phương pháp điều chỉnh điện áp trong mạng phân phối nhiều nút

Trong những hệ thống điện hiện đại, phức tạp không thể đảm bảo việc điều chỉnh điện áp chỉ bằng cách điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát điều chỉnh tập trung, mà cần phải sử dụn

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TRONG MẠNG PHÂN PHỐI NHIỀU NÚT

MÃ SỐ: T63 - 2008

Tp Hồ Chí Minh, 2009

S 0 9

S KC 0 0 2 1 2 6

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

A GIỚI THIỆU

I Tính cấp thiết của đề tài 2

II Đối tượng nghiên cứu 2

III Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2

IV Những vấn đề còn tồn tại 2

Mục lục B NỘI DUNG I Mục đích nghiên cứu 5

II Phương pháp nghiên cứu 5

III Nội dung nghiên cứu 5

Chương 1: Các Phương Pháp Điều Khiển Điện Áp Trong Hệ Thống Điện 6

1.1 Tổng quan về điều khiển điện áp trong hệ thống điện và các thiết bị điều chỉnh 7

1.2 Một số phương pháp điều khiển điện áp trong hệ thống điện 10

Chương 2: Ứng Dụng Hệ Mờ Điều Khiển Điện Áp Trong Hệ Thống Điện 16

2.1 Thuật toán và phương pháp điều khiển 17

2.2 Xây dựng hệ mờ điều khiển điện áp trong hệ thống điện 20

Chương 3: Mô Phỏng Hệ Mờ Điều Khiển Điện Áp Bằng MATLAB 30

3.1 Giới thiệu về MATLAB 31

3.2 Mô tả hệ thống điện thử nghiệm 32

3.3 Xây dựng mô hình 39

3.4 Mô phỏng trên MATLAB 44

3.5 Mô phỏng trong Simulink 50

3.6 Kết quả mô phỏng 53

C KẾT LUẬN I Tóm tắt công trình 56

II Tự nhận xét 56

III Hướng phát triển của đề tài 56

IV Kết luận 57

Tài liệu tham khảo

A

GIỚI THIỆU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong quá trình vận hành hệ thống điện, việc mất ổn định điện áp như quá áp, sụt

áp … luôn gây ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng cung cấp điện, sự an toàn và tính kinh tế trong các điều kiện vận hành khác nhau của mạng phân phối Nếu điện áp cao quá giới hạn cho phép sẽ làm thiết bị hỏng hoặc già hóa nhanh Nếu điện áp thấp quá sẽ gây quá tải đường dây và máy biến áp, ảnh hưởng đến ổn định của nhà máy điện và phụ tải

Trong những năm gần đây, việc điều chỉnh điện áp ngày càng trở nên quan trọng hơn trong việc vận hành an toàn và kinh tế hệ thống điện bởi vì lưới điện ngày càng vận hành gần đến giới hạn do việc tăng tải liên tục và các điều kiện vận hành ngày càng không chắc chắn Hiện nay có nhiều phương pháp để điều chỉnh điện áp, do đó

việc lựa chọn một phương pháp điều chỉnh điện áp thích hợp và tối ưu là rất cần thiết

II ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là điện áp trong hệ thống điện và điều khiển điện

áp trong mạng phân phối nhiều nút

III TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Hiện nay, tại Việt Nam việc sử dụng logic mờ trong điều khiển điện áp còn chưa phổ biến Trong giới hạn đề tài, nhóm nghiên cứu trình bày các bước xây dựng hệ mờ điều khiển điện áp trên hệ thống điện thử nghiệm trong môi trường MATLAB nhằm góp phần xây dựng một cái nhìn cơ bản về ứng dụng logic mờ điều khiển điện áp trong mạng phân phối nhiều nút

IV NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI

Với sự cố gắng nỗ lực, nhóm nghiên cứu đã nêu được cơ sở lý thuyết về ứng dụng

hệ mờ điều khiển điện áp trong hệ thống điện Qua đó nhóm nghiên cứu đã xây dựng

mô hình hệ mờ điều khiển điện áp trên hệ thống điện thử nghiệm trong môi trường MATLAB Kết quả đề tài có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và những người quan tâm đến lĩnh vực điều khiển mờ cũng như lĩnh vực điều khiển điện áp trong hệ thống điện

Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên nhóm nghiên cứu chỉ mới thực hiện được mô phỏng hệ thống điều khiển mờ điều khiển điện áp xét đến các vi phạm điện áp Nếu có thêm điều kiện, có thể phát triển hệ điều khiển mờ xét thêm các vi phạm về dòng trên đường dây và các tổn thất về công suất

B

NỘI DUNG

I MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

nhiều nút sử dụng MATLAB

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

hệ mờ điều khiển điện áp trong hệ thống điện

trường MATLAB

1.1 Tổng quan về điều khiển điện áp trong hệ

thống điện và các thiết bị điều chỉnh

1.2 Một số phương pháp điều khiển điện áp trong

1.1 Tổng quan về điều khiển điện áp trong hệ thống điện và các thiết bị điều chỉnh

Trong quá trình vận hành hằng ngày, các hệ thống điện có thể gặp các vi phạm quá áp và thấp áp, các vi phạm này có thể khắc phục bằng việc điều khiển điện áp/công suất phản kháng Trong suốt quá trình điều khiển sản xuất và tiêu thụ, việc điều khiển điện áp/công suất phản kháng có thể duy trì điện áp tại tất cả các nút luôn nằm trong giới hạn cho phép và giảm các tổn thất truyền tải Trong khoảng 20 năm trở lại đây, vấn đề điều khiển điện áp/công suất phản kháng đã thu hút được nhiều nhà nghiên cứu và kinh doanh trong việc chế tạo các thiết bị và đưa ra thuật toán nhằm nghiên cứu về lĩnh vực này Một số quốc gia đã áp dụng những thành tựu này vào các

hệ thống điện thực tế và đã thu được các kết quả khả quan

Việc giữ điện áp luôn nằm trong giá trị định mức đảm bảo hiệu quả làm việc của các hộ tiêu thụ một cách toàn diện, do đó việc so sánh độ lệch điện áp với giá trị điện áp định mức từ đó đưa điện áp hệ thống về giới hạn cho phép để đảm bảo hệ thống luôn hoạt động ổn định là một điều hoàn toàn hợp lý Trên cơ sở kinh nghiệm vận hành và qua nhiều công trình nghiên cứu, ở điều kiện thông thường có thể chọn độ

với phụ tải động lực (động cơ không đồng bộ) là –5% đến +10%

Để có thể điều chỉnh đúng điện áp trong hệ thống điện cần phải quy định giới hạn đồ thị điện áp hàng ngày đối với từng điểm nút trong mạng Đối với mỗi điểm nút phải xác định được hai đồ thị: đồ thị điện áp cho phép lớn nhất và đồ thị điện áp cho phép nhỏ nhất Việc xác định những đồ thị giới hạn này rất có hiệu quả đối với điều chỉnh điện áp trong hệ thống

Điều chỉnh điện áp trong mạng phức tạp nhiều nhánh với nhiều điểm nút trên thực tế thực hiện bằng cách chọn một số điểm kiểm tra có điện áp do nhân viên trực nhật điều chỉnh bằng tay hoặc tự động và số điểm kiểm tra phải ít nhất Trên thực tế, không cần phải điều chỉnh điện áp ở từng điểm nút Đối với một nhóm điểm nút có thể chọn một điểm nào đó kiểm tra và quy định những đồ thị điện áp giới hạn với những điểm này

Đồ thị điện áp giới hạn hàng ngày đối với điểm kiểm tra chính, được xây dựng trên cơ sở tính toán phân bố công suất ở những vùng gần nhất sao cho bảo đảm duy trì điện áp ở những điểm gần nhất vào mọi giờ nằm trong vùng giới hạn và càng nằm giữa vùng càng tốt Chiều rộng vùng điện áp kiểm tra cho phép đối với các điểm kiểm

điện áp tại các điểm kiểm tra bị lệch do những nguyên nhân bất ngờ

Nhiệm vụ điều chỉnh điện áp liên quan chặt chẽ với việc phân bố kinh tế công suất phản kháng Trong mọi trường hợp cần phải đảm bảo thỏa mãn trước nhất là đồ thị điện áp giới hạn tại các điểm kiểm tra, sau đó là tổn thất tối thiểu trong mạng, tổn thất này phụ thuộc vào việc phân bố công suất phản kháng Vì vậy ngoài đồ thị điện

áp đối với các điểm kiểm tra nên có thêm đồ thị điện áp tối ưu Việc xác định điện áp tối ưu được tiến hành bằng cách tính toán phân bố kinh tế công suất phản kháng, sau

đó xác định điện áp tại các điểm kiểm tra, nếu như các đồ thị điện áp đều thỏa mãn được thì điện áp có được có thể xem là điện áp tối ưu Nếu như một số điểm kiểm tra nào đó có điện áp quá cao hoặc quá thấp thì phải tính lại phân bố kinh tế công suất

phản kháng có xét thêm các điều kiện bổ sung, cụ thể là điện áp tại các nút kiểm tra nói trên phải bằng giá trị giới hạn gần nhất

Trong những hệ thống điện hiện đại, phức tạp không thể đảm bảo việc điều chỉnh điện áp chỉ bằng cách điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát (điều chỉnh tập trung), mà cần phải sử dụng thêm các thiết bị điều chỉnh điện áp phân tán (địa phương) như máy bù đồng bộ, máy biến áp có thiết bị điều chỉnh điện áp dưới tải,

tụ điện tĩnh, cuộn cảm,… là các thiết bị thu và phát Q vào hệ thống

Điều chỉnh điện áp tập trung không thể giải quyết bài toán đặt ra vì số nhà máy điện có thể điều chỉnh công suất phản kháng một cách thoải mái thường ít hơn số điểm kiểm tra chính Ngoài ra do khoảng cách về điện từ các nhà máy điện này đến những điểm kiểm tra chính khá lớn nên cần phải thay đổi rất nhiều điện áp ở các nhà máy điện làm nhiệm vụ điều chỉnh Những điểm kiểm tra có khoảng cách về điện không xa nhưng lại có đồ thị điện áp khác nhau nhiều làm cho điều kiện điều chỉnh điện áp trong mạng cơ bản hoặc trong mạng nối với điểm nút đang xét không dung hòa được

Vì những nguyên nhân này nên phải điều chỉnh điện áp phân tán

Các thiết bị điều chỉnh điện áp phân tán có thể chia làm hai nhóm khác nhau:

 Các thiết bị phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng (máy bù đồng bộ, hoặc tụ điện tĩnh có thể điều chỉnh được, kháng điện bão hòa hay không bão hòa có thể điều chỉnh được)

hệ số biến đổi dưới tải, các dạng máy biến áp bổ trợ khác nhau)

thừa công suất phản kháng trong hệ thống hoặc ở từng khu vực Khi công suất phản kháng trong toàn hệ thống thiếu hoặc thừa thì vị trí đặt những nguồn công suất phản kháng được tính chọn phải xét đến điều kiện kinh tế, còn khi thiếu hụt hoặc thừa công suất phản kháng ở từng địa phương thì phải so sánh các chỉ tiêu kinh tế của các thiết bị thuộc hai nhóm trên khi quyết định đặt chúng

Máy bù đồng bộ và tụ điện tĩnh có những ảnh hưởng giống nhau trong vai trò điều chỉnh điện áp, tuy vậy những đặc tính kỹ thuật và khai thác có khác

Máy bù đồng bộ Tụ điện tĩnh

 Máy bù đồng bộ là nguồn công suất phản kháng

rất linh động vì công suất phản kháng của nó có

thể thay đổi liên tục về độ lớn và về chiều từ

công suất phản kháng cảm sang công suất dung

hầu như rất đơn giản bằng cách thay đổi từ

trường kích thích

 Tụ điện rẻ tiền hơn và tổn thất ít hơn nhưng vận hành kém linh hoạt hơn Với tụ điện tĩnh, công suất kháng không thay đổi liên tục (theo từng bậc) và chỉ có thể phát công suất kháng

 Công suất phản kháng cung cấp bởi máy bù

đồng bộ có khuynh hướng tăng khi điện áp thanh

cái giảm xuống Kết quả là máy bù đồng bộ vận

hành tốt hơn trong tình trạng hệ thống có sự cố

và giảm được nhấp nháy về ánh sáng

 Công suất phản kháng cung cấp bởi tụ điện có khuynh hướng giảm khi điện áp ở thanh cái giảm xuống

 Máy bù đồng bộ có thể quá tải ngắn hạn bằng

cách điều chỉnh kích thích và làm giảm được sự

nhấp nháy về ánh sáng

 Khi phụ tải cực đại, tụ điện tĩnh không thể quá tải vì lúc phụ tải cực đại điện áp thanh cái giảm xuống mà công suất phảng kháng của nó định bởi điện dung và điện áp thanh cái, công suất phản kháng này tỷ lệ với bình phương điện áp Chính vì thế mà tụ điện có thể bị quá tải nguy hiểm vào những lúc phụ tải cực tiểu

 Điện áp đầu cực bị giới hạn, đôi khi cần đến máy

biến áp để nối với hệ thống

 Sử dụng trực tiếp ở nhiều cấp điện áp khác nhau

 Công suất nhỏ quá sẽ không có lợi về mặt kinh

tế, dung lượng càng nhỏ thì giá thành trên một

đơn vị công suất càng đắt Máy bù đồng bộ sẽ

tiếp tục dùng ở cấp truyền tải cùng với tụ điện

tĩnh do các tính chất của chúng theo quan điểm

vận hành

 Tụ điện tĩnh dễ dàng di chuyển từ nơi này sang nơi khác trong mạng điện và cũng dễ dàng tăng công suất của bộ tụ điện bằng cách lắp thêm một số tụ điện khi nhu cầu tiêu thụ công suất phản kháng của hệ thống tăng lên Đặc biệt quan trọng là tụ điện có thể được phân cấp quản lý, chia thành các đơn vị nhỏ đi sâu vào các cấp điện áp trong hệ thống xuống các mạng phân phối hạ áp của các xí nghiệp, đặt gần các động cơ điện, v.v…

 Bảo vệ bằng hệ thống rơle phức tạp  Hệ thống bảo vệ đơn giản

 Bảo trì khó và thường xuyên cần người điều

hành trực tiếp trông nom

 Điều hành dễ

 Sự đóng cắt tụ điện thường dẫn theo quá điện

áp và xung dòng điện lớn

từng địa phương với công suất phản kháng dự phòng ở những nơi khác, hoặc khi thừa công suất phản kháng ở từng địa phương mà ở những nơi khác trong mạng có khả năng giảm nguồn phát công suất phản kháng

Các máy biến áp có điều chỉnh điện áp dưới tải được sử dụng trong những trường hợp khi dòng công suất phản kháng đi qua máy biến áp thay đổi rất nhiều trong một ngày Điều này có thể xảy ra ví dụ như đối với máy biến áp nối với nhà máy điện

có phụ tải địa phương lớn, khi đó dòng công suất phản kháng qua máy biến áp không những thay đổi về giá trị mà cả về hướng Những máy biến áp đặt ở những trạm xa, khi tổn thất điện áp trong mạng dẫn đến trạm lớn và không có máy bù đồng bộ, cũng cần có điều chỉnh điện áp dưới tải Những máy biến áp bổ trợ loại điều chỉnh dọc hoặc điều chỉnh cả dọc lẫn ngang cũng là những thiết bị có công dụng như điều áp dưới tải

1.2 Một số phương pháp điều khiển điện áp trong hệ thống điện

1.2.1 Phương pháp quy hoạch phi tuyến

Bài toán điều khiển điện áp và công suất phản kháng thu hút được sự quan tâm lớn

vì muốn thỏa điều kiện kinh tế những đường dây tải điện đi xa không nên tải công suất phản kháng Bài toán này được giải bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính ở trạng thái xác lập Phương pháp tiếp cận bằng phép tính số đầy đủ thường đem lại lời giải không thỏa đáng do thiếu mô hình chính xác các ràng buộc Trong khi đó, hệ thống điện là hệ thống liên kết lớn và phức tạp, do đó phương pháp quy hoạch tuyến tính và mô hình đầy đủ diễn

tả bài toán tối ưu phi tuyến sẽ dẫn đến sự hội tụ rất chậm Cách tiếp cận bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính tỏ ra không hiệu quả trong các điều kiện sau:

1 Đa mục tiêu cạnh tranh: Trong thực tế bài toán điều khiển là bài toán đa

mục tiêu cạnh tranh, do vậy các lời giải tối ưu đối với các mục tiêu khác nhau không xảy ra đồng thời Một ví dụ tiêu biểu là sự kết hợp giữa chi phí

và an ninh, một hàm chi phí tuyến tính đơn diễn tả sự kết hợp hài hòa giữa các mục tiêu có thể là điều khó khăn

2 Tính phi tuyến của hệ thống: Vì giải pháp quy hoạch phi tuyến dựa trên tính

bao của lời giải nằm trong vùng khả thi, nên khi xảy ra một sai lệch nhỏ tuyến tính do hệ thống thực tế gây ra thì lời giải được đề nghị sẽ rơi ra ngoài các ràng buộc của tiến trình điều khiển

3 Các ràng buộc điều chỉnh cực nhỏ và gián đoạn: Nhiều thiết bị điều chỉnh

trong thực tế bắt buộc phải điều khiển rời rạc (theo nấc), thậm chí là các đại lượng liên tục, ví dụ tiêu biểu như thiết bị điều chỉnh là kích từ máy phát đòi hỏi điều khiển theo nấc nhỏ Các phương pháp tiếp cận quy hoạch tuyến tính toàn bộ mà mô hình với các ràng buộc như vậy thường tỏ ra không hiệu quả

Các điều kiện trên có thể gặp trong bất kỳ hệ thống điện nào và làm giới hạn lời giải quy hoạch tuyến tính

1.2.2 Phương pháp mạng neuron nhân tạo

a Phương pháp

Các công trình nghiên cứu về mạng neuron sinh học đã cho thấy tốc độ xử lý nhanh của bộ não do quá trình xử lý song song nhiều phần tử có tốc độ xử lý chậm liên kết nhau Hoạt động của hệ thần kinh gồm ba giai đoạn:

- Nhận kích thích

- Đưa vào bộ thừa hành

- Đưa ra tín hiệu xung để tác động

b Cách lấy mẫu huấn luyện của mạng neuron

Cho trạng thái của mạng, sau đó sử dụng tập mờ để xác định hàm liên thuộc mờ của phân loại khác nhau đối với tải cho trước, tạo tập hợp đưa vào mạng neuron huấn luyện để tìm các công suất bù bơm tại các nút

c Cách huấn luyện

Dùng phương pháp huấn luyện truyền ngược để tìm ra bộ trọng số sao cho:

|Y| = |W| x |X|

|Y|: Ngõ ra (công suất bù)

|X|: Ngõ vào (công suất các nút mạng)

|W|: Bộ trọng số

Cách vận hành: sau khi đã có bộ trọng số |W| lúc này đưa đầu vào bất kỳ, mạng

sẽ gia trọng để cho ra công suất bù tại các nút bù có nguồn

d Ứng dụng trong điều khiển điện áp và công suất phản kháng

Mạng neuron nhân tạo là một ngành của trí tuệ nhân tạo đã thu hút được sự quan tâm rất lớn khi được dùng để giải quyết các bài toán ứng dụng trong hệ thống điện quy mô lớn, phi tuyến và phức tạp Mạng neuron “Hopfield” đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau từ lúc Hopfield đề nghị năm 1982,1984 Trong bài toán tối ưu, mạng neuron Hopfield đã thể hiện tốt khi tìm ra các lời giải của các bài toán tối ưu phức tạp Trong lĩnh vực hệ thống điện, mạng neuron Hopfield được ứng dụng trong các bài toán tối ưu trào lưu công suất trong hệ thống và các bài toán điều

độ kinh tế phụ tải, điều khiển tối ưu công suất phản kháng Trong mô hình mạng Hopfield thế mạnh neuron có các số tùy ý trong giai đoạn trung gian nhưng giai đoạn cuối thế mạnh neuron là hội tụ về các giá trị giới hạn (0,1) hoặc (-1,1), và vì vậy nó đưa ra lời giải khả thi Nói chung một bài toán tối ưu hóa cần một số lượng lớn các giá trị số vì vậy phương pháp đếm hay thể hiện dạng số nhị phân của các sơ đồ khác nhau

đã được dùng để thể hiện các số thực Những phương pháp trên sử dụng neuron đơn

để thể hiện giá trị bằng số lớn

Bài toán điều khiển tối ưu công

suất phản kháng là một trong các bài

toán tối ưu hóa quan trọng trong hệ

thống điện được ứng dụng trong mạng

neuron Hopfield gồm 3 lớp với hàm

chuyển đổi sigmoid, phương pháp

huấn luyện giống như trên Khi chuẩn

bị huấn luyện các mẫu, các biến điều

khiển công suất phản kháng tối ưu

được xác định độc lập bằng phương

pháp phân tích đối với một vài giá trị

của tải như trong hình 1.1

Khi áp dụng thực tế, các dữ liệu đầu vào được đưa vào mạng neuron đối với các tải cho trước tương ứng với các hàm liên thuộc trong các phân loại khác nhau Các giá trị hàm liên thuộc thể hiện sự không chắc chắn của tải và khả năng xác định của tải trong các phân loại khác nhau Số lượng phân loại tải là 5 đối với mỗi thanh cái tải, vì vậy số lượng các neuron đầu vào gấp 5 lần số lượng các thanh cái tải Đầu ra của mạng neuron có 5 phân loại, vì vậy số lượng tổng các neuron đầu ra trong lớp xuất dữ liệu gấp 5 lần số lượng các biến đầu ra của mạng neuron (các máy phát bơm công suất phản kháng, các bộ bù bơm công suất phản kháng vào thanh cái và mô hình máy biến

áp thay đổi nấc) Hơn nữa, số lượng các neuron trong lớp ẩn bằng với số lượng neuron trung bình trong lớp nhận dữ liệu và lớp xuất dữ liệu

Một khi hàm liên thuộc tải được đưa vào mạng neuron, mạng neuron sẽ đáp ứng với các hàm liên thuộc cho trước với các biến đầu ra của nó trong các phân loại

khác nhau Hàm liên thuộc đầu ra sẽ mô tả một giá trị biến mà xác định bằng tiến trình sau

Đối với mỗi giá trị biến, lựa chọn giá trị tương ứng với phân loại với hàm liên thuộc lớn nhất, tuy nhiên mỗi biến của hàm liên thuộc có thể có 2 giá trị, vì vậy sẽ chọn giá trị mà phân loại đó tương ứng với hàm liên thuộc lớn thứ nhì Ví dụ giả sử rằng để thể hiện việc bơm VAR của một thanh cái điện áp nào đó là 0.00 VS (Very Small), 0.00 S (Small), 0.09 M (Medium), 0.95 L (Large), 0.62 VL (Very Large) Chọn phân loại có hàm liên thuộc lớn nhất Hàm liên thuộc này tương ứng 2 giá trị VAR Chọn một giá trị gần với hàm liên thuộc VL (phân loại với hàm liên thuộc lớn thứ nhì) việc phát VAR tương ứng sẽ là 0.83 pu Nếu một biến được giả sử có hai giá trị âm hoặc dương, ví dụ sự bơm VAR thể hiện bởi các máy biến áp thay đổi nấc, biến

đó sẽ được xem xét như 2 biến (việc bơm dương và việc bơm âm) lớp xuất dữ liệu của mạng neuron

Để xác định trạng thái của hệ thống điện từ lớp xuất dữ liệu, sử dụng các phương trình trào lưu công suất Các thanh cái bơm VAR (thanh cái cân bằng, thanh cái máy phát và thanh cái tải) được cho trước như các đầu ra, trong khi việc bơm công suất thực tại tất cả các thanh cái (thanh cái máy phát và thanh cái cân bằng) được giả định là cố định Biên độ điện áp tại thanh cái cân bằng thường không cố định (không biết) trong tiến trình cực tiểu tổn thất, tuy nhiên giả sử rằng góc pha của thanh cái cân bằng cho trước cố định Vì vậy, có thể xác định được 2 biến tại mỗi thanh cái và chạy trào lưu công suất đối với 2 biến còn lại Đối với hệ thống nb thanh cái, hệ thống các phương trình được cho bởi:

Trong đó: P và Q là độ lệch công suất tại các thanh cái, [J] là ma trận

Jacobi Để cho kết quả nhanh chóng, sử dụng phương pháp phân bố trào lưu công suất

để tìm  và V

Trong bài toán điều khiển tối ưu điện áp/công suất phản kháng, lớp xuất dữ liệu của mạng neuron được đưa tới một lời giải tối ưu gần Lời giải bằng trào lưu công suất sau đó sẽ xác định trạng thái mạng neuron đưa ra

1.2.3 Điều khiển điện áp theo cấp

Italia là một trong những nước đi tiên phong trong việc thực hiện điều khiển tự động điện áp các máy phát đồng bộ Phương pháp này dựa trên cấu trúc điều khiển theo cấp (Hình 1.2), bao gồm phân tích theo không gian và thời gian bài toán điều khiển hiện thời thành các bài toán nhỏ hơn

nb

nb

V

V J

Q

Q P P

1

2





Bảng 1.1

Cấp điều khiển Cấp 3 Cấp 2 Cấp 1

Thời gian hồi đáp Khoảng 15 phút

hoặc lâu hơn

Một phút tới vài phút

Vài giây đến một phút

Khu vực điều khiển Toàn bộ hệ thống Một vùng Một hoặc một vài

đơn vị

Hình 1.2: Điều khiển điện áp theo cấp

Việc phân tích theo không gian cho phép hiện hành hệ thống đa cấp của hệ thống điện, nó chia mạng quốc gia thành các khu vực quanh các nút điều khiển Những thay đổi của điện áp các nút còn lại ở trạng thái bình thường sẽ ảnh hưởng đến

sự thay đổi điện áp của nút điều khiển trong khu vực Việc phân tích theo thời gian được thực hiện bằng việc chia một khoảng thời gian hồi đáp nhất định thành nhiều cấp theo độ phức tạp của chúng

Bộ điều khiển điện áp quốc gia (cấp 3) (National (Tertiary) Voltage Regulator

(NVR or TVR)) nhận định kỳ (15 phút một lần) trạng thái của hệ thống điện Sau đó

dòng công suất tối ưu (OPF) tính toán các mục tiêu tối ưu dự kiến đối với các điện áp nút điều khiển dựa trên dự báo trạng thái dòng và tải ngắn hạn Tập hợp các điểm

được truyền tới cấp thứ 2 bao gồm các bộ điều khiển điện áp vùng (Regional Voltage

Regulators (RVRs)) và các bộ điều khiển công suất phản kháng trạm (reactive power regulators (REPORTs) Sau đó RVR nhận tập hợp các điểm của các nút điều khiển

của nó để quyết định mức công suất phản kháng đối với REPORTs Dựa theo mức công suất phản kháng này, REPORTs điều khiển các trạm điện phát công suất phản kháng tương ứng với các giới hạn công suất phản kháng của các thiết bị điều khiển Phương pháp này được thực hiện tại các nước Rumani, Ý, Pháp, Tây Ban Nha, Bỉ và một số nước khác Đây cũng là hệ thống điều khiển điện áp/công suất phản kháng tự động đầy đủ nhất Nó cải thiện độ an toàn điện áp bằng cách đưa các giá trị điện áp hệ thống nhanh chóng về giá trị định mức trong một vòng điều khiển kín sau khi xảy ra một sự cố bất kỳ và tiếp tục điều khiển việc phát công suất phản kháng dựa trên giải

pháp OPF đến khi giữ được biên độ lớn vừa đủ để tránh sụp đổ điện áp Các tổn thất truyền tải cũng có thể giảm bớt bằng cách giữ điện áp các nút điều khiển tại các giá trị tối ưu của chúng Đây cũng là một ưu điểm khác giúp giảm bớt công việc của người vận hành và người vận hành có thể đưa các kết quả này lên dữ liệu điện áp/công suất phản kháng thay đổi chậm (ví dụ, từ giờ cao điểm sang ngoài giờ cao điểm hằng ngày) Tuy nhiên, phương pháp này vẫn còn một số giới hạn:

khác (các tụ điện, …) với thời gian thực

hệ thống truyền tải điện ngẫu nhiên

Các nhược điểm này làm giới hạn phạm vi ứng dụng của phương pháp điều khiển điện áp theo cấp trong các mạng điện thực tế

1.2.4 Các thuật toán dựa trên trí tuệ nhân tạo

Trí tuệ nhân tạo cung cấp các lựa chọn có thể thực hiện được nhằm khắc phục các giới hạn của các phương pháp phân tích kinh điển Hệ chuyên gia tương tác với phần mềm phân tích hệ thống điện với điều kiện phân tích ma trận độ nhạy hệ thống

và dữ liệu đối với cơ sở tri thức Phương pháp này tiếp cận với vấn đề theo hai bước:

vực yếu nhất và sự cố tới hạn, sau đó xây dựng hệ thống phụ nội bộ “ba cấp” xung quanh khu vực dễ xảy ra sự cố

các luật dựa trên kinh nghiệm được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu và ma trận độ nhạy từ chương trình phân tích độ nhạy hệ thống để lựa chọn hoạt động điều khiển hiệu quả nhất

Hiệu suất tính toán của hệ chuyên gia lai được cải thiện đáng kể bằng cách giảm quy mô của hệ thống điện và loại trừ các bộ điều khiển điện áp kém hiệu quả Tri thức đưa vào cũng nâng cao độ chính xác đối với phương pháp ma trận độ nhạy kinh điển Nhưng nó chỉ có thể thực hiện các luật có sẵn một cách cứng nhắc và không hiểu

rõ bản chất bên trong để khám phá tri thức mới Ngoài ra, các thuật toán này chỉ có thể giải quyết các vi phạm điện áp, dòng và không thể giải quyết trạng thái ngẫu nhiên động trong bài toán điều khiển điện áp/công suất phản kháng

Hình 1.3: Thuật toán tìm kiếm của hệ chuyên gia

Logic mờ có thể giải quyết tình trạng không chắc chắn của hệ thống điện thực

tế thông qua thuyết tập mờ B Venkatesh và G Sadasivm kết hợp logic mờ với lập trình tuyến tính liên tục để giải quyết vấn đề điều khiển điện áp/công suất phản kháng Sau khi giải quyết dòng công suất trong trường hợp cơ bản, các mục tiêu phức tạp (kinh tế và độ an toàn) được tính toán bởi các hàm tuyến tính với các biến điều khiển công suất phản kháng Mỗi mục tiêu và ràng buộc được biểu diễn bởi một hàm thành phần được định nghĩa chặt chẽ tới điều kiện tốt nhất khi nó mang một giá trị Khi đó các hàm mục tiêu được đưa tới các giá trị tối ưu của chúng và việc tuân theo các ràng buộc được cực đại hóa bằng cách cực đại số lượng tối thiểu các hàm thành phần này Các bước này được lặp lại liên tục cho đến khi sự cải thiện không còn đáng kể So sánh với phương pháp lập trình tuyến tính liên tục truyền thống, phương pháp này tìm được giải pháp hợp lý hơn Nhưng nó cũng chỉ giải quyết được bài toán trong hệ thống điện ở trạng thái xác lập

O

D I Ệ

N

N G Ư Ờ

I

D Ù N

G

Mô tơ suy diễn Xác định cấu hình vận hành và dạng cây nhạy

Xác định các thanh cái có điện áp khác thường

Xác định thanh cái có vi phạm điện áp lớn nhất

 Chọn bộ điều khiển hiệu quả nhất

 Tính toán hoạt động điều khiển được yêu cầu

 Kiểm tra các giới hạn của bộ điều khiển

 Kiểm tra các vi phạm điện áp trên các thanh cái còn lại

Đề nghị bộ điều khiển

Nếu vấn đề về điện áp vẫn còn tồn tại thì lựa chọn bộ điều khiển gần nhất cho tới khi tất cả các bộ điều khiển đều tham gia hoạt động điều khiển

 Nếu tất cả các bộ điều khiển có sẵn đều tham gia hoạt động điều khiển và vấn đề về điện áp vẫn còn tồn tại, thì gọi môđun bù công suất phản kháng

 Phân phối bổ sung các cuộn cảm và tụ shunt

Nếu vi phạm được khắc phục, thì tìm thanh cái gần nhất với điện áp khác thường cao nhất cho đến khi tất cả các điện áp trở lại bình thường

2.1 Thuật toán và phương pháp điều khiển

2.2 Xây dựng hệ mờ điều khiển điện áp trong hệ

thống điện

Chương 2

ỨNG DỤNG HỆ MỜ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 Thuật toán và phương pháp điều khiển

2.1.1 Thuật toán mô tả điều khiển

Mô hình toán học của bài toán tối ưu hóa có dạng:

Tìm vector Z làm cực tiểu hàm:

f(z,x) với các điều kiện ràng buộc:

h(z,x)  0 Trong đó:

 z là tập hợp các đại lượng điều khiển được trong hệ thống điện (công suất MVAR hay điện áp của các máy phát điện, đầu phân áp của các máy biến áp, tụ hay kháng bù ngang)

 h là vector hàm biểu diễn điều kiện giới hạn của các biến điều khiển z cũng như giới hạn làm việc của hệ thống

Hàm mục tiêu này có thể được dùng cho tác động điều khiển chữa (tất cả phụ

tải được cấp điện có vi phạm giới hạn và có thể được chữa không gây mất phụ tải) Điểm làm việc nói ở đây (cực tiểu độ lệch từ một điểm làm việc đặc biệt) có thể là chế

độ tối ưu ban đầu hay một chế độ xác định trước Thí dụ sự phối hợp giữa một tính

toán nghiên cứu xác định phân bố U-Q tối ưu và một tính toán thời thực duy trì sự làm

việc không vi phạm giới hạn an toàn và ở gần chế độ tối ưu nhất Hiển nhiên rằng điều khiển thời thực luôn luôn là quá trình bắt đuổi một mục tiêu động, do đó lời giải tối ưu chính xác không quan trọng bằng việc tuân thủ các giới hạn làm việc Liên quan tới điều khiển chữa, có thể phải xem xét điều kiện giới hạn cho thời gian yêu cầu bằng việc lập mô hình (đơn giản hóa) động học của quá trình điều khiển

Loại mục tiêu này về thực chất cho loại bài toán tối ưu đa mục tiêu, hướng tới

duy trì nhiều biến điều khiển có bản chất khác nhau Hàm mục tiêu cực tiểu hóa thường được viết dưới dạng khi một vi phạm điện áp cho trước, cần xác định một tập

phạm điện áp trên được loại trừ Ngoài ra tập của thiết bị điều khiển cần thỏa điều kiện:

Trong đó:

Cimin Ci  Cimax

Tuy nhiên, vì công suất phản kháng yêu cầu trên mỗi thanh cái phụ tải được quyết định chủ yếu bởi khách hàng sử dụng, nên việc điều độ công suất phản kháng

phải xem xét đến các yêu cầu của khách hàng Nếu các yêu cầu trên không thỏa mãn, điều đó có nghĩa là việc đưa thêm vào các thiết bị bù công suất phản kháng là cần thiết Điều này thuộc về bài toán quy hoạch hệ thống điện

2.1.2 Phương pháp điều khiển

Để duy trì được dao động điện áp cho phép trong các điều kiện khác nhau của các thay đổi về cấu hình hệ thống và cấu hình tải, thiết bị điều khiển điện áp được trang bị phổ biến cho các hệ thống điện là các bộ tụ bù cung cấp công suất phản kháng Gần đây, các thiết bị điều khiển điện áp cục bộ như: các bộ tự động điều khiển điện áp/công suất phản kháng (AVQC) và các bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR) thường được sử dụng tại các nhà máy điện và các trạm biến điện nhằm gia tăng độ an ninh điện áp Nhiều bộ điều khiển điện áp như vậy được nối kết thường trực và có khả năng lập trình chế độ cài đặt điện áp/công suất phản kháng theo các thời biểu về công suất phản kháng hàng ngày Việc điều khiển trực tiếp các bộ điều khiển điện áp trong các tình huống vận hành thông thường cần phải ít phổ biến hơn trong tương lai gần

Đối với các lập luận về an ninh điện áp, sự giám sát kết hợp của các thiết bị điều khiển điện áp cục bộ có tầm quan trọng sống còn Cần xem xét các biên điều khiển của các nguồn công suất phản kháng có sẵn và phải tiên đoán trước tình huống trong vận hành, có thể là các tình huống nguy hiểm đối với an ninh điện áp của hệ thống năng lượng điện Khi đưa hệ thống năng lượng điện vào chương trình được kế hoạch hóa, việc điều khiển điện áp sẽ được thực hiện trực tiếp chống lại các tình huống vận hành có thể có, đặc biệt khi hệ thống mang tải nặng nề Các điều khiển như vậy cần nhanh cho các áp dụng trực tiếp, linh hoạt đối với các điều kiện thay đổi của

hệ thống, dễ dàng tuân theo tính logic ra quyết định của điều độ viên

Điều khiển điện áp/công suất phản kháng có vai trò quan trọng khi xét đến tính

an ninh của hệ thống điện và đáp ứng yêu cầu giữ điện áp khách hàng ở phạm vi cho phép, một điều rõ ràng là độ dao động điện áp phải được duy trì trong dải cho phép để

hệ thống điện được ổn định

Cực tiểu tổn thất truyền tải cũng được xem là mục đích chính trong việc lập thời biểu cho hệ thống điện Một thời biểu đúng đắn của các nguồn công suất phản kháng trong hệ thống điện đã được quy hoạch tốt dẫn đến các lợi ích sau:

a Giảm tổn thất công suất thực trong hệ thống điện

b Gia tăng tính an ninh của hệ thống điện do tăng nguồn công suất phản kháng dự trữ khi xảy ra mất an ninh hệ thống điện

c Giảm sai biệt điện áp giữa các nút trong hệ thống điện để cải thiện tính trạng vận hành hệ thống điện

Bằng việc bơm công suất phản kháng vào các nút, độ dao động điện áp tại các nút được giảm, và các vi phạm điện áp được loại trừ Kỹ thuật hệ chuyên gia cung cấp tập các hành động điều khiển thực tế cho người sử dụng Trong các điều kiện xác lập, các quan hệ trào lưu công suất xấp xỉ bằng các phương trình tách trào lưu công suất thực và công suất phản kháng

xLJ

NHQP

Dựa trên tính chất tách được của phương trình trên, biên độ điện áp tại các nút

có thể được duy trì trong giới hạn nhất định bởi các nguồn công suất phản kháng trong

hệ thống điện

Trong các hệ thống điện, các biến đổi nhu cầu năng lượng và các thay đổi cấu hình hệ thống có thể dẫn đến các vi phạm điện áp Các dao động điện áp tại các nút có thể giảm bớt bằng việc thay đổi việc bơm vào, rút ra công suất phản kháng (trị số đặt) của thiết bị điều chỉnh gồm: máy biến áp có đầu phân áp thay đổi, bộ tăng điện áp cũng như xác định vị trí thích hợp để đặt của các nguồn công suất phản kháng như bộ

tụ bù tĩnh và máy bù đồng bộ

1 Máy bù đồng bộ và các bộ tụ bù: Các thiết bị này cung cấp lượng nhất định

công suất phản kháng cho đường dây truyền tải và vì vậy điều khiển được

độ lệch điện áp dọc đường dây Việc gia tăng các bộ tụ bù bơm công suất phản kháng vào thanh cái dẫn đến sự gia tăng điện áp tại tất cả các phụ tải Thường thường các thanh cái gần các bộ tụ bù hơn về điện thì điện áp thanh cái đó được gia tăng

2 Thay đổi nấc máy biến áp: Đại lượng đo lường này tăng hoặc giảm điện áp

thanh cái khi thay đổi tỉ số nấc máy biến áp Khi các thanh cái trong hệ thống điện được liên kết với nhau qua các đường dây truyền tải, một số điện

áp thanh cái tăng và một số điện áp thanh cái còn lại giảm

3 Thay đổi điện áp đầu cực máy phát: Đại lượng đo lường này tương tự như

việc bù của máy bù đồng bộ Thay đổi công suất phản kháng của máy phát bơm vào bằng việc thay đổi kích từ của máy phát làm thay đổi cả điện áp của thanh cái máy phát và điện áp của thanh cái phụ tải

Các giới hạn trên và giới hạn dưới của các thiết bị điều chỉnh gồm các giới hạn đối với nấc máy biến áp, các nguồn công suất phản kháng đóng cắt được trình bày như sau

nijmin  nij nijmax

QGmin QG QGmax

Dimin Di  DimaxTrong đó:

 nijmin, nij, nijmax lần lượt là vị trí nhỏ nhất, hiện tại, và lớn nhất (tỉ số nấc) của máy biến áp giữa thanh cái i, j

 QGmin, QG, QGmax lần lượt là vị trí nhỏ nhất, hiện tại, và lớn nhất của đầu

ra công suất phản kháng máy phát tại thanh cái G

 Dimin, Di, Dimax lần lượt là vị trí nhỏ nhất, hiện tại, và lớn nhất đầu ra nguồn công suất phản kháng có thể đóng cắt tại thanh cái i

Các thiết bị điều khiển có thể thay đổi giá trị liên tục hoặc theo từng bước Khi

sử dụng các thiết bị điều khiển trên để điều khiển điện áp hệ thống điện, các đại lượng này không có hiệu quả ngang nhau Ngoài ra số lượng điều khiển cần cho mỗi đại lượng đo lường là không duy nhất Đối với các lý do trên, cần đánh giá hiệu quả của

từng biện pháp điều khiển từ thực nghiệm Một đánh giá khả thi là cực tiểu lượng công suất phản kháng truyền trên đường dây

2.2 Xây dựng hệ mờ điều khiển điện áp trong hệ thống điện

2.2.1 Tổng quan

Nội dung này trình bày việc điều chỉnh điện áp/công suất phản kháng trong các mạng với các thiết bị điều khiển đa dạng, dựa trên các bộ điều khiển mờ Mamdani, tạo thành một hệ thống suy diễn mờ phổ biến Đây không phải là bộ điều khiển chu trình đóng nhưng hệ thống cung cấp lời khuyên để sử dụng tại thời điểm cân nhắc trong vận hành Đây là một ứng dụng đa năng và tầm quan trọng của nó được thể hiện trong các môi trường DMS điều khiển các mạng phân phối với sự thâm nhập cao của các máy phát phân phối

Thông thường, những máy phát này không góp phần điều chỉnh điện áp nhưng ngày nay việc bơm công suất phản kháng và điều khiển điện áp có thể được công nhận như một dịch vụ đi kèm tại cấp phân phối, cho phép các nhà quản lý độc lập đàm phán với các nhà vận hành hệ thống phân phối tham gia vào điều chỉnh công suất phản kháng Hiện nay, thậm chí đối với các máy phát năng lượng gió, điều này có thể thực hiện được nhờ sự phát triển trong các kỹ thuật điện tử năng lượng liên kết các máy phát với lưới, hay các máy điều tốc đồng bộ của các máy phát cảm ứng dual-fed (DFIG)

Bộ điều khiển điện áp mờ được phát triển giúp duy trì các cấp điều khiển trực tiếp điện áp và cho phép người vận hành ưu tiên các giải pháp dễ kiểm soát hệ thống;

ví dụ, nó đề xuất một vector các hoạt động điều khiển sẽ tham gia quản lý các tập điểm điều khiển hợp lý trong phạm vi có thể của chúng

Phương pháp hướng tới các giá trị điện áp chính xác - nó không phải là dòng công suất phản kháng tối ưu hoàn toàn và các tổn thất công suất không được tối ưu Hơn nữa, không có hoạt động thực hiện bơm công suất tiêu thụ Tuy nhiên, các giới hạn tuyến đường dây được cho, phương pháp không được sắp xếp các khái niệm như

là một phương pháp tối ưu kinh điển nhưng giống như là một hệ thống điều khiển Tuy nhiên, có một sự tương đương rõ ràng giữa các khái niệm Bộ điều khiển thực hiện sự tối ưu max-min Chebychev bằng các thuật cực đại và cực tiểu giá trị độ lệch từ dải cho phép và điều này dẫn đến tác động dữ liệu điện áp được cân bằng trong hệ thống bằng cách giảm sự chênh lệch điện áp giữa các thanh cái Phương pháp sẽ được ứng dụng trên hệ thống thử nghiệm quá tải của IEEE

Phương pháp cung cấp một cách nhanh chóng các giải pháp vận hành có thể chấp nhận được (trong hầu hết các trường hợp là rất nhanh, nhanh hơn 10 đến 50 lần thủ tục meta-heuristic) Không chỉ là những giải pháp này sẵn sàng cho người vận hành sử dụng, mà tốc độ của phương pháp cho phép người vận hành tính toán đến việc

sử dụng nó như một khối xây dựng sẵn thiết yếu trong phép lai giữa thuật toán tiến hóa với bộ điều khiển mờ cũng như đạt được việc điều chỉnh chính xác trong các trường hợp khó hay đề xuất các giải pháp đối với bài toán quy hoạch điện áp/công suất phản kháng

2.2.2 Các khái niệm và các biến ngôn ngữ

Bộ điều khiển sẽ tồn tại trong môi trường DMS/EMS và nó sẽ có sẵn dữ liệu về cấu trúc mạng và đường dây cũng như trên tất cả các thiết bị trong hệ thống có thể sử dụng để điều khiển điện áp Cơ sở dữ liệu DMS/EMS có thể chứa dữ liệu lý thuyết bởi người vận hành, như các giới hạn đối với quá áp hay thấp áp tại các nút của lưới Hơn nữa, từ mạng SCADA hoặc từ môđun đánh giá trạng thái của DMS/EMS nhận thông tin trên các tải và điện áp đúng lúc, cũng như vị trí (trạng thái) của các bộ điều khiển trong hệ thống Đối với việc phát triển mô hình, giả sử người vận hành có thể thao tác trên cấp của máy biến áp, đóng ngắt các dãy tụ, các bộ bù tĩnh hay bộ kích từ máy phát

Khi tính đến hoạt động điều chỉnh, các hệ số sau phải được đưa vào:

đây là đối tượng mà bộ điều khiển sẽ tiến hành loại trừ đầu tiên

thiết bị (máy phát, máy biến áp, tụ) và vị trí của nó trong mạng điện, ảnh hưởng của mỗi hoạt động sẽ khác nhau và các hoạt động hiệu quả hơn sẽ được ưu tiên

Tất cả các hệ số này được gán với các biến ngôn ngữ:

 NB - Negative Big (âm nhiều)

 NS - Negative Small (âm ít)

 ZE - Zero (không)

 PS - Positive Small (dương ít)

 PB - Positive Big (dương nhiều)

1 Hiệu quả điều khiển điện áp

Cách kinh điển để đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi trong một thiết bị điều

trong khoảng [0,1], do đó một tín hiệu trở nên liên quan với một biến ngôn ngữ “hiệu quả” trên một lĩnh vực phân chia mờ với phạm vi các giá trị từ NB tới PB

Các hệ số nhạy cũng có thể phụ thuộc vào mức độ tải và do đó việc chọn một phương pháp nhanh gọn để đánh giá độ nhạy rất quan trọng

Để tìm thiết bị điều khiển hữu hiệu đối với tình huống vận hành cho trước, phương pháp cây nhạy đã được sử dụng, kỹ thuật cây nhạy được dùng một cách rộng rãi để phân tích hệ thống tuyến tính Kỹ thuật này thể hiện mối quan hệ chính yếu giữa các hành động điều khiển và các hiệu quả của chúng Vì hệ thống năng lượng thực sự

là một hệ thống phi tuyến Hệ số nhạy giữa đại lượng điều khiển công suất phản kháng

và các điện áp thanh cái có thể không là giá trị hằng số Nói chung, hàm tính nhạy thứ

tự đầu tiên được sử dụng cho tính đơn giản, đặc biệt tính phi tuyến của hệ thống không lớn Kỹ thuật cây nhạy có thể sử dụng hiệu quả để phân tích bài toán điều khiển điện áp/công suất phản kháng của hệ thống điện

Đối với hệ thống điện có N thanh cái với M giá trị đo lường điều khiển, mối quan hệ giữa các điện áp thanh cái và các đại lượng đo lường điều khiển được trình bày trong hình:

Có thể thấy việc thay đổi mỗi đại lượng đo lường điều khiển sẽ dẫn đến vài thay đổi điện áp thanh cái Đối với điện áp thanh cái bất kỳ, điều này có thể tính toán bằng việc sử dụng kỹ thuật cây nhạy các thao tác điều khiển cần thiết để khử dao động điện áp này Hai yếu tố giới hạn hành động điều khiển đó: là thao tác điều khiển không vượt quá các ràng buộc về điều khiển, và hành động điều khiển đã khử vi phạm điện

áp sẽ không tạo ra các vi phạm điện áp tại các thanh cái khác

Việc bơm công suất phản kháng đối với các mục đích điều khiển chỉ hiệu quả trong vùng giới hạn, điều này có nghĩa là chỉ có các thanh cái và đường dây kề cận có tính nhạy đáng kể đối với các điều khiển này Điều này do tổn thất công suất phản kháng lớn và số lượng các thanh cái được điều khiển điện áp hút bơm công suất phản kháng dư Sử dụng quan điểm này để đơn giản cây nhạy để phát triển một hệ mờ điều khiển điện áp/công suất phản kháng

2 Độ lệch vi phạm điện áp

i i

min

các nút i hạn chế “vùng chết” nơi không có hoạt động điều khiển được yêu cầu Ngoài

min i i

có thể âm hoặc dương

Khoảng tin cậy [a,b] được định nghĩa đối với các vi phạm cho phép và được

giá trị trên b được sắp xếp đến 1

Do đó, phải tạo ra tín hiệu EV để có thể liên kết với biến ngôn ngữ “độ lệch vi phạm điện áp”, với các giá trị từ NB đến PB

2.2.3 Xây dựng cơ sở tri thức và cơ sở dữ liệu cho hệ mờ

Phần này giới thiệu lập luận xấp xỉ của việc điều khiển điện áp/công suất phản kháng dựa trên mô hình linh hoạt Trong mô hình này, các nghiệm suy điều khiển được diễn tả bởi các luật IF-THEN được diễn tả như sau:

V 1 V 2 V 3 … V N ĐIỆN THẾ THANH CÁI

S ij : HỆ SỐ NHẠY (Hàm bậc nhất

quan hệ giữa thiết bị điều khiển và điện áp thanh cái)

C 1 C 2 C 3 … C M BỘ ĐIỀU KHIỂN

a Phân loại tính nghiêm trọng của các vi phạm điện áp (thấp/cao)

b Xác định bộ điều khiển hữu hiệu nhất với các độ nhạy lớn hơn mức ngưỡng nhất định

c Ưu tiên các thiết bị điều khiển chống lại vi phạm lớn nhất

d Tiên đoán hiệu quả bộ điều khiển xác định điện áp của thanh cái vi phạm điện áp lớn nhất

1 Cơ sở dữ liệu của điều khiển điện áp hệ thống

Xét một hệ thống điện N thanh cái với thanh cái cân bằng là N và các thanh cái

từ 1 đến L như là các thanh cái tải, một số tri thức cơ sở cho điều khiển điện áp/công suất phản kháng được trình bày như sau:

a Nếu điện áp tại một thanh cái nào vi phạm giới hạn về vận hành, cần điều chỉnh các bộ điều chỉnh điện áp Độ lệch điện áp cho phép (1-5%) tại các thanh cái so với điện áp định mức như sau:

b Các bộ điều khiển sau có khả năng điều chỉnh điện áp hệ thống:

(i) Bộ tụ bù shunt (SC)

(ii) Cuộn cảm shunt (ShR)

(iii) Các bộ điều áp dưới tải của máy biến áp (OLTC)

(iv) Các máy bù đồng bộ (RC)

(v) Điện áp đầu cực máy phát (VT)

c Hiệu quả của hoạt động điều khiển điện áp có thể dự đoán trước trên cơ sở cây nhạy đã được xây dựng Ví dụ ảnh hưởng điện áp thanh cái thứ i bởi hoạt động điều khiển tại thanh cái thứ j, tại thời điểm thứ k cho bởi phương trình sau:

Trong đó:

kháng tại thanh cái tải và việc điều chỉnh điện áp thanh cái máy phát:

d Các ràng buộc về mặt vận hành của các bộ điều khiển điện áp cũng được xem xét, các giới hạn của việc bơm công suất phản kháng của các bộ điều khiển điện áp được thể hiện như sau:

dQjmin Uj dQjmax, j = 1, 2,…, L

bơm công suất phản kháng tại thanh cái thứ j

Tại các thanh cái máy phát, các giới hạn vận hành của điện áp thanh cái, điển hình là 5%, được xét thêm các giới hạn của công suất phản kháng máy phát

điều chỉnh điện áp máy phát thứ j

e Bảng hệ số nhạy thể hiện đối với cặp điện áp thanh cái và thiết bị điều khiển Do bản thân các điện áp tại nút máy phát và nút cân bằng là đại lượng điều khiển nên các hệ số nhạy của nút cân bằng với các nút còn lại là

0 Các hệ số nhạy giữa nút máy phát và các nút máy phát khác cũng là 0, và

hệ số nhạy giữa nút máy phát với chính thiết bị điều chỉnh của thanh cái máy phát thì bằng 1

Lưu ý rằng các hệ số nhạy thì thay đổi đối với các điều kiện vận hành hệ thống điện khác nhau

2 Xây dựng các luật IF-THEN

Khi điện áp thanh cái vượt quá giới hạn được quy định (cao hoặc thấp) Người điều độ viên thực hiện các hành động thông thường như đóng cắt một ngăn tụ bù, điều chỉnh nấc máy biến áp hoặc thay đổi điện áp thanh cái máy phát để khôi phục lại điện

áp bình thường

Khi điện áp thấp xảy ra trên thanh cái phụ tải, một ngăn tụ bù hoặc máy bù đồng bộ có thể cung cấp thêm công suất phản kháng cho hệ thống để nâng các điện áp thanh cái, bộ thay đổi nấc có thể điều chỉnh tỉ số thay đổi của máy biến áp và gia tăng

độ lớn điện áp thứ cấp Tuy nhiên vì kết quả của điện áp thứ cấp cao hơn nên nhu cầu tổng công suất phản kháng trong hệ thống điện có thể tăng lên

Tri thức cho điều khiển điện áp/công suất phản kháng dùng trong hệ thống này được sắp xếp thành dạng luật như sau:

 Các giả thiết khi xây dựng các bộ luật trong hệ mờ

GiảThiết1: Các thông số tải và trạng thái làm việc của tất cả các phụ tải trong

hệ thống điện đều được cung cấp đầy đủ

GiảThiết2: Cấu trục của lưới điện phân phối không thay đổi Chỉ xét các trạng

thái quá tải của hệ thống điện

GiảThiết3: Tất cả các phụ tải đều được cung cấp đầy đủ, công suất thực P

không đổi

GiảThiết4: Các phụ tải được giả thiết là 3 pha cân bằng

GiảThiết5: Tỉ số R/X << 1 đối với mạng khu vực

 Xây dựng bộ luật vận hành

a Luật tác động

NẾU Điện áp của thanh cái tải vi phạm giới hạn vận hành

ra

hạn

THÌ Điều chỉnh ngõ ra của bộ điều chỉnh

b Luật điều khiển

 Luật áp dụng cho bộ bù tĩnh điều khiển cục bộ

ĐiềuKhiển1: Nếu điện áp tại nút k thấp thì tăng một ngăn tụ bù (SC) tại nút

k

ĐiềuKhiển2: Nếu điện áp tại nút k cao thì giảm một ngăn tụ bù (SC) tại nút

k

 Luật áp dụng cho bộ bù tĩnh điều khiển từ xa (toàn cục)

ĐiềuKhiển3: Nếu điện áp tại nút k thấp thì tăng một băng tụ bù tại nút cao

hơn gần nhất

ĐiềuKhiển4: Nếu điện áp tại nút k cao thì giảm một băng tụ bù tại nút cao

hơn gần nhất

 Luật áp dụng cho máy phát điều khiển

ĐiềuKhiển5: Nếu Qgk (công suất phản kháng tại nút k) > Qgmaxk (công suất

khiển điện áp máy phát) một nấc

ĐiềuKhiển6: Nếu Qgk (công suất phản kháng tại nút k) < Qgmink (công suất

khiển điện áp máy phát) một nấc

 Luật áp dụng cho máy phát điều khiển từ xa

ĐiềuKhiển7: Nếu điện áp tại nút k thấp thì tăng Vgk (bộ điều khiển điện áp

máy phát) ở máy phát gần nhất một nấc

ĐiềuKhiển8: Nếu điện áp tại nút k cao thì giảm Vgk (bộ điều khiển điện áp

máy phát) ở máy phát gần nhất một nấc

c Luật vận hành hệ thống an toàn

AnToàn1: Uchophép = Udanhđịnh 3% (Udanhđịnh [Umin,Umax])

AnToàn2: Nếu bộ bù tĩnh vận hành ở chế độ công suất phản kháng đặt

định mức thì thời gian vận hành cho phép là 24 giờ

AnToàn3: Nếu máy phát điều khiển vận hành ở chế độ công suất phản

kháng đặt cực đại thì thời gian vận hành cho phép là 3 giờ

Đối với các luật này, thủ tục mờ hóa được dựa trên việc sử dụng các hệ số nhạy Việc cân nhắc các điều kiện khác (tối thiểu việc thay đổi các hoạt động điều khiển, tối thiểu số lượng điều khiển được thay đổi, v.v…), được “điều chỉnh” theo nguyên tắc vận hành của hệ thống điện, liên quan với việc thích nghi riêng rẽ các hàm liên thuộc của các biến ngôn ngữ của các biến ngõ vào

2.2.4 Thiết kế bộ điều khiển mờ

1 Thuật toán bộ điều khiển

Bộ điều khiển mờ gồm có một khối điều khiển mờ đối với mỗi thiết bị điều khiển (tụ bù, máy phát,…) Mỗi khối điều khiển mờ tác động đến các vi phạm điện áp theo các tín hiệu tương ứng và đưa ra một tập hợp các thay đổi trạng thái thiết bị

Hoạt động của bộ điều khiển mờ được lặp đi lặp lại Bất cứ khi nào phát hiện được một vi phạm, bộ điều khiển mờ được khởi động và từ các tín hiệu như độ lệch vi phạm điện áp, hiệu quả bộ điều khiển, …, trạng thái thiết bị mới được đề xuất và được kiểm tra bởi thủ tục dòng công suất (thuật toán Newton-Raphson) Thủ tục này trả lại các giá trị điện áp và dòng công suất mới và cuối cùng là khởi động các kế hoạch thay đổi trạng thái mới bằng các khối điều khiển, các khối này được kiểm tra lần nữa bởi thủ tục dòng công suất Vòng lặp này tiếp tục cho đến khi không còn vi phạm nào được phát hiện

Hình 2.1: Lưu đồ điều khiển điện áp sử dụng bộ điều khiển mờ

Bắt đầu

 Xác định cấu hình vận hành hệ thống điện

 Lập ma trận độ nhạy

Nhập dữ liệu điện áp thanh cái

Các điện áp thanh cái

vi phạm ràng buộc?

Xác định thanh cái có vi phạm điện áp

 Chọn bộ điều khiển mờ tương ứng

 Tính toán hoạt động điều khiển được yêu cầu

 Kiểm tra các giới hạn của bộ điều khiển

 Kiểm tra các vi phạm điện áp trên các thanh cái còn lại

Các điện áp khôi phục bình thường?

Kết thúc

Có Không

Có

Không

Có thể xảy ra hai trường hợp:

1) đạt được mục tiêu ban đầu (ví dụ, tất cả các điện áp nút nằm trong phạm vi cho phép)

2) bộ điều khiển không tìm thấy giải pháp để đạt được mục tiêu ban đầu và do

đó phạm vi cho phép được mở rộng để đạt được mục tiêu mới Trong trường hợp hai, bộ điều khiển không tìm kiếm giải pháp lâu hơn so với tiêu chuẩn ban đầu nhưng tiếp tục tìm kiếm đối với giải pháp chấp nhận độ tăng dải thông cho phép nhỏ nhất của các điện áp nút

2 Cấu trúc bên trong

Tập hợp các khối điều khiển mờ tạo thành bộ điều khiển mờ, là một hệ thống nhiều đầu vào - nhiều đầu ra, bởi vì nó điều khiển điện áp trên tất cả các thanh cái của mạng các tín hiệu điều khiển các máy phát đối với một số lượng các thiết bị điều khiển tại cùng một thời điểm

Khối điều khiển mờ bao gồm một bộ điều khiển mờ Mamdani hai đầu vào và một đầu ra Để đơn giản và với các kết quả khá tốt, chọn các tập hợp mờ có dạng hình tam giác Phương pháp giải mờ được sử dụng là phương pháp điểm trọng tâm Trong việc thực hiện vận hành các tập mờ, sử dụng hàm T-norm đối với luật vận hành min (đối với phép giao), và sử dụng hàm S-norm đối với luật vận hành max (đối với phép hợp)

Khối điều khiển mờ đối với một thiết bị điều khiển được minh họa trong hình 2.2

Hình 2.2: Khối điều khiển mờ đối với một thiết bị điều khiển

Bộ điều khiển Controller gồm có hai tín hiệu đầu vào là hiệu quả điều khiển

điện áp (Efficiency) và độ lệch vi phạm điện áp (Violation); và một tín hiệu đầu ra là tín hiệu điều khiển (Control signal)

Dựa vào tập các luật tác động, điều khiển và vận hành để xây dựng bộ nhớ kết hợp mờ hay bảng luật cho bộ điều khiển mờ (Bảng 2.1)

Bảng 2.1: Bảng luật cho bộ điều khiển

Thiết kế này giúp duy trì các biến điều khiển luôn nằm trong phạm vi của chúng, điều này có nghĩa là hệ thống điều khiển hướng đến việc giữ biên độ điều khiển sẵn có trong mỗi biến, việc này rất quan trọng và hữu ích theo quan điểm vận hành

3 Phương pháp hội tụ

Độ hội tụ tốt phụ thuộc vào tỉ lệ thích hợp của tín hiệu điều khiển liên quan đến phạm vi điều khiển của mỗi thiết bị Tín hiệu điều khiển giải mờ đầu ra từ mỗi khối, trong phạm vi [-1,1], được sắp xếp thành số lượng bước lặp lại có thể chấp nhận được đối với thiết bị điều khiển Nếu phạm vi này bao gồm các giá trị riêng biệt (như trong máy biến áp có bộ đối nấc), nó được đưa đến một trong các giá trị gần nhất, với xác xuất tỉ lệ tương ứng với trạng thái gần với giá trị Việc làm tròn này giảm bớt nguy cơ

có thuật toán bị dừng tại điểm tối ưu địa phương

Từ các thực nghiệm, có thể quan sát thấy trong các trường hợp nhẹ, với một số lượng nhỏ các vi phạm điện áp, bộ điều khiển làm việc cực kỳ hiệu quả và dễ dàng hiệu chỉnh các điện áp thanh cái vào trong dải cho phép được xác định trong một số bước lặp

Trong các trường hợp rất xấu, với các quá tải đường dây, nhiều các vi phạm và giới hạn công suất điều khiển (ví dụ, vì chỉ có một số lượng nhỏ các thiết bị được cho phép vận hành để điều chỉnh điện áp đúng hay vì trạng thái của các bộ điều khiển sẵn sàng đóng cách xa phạm vi của chúng), nó không thể điều chỉnh tất cả các điện áp vào trong giới hạn cho phép Khi đó bắt buộc một số điện áp trong dải cho phép có thể điều chỉnh điện áp tại thanh cái khác vượt quá giới hạn của nó, các điện áp dao động

và không tìm được giải pháp khả thi Khi gặp phải trường hợp này, phạm vi điện áp cho phép được mở rộng từng bước trong các khoảng tăng 0,005 đvtđ cho đến khi tất

cả điện áp ở trong dải mới Quá trình này đi tìm giải pháp với các vi phạm nhỏ nhất có thể và xác định các hoạt động điều khiển thích hợp

Đây là sự mở rộng của khái niệm max-min bởi vì bộ điều khiển vẫn gặp khó khăn tại tất cả các thời điểm để cực tiểu các vi phạm cực đại

Mặt khác, khi một giải pháp khả thi tồn tại, thủ tục này có thể bị đảo ngược Các giới hạn dải cho phép bị thu hẹp từng bước khi có thể để đạt được giải pháp là phẳng điện áp Tuy nhiên, nó có thể không thích hợp trong việc cố gắng thúc đẩy hệ thống thành mặt điện áp quá phẳng bởi vì điều này có thể dẫn đến các góc điện áp lớn với các dòng đường dây dẫn tới các tổn thất công suất lớn hơn

3.1 Giới thiệu về MATLAB

3.2 Mô tả hệ thống điện thử nghiệm

3.3 Xây dựng mô hình

3.4 Mô phỏng trên MATLAB

3.5 Mô phỏng trong Simulink

3.6 Kết quả mô phỏng

Chương 3

MÔ PHỎNG HỆ MỜ ĐIỀU KHIỂN

ĐIỆN ÁP BẰNG MATLAB