Nghiên cứu nâng cao ổn định dao động công suất trong hệ thống điện sử dụng thiết bị svec

Hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt POD: Power oscillation damping – Giảm dao động công suất PCC: Point of common coupling – Điểm kết nối chung PSS: Power system stabilizer – Bộ ổn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-HUỲNH HOÀNG HUYNH

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ĐỊNH DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG

ĐIỆN SỬ DỤNG THIẾT BỊ SVeC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-HUỲNH HOÀNG HUYNH

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ĐỊNH DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG

ĐIỆN SỬ DỤNG THIẾT BỊ SVeC

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCMngày 20 tháng 05 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: HUỲNH HOÀNG HUYNH Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: .30-10-1978 Nơi sinh:

Phú Yên Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn “Nghiên cứu nâng cao ổn định dao động công suất trong hệ thống điện sử dụng thiết bị SVeC” là do tôi tự tổng hợp và

nghiên cứu, không sao chép của ai Trong luận văn có sử dụng một số nguồn tài liệutham khảo rõ ràng như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Tôi xin chịu trách nhiệm về những gì tôi khai trước nhà trường và hội đồng khoa học

Tp.HCM, tháng 04, năm 2017

Tác giả Luận văn

Huỳnh Hoàng Huynh

hoàn thành đề tài “Nghiên Cứu Nâng Cao Ổn Định Dao Động Công Suất Trong

Hệ Thống Điện Sử Dụng Thiết Bị SVeC”

Xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trực tiếp giảng dạy, truyền đạt nhữngkiến thức chuyên môn cho bản thân Tác giả trong thời gian qua Xin chân thànhcảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ nhiệt tình, vô tư về điều kiện vậtchất lẫn tinh thần và những kinh nghiệm giá trị trong suốt quá trình hoàn thành luậnvăn của Tác giả

Cuối cùng, một lần nữa, Tác giả xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, các đơn

vị và cá nhân đã giúp đỡ Tác giả trong quá trình học tập vào thực hiện luận văn tốtnghiệp này Tác giả mong nhận được sự góp ý, của quý Thầy Cô và đọc giả để luậnvăn được hoàn chỉnh hơn

Xin chân thành cảm ơn

Huỳnh Hoàng Huynh

TÓM TẮT

Trong luận văn này, một hệ thống máy phát điện đồng bộ nối với bus vôhạn(OMIB) và trang trại gió được nghiên cứu Để nâng cao độ ổn định động của hệthống một thiết bị bù vecto nối tiếp (SVeC) được đề xuất và được kết nối vào buschung (PCC) của hệ thống Để nâng cao độ ổn định của hệ thống điện nghiên cứu,một bộ điều khiển giảm dao động (POD) được thiết kế cho bộ SVeC dựa trênphương pháp mờ thích nghi (ANFIS) Kết quả mô phỏng được thực hiện bằng phầnmềm Matlab Có thể kết luận từ kết quả mô phỏng rằng thiết bị bù nối tiếp SVeC cóthể cải thiện tốt hơn độ ổn định của hệ thống điện nghiên cứu khi có sự cố nghiêmtrọng xảy ra trong hệ thống điện

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x

DANH MỤC CÁC BẢNG xiv

Chương 1 GIỚI THIỆU .1

1.1.Đặc vấn đề .1

1.2.Tính cấp thiết của đề tài 1

1.3.Mục tiêu của đề tài 3

1.4.Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu .3

Chương 2.TỔNG QUAN THIẾT BỊ FACTS VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 4

2.1.Tổng quan về ứng dụng thiết bị FACTS .4

2.1.1.Giới thiệu 4

2.1.2.Định nghĩa 5

2.1.3.Công nghệ FACTS 5

2.1.4.Lý thuyết về FACTS 6

2.1.5.Phân loại thiết bị FACTS 9

2.2.Ứng dụng thiết bị FACTS trong hệ thống điện 10

2.2.1.Bộ bù công suất Var tĩnh –SVC 10

2.2.2.Bộ bù đồng bộ tĩnh –STATCOM 15

2.2.3.Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh –SSSC 18

2.2.4.Bộ bù dọc điều khiển bằng Thyristor –TCSC 18

2.2.5.Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất –UPFC 19

(ANFIS) 20

3.1.Đặt vấn đề 20

3.2.Tổng quan về điều khiển mờ .20

3.2.1.Giới thiệu 20

3.2.2.Cấu trúc của hệ điều khiển mờ 23

3.3.Tổng quan về mạng nơron .34

3.3.1.Giới thiệu 34

3.3.2.Lịch sử phát triển của mạng nơron nhân tạo 35

3.3.3.Cấu trúc mạng nơron nhân tạo 36

3.3.4.Mô hình nơron 38

3.3.5.Cấu trúc mạng 40

3.4.Sự kết hợp giữa mạng nơron và logic mờ .44

3.4.1.Vài nét về lịch sử phát triển 44

3.4.2.Logic mờ 44

3.4.3.Mạng nơron 45

3.4.4.Sự kết hợp giữa mạng nơron và logic mờ 45

3.5.Các hệ thống điều khiển dùng nơron mờ trong nước và trên thế giới .47

Chương 4.SO SÁNH ĐÁNH GIÁ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRAO LƯU CÔNG SUẤT TRONG VIỆC BÙ NỐI TIẾP SỬ DỤNG BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-LINK & AC-LINK 51

4.1.Giới thiệu 51

4.2.Bù nối tiếp 53

4.3.Các bộ bù điển hình 54

4.3.1.Bộ bù nối tiếp DC-Link 54

4.3.2.Bộ bù nối tiếp AC-Link 55

4.4.Mô tả thí nghiệm hệ thống 57

4.5.Đánh giá thực hiện kết quả ban đầu 58

4.5.1.Các chế độ hoạt động 58

4.5.2.Các cân nhắc về thiết kế 59

4.6.Đánh giá khả năng động 72

4.6.1.Mô hình động 72

4.6.2.Cơ cấu điều khiển 73

4.6.3.Về thiết kế bộ điều khiển 74

4.6.4.Đáp ứng thay đổi công suất 75

4.6.5.Đáp ứng khi sự cố 76

4.6.6.Tính năng động của hệ thống 76

Chương 5.THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ANFIS CHO SVeC ĐỂ ỔN ĐỊNH DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 78

5.1.Cấu hình hệ thống điện đề xuất nghiên cứu 78

5.2.Mô hình thiết bị SVeC 78

5.3.Ảnh hưởng của sự cố ngắn mạch trên hệ thống điện 81

5.4.Tiêu chí điện áp theo qui định của Bộ công thương Việt Nam 81

5.5.Dòng ngắn mạch và thời gian loại trừ ngắn mạch theo qui định của Bộ công thương Việt Nam 82

5.6.Mô phỏng thiết bị SVeC và bộ điều khiển ANFIS trên Matlab 84

5.7.Kết quả mô phỏng hệ thống .96

Chương 6.KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 101

6.1.Kết luận 101

6.2.Hướng phát triển của đề tài: 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu Tên gọi

FACTS: Flexible ac transmission systems Hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt

POD: Power oscillation damping – Giảm dao động công suất

PCC: Point of common coupling – Điểm kết nối chung

PSS: Power system stabilizer – Bộ ổn định công suất hệ thống

PWM: Pulse width modulation – Bộ điều chế độ rộng xung

TCSC: Thyristor-controlled series capacitor - Bộ bù dọc điều khiển ThyristorTCR: Thyristor-controlled reactor – Thyristor điều chỉnh điện kháng

SVeC: Series vectorial compensator – Bộ bù véctơ nối tiếp

SSSC: Series static synchronous compensator - Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnhSTATCOM: Shunt static synchronous compensator - Bộ bù đồng bộ tĩnh

SVC: Static Var compensator – Bộ bù Var tĩnh

UPFC: Unified powerflow cntroller - Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhấtVSC: Voltage-sourced converter – Bộ chuyển đổi điện áp nguồn

DC: Direct current – Dòng điện một chiều

AC: Alternating current – Dòng điện xoay chiều

WF: Wind farm – Trang trại gió

DFIG: Double feed generator - Máy phát nguồn kép

D: Duty cycle – Chu kỳ thực hiện

R: Resitance – Điện Trở

I: Current – Dòng điện

V: Voltage - Điện áp

P: Power - Công suất tác dụng

Q: Reactive power – Công suất phẩn kháng

T: Moment – Mô men

L: Reactor – Cuộn kháng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Đường dây không có tổn thất .7

Hình 2.2 Khi bù nối tiếp 8

Hình 2.3 Khi bù song song 8

Hình 2.4 Bộ SVC kết nối với hệ thống điện 10

Hình 2.5 Cấu tạo bộ TCR 11

Hình 2.6 Cấu tạo bộ TSC 12

Hình 2.7 Cấu tạo bộ lọc sóng hài 12

Hình 2.8 Sơ đồ bộ SVC 13

Hình 2.9 Sơ đồ kết nối bộ SVC với hệ thống điện 14

Hình 2.10 Giản đồ bộ STATCOM 15

Hình 2.11 Cấu trúc cơ bản của bộ VSC 16

Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của bộ STATCOM 17

Hình 2.13 Sơ đồ kết nối bộ STATCOM với hệ thống điện 17

Hình 2.14 Sơ đồ kết nối SSSC với hệ thống điện 18

Hình 2.15 Cấu trúc cơ bản của bộ TCSC 18

Hình 2.16 Sơ đồ kết nối UPFC với hệ thống 19

Hình 3.1 Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ 23

Hình 3.2 Các hàm liên thuộc của một biến ngôn ngữ 24

Hình 3.3 Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành Max-min 26

Hình 3.4 Hàm liên thuộc vào- ra theo luật hợp thành max-prod 27

Hình 3.5 Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sum-min 29

Hình 3.6 Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sum-prod 30

Hình 3.7 Giải mờ bằng nguyên tắc trung bình 31

Hình 3.8 Giải mờ bằng nguyên tắc cận trái 32

Hình 3.9 Giải mờ bằng nguyên tắc cận phải 32

Hình 3.10 Giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm 33

Hình 3.11 So sánh các phương pháp giải mờ 34

11

Hình 3.12 Mô hình 2 nơron sinh học 36

Hình 3.13 Mô hình nơron đơn giản 38

Hình 3.14 Mạng nơron 3 lớp 38

Hình 3.15 Mô hình nơron đơn giản 39

Hình 3.16 Nơron với R đầu vào 39

Hình 3.17 Ký hiệu nơron với R đầu vào 40

Hình 3.18 Cấu trúc mạng nơron 1 lớp 40

Hình 3.19 Ký hiệu mạng R đầu vào và S 41

Hình 3.20 Ký hiệu một lớp mạn 41

Hình 3.21 Cấu trúc mạng nơron 3 lớp 42

Hình 3.22 Ký hiệu tắt của mạng nơron 3 lớp 42

Hình 3.23 Cấu trúc huấn luyện mạng 43

Hình 3.24 Kiến trúc kiểu mẫu của một hệ nơron mờ 46

Hình 3.25 Mô hình hệ nơron mờ 47

Hình 3.26 Cấu trúc chung của hệ nơron mờ 47

Hình 3.27 Mô phỏng hệ thống điều khiển SVC dùng nơron mờ 48

Hình 3.28 Hệ thống hút tích hợp với cánh tay robot 49

Hình 3.29 Mô hình bộ điều khiển noron mờ 50

Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển tiêu biểu (a) SSSC (b) bộ điều khiển .52

Hình 4.2 Cấu trúc bộ chuyển đổi (a) SSSC: chuyển đổi ba pha ba cấp (b) bộ điều khiển : đôi ném, đơn cực, ba pha vector chuyển mạch chuyển đổi .55

Hình 4.3 Các dạng sóng minh họa tổng hợp điện áp xoay chiều (a) SSSC (a) bộ điều khiển 55

Hình 4.4 Một dòng sơ đồ của hệ thống bù nối tiếp .57

Hình 4.5 Các mạch tương đương (a) SSSC (b) Bộ điều khiển 57

Hình 4.6 Thực hiện van bằng cách sử dụng các thiết bị thực .66

Hình 4.7 Điện áp/dòng điện được bơm vào đường dây truyền tải (a) SSSC (b) Bộ

điều khiển 69

Hình 4.8 Vòng điều khiển hồi tiếp 𝑆 �� = 5 ��í𝑛ℎ ��ằ𝑛𝑔 ��𝑖��𝑖 𝑔��â��, 𝛽 = 10 − 6 𝑎𝑆𝑆𝑆𝐶 (��) bộ điều khiển .72

Hình 4.9 Đáp ứng tần số tín hiệu nhỏ của độ lợi vòng lặp của (a) SSSC (b) bộ điều khiển .74

Hình 4.10 Các dạng sóng mô phỏng trên máy tính thể hiện sự đáp ứng với các lệnh thay đổi (a) SSSC, (b) bộ điều khiển 75

Hình 4.11 Các mô hình mô phỏng trên máy tính thể hiện đáp ứng điện áp bus và các góc sự cố (a) SSSC (b) bộ điều khiển .75

Hình 5.1 Sơ đồ đơn tuyến của hệ thống điện gió nối lưới 78

Hình 5.2 Mạch động lực ba pha của SVeC .79

Hình 5.3 Sơ đồ đơn tuyến của SveC .80

Hình 5.4 Sơ đồ khối điều khiển của SVeC bao gồm bộ giảm dao động POD 83

Hình 5.5 Cấu trúc bộ Nơron-Mờ (ANFIS) 83

Hình 5.6 Mô hình điều khiển SVeC với bộ điều khiển PID 84

Hình 5.7 Mô phỏng sơ đồ khối điều khiển của SVeC bao gồm thiết kế bộ giảm dao động với Matlab Simulink 85

Hình 5.8 Load dữ liệu vào bộ Anfis 91

Hình 5.9 Thiết lập cấu trúc bộ Anfis 91

Hình 5.10 Hàm liên thuộc ngõ vào số 1 92

Hình 5.11 Hàm liên thuộc ngõ vào số 2 92

Hình 5.12 Cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy 93

Hình 5.13 Cấu trúc bộ điều khiển Anfis 93

Hình 5.14 Huấn luyện bộ điều khiển 95

Hình 5.15 Mô phỏng hệ thống với SVeC khi không có ANFIS bằng Matlab Simulink 96

Hình 5.16 Mô phỏng hệ thống với SVeC khi có ANFIS bằng Matlab Simulink 96

Hình 5.17 So sánh điện áp tại nút PCC 97

Hình 5.18 So sánh công suất trên dường dây Pline 98

Hình 5.19 So sánh công suất của máy phát SG 98

Hình 5.20 So sánh vận tốc góc ωr của rotor 99

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 So sánh mạng nơron và logic mờ 45

Bảng 4.1 Thông số hệ thống – System Data 57

Bảng 4.2 Thông Số MBA - Injection Transformer Rating 63

Bảng 4.3 Tổng Hợp Các Yêu Cầu Của Tụ Điện 65

Bảng 4.4 Thông số thiết bị - Devices Stress 66

Bảng 4.5 Dung Lượng Thiết Bị - Devices Capability 68

Bảng 4.6 Tổng Số Thiết Bị - Device Count 68

Bảng 4.7 Tổn Thất Bộ Chuyển Đổi – Converter Losses 70

Bảng 4.8 Tổn thất bộ chuyển đổi tại 𝑃��=160 MW, 𝑄𝐼𝑁��=7.7MVAR 70

Bảng 4.9 Dự toán chi phí mạch công suất 71

Bảng 4.10 Tổng méo dạng sóng hài - Total Harmonic Distortion (THD) 72

Bảng 4.11 Các kết quả thiết kế bộ điều khiển 73

Bảng 5.1 Dòng và thời gian loại trừ ngắn mạch 82

Bảng 5.2 Qui luật điều khiển của bộ Anfis .84

Bảng 5.3 Tập dữ liệu huấn luyện cho bộ điều khiển Anfis 86

Bảng 5.4 Quy luật điều khiển của Anfis 94

về đồng bộ cũng như tính ổn định của hệ thống.

Vì vậy để ổn định công suất của hệ thống điện với kết nối đa dạng nguồn phátthì các nghiên cứu mới cần được nghiên cứu và phát triển để giải quyết vấn đề trên

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Ứng dụng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn trong điều khiển hệ thống điệnđưa đến những khả năng to lớn trong đảm bảo vận hành hệ thống một cách linhhoạt, khai thác hệ thống một cách hiệu quả nhất Điều này đã trở nên vô cùng quantrọng trong các điều kiện chi phí để xây dựng các hệ thống mới hoặc cải tạo các hệthống hiện hành ngày càng tăng Bên cạnh đó việc đảm bảo chất lượng điện năngcũng ngày càng trở nên cấp thiết do điện năng ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt độngsản xuất kinh doanh của các khách hàng ngành điện, những người trả tiền cho yêucầu năng lượng của mình và có quyền yêu cầu được đảm bảo nguồn điện cung cấpmột cách liên tục với chất lượng điện đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn

Cùng với sự phát triển chung của nền kinh tế toàn cầu, nhu cầu tiêu thụ nănglượng ngày càng tăng, trong đó năng lượng điện đóng vai trò rất quan trọng Để đápứng nhu cầu trên hệ thống điện (HTĐ) cũng ngày càng phát triển và mở rộng, nhiều

Để giải quyết bài toán kỹ thuật và kinh tế trong vấn đề truyền tải mạng điện cao

áp, những vấn đề liên quan đến ổn định động, ổn định tĩnh, khả năng truyền tải củacác đường dây, chất lượng điện năng, giảm tổn thất trên đường dây truyền tải…hạnchế tới mức thấp nhất những sự cố có thể xảy ra Để nâng cao khả năng tải củađường dây người ta sử dụng các thiết bị bù cố định như tụ bù dọc và kháng bùngang với dung lượng thích hợp, nhưng tất cả các thiết bị loại này sử dụng các thiết

bị đóng cắt cơ khí, thao tác chậm Khi phạm vi thay đổi công suất truyền tải lớnthì phương pháp trên bị hạn chế Hiện nay, trên thế giới các nước tiên tiến đã đitiên phong trong ứng dụng kỹ thuật công nghệ FACTS trong lưới điện truyền tải.FACTS là hệ thống điện truyền tải điện xoay chiều linh hoạt sử dụng các thiết

bị điều khiển công suất, hoạt động ở chế độ tự động với dòng điện và điện áp cao,cho phép điều khiển để ổn định điện áp hệ thống nhanh chóng, góc pha, trở khángđường dây gần như tức thời Ngoài ra nó còn cho phép đường dây vận hành gần vớimức giới hạn về nhiệt của đường dây truyền tải Các thiết bị thường được sử dụngnhư: SVC, TSC, TCR, TSR, TCSC, STATCOM, SSSC, UPFC

Gần đây một đối tượng nghiên cứu mới được các nhà khoa học nghiên cứu đó làSVeC Thiết bị này cho phép điều khiển có chọn lọc điện áp, trở kháng, góc phađường dây do đó thay đổi dòng công suất tác dụng và phản kháng truyền trên đườngdây

Trong khuôn khổ luận văn tác giả sẽ tập trung nghiên cứu thiết bị SveC với bộđiều khiển ANFIS được sử dụng cho việc điều khiển ổn định dao động công suấttrên đường dây truyền tải

1.3 Mục tiêu của đề tài

Đề tài này nghiên cứu để cải thiện sự ổn định dao động công suất của một hệthống máy phát điện đồng bộ nối với bus vô hạn (OMIB) và trang trại gió Để nângcao độ ổn định của hệ thống, một thiết bị bù vectơ nối tiếp (SveC - Series VectorialCompensator) được đề xuất với bộ điều khiển Nơron-Mờ (ANFIS - AdaptiveNeural Fuzzy Inference System) được kết nối vào bus chung (PCC) của hệ thống

1.4 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tài liệu, bài báo liên quan đến quá trình nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu nâng cao ổn định dao động công suất trong hệ thống điện sử dụng thiết

Chương 2 TỔNG QUAN THIẾT BỊ FACTS VÀ ỨNG DỤNG TRONG

HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Tổng quan về ứng dụng thiết bị FACTS

2.1.1 Giới thiệu

Hiện nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS, đặcbiệt là sử dụng các thiết bị phát nguồn công suất phản kháng cho hệ thống lưới điệnnhằm đảm bảo ổn định điện áp cho hệ thống Tuy nhiên, việc đánh giá, lựa chọnthiết bị phát công suất nào hợp lý, cũng như dung lượng bù tối ưu trong phân tích ởchế độ xác lập, quá độ là chưa được quan tâm sâu sắc

Thực tế hiện nay, hệ thống điện chúng ta đang sử dụng là hệ thống điện xoaychiều Đây là hệ thống điện phức tạp bao gồm các máy phát đồng bộ, đường dâytruyền tải, máy biến áp, các thiết bị bù và các phụ tải…., được chia thành ba khâuchính: Sản xuất, truyền tải và phân phối

Muốn cho hệ thống điện xoay chiều hoạt động, chúng ta cần phải đáp ứng cácyêu cầu cơ bản sau:

• Các máy phát điện làm việc trong chế độ đồng bộ

• Điện áp vận hành nằm trong giới hạn cho phép

• Tần số vận hành nằm trong giới hạn cho phép

• Các đường dây phải được vận hành ở điều kiện bình thường không quá tải

• Các phụ tải phải được cung cấp nguồn điện đầy đủ

Trong hệ thống điện công suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vàotổng trở đường dây, điện áp và góc truyền tải giữa điểm đầu và điểm cuối củađường dây, những đại lượng này giới hạn công suất truyền tải trên đường dây Vìvậy, khả năng truyền tải công suất của đường dây được cải thiện đáng kể bằng việctăng công suất phản kháng ở phía phụ tải, lắp cuộn kháng bù ngang (mắc songsong), tụ điện bù dọc (mắc nối tiếp) vào đường dây để điều khiển điện áp dọc theochiều dài đường dây

về độ phản ứng nhanh nhạy cũng như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống trong mọichế độ làm việc Ngoài ra, FACTS còn dùng để nâng cao khả năng điều khiển hệthống điện và tăng khả năng truyền tải công suất trên đường dây.

2.1.2 Định nghĩa

FACTS được định nghĩa bởi IEEE là: ” Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tửcông suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệthống đường dây truyền tải điện xoay chiều, qua đó, nâng cao khả nâng điều khiển

và khả năng truyền tải công suất”

Qua định nghĩa trên, cho thấy tầm quan trọng của thiết bị FACTS đến hệ thốngđiện có sự ảnh hưởng lớn về kinh tế và kỹ thuật

Hệ thống điện được nối shunt với các thiết bị FACTS Trường hợp này,FACTS đóng vai trò như một nguồn dòng

Bù song song có hai loại:

sẽ kéo dòng điện lên sớm pha hơn so với điện áp Và kết quả là hệ số công suấtđược nâng cao.

2.1.3.3 Bù điện cảm

Phương pháp này dùng để bù trong trường hợp đóng điện đường dây không tảihoặc khi non tải cuối đường dây Khi không tải hoặc tải nhỏ, chỉ có một dòng rấtnhỏ chạy trên đường dây Trong khi đó, điện dung ký sinh trên đường dây, đặc biệtvới các đường dây dài lại có giá trị khá lớn Việc này sẽ sinh ra quá áp trên đườngdây (hay còn gọi là hiệu ứng Ferranti) Điện áp cuối đường dây có thể tăng gấp đôiđiện áp nguồn tới (trong trường hợp đường dây rất dài) Để bù điện dung ký sinhnày, người ta lắp các điện cảm song song trên dọc đường dây

2.1.4 Lý thuyết về FACTS

Trong trường hợp đường dây không có tổn thất, giá trị điện áp nhận được cuốiđường dây thường gần bằng giá trị đầu đường dây: Vs = Vr = V Trong quá trình truyền tải, xuất hiện góc lệch pha delta, phụ thuộc vào giá trị của trở kháng X

𝛿 𝛿

𝑉𝑆 = 𝑉 cos �

2� + 𝑗��𝑆����(

2) (2.1)

𝛿 𝛿

𝑉𝑟 = 𝑉 cos �

2� + 𝑗��𝑆����(

2) (2.2)

�� 2 sin 𝛿 (2.4)𝑋

�� 2 (1 − cos ��) (2.5)𝑋

Hình 2.1 Đường dây không có tổn thất.

Khi giá trị δ nhỏ, công suất truyền tải trên đường dây phụ thuộc chủ yếu vàogiá trị X Trong khi đó, công suất phản kháng phụ thuộc chủ yếu vào độ lớn củađiện áp hai đầu

2.1.4.1 Khi bù nối tiếp

Các tụ bù nối tiếp trong FACTS sẽ thay đổi điện kháng đẳng trị của đườngdây: X giảm sẽ tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng trên đường dây Tuynhiên, nguồn điện phải cung cấp thêm công suất phản kháng

𝑃 = 𝑉 sin 𝛿

(2.6)��−𝑋𝑐

𝑄 = 𝑉 (1 − cos ��) (2.7)��−𝑋𝑐

2.1.4.2 Khi bù song song

Hình 2.2 Khi bù nối tiếp

Công suất phản kháng được đưa lên đường dây để duy trì giá trị điện áp Khảnăng truyền tải công suất tác dụng trên đường dây tăng lên nhưng cũng phải cungcấp thêm công suất phản kháng cho đường dây

𝑃 = 2𝑉𝑋

2

sin(�� ) (2.8)2

𝑄 = 2 𝑉

𝑋

(1 − cos ��� �) (2.9)

2

Hình 2.3 Khi bù song song

Trong thực tế, do tính chất tiêu thụ điện ở từng thời điểm luôn khác nhau, chonên tình trạng vận chuyển công suất trên các đường dây truyền tải cũng khác nhau,

có thể tại một thời điểm trên hệ thống sẽ có những đường dây bị quá tải trong khi tạicác đường dây khác thì non tải và ngược lại Với đà phát triển công nghiệp hóa nhưhiện nay, đòi hỏi nhu cầu truyền tải để đáp ứng cho các phụ tải ngày càng cao, cho

nên, đường dây truyền tải cao áp luôn đặt trong tình trạng báo động hoặc xảy ra các hiện tượng: quá tải đường dây, nhiễu hệ thống ( dao động tần số, điện áp,….).

Nhằm tăng khả năng truyền tải điện năng trên hệ thống, khắc phục nhữngnhược điểm nói trên, trên thế giới, người ta đã áp dụng các thiết bị FACTS vào hệthống điện Các thiết bị này được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và gócpha của đường dây xoay chiều cao áp Các thiết bị FACTS đã giúp cho nhà cungcấp điện những lợi ích sau:

• Tận dụng lưới truyền tải hiện hữu để lắp đặt các thiết bị FACTS

• Giảm chi phí đầu tư

• Tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải

• Tăng độ ổn định quá độ của lưới

• Tăng chất lượng cung cấp điện năng cho các ngành công nghiệp và các ngành có yêu cầu chất lượng điện năng cao

• Ảnh hưởng không đáng kể đến môi trường xung quanh

2.1.5 Phân loại thiết bị FACTS

Trước đây, khi mà ngành công nghiệp điện tử công suất chưa phát triển mạnhthì việc nâng cao chất lượng điện áp trên hệ thống điện bị hạn chế và thời gian đápứng cũng rất chậm, bởi vì khi đó, chúng ta phải thực hiện việc đóng cắt các khóa cơkhí các phần tử điện như là cuộn dây, tụ điện, bộ chuyển đổi nấc máy biến áp… để

ổn định điện áp trên hệ thống

Ngày nay, với sự phát triển mạnh và nhanh chóng của các thiết bị điện tử côngsuất lớn, điện áp cao cho nên công nghệ FACTS ra đời nhằm giúp cho quá trìnhthực hiện điều khiển điện áp trên hệ thống điện, cụ thể là đường dây truyền tải đượclinh hoạt và nhanh chóng Một số nước tiên tiến đã sử dụng thiết bị FACTS trongmạng truyền tải, cụ thể như Mỹ, Canada, Brazil… là những nước tiên phong sửdụng công nghệ FACTS Các thiết FACTS thường được sử dụng là:

• Static Var Compensator (SVC) : Bộ bù Var tĩnh

• Static Synchronous Compensator (STATCOM) : Bộ bù đồng bộ tĩnh

• Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC) : Bộ bù dọc điều khiểnThyristor

• Static Synchronous Series Compensator (SSSC) :Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh

• Unified Power Flow Controller (UPFC) : Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất

• High Voltage Direct Current (HVDC) : Đường dây một chiều cao áp

2.2 Ứng dụng thiết bị FACTS trong hệ thống điện

2.2.1 Bộ bù công suất Var tĩnh –SVC

2.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 2.4 Bộ SVC kết nối với hệ thống điện

Hầu hết các bộ SVC luôn được kết nối đến mạng lưới truyền tải điện thôngqua một máy biến áp tăng áp ghép bộ Ở phía nút điện áp thấp của máy biến áp, nóichung có 3 phần tử được sử dụng: cuộn kháng điều khiển bằng Thyristor (TCR), bộ

tụ chuyển mạch bằng thyristor và bộ lọc sóng hài ổn định

a) TCR (Thyristor Controlled Reactor): Là thiết bị dùng điều khiển một cách

liên tục dòng điện qua cuộn cảm mắc song song với lưới bằng cách điều khiển góckích của thyristor và được nối vào thanh cái điện áp thấp

Sơ đồ mạch một pha của bộ TCR, bao gồm cặp thyristor mắc song song,ngược chiều nhau và nối vào cuộn điện kháng tuyến tính

b) TSC (Thyristor Switched Capacitor): là thiết bị bù công suất phản kháng

được điều chỉnh theo dạng nhảy cấp, nó có khả năng đóng cắt tụ điện bằng cáchkích đóng ngắt các thyristor Bộ TSC kết hợp với bộ TCR sẽ cho phép điện khángtương đương của chúng có thể thay đổi liên tục từ tính dung sang tính kháng

Sơ đồ mạch một pha của bộ TSC bao gồm cặp Thyristor mắc song song,ngược chiều nhau và nối vào bộ tụ điện

Trong đó:

- C : Bộ tụ điện

Hình 2.6 Cấu tạo bộ TSC

- T : Thyristor có chức năng đóng hoặc ngắt bộ tụ điện

- Van thyristor được đóng mở phụ thuộc vào tín hiệu xung điều khiển vào cực G của thyristor

Bộ TSC thực chất là bộ tụ điện được đóng mở bằng hai thyristor mắc songsong, khi thay đổi tín hiệu xung sẽ làm thay đổi giá trị điện dung C trong mạch

c) Fixed Filters: là thiết bị dùng để lọc sóng hài Mục đích là lọc các sóng hài

bậc cao và bù công suất phản kháng cho phụ tải Các sóng hài bậc cao xuất hiện dochế độ làm việc của TCR gây ra ( khi thyristor dẫn không hoàn toàn, dòng điện quaTCR sẽ không có dạng hình sin)

Sơ đồ mạch môt pha của bộ lọc sóng hài gồm có cuộn điện kháng XL nối tiếpvào bộ tụ điện C

Hình 2.7 Cấu tạo bộ lọc sóng hài

Hình 2.8 Sơ đồ bộ SVC

ISVC: Dòng điện của SVC với điện áp ở nút điện áp cao

PIsvc: Công suất tác dụng bơm vào bên trong máy biến áp ghép bộ từ nútđiện áp thấp SVC

2.2.1.2 Ứng dụng của bộ bù công suất Var tĩnh – SVC:

Hình 2.9 Sơ đồ kết nối bộ SVC với hệ thống điện

Hình 2.9 Trình bày cấu trúc và những thành phần chính của bộ SVC Bộ SVCđược áp dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải với nhiều mục đích khác nhau Mụcđích cơ bản nhất thường được sử dụng là để điều khiển điện áp tại điểm yếu nhấttrong hệ thống điện Nó thường được lắp đặt ở điểm giữa của đường dây truyền tảiliên kết giữa các vùng tải Nhờ độ chính xác cao, tính khả dụng và đáp ứng nhanh,các thiết bị SVC có thể cung cấp trạng thái ổn định và điều khiển điện áp quá độ cóchất lượng cao so với kiểu bù rẽ nhánh thông thường Các thiết bị SVC cũng được

sử dụng để làm giảm các dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ và giảmtổn hao hệ thống nhờ tối ưu điều khiển công suất phản kháng

• Nếu V nhỏ hơn điện áp hệ thống VT thì dòng điện bộ nghịch lưu đi qua cuộnkháng sẽ mang tính cảm, bộ STATCOM nhận công suất phản kháng từ hệthống.

• Nếu V lớn hơn điện áp hệ thống VT thì dòng điện bộ nghịch lưu đi qua cuộnkháng sẽ mang tính dung, bộ STATCOM phát công suất phản kháng lên hệthống Hình 2.11 mô tả cấu trúc cơ bản của bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC)

Hình 2.11 Cấu trúc cơ bản của bộ VSC

Hình 2.11 biểu diễn cấu trúc cơ bản của một bộ biến đổi toàn sóng 3 pha có 6

bộ chuyển mạch, mổi bộ gồm có một GTO(gate-turn-off) thyristor nối song songvới một diode Với mục tiêu là tạo ra một dạng sóng điện áp đầu ra gần như dạngsóng hình sin có thể, bộ chuyển mạch của thyristor GTO riêng lẽ trong bộ VSC thìđược điều khiển bằng khối chương trình điều khiển chuyển mạch, được thiết kế đểgiảm đến mức tối thiểu phát sinh sóng hài lúc bộ VSC làm việc và nhu cầu cho việclọc sóng hài

Hầu hết các phương pháp thường được sử dụng cho việc điều khiển điện ápxoay chiều bằng các phương pháp biến đổi như là:

- Thay đổi điện áp một chiều với một bộ biến đổi sóng đầy đủ, đôi khi cònđược gọi là bộ điều chế biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation -PAM)

- Điện áp một chiều không đổi với bộ điều chế độ rộng xung (Pulse WidthModulated - PWM)

Nguyên lý cơ bản của STATCOM là sử dụng bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC)dựa trên kỹ thuật các phần tử điện tử công suất (GTO) thyristor hay transitor lưỡngcực có cổng cách điện (IGBT) với khả năng ngắt dòng điện khi có xung ngắt gửiđến cổng điều khiển Điều này cho phép cho bộ STATCOM phát ra một nguồn điện

áp xoay chiều AC ở đầu cực bộ biến đổi lúc tần số cơ bản yêu cầu với biên độ điềuchỉnh được, sơ đồ khối của một bộ STATCOM được thể hiện ở hình 2.12

Sự chuyển đổi công suất phản kháng với lưới điện thì đạt được bởi điều khiểnbiên độ điện áp V và sự chuyển đổi công suất tác dụng do điều khiển dịch chuyểnpha ψ Sự thay đổi công suất tác dụng thì chỉ thường điều khiển điện áp một chiều.

Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của bộ STATCOM

2.2.2.2 Ứng dụng của bộ bù đồng bộ tĩnh – STATCOM:

Hình 2.13 Sơ đồ kết nối bộ STATCOM với hệ thống điện

Bộ STATCOM là một thiết bị bù ngang, nó chuyển đổi nguồn điện áp mộtchiều thành điện áp xoay chiều để bù công suất phản kháng cho hệ thống điện

STATCOM không yêu cầu các thành phần cảm kháng và dung kháng lớn đểcung cấp công suất phản kháng cho các hệ thống truyền tải cao áp Một lợi thế khác

là đầu ra phản ứng nhanh ở điện áp hệ thống thấp

2.2.3 Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh –SSSC

Hình 2.14 Sơ đồ kết nối SSSC với hệ thống điện

Bộ SSSC là thiết bị bù nối tiếp vào đường dây, nó có thể phát ra một lượngđiện áp được yêu cầu của hệ thống điện, nó có thể biến đổi điện áp của hệ thống từ

AC sang điện áp DC Bộ SSSC có thể điều khiển cả công suất thực và công suấtkháng với hệ thống AC

2.2.4 Bộ bù dọc điều khiển bằng Thyristor –TCSC

Hình 2.15 Cấu trúc cơ bản của bộ TCSC

Bộ TCSC là một thiết bị bù dùng trong truyền tải điện, để nâng cao khả năng

ổn định của hệ thống điện, đặc biệt là khả năng ổn định động trong chế độ sự cố

2.2.5 Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất –UPFC

Hình 2.16 Sơ đồ kết nối UPFC với hệ thống

Bộ UPFC là một thiết bị dùng để điều khiển dòng công suất trên đường dâytruyền tải điện UPFC cho phép điều khiển đồng thời dòng công suất thực, dòngcông suất phản kháng và độ lớn điện áp tại thanh cái kết nối

Từ những tính năng và ứng dụng được nêu ở trên của thiết bị FACTS cho thấyrằng FACTS đóng vai trò rất quan trọng trong việc tái cấu trúc và xây dựng hệthống điện trong tình hình phát triển kinh tế của Việt Nam hiện nay

Việc nghiên cứu phát triển và cải tiến công nghệ đối với FACTS trở thànhnhững đề tài luôn được các học giả đầu tư nghiên cứu

Chương 3 TỔNG QUAN VỀ HỆ NƠRON MỜ (ANFIS)

là nó có khả năng tự học, tự chỉnh định lại cho phù hợp với sự thay đổi không lườngđược trước của đối tượng

Như đã biết hệ mờ và mạng nơron đều có khả năng làm việc trong những hệthống không ổn định, không chính xác và điều kiện môi trường khắc nhiệt Hệthống mờ và mạng nơron đã có nhiều ví dụ thực hiện đánh giá và so sánh chúng.Ngày nay các nhà thiết kế đã áp dụng một cách rộng rãi và có hệ thống logic

mờ và mạng nơron trong lĩnh vực điều khiển học Ý tưởng là triệt tiêu các nhượcđiểm và đạt được các ưu điểm của cả hai công nghệ, điều này có nghĩa là hai côngnghệ kết hợp để tối đa hóa điểm mạnh của từng công nghệ và bổ sung những nhượcđiểm để hợp thành một hệ thống mới tối ưu hơn

Hệ thống hợp nhất này sẽ có ưu điểm của cả hai: Mạng nơron (khả năng học,khả năng tối ưu hoá, sự kết nối về cấu trúc) và hệ mờ (sự thông minh của con ngườiqua luật mờ if - then, sự thuận lợi của việc am hiểu kiến thức chuyên môn một cáchchặt chẽ của các chuyên gia)

3.2 Tổng quan về điều khiển mờ

3.2.1 Giới thiệu

Trong lịch phát triển của công nghệ hiện đại, sự đóng góp của điều khiểnlôgic là cực kỳ to lớn Nó đã đóng vai trò rất quan trọng không chỉ trong các ngànhkhoa học tự nhiên mà còn là một môn khoa học không thể thiếu được đối với khoa

học xã hội ngay cả trong suy luận đời thường Ngày nay, lôgic toán học kinh điển

đã tỏ ra còn nhiều hạn chế trong những bài toán nảy sinh từ công việc nghiên cứu vàthiết kế những hệ thống phức tạp Đặc biệt là những lĩnh vực cần sử dụng trí tuệnhân tạo hay trong công việc điều khiển và vận hành các hệ thống lớn có độ phứctạp cao cần sự giúp đỡ của hệ các chuyên gia

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin nhất là kỹ thuật vi xử lý

và công nghệ phần mềm đã đặt nền móng cho việc ứng dụng hệ thống điều khiểnthông minh vào các nghành công nghiệp Các hệ thống điều khiển thông minh đượcxây dựng trên cơ sở trí tuệ nhân tạo đã giúp con người có khả năng khống chếnhững đối tượng mà trước kia tưởng chừng như không điều khiển được như trongrất nhiều bài toán điều khiển khi đối tượng không thể mô tả bởi mô hình toán học,hoặc mô hình của nó quá phức tạp, cồng kềnh…

Trong thực tế khi thiết kế bộ điều khiển kinh điển thường bị bế tắc khigặp những bài toán có độ phức tạp của hệ thống cao, độ phi tuyến lớn, thườngxuyên thay đổi trạng thái hoặc cấu trúc của đối tượng…

Phát hiện thấy nhu cầu tất yếu ấy, năm 1965 L.A.Zadeh - tại trường đạihọc Berkelye bang California -Mỹ đã sáng tạo ra lý thuyết điều khiển mờ (FuzzySets Theory) và đặt nền móng cho việc xây dựng một loạt các lý thuyết quan trọngdựa trên cơ sở lý thuyết tập mờ Đây là một trong những phát minh quan trọng cótính bùng nổ và đang hứa hẹn giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp và to lớn củathực tế

Năm 1970 tại trường Marry Queen London - Anh, Ebrahim Mamdani đãdùng logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể điều khiển đượcbằng kỹ thuật cổ điển Tại Đức Hann Zimmermann đã dùng logic mờ cho các hệ raquyết định Tại Nhật logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của FụiElectrinic vào năm 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào năm 1987, đườngsắt Sendai Các ứng dụng đã và đang được phát triển với các vấn đề theo vết, điềuchỉnh, nội suy, phân loại, chữ viết tay, nhận dạng lời nói, ổn định hình dạngtrong các máy quay video, máy giặt, máy hút bụi, điều hòa, quạt điện, Một thí

nghiệm con lắc ngược đã được chứng minh vào năm 1987 với “các đáp ứng cânbằng được sinh ra gần 100 lần ngắn hơn những đáp ứng của bộ điều khiển PIDtruyền thống”.

Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh nhưng phát triển mạnh

mẽ nhất ở Nhật Trong lĩnh vực tự động hóa logic mờ ngày càng được ứng dụngrộng rãi, nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàmtruyền, phức tạp, không xác định, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề mà điềukhiển kinh điển không làm được

Phương pháp điều khiển mờ chính là nhằm vào việc xây dựng các phươngpháp có khả năng bắt chước cách thức con người điều khiển Vì đối tượng điềukhiển là một hệ thống phức tạp, bản chất chưa rõ, không thể hiển thị bằng các môhình toán lý Nên dưới dạng mô hình mờ một tập các mệnh đề IF …THEN (cácluật) với các dữ liệu ngôn ngữ mô tả mối quan hệ giữa các biến vào, các biến ra đã

ra đời Ta lấy một ví dụ phận biệt cá voi có tính khoa học Ở những trường tiểuhọc, nhiều điều làm mọi người ngạc nhiên, rằng cá voi là động vật có vú bởi vì:

nó là loại máu nóng, đẻ con, nuôi con bằng sữa mẹ, và cũng mọc lông Hệ thốngphân biệt này là một ví dụ hoàn hảo của logic hai trị truyền thống mà thống trịkhoa học suốt nhiều thế kỷ Mặc dù thực tế là nó trông giống cá, nó bơi giống cá,

nó có mùi cá, và cứ ba học sinh lại có một người nghi ngờ khi nói rằng cá voikhông phải là cá, cá voi 100% động vật có vú, 0 % là cá Nếu một nhà logic mờphân biệt cá voi, ông ta sẽ cho cá voi thuộc về cả hai bộ động vật có vú và bộ cá, tớimức độ tự nhiên

So với phương pháp điều khiển truyền thống thì phương pháp tổng hợp

hệ thống điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưu điểm sau:

Điểm mạnh nổi trội cơ bản của điểu khiển mờ so với kỹ thuật điều khiển kinhđiển là nó áp dụng rất hiệu quả và linh hoạt trong các quá trình điều khiển ở điềukiện chưa xác định rõ và thiếu thông tin

Nguyên lý điều khiển mờ đã cho phép con người tự động hóa được điềukhiển cho một quá trình, một thiết bị…và mang lại chất lượng mong muốn