Ứng dụng lý thuyết mờ điều chỉnh đầu phân áp máy biến áp lò và góc mở alpha của thyristor nhằm ổn định điệp áp nhà máy luyện thép theo đồ thị phụ tải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- GIANG QUỐC CHÍ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MỜ ĐIỀU CHỈNH ĐẦU PHÂN ÁP MÁY BIẾN ÁP LÒ VÀ GÓC MỞ ALPHA CỦA THYRISTOR NHẰM ỔN ĐỊNH ĐI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

GIANG QUỐC CHÍ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MỜ ĐIỀU CHỈNH ĐẦU PHÂN

ÁP MÁY BIẾN ÁP LÒ VÀ GÓC MỞ ALPHA CỦA THYRISTOR NHẰM ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP NHÀ MÁY LUYỆN THÉP THEO ĐỒ THỊ PHỤ TẢI

NGÀNH : MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

HÀ NỘI – 2009

GIANG QUỐC CHÍ NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN 2007-2009

HÀ NỘI

2009

-

GIANG QUỐC CHÍ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MỜ ĐIỀU CHỈNH ĐẦU PHÂN ÁP MÁY BIẾN ÁP LÒ VÀ GÓC MỞ ALPHA CỦA THYRISTOR NHẰM ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP NHÀ MÁY LUYỆN THÉP THEO ĐỒ THỊ PHỤ TẢI

NGÀNH : MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS PHAN ĐĂNG KHẢI

HÀ NỘI - 2009

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

công bố

Tác giả luận văn

Giang Quốc Chí

Hình tam giác

Tổn thất công suất tác dụng

Tổn thất công suất phản kháng

Hình sao

Hình 3.5: Luật hợp thành MISO với hai mệnh đề điều kiện

Hình 3.6: Hàm thuộc của các giá trị

Hình 3.7: Hàm thuộc đầu ra của mệnh đề thứ nhất

Hình 3.8: Hàm thuộc đầu ra của mệnh đề thứ hai

Hình 3.9: Hàm thuộc đầu ra của luật hợp thành

Hình 3.11: Giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm

Hình 3.12:Hàm thuộc đầu ra có dạng hình thang

Hình 3.13: Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ cơ bản

Hình 3.14: Cấu trúc của nơ ron sinh học

Hình3.15: Mô hình nơ ron có m đầu vào và một đầu ra

Hình 3.16: Cấu trúc mạng nơ ron

Hình 3.17: Mạng nơ ron truyền thẳng một lớp

Hình 3.18 Mạng MLP truyền thẳng

Hình 3.19 Mạng nơ ron hai lớp truyền thẳng

Hình 3.20 Các bước thiết kế mạng nơ ron ứng dụng

Hình 4.5 Thư viện Elements

Hình 4.6 Sơ đồ mô phỏng trên matlab

Hình 4.7 Cấu tạo pha A trong mô hình EAF

Hình 4.8 Cấu tạo pha A,B,C trong mô hình EAF

Hình 4.9 Cấu tạo khối A trong SVC

Hình 4.10 Mô hình bộ phát xung

Hình 4.11 cửa sổ khai báo mô phỏng

Hình 4.12 Hàm thuộc của tập mờ PT MW

Hình 4.14 Hàm thuộc của tập mờ α rad

Hình 4.15 Sơ đồ thuật toán tìm α theo lý thuyết mờ

Hình 4.16 Cấu trúc mô hình anfis đơn giản

Hình 4.17 quá trình huấn luyện trong mạng

Hình 4.18 Quá trình tính toán cơ bản trong ANFIS

Hình 4.19 Cấu trúc mạng nơ ron mờ của bài toán

Hình 4.20 Cấu trúc mạng nơ ron mờ của bài toán

Hình 4.21 Các luật điều khiển

Hình 4.22 Hiển thị các tập mờ đầu ra

Hình 4.23 mô phỏng khả năng làm việc của ANFIS

Hình 4.24 Mô phỏng hệ thống có SVC có bộ điều khiển bằng mạng nơ ron –

mờ

As presented in the thesis, the application of fuzzy logic control in the SVC

(static var compensator) control for voltage stability results in good efficency as

However, this thesis mentions voltage stability issue with flicker at frequency 3,

5, 7 And other flicker frequencies 9, 11, 13… used in EAF (electric arc furnace)

are considered

The application of Fuzzy logic in the SVC control for voltage stability is limited

to EAF, which has rapid and strong changes in load characteristic with large

flicker voltage

Based on this thesis, we can develop to other sides for futher study as follows:

- “ Studying the application of Fuzzy logic to control the open angle of SVC with interference filter in oder to apply for industrial load nodes.”

- “ Studying the voltage stability for EAF with quick responde, using DSTAT (distribution static synchronous compensator)

MỤC MỞ ĐẦU

Để sử dụng điện năng hiệu quả trong các lò luyện thép hồ quang, các vấn

đề phải được giải quyết tổng hợp thống nhất, đặc biệt là vấn đề ổn định điện áp, vấn đề hiệu chỉnh hệ số công suất và lọc sóng điều hoà cũng cần phải quan tâm

Ổn định điện áp có thể cải thiện đáng kể vấn đề vận hành lò luyện: hoặc gia tăng công suất cực đại do vậy tăng tốc độ sản suất, hoặc cho phép lò làm việc cùng một mức công suất cực đại nhưng với hồ quang ngắn hơn, nó làm giảm tính khó chảy vỏ bọc bên ngoài và giúp hạn chế nhiễu loạn trong điện áp

Trong khi sự ổn định điện áp luôn luôn mang lại lợi ích cho người sản suất thép, cũng như người bán điện là xí nghiệp điện lực Bởi vì vấn đề đền bù cần phải đặt ra khi các nhiễu loạn điện áp (nhấp nháy) gây ra bởi những dao động thất thường, lớn và nhanh của dòng điện trong lò Các nhiễu loạn như thế gây ảnh hưởng cho các khách hàng gần đấy

Các phương pháp được sử dụng để ổn định điện áp bao gồm việc đấu nối

lò ở điện áp cao, máy bù đồng bộ với điện kháng đệm và bộ điều khiển dùng thyistor tốc độ cao hiện đại và điện kháng bão hoà đáp ứng nhanh của các thiết

bị bù giúp giải quyết vấn đề đối nghịch giữa điện áp lò nung và cảm ứng nhấp nháy của bộ máy bù đồng bộ/ điện kháng đệm

Đấu nối lò ở lưới điện áp cao thường rất đắt và đôi khi là không thực tế, một trong một số trường hợp như thế điều khiển điện kháng bù bằng thyristor thay bù bằng điện kháng bão hoà cải thiện về mặt kinh tế và có những lợi ích kỹ thuật

Mục tiêu nghiên cứu là để phân tích và đề cập tới tính chất quan trọng của việc ổn định điện áp đối với quá trình sản xuất thép cũng như việc ứng dụng fuzzy logic trong điều khiển đầu phân áp máy biến áp lò và thiết bị bù

Chất lượng điện áp là một chỉ tiêu trong tiêu chuẩn chất lượng điện năng,

nó được đánh giá bởi các chỉ tiêu sau:

1- Độ lệch điện áp trên cực của thiết bị dùng điện so với điện áp định mức

2- Độ dao động điện áp

3- Độ không đối xứng

4- Độ không sin (sự biến dạng của đường cong điện áp, các thành phần sóng hài bậc cao,…)

Ngày nay trong lưới phân phối, các loại sóng điều hoà dòng điện, điện áp

có xu hướng gia tăng kể cả cường độ và số lượng song điều hoà tham gia vào hệ thống Một lý do quan trọng là sự tăng nhanh của các thiết bị, mà các thiết bị này lại sinh ra sóng hài, chẳng hạn như các thiết bị biến đổi điện, các lò hồ quang điện, các bộ biến đổi công suất xoay chiều dung thysistor, các máy hàn điện…Bộ điện kháng điều khiển dùng thysistor(TCR) là một ví dụ khác về thành phần hệ thống có phát ra sóng hài Ở chương này sẽ nói riêng về ảnh hưởng của lò hồ quang điện trong lưới phân phối

1.2 Đặc điểm của dòng điện hồ quang lò nung

Các dao động của điện áp sinh ra do các biến thiên thất thường với biên độ lớn

của dòng điện chạy qua tổng trở phía trước điểm đo Dòng điện có khuynh hướng là bất quy tắc do duy trì đốt nóng trên điện trở phi tuyến của hồ quang và bởi vì đôi lúc

hồ quang chuyển động thất thường, dưới ảnh hưởng tổ hợp của các lực điện từ, các dòng đối lưu, sự chuyển động của các điện cực (lên, xuống), chuyển động của phôi thép bị đốt chảy (chủ yếu là các mảnh vụn kim loại) Các dòng điện không cân bằng,

méo và dao động lớn ngay cả giữa hai nửa chu kỳ kế tiếp nhau Sự biến đổi và méo có khuynh hướng mạnh hơn trong suốt vài phút đầu tiên của chu kỳ nấu chảy, khi các điện cực graphite dịch chuyển xuống và đi vào phôi thép Như các bể nấu chảy kim loại, hồ quang trở nên ngắn hơn và ổn định hơn và chu kỳ “luyện tinh” theo sau có dòng điện với đặc tính đều đặn hơn và tương đối ít méo, công suất lò có thể giảm xuống trong giai đoạn này do ma sát nhỏ, giá trị khoảng dịch chuyển điện cực lên xuống điều bằng động cơ theo điện áp của biến áp lò nung

Việc đo lường được thực hiện đối với điện áp lò hồ quang điện cho thấy sóng hài đầu ra biến thiên rất lớn, ví dụ như sóng hài bậc 5 là 8% khi bắt đầu nóng chảy, 6% ở cuối mỗi giai đoạn nóng chảy và 2,5% của giai đoạn cơ bản trong suốt thời gian tôi luyện Với điều kiện không đối xứng của cực hồ quang điện, điều hoà bậc 3 và bộ số của nó có thể xảy ra với số lượng thấy rõ Thêm vào đó các sóng hài bậc 5 và bậc 7 xảy ra trong điều kiện đối xứng có thể gia tăng đáng kể trong điều kiện hồ quang không đối xứng

H 1.1 Điện áp và dòng điện hồ quang xoay chiều

Hình 1.1: Mô tả điện áp và dòng điện đo được ở một lò hồ quang cho thấy cả sóng điện áp và dòng điện đều bị méo

1.3 Các biện pháp giảm sóng hài bậc cao:

1.3.1: Máy biến áp:

- Dùng máy biến áp đấu Y/Y0

- Dùng máy biến áp đấu Y/∆ Việc sử dụng cuộn đấu ∆ của máy biến áp

sẽ khử sóng hài bậc cao xuất hiện trong các cuộn dây máy biến áp truyền từ sơ cấp sang thứ cấp, và ngược lại

- Sử dụng các thiết bị đóng cắt tốt hơn sử dụng cầu chì

- Chỉ dùng các thiết bị đóng cắt một cực tại vị trí máy biến áp và các thiết

bị ba pha đóng cắt từ xa

- Giữ tỉ lệ XC/XL cao ((lớn hơn 10) để tránh trường hợp cộng hưởng có thể xảy ra

- Lắp điện trở ở trung tính máy biến áp

- Dùng tải giả để hạn chế quá điện áp do cộng hưởng sắt từ

- Đảm bảo phải có tải trên lưới khi thao tác

- Dùng các máy biến áp có công suất lớn hơn thay cho các máy biến áp có hiện tượng quá tải lâu dài

- Hạn chế độ dài cáp trong việc lắp đặt các thiết bị ba pha, vì dây cáp dài

dễ hỏng hóc và phát sinh sự cố ngắn mạch hai pha

- Chỉ dùng thiết bị đóng cắt và phân đoạn ba pha tại gần các đầu cực của máy biến áp

- Nối đất tạm thời điểm trung tính của phía sơ cấp đấu Y trong quá trình thao tác đóng cắt

1.3.2 Máy điện quay:

Khi thiết kế cần lắp đặt các cuộn dây cản dịu, chúng sẽ khử được các sóng hài dòng điện xoáy

Giảm khe hở không khí giữa roto và stato đến giới hạn cho phép để giảm

từ thông tản sinh ra

Điều chỉnh việc phân bố dây quấn có thể làm tăng hay giảm mức độ sóng hài trong máy điện đồng bộ

1.3.3 Bộ biến đổi van:

Sử dụng cầu chì của bộ chuyển đổi van lớn hơn, và giảm số pha của bộ biến đổi van để giảm sóng hài

1.3.4 Sử dụng các bộ lọc:

Việc sử dụng các bộ lọc sóng hài bậc cao ngày nay là phương thức có triển vọng Khi lắp đặt các bộ lọc phải giải quyết từng phần hay toàn bộ bài toán

bù công suất phản kháng

Trong hệ thống cung cấp điện cho các xí nghiệp công nghiệp ở Tây Âu,

Mỹ và Nhật các bộ lọc sóng hài bậc cao đã trở nên thông dụng Ở nước ngoài phổ biến ý kiến cho rằng lắp đặt các bộ lọc (có tên là bộ lọc “hấp thụ”, hoặc bộ lọc có “hiệu ứng hấp thụ sóng hài”) là cách giải quyết tiết kiệm hơn so với việc tăng số lượng pha của các bộ biến đổi chỉnh lưu

Nhiều hãng nước ngoài như Siemens, AEG… đã sản xuất các bộ lọc hài bậc cao Đó là các bộ lọc sóng hài bậc 5,7,11,13 Hãng AEG đang sản xuất bộ lọc sóng hài 12 Trong các hệ thống cung cấp điện xí nghiệp, người ta đang sử dụng các bộ lọc đóng cắt hết sức đơn giản, bao gồm các tụ điện mở tuần tự và các điện kháng Những bộ lọc phức tạp hơn cũng như các bộ lọc liên hợp dùng

để lọc một vài sóng hài (bộ lọc giải) không được sử dụng cho các mạng điện ở các nhà máy

Một dãy bộ lọc đóng mở đấu sao (Y) có trung tính cách ly, việc sử dụng đấu tam giác (∆) không được sử dụng vì nguy hiểm, do việc đứt 1 pha cách ly của các tụ sẽ dẫn đến chập giữa các pha, điều đó có thể gây ra những hỏng hóc lớn cho các bộ lọc Phần lớn trong các trường hợp người ta nối với các điểm 0 các bộ điện kháng, khi đó sự cách điện ở vỏ các thiết bị của các tụ điện có điện

áp đối với đất ít hơn vài phần trăm so với khi người ta nối các tụ điện với các điểm 0 Vì vậy, việc nối nối tiếp có công suất lớn được ghép thành bộ từ 2 nhóm

3 pha Các nhóm này nối với nhau bằng đấu Y, nối với biến dòng (hoặc biến áp) bằng dây dẫn cân bằng giữa các điểm 0

Chương 2

MÁY BIẾN ÁP LÒ VÀ THIẾT BỊ BÙ TRONG NHÀ

MÁY LUYỆN THÉP LƯU XÁ

2.1 Đặc điểm của bộ điều chỉnh dưới tải

Các bộ OLTC thường được thiết kế theo nguyên tắc sau:

*Ban đầu tiếp điểm chính nối vào vị trí ban đầu 2 tiếp điểm phụ hở, không nối vào đâu cả

*Khi chuyển mạch, đầu tiên tiếp điểm chính mở ra, tiếp điểm phụ thứ nhất sẽ nối vào chỗ cũ của tiếp điểm chính Điện trở giữa tiếp điểm phụ thứ nhất

và tiếp điểm chính sẽ xen vào mạch Điện áp không bị gián đoạn

*Tiếp tục, tiếp điểm phụ thứ hai sẽ nối vào chỗ mới, chỗ của tiếp điểm chính sẽ đóng vào Tiếp điểm phụ thứ nhất vẫn còn ở chỗ cũ Điện trở giữa tiếp điểm phụ thứ 2 và tiếp diểm chính lại xen vào mạch 2 điện trở sẽ nhận áp của bối dây giữa 2 nấc mạch điện sẽ đi vào điểm nối giữa 2 điện trở

*Tiếp điểm phụ thứ nhất tách ra Mạch điện đi vào nấc mới qua điện trở giữa tiếp điểm phụ thứ 2 và tiếp điểm chính

*Tiếp điểm chính đóng vào vị trí mới`, tiếp điểm phụ thứ 2 mở ra

Tuy nhiên đó chỉ là nguyên tắc Thực tế, hệ thống OLTC phức tạp hơn nhiều

2.2 Các phương pháp bù hạn chế nhiễu của dòng điện

Nếu tính toán SVC của việc lắp đặt lò nung trong thiết kế rơi đúng vào vùng ranh giới hay vùng không ưa thích Vùng ranh giới đó phải thực hiện giữa việc giảm phụ tải lò nung củng cố việc cung cấp, hoặc là lắp đặt thiết bị bù

Việc cung cấp điện có thể được củng cố bằng cách đấu nối lò ở mức điện

áp cao hơn hay bằng cách xây dựng thêm đường dây, hoặc cả hai Áp dụng cả hai phương án này có thể là đắt nhưng thường được chấp nhận khi việc mở rộng trong tương lai cả hai nhà máy thép hay các phụ tải kế cận chúng đã được lường trước

Khi việc lắp đặt bù được tiến hành, có thể lựa chọn một trong các thiết bị

bù khác nhau Một số thiết bị bù khác nhau được tóm tắt ở bảng 1 dưới đây:

Bảng 1: Một số lợi ích và bất lợi thực tế của các thiết bị bù nhấp nháy khác nhau

- Xây dựng kiểu biến áp

- Yêu cầu bộ tụ điện bù ngang cho việc điều chỉnh hệ số

- Sinh ra các sóng điều hoà sử dụng cho chỉ 1 lò nung

- Xây dựng kiểu biến áp

- Yêu cầu tụ bù ngang cho việc hiệu chỉnh hệ số công suất

- Các quá độ trong lúc đóng điện các pha không độc lập trong điều khiển

giảm nhấp nháy hạn chế ngay cả với điện kháng đệm

2.3 Vai trò của thiết bị bù ngang và khả năng ứng dụng svc trong việc nâng cao ổn định điện áp

Công suất phản kháng cũng như công suất tác dụng trong hệ thống điện đều cần luôn phải điều chỉnh để giữ ở trạng thái cân bằng Sự mất cân bằng công suất phản kháng dẫn đến chất lượng điện áp không đảm bảo, tăng tổn thất, hệ thống mất ổn định Mặt khác về yêu cầu giữ cân bằng công suất phản kháng có

tính phân bố theo khu vực, bởi vậy điện áp tại các nút trong hệ thống điện rất khác nhau Vì vậy ngoài công suất phản kháng được cấp từ máy phát điện cần phải có thêm các nguồn công suất phản kháng phân bố khác như máy bù đồng

bộ, tụ điện bù và kháng điện

2.3.1 Vai trò của thiết bị bù ngang

Các thiết bị bù có vai trò quan trọng trong việc giữ điện áp các nút trong giới hạn cho phép Điều chỉnh điện áp được thực hiện thông qua điều chỉnh công suất phản kháng Công suất phản kháng mất cân bằng là nguyên nhân chính gây

ra điện áp nút thay đổi Để giữ cho điện áp nút không thay đổi có thể tiến hành theo hai cách sau:

- Điều chỉnh dòng công suất phản kháng từ nguồn cung cấp có thể giữ điện

áp nút U theo mong muốn bằng cách thay đổi dòng điện kích từ máy phát điện

- Điều chỉnh công suất phản kháng bằng cách tại nút phụ tải ta cấp trực tiếp một phần công suất phản kháng thì cũng có thể tăng điện áp U tại nút đó

Do điện áp nút trong hệ thống điện là không giống nhau nên biện pháp bù công suất phản kháng tại các nút phụ tải sẽ rất hiệu quả Đối với đường dây tải điện cao áp và siêu cao áp, trong khi làm việc nó tạo ra lượng công suất phản kháng đáng kể là do điện dung bản thân các đường dây này đóng vai trò là các tụ điện, phát công suất phản kháng theo công thức: Qc = bc.U2, với bc = b0.l trong

đó b0 dung dẫn trên một đơn vị chiều dài Công suất phản kháng này truyền vào

hệ thống gây mất cân bằng công suất phản kháng dẫn đến quá điện áp hệ thống nếu không có biện pháp cân bằng Sử dụng kháng bù ngang rất hiệu quả để cân bằng công suất phản kháng dẫn tới giữ ổn định điện áp

Thiết bị bù có tác dụng giảm tổn thất công suất, tổn thất điện năng Phần lớn phụ tải của mạng điện là các động cơ không đồng bộ và các máy biến áp nêu trên các đường dây của mạng điện phải chuyên chở một lượng công suất phản kháng lớn làm tăng tổn thất và tổn thất điện năng Như vậy muốn giảm tổn thất

công suất ta cần giảm lượng công suất phản kháng truyền trên đường dây, lượng công suất phản kháng này giảm khi ta đặt các thiết bị bù ngay tại phụ tải

Thiết bị bù còn có tác dụng làm tăng lượng công suất hữu dụng truyền tải trên đường dây

Ngoài ra thiết bị bù còn các tác dụng cải thiện quá trình ổn định của hệ thống Do các thiết bị bù có thể tăng khả năng truyền tải tối đa Vì vậy người ta rất quan tâm đến việc điều chỉnh nhanh và thích hợp việc bù ngang để có thể thay đổi được dòng năng lượng trong hệ thống suốt quá trình biến động nhằm tăng quá trình ổn định và cung cấp công suất tác dụng để dập tắt dao động

2.3.2 Thiết bị bù ngang tĩnh có điều khiển – SVC

SVC là thiết bị có khả năng điều chỉnh nhanh công suất phản kháng bằng cách thay đổi giá trị điện kháng Để hiệu chỉnh tổng trở phản kháng theo đặc tính đã định một cách thích hợp người ta dùng các thyristor

SVC cung cấp hai giải pháp cho bài toán bù:

- Bù phụ tải tại những nơi có yêu cầu giảm bớt sự cung cấp công suất phản kháng từ hệ thống của các phụ tải lớn có tính giao động trong công nghiệp như lò hồ quang, máy cán và để cân bằng công suất phụ tải trên cả ba pha của đường dây cung cấp

- Điều chỉnh điện áp của đường dây truyền tải nhằm đáp ứng của hai đầu phát và nhận Việc điều chỉnh điện áp được thực hiện qua việc điều chỉnh nhanh công suất phản kháng của SVC và do đó điều khiển nhanh công suất phản kháng

ở đầu ra của SVC

SVC được xây dựng trên nhiều mô hình thiết kế khác nhau Tuy nhiên cấu tạo chung của thiết bị bù ngang tĩnh SVC đều từ hai loại phần tử cơ bản sau:

- TCR: Thyristor controller reactor (cuộn kháng được điều khiển bằng Thyristor)

- TSC: Thyristor switched capacitor (tụ đóng cắt bằng thyristor)

2.3.3 Cuộn cảm được điều khiển bằng Thyristor

Phần tử cơ bản của TCR là cuộn cảm nối tiếp với cặp thyristor mắc đối song song như hình 2.1 Cuộn kháng cố định có lõi bằng không khí

Thyristor dẫn luân phiên mỗi nửa chu kỳ của tần số nguồn tùy thuộc vào góc kích α Khi α = π/2 thyristor dẫn hoàn toàn, lúc này dòng điện có được như khi nối tắt thyristor Dòng điện i hình sin chậm pha hơn điện áp u là π/2, khi α = π/2 ÷ π thyristor dẫn một phần, góc kích α từ 0 ÷ π/2 không được phép vì sẽ tạo

ra dòng điện không đối xứng với thành phần một chiều Tăng góc α sẽ làm giảm biên độ thành phần cơ bản I1 của dòng điện, dẫn đến XL tăng Đặc tính U – I được mô tả bởi phương trình:

U = Uref + XSL.I (2.1)

Do dẫn điện trễ, TCR tạo ra dòng điện điều hòa bậc lẻ khi α = π/2 ÷π, trong đó thành phần 6n+1 là thành phần thứ tự thuận, thành phần 6n – 1 là thành phần thứ tự nghịch, thành phần 6n – 3 là thành phần thứ tự không TCR hoạt động như nguồn dòng và không phải biên độ cực đại của tất cả các dòng điều hòa được xuất hiện cùng một góc kích

Trong hệ thống ba pha cân bằng TCR được đấu ∆ (TCR 6 xung) và chỉ có sóng hài bậc 6n ±1 Cuộn cảm được tách ra thành hai phần mắc hai bên thyristor

ở mỗi nhánh ∆ để hạn chế dòng sự cố thyristor

Có thể khử sóng hài bằng cách dùng TCR 6 xung mắc vào hai cuộn thứ cấp của máy biến áp giảm áp, một cuộn thứ cấp nối Y và một cuộn thứ cấp khác nối ∆ để tạo ra TCR 12 xung Cả hai TCR được được điều khiển bởi cùng một góc kích Vì điện áp lệch pha π/6 nên thành phần 6(2n -1) ± 1 của dòng điện sẽ

bị khử trong MBA, thành phần 12n ± 1 của dòng điện sẽ đi vào hệ thống điện Các bọ tụ có thể mắc song song với TCR để vừa nới rộng đặc tính làm việc của

nó, vừa có thể lọc các sóng hài không mong muốn Khi đó vùng làm việc được xác định bởi công suất định mức của các phần tử và định mức quá tải của TCR

Như đặc tính làm việc trên hình vẽ, để duy trì cân bằng giữa các cực của khóa thyristor, tránh các dòng điều hòa bậc và một chiều, các xung mở được hạn chế từ α = π/2 ÷ π Xung gửi đến khóa thyristor ở góc mở α làm cho điện kháng tương ứng dẫn điện cho đến điểm không kế tiếp của dòng điện, do đó việc cấp công suất bù phản kháng được xác định

Như vậy dễ nhận thấy TCR có những đặc điểm sau:

- Đáp ứng động của TCR rất nhanh, nhưng trễ do mạch đo lường và điều khiển cũng như tổng trở hệ thống, cho nên có thể chỉnh định để cho thời gian đáp ứng chậm hơn khoảng từ 3 đên 10 chu kỳ vì lý do ổn đinh mạch điều khiển

- Phát sinh sóng hài của sơ đồ tùy thuộc loại TCR, cấu trúc bộ lọc và tình trạng vận hành của hệ thống điện Điện áp không cân bằng, dung sai ở góc kích

và phần tử chính của TCR có thể tạo ra nhiều sóng hài bậc 2, 3, 9 Những sóng hài này thường dưới 2% định mức của TCR Bộ lọc ở mạch đo lường và điều khiển có thể làm giảm những sóng điều hòa này

- Tổn hao của TCR tùy thuộc và kết cấu và điểm làm việc Tổn hao của TCR với tụ cố định từ 0,5 ÷ 0,7% công suất định mức

- Khả năng quá tải của TCR được xác định bởi thyristor

Vì những đặc điểm này mà TCR có thể được ứng dụng:

- Ổn định điện áp và giảm quá điện áp tạm thời trong hệ thống điện

- Cải thiện ổn định trong hệ thống điện

- Giảm dao động công suất

- Cân bằng tải trong hệ thống điện

- Bù cho tuyến HVDC

2.3.4 Bộ tụ đóng ngắt bằng thyristor (TSC)

Phần tử cơ bản của TSC là các tụ điện mắc song song, mỗi tụ được mắc nối tiếp với một cặp thyristor, cặp thyristor mắc song song ngược chiều nhau như hình 2.2

Bộ tụ được chia thành nhiều nấc nhỏ, đóng cắt các nấc này bằng thyristor TSC cung cấp điều khiển on/off chứ không phải là điều khiển pha Nhu cầu công suất phản kháng được đáp ứng bằng cách đóng hay mở một lượng xấp xỉ các tụ điện Ở trạng thái cắt của tụ điện có một điện áp nạp trước bằng với đỉnh âm hay dương của điện áp xoay chiều được duy trì từ thời điểm không của dòng điện khi

U

C i

Hình 2.2 Tụ đóng ngắt bằng thyrristor

nó đã bị cắt lần sau cùng Để làm cực tiểu dòng quá độ của tụ điện, tụ được đóng chỉ khi điện áp xoay chiều bằng với điện áp nạp trước Điều này chỉ xảy ra một lần trong mỗi chu kỳ, do vậy, mạch điều khiển luôn có ít nhất một chu kỳ đầy đủ mà trong khoảng đó để quyết định cắt hay không cắt một tụ nào đó Do đó điều khiển tạo xung kích cho thyristor sẽ quyết định quá độ đóng ngắt như sau:

- Quá độ nhỏ về dòng điện i sẽ diễn ra nếu thyristor được kích lúc điện áp trên tụ uc bằng điện áp của hệ thống

- Quá độ lớn về dòng điện sẽ xảy ra nếu thyristor được kích lúc điện áp trên tụ uc và điện áp hệ thống ngược nhau

Ngoài ra có thể mắc một cuộn cảm nhỏ nối tiếp tụ sao cho biến thiên di/dt vẫn nằm trong giới hạn cho phép khi tình trạng đóng cắt quá độ xấu nhất xảy ra

Như vậy có thể nhận thấy một số đặc điểm sau của TSC:

- Chọn cấp điện áp để mắc TSC có thể ảnh hưởng đáng kể đến giá thành toàn bộ TSC Nó cũng quyết định đến mức chịu điện áp và dòng điện của thyristor

- Đặc tính U – I của TSC gián đoạn và được xác định bởi công suất và số phần tử mắc song song Đáp ứng động của TSC nhanh (khoảng 0,5 – 1 chu kỳ), nhưng do trễ của mạch điều khiển và đo lường cho nên có thể chỉnh định để đáp ứng chậm hơn vì lý do ổn định điều khiển

- TSC không phát sinh sóng hài nhưng nguy hiểm do cộng hưởng nối tiếp với hệ thống điện và tổng trở của cuộn cảm nối tiếp

- Khả năng quá tải của TSC được quyết định bởi thyristor và tụ

Do những đặc điểm trên mà TSC có thể được dùng:

- Duy trì điện áp khi có tác dụng của nhiễu lớn

- Giảm giao động công suất

tụ bù tĩnh như: điều khiển điện áp, giảm tổn thất công suất và điện năng trong lưới điện, nâng cao giới hạn truyền tải công suất cho các đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh, điều khiển quá trình quá độ nâng cao tính ổn định động cho hệ thống Các ứng dụng này có thể đạt được là do hệ điều khiển đi cùng của SVC Tuy nhiên để SVC đáp ứng được tất cả các chức năng trên thì hệ điều khiển phải được xây dựng hết sức phức tạp, do vậy trong phạm vi luận văn chỉ đề cập đến việc xây dựng hệ điều khiển bộ SVC để dùng mục đích điều khiển điện áp khi phụ tải thay đổi liên tục

2.4 Nguyên tắc chung điều khiển điện áp của SVC

Để xem xét khả năng điều chỉnh của SVC ta xét hệ thống cung cấp điện được biểu diễn bằng mạch tương đương thevenin một pha ở hình 2.3

Khi không có bù, sự thay đổi điện áp cung cấp do dòng điện phụ tải IT

gây ra được biểu biễn như hình 2.3 – b là ∆U

∆U = ∆UR + j∆UX (2.4)

Sự thay đổi điện áp có thành phần ∆UR cùng pha với IT và thành phần

∆UX vuông góc với IT, được biểu diễn như trên hình 2.3 – b Điều này có nghĩa

là biên độ và pha của U có liên quan đến điện áp cung cấp E, là các hàm số của biên độ và pha của dòng điện phụ tải Hay nói cách khác là sự thay đổi điện áp phụ thuộc vào cả công suất tác dụng và công suất phản kháng của phụ tải

Khi thêm thiết bị bù nối song song với tải, có thể làm cho | U&|=| E&|, tức là làm cho sự thay đổi điện áp bằng không hay giữ cho biên độ điện áp cung cấp không đổi ở giá trị E khi có tải Điều này được minh họa như hình 2.3 – c

Công suất phản kháng QT ở phương trình (2.3) được thay bằng QS = QC +

QT và QC được chỉnh định sao cho làm quay đồ thị véc tơ pha ∆U cho đến khi

Đặt a = RS2 + XS2, b = 2U2XS, c = (U2 + RSPT)2 + (XSPT)2 – E2.U2,

Phương trình (2.5) được viết lại như sau: a.QS2 + bQS + c = 0 (2.6)

Nghiệm QS được xác định:

2 S

có biên độ điện áp là điều khiển được còn góc pha của nó thay đổi liên tục theo dòng tải

2.5 Đặc tính điều chỉnh của SVC

Đặc tính điều chỉnh của SVC có thể xây dựng được dựa vào nguyên lý làm việc của thyristor Thyristor hoạt động như một diode, tuy nhiên ngoài điều kiện điện áp đặt lên bản thân thyristor thuận chiều còn yêu cầu một xung điện áp đặt lên cực điều khiển Xung có thể không kéo dài mà thyristor vẫn mở cho đến khi điện áp ngược đặt lên thyristor Sang chu kỳ mới điện áp đặt thuận chiều nhưng mạch cũng chỉ mở khi có tín hiệu điều khiển xung Rõ ràng thay đổi phát xung mỗi chu kỳ có thể thay đổi được dạng đường cong dòng điện

Để điều khiển điện kháng của SVC ta tiến hành điều khiển điều khiển góc

mở của thyristor trong bộ TCR

Dạng sóng điều chỉnh có dạng như hình vẽ 2.5

Nếu xem thành phần cơ bản của dòng điện là thành phần làm việc thì biên

độ của thành phần này hoàn toàn thay đổi theo góc α của thyristor Khi thyristor

mở hoàn toàn (α = 0) biên độ thành phần cơ bản sẽ lớn nhất, khi α = π dòng qua

mạch bằng 0 Khi thay đổi đột ngột từ α = 0 đến α = π thì trạng thái đóng cắt của

mạch TSR và TCR Trong mạch điện có điện cảm quan hệ giữa điện áp ngoài và

dòng điện trong mạch phức tạp hơn nhưng nguyên lý làm việc của thyristor

không có gì thay đổi

Đặc tính điều chỉnh của SVC được coi là quan hệ giữa biên độ thành phần

cơ bản của dòng điện với góc mở α của thyristor Đặc tính đó có thể nhận được

bằng cách phân tích dòng điện toàn phần thành chuỗi Fourier

Nếu hàm f(t) nào đó tuần hoàn với chu kỳ thời gian là T = 2π thì có thể

Với dòng điện đi qua TCR như hình 2.6, với tần số công nghiệp ω = 2πf

ta có hàm chu kỳ T =1/f Đổi biến 2 t

Bây giờ ta xét quan hệ điều chỉnh thông số điện kháng và công suất của TCR Ta có:

dm m

k min

UI

1

Hình 2.7 Đặc tính điều chỉnh của TCR

Với Xkmin được hiểu là điện kháng của TCR ứng với góc cắt α0 = π/2 Theo kết quả nhận được ở trên ta có thể biểu diễn được biên độ của thành phần

UQX

= Nếu SVC có trị số điện kháng thay đổi hữu hạn từ Xkmin đến Xkmax thì công suất tiêu thụ thay đổi từ Qkmax đến Qkmin

Như vậy với việc lắp đặt bộ SVC tại điểm nút cần điều chỉnh điện áp thì việc điều khiển để giữ điện áp tại thanh cái U không đổi khi (PT ; QT) thay đổi liên tục là hoàn toàn thực hiện được nhờ việc thay đổi góc mở α cho bộ TCR

Bộ điều khiển góc mở α có thể được xây dựng dựa trên những nền tảng lý thuyết điều khiển khác nhau Một trong những hướng nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển này là sử dụng điều khiển mờ và mạng nơron Cụ thể là thiết kế bộ điều khiển để điều khiển góc mở α của thyristor của TCR trên nền mạng NƠRON – MỜ, nhằm mục đích giữ điện áp U tại thanh cái phụ tải không đổi khi tải biến thiên

Chương 3

TỔNG QUAN VỀ LOGIC MỜ VÀ MẠNG NORON

Trong chương này chúng ta đi tìm hiểu về logic mờ và mạng nơ ron cũng như các ứng dụng cơ bản của trong điều khiển

3.1 Logic mờ

Logic mờ là các công cụ để mô hình hóa các quyết định của con người Ví

dụ người lái xe quan sát chướng ngại vật, đánh giá tình trạng của đường (tốt hay xấu, rộng hay hẹp ) để đưa ra các quyết định điều khiển xe (ga, thắng, tay lái ) Cần có các cách thức quyết định của con người để có thể tiến hành mô hình hóa

Tập mờ F định nghĩa trên nền X sẽ chứa các phần tử sau:

F = {(1;1), (2;1), (3; 0,8), (4, 0,07)}

a Phép hợp

* Phép hợp hai tập mờ có cùng cơ sở

Hợp của hai tập mờ A, B có cùng tập nền X là một tập mờ A∪ B cũng xác định trên tập nền X có hàm thuộc µ A∪B(x) thỏa mãn:

+ µ A∪B(x) = µ B∪A(x);

+ µ (A∪B) ∪C (x) = µ A∪(B ∪C) (x)

+ µ A1(x) ≤ µ A2(x) thì µ A1∪B(x) ≤ µ A2∪B(x)

Các công thức thông dụng dùng để tính hàm thuộc µ A∪B(x):

Luật SUM: µ A∪B(x) = min {1, µA(x) + µB(x)}

Luật MAX: µ A∪B(x) = max {µA(x); µB(x)}

Luật EINSTEIN: µ A∪B(x) = (µA(x) + µB(x))/(1+ µA(x) + µB(x))

Luật tổng trực tiếp: µ A∪B(x) = µA(x) + µB(x) - µA(x) µB(x);

* Phép hợp hai tập mờ khác cơ sở

Hàm thuộc của hợp hai tập mờ A và B với µA(x) định nghĩa trên nền M và

B với µB(x) định nghĩa trên nền N là một hàm hai biến µ(µA; µB): [0; 1]2 → [0; 1] xác định trên tập nền M x N thỏa mãn:

* Phép giao của hai tập mờ có cùng cơ sở

Giao của hai tập mờ A, B có cùng tập nền X là một tập mờ A∩B cũng xác định trên tập nền X có hàm thuộc µ A∩B (x) thỏa mãn:

+ µ A∩B (x) chỉ phụ thuộc vào µ A(x) và µB(x)

+ µB(x) = 1 với mọi x thì µ A∩B (x) = µ A(x)

+ µ A∩B (x) = µ B∩A (x)

+ µ ((A∩B) ∩C) (x) = µ ((A∩(B∩C)) (x)

+ µ A1(x) ≤ µ A2(x) thì µ A1∩B (x) ≤ µ A2∩B (x)

Các công thức thông dụng dùng để tính hàm thuộc µ A∩B (x):

Luật PROD: µ A∩B (x) = µA(x).µB(x)

Luật MIN: µ A∩B (x) = min {µA(x); µB(x)}

Luật EINSTEIN:

µ A∩B (x) = (µA(x)µB(x))/(2 - µA(x) - µB(x) + µA(x)µB(x)

Luật lukasiewics : µ A∩B (x) = max {0; µA(x) + µB(x) – 1}

* Phép giao hai tập mờ khác cơ sở

Hàm thuộc của giao hai tập mờ A với µA(x) định nghĩa trên miền M và B với µB(x) định nghĩa trên nền N là một hàm hai biến µ(µA; µB): [0; 1]2→[0; 1] xác định trên miền MxN thỏa mãn:

A Hàm thuộc của µ(µA) của một phép bù mạnh gọi là hàm phủ định mạnh Phép

bù mờ của tập mờ A hay dùng trong điều khiển mờ là phép bù có tập mờ AC với hàm thuộc µ(µA) = 1 – µA(x)

3.1.1.3 Biến ngôn ngữ

Biến ngôn ngữ là biến xác định trên các miền các giá trị ngôn ngữ, mà mỗi giá trị trong miền này lại được mô tả trên tập nền là miền các giá trị vật lý tương ứng của nó

Các giá trị ngôn ngữ của biến x là AA, BB, CC, DD, EE, FF được mô tả bằng các tập mờ với hàm thuộc µAA(x); µBB(x); µCC(x); µDD(x); µEE(x); µFF(x) có tập nền là miền các giá trị rõ tương ứng

Như vậy với mỗi giá trị rõ đầu vào X ta được một bộ giá trị tương ứng được đặc trưng bởi các độ phụ thuộc của X như sau:

AA BB CC DD EE FF

(x)(x)(x)

(x)(x)(x)

Cho hai biến ngôn ngữ x và y Nếu x nhận giá trị mờ A với hàm thuộc

µA(x) và y nhận giá trị mờ B có hàm thuộc µB(x) thì biểu thức

x = A được gọi là mệnh đề điều kiện (p), và y = B được gọi là mệnh đề kết luận (q)

Khi đó mệnh đề hợp thành là:

p ⇒q (từ p suy ra q) (3.1)

Hoàn toàn tương ứng với mệnh đề hợp thành: nếu x = A thì y = B Mệnh

đề hợp thành (3.1) cho phép xác định được hệ số thỏa mãn mệnh đề kết luận q của giá trị đầu ra y từ một giá trị đầu vào x0 (thể hiện bằng độ phụ thuộc µA(x))

Hệ số thỏa mãn mệnh đề kết luận này được gọi là giá trị của mệnh đề hợp thành khi đầu vào bằng A và giá trị mệnh đề hợp thành:

A ⇒ B (3.2)

là một giá trị mờ Nếu biểu diễn giá trị mờ đó là tập hợp B’ thì mệnh đề hợp thành mờ mô tả ở trên chính là ánh xạ µA(x0) → µB’(y)

3.1.2.2 Mô tả mệnh đề hợp thành

Ánh xạ µA(x0) → µB’(y) chỉ ra rằng mệnh đề hợp thành là một tập hợp mà mỗi phần tử là một cặp giá trị (µA(x0); µB’(y)), tức là mỗi phần tử là một tập mờ

Mô tả mệnh đề hợp thành chính là mô tả ánh xạ trên

Hàm thuộc cho mệnh đề hợp thành có thể xác định theo nhiều nguyên tắc công thức khác nhau Tuy nhiên hai công thức thường được sử dụng nhiều nhất trong kỹ thuật điều khiển mờ là quy tắc Mamdani và được gọi chung là quy tắc hợp thành

3.1.2.3 Luật hợp thành mờ

Luật hợp thành là tên chung để gọi mô hình R biểu diễn một hay nhiều hàm thuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành Nói cách khác, luật hợp thành được hiểu là một tập hợp của nhiều mệnh đề hợp thành được gọi là luật hợp thành đơn, ngược lại nếu có nhiều hơn một mệnh đề hợp thành thì gọi là luật hợp thành kép

Tùy theo quy tắc hợp thành (Min hoặc Prod) được áp dụng cho việc xác định hàm thuộc cho mỗi mệnh đề hợp thành và phép hợp (max hoặc sum) được thực hiện giữa các mệnh đề mà ta có được quy tắc cho luật hợp thành tương ứng

là max – MIN, max – PROD, sum – MIN, sum – PROD

a) Thuật toán thực hiện luật hợp thành đơn cho cấu trúc MISO

Xét mệnh đề hợp thành có d mệnh đề điều kiện:

Nếu x1 = A1 và x2 = A2 và và xd = Ad thì y = B gồm d biến đầu vào x1;

x2; x3 xd và một biến đầu ra y Trong đó liên kết AND giữa các mệnh đề điều kiện được thực hiện bằng phép giao các tập mờ A1, A2, , Ad với nhau, kết quả của phép giao là độ thỏa mãn H Các bước xây dựng luật hợp thành R như sau:

- Rời rạc hóa miền xác định hàm thuộc µA1(x1), µA2(x2), µA3(x3), , µAd(xd),

µB(y) của các mệnh đề điều kiện và kết luận