bài viết này được gọi là sự chuyển đổi Tustin hoặc xấp xỉ hình thang và phương trình được cho là: -
) 1
1 ( 2
z
z T
Trong đó, T là thời gian lấy mẫu mà phụ thuộc vào các hằng số thời gian của hệ thống và các xấp xỉ thực hiện ở đây được biểu diễn bởi phương trình 13
25 12
25 25
T Th Tk
(13)
Trong bài báo này thời gian bộ PI được điều khiển liên tục với các mẫu rời rạc khác nhau thời gian và đã được quan sát thấy rằng sự ổn định của bộ điều khiển rời rạc tương đương nhỏ hơn thời gian lấy mẫu giảm và phản ứng của hệ thống là vô biên Vì thế thời gian lấy mẫu và đạt được của bộ điều khiển được điều chỉnh để thực hiện các tiêu chuẩn thiết kế tối thiểu thời gian giải quyết và các hệ thống khép kín nên ổn định Các mẫu rời rạc được thực hiện với một thời gian lấy mẫu là 0,1 giây và hành vi được
so sánh và phân tích với thời gian liên tục điều khiển bằng cách vẽ phát hoạ dự báo như thể hiện trong hình 7
Hình 7 Dự báo của bộ điều khiển PI liên tục và rời rạc
6 Nghiên cứu mô phỏng
Trang 8Bộ điều khiển AGC được thiết kế để điều chỉnh các lỗi kiểm soát khu vực về 0
có hiệu quả và kỹ thuật thiết kế đã được sử dụng để tối ưu hóa các thông số của bộ điều khiển bổ sung bằng cách phân tích các hành vi động trong mô phỏng off-line có thể tốn nhiều thời gian, số lượng không ổn định do người giải quyết bước biến và thiếu khả năng giao tiếp với thiết bị thực Một mô phỏng thời gian thực do đó đã dần dần thay thế cho off-line mô phỏng mà không có những hạn chế nêu trên Các yêu cầu quan trọng của mô phỏng thời gian là đảm bảo rằng các tính toán cho một bước thời gian thực hiện bên trong các lựa chọn bước kích thước đó thường được gọi là mô phỏng cứng thời gian thực
Trong bài báo này mô phỏng sau đây đã được thực hiện và quan sát này đã được thảo luận và so sánh
i Non-Real mô phỏng thời gian của bộ điều khiển thời gian liên tục được gọi là
mô hình thời gian liên tục và điều khiển thời gian rời rạc được gọi là mô hình lai của AGC cho Hydro-hạt nhân hệ thống điện liên kết với nhau
ii Thời gian thực mô phỏng của bộ điều khiển rời rạc (Hybrid model) của AGC cho hệ thống điện hạt nhân liên kết với nhau
Đối với việc thực hiện thời gian thực, bộ điều khiển được rời rạc hóa và mã hóa
để chạy như là thời gian thực hoạt động dưới sự kiểm soát của hệ điều hành thời gian thực Sơ đồ khối của hệ thống hybrid trong bài viết này được thể hiện trong hình 8
Hình 8 điều khiển rời rạc cấu hình nhà máy phản hồi
7 Phần cứng và kiến trúc phần mềm Đối với Real Time Simulation
Trong máy tính làm việc đơn nạp với Microsoft Windows, MATLAB với thời gian thực cửa sổ mục tiêu và C / C ++ Compiler được sử dụng để tạo mẫu bộ điều khiển
kỹ thuật số thiết lập cấu hình được thể hiện trong hình 9 Việc trao đổi thời gian thực của dữ liệu giữa các nhà máy liên tục mô hình và bộ điều khiển kỹ thuật số là thông qua cửa sổ MATLAB thời gian thực mà hạt nhân sẽ chạy điều khiển trong thời gian thực sự khó khăn
Trang 9Hình 9 Hệ thống mô phỏng Standalone
8 Thời gian mô phỏng liên tục
Trong nghiên cứu này, các ứng dụng của thời gian liên tục và bộ điều khiển PI thời gian rời rạc để AGC trong các hệ thống điện với hai khu vực đã tuabin thủy hạt nhân gắn kết cùng nhau dòng điện là đối tượng điều tra Tải nhiễu loạn hoặc nhiễu loạn
có biên độ 0,01 puMW đến khu vực 1 được áp dụng và các dao động tần số và dòng điện tie-line được điều tra Các mô phỏng được thực hiện bằng cách sử dụng MATLAB / SIMULINK và so sánh do tải nhiễu loạn được quan sát thấy Mô phỏng các hệ thống dưới đây được thực hiện hành vi động là quan sát và so sánh
i Thời gian điều khiển PI liên tục với thời gian mô hình hệ thống điện (liên tục hệ thống)
ii Thời gian điều khiển PI rời rạc với hệ thống điện liên tục thời gian (hệ thống Hybrid)
AGC mô hình với bộ điều khiển thời gian liên tục như trong hình 10 và các mô hình tương tự với tương đương với bộ điều khiển PI kỹ thuật số như trong hình 11 được
mô phỏng với tải có nhiễu loạn biên độ 0,01 puMW đến khu vực 1, các dòng chảy dao động tần số và tie-line điện là quan sát và so sánh được thực hiện
Các kết quả thu được từ các giá trị tối ưu của thời gian tăng điều khiển liên tục
và điều khiển thời gian rời rạc được thể hiện trong hình 12 Kiểm tra các câu trả lời được thấy bộ điều khiển PI thời gian liên tục mất nhiều thời gian giải quyết và độ lệch đỉnh lớn hơn bộ điều khiển PI thời gian rời rạc khi nhiễu loạn của 1% xảy ra ở khu vực thủy điện
Trang 10Hình 10 Mô hình AGC với bộ điều khiển PI liên tục
Hình 11 Mô hình AGC với bộ điều khiển PI thời gian rời rạc
