ỔN ĐỊNH tần số TRONG hệ THỐNG điện gồm NHIỀU KHU vực

Khái quát vấn đề ổn định tần số trong hệ thống điện Nhằm đảm bảo độ tin cậy và tính cung cấp điện liên tục, một hệ thống điện phải đápứng các chỉ tiêu về chất lượng điện như: 2.1 Mục đíc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG HỆ THỐNG

ĐIỆN GỒM NHIỀU KHU VỰC

CHƯƠNG 1: ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

I Đặt vấn đề

Từ đầu thế kỷ 19, năng lượng điện đã được nhân loại biết đến và được tập trungnghiên cứu trong đó có các nghiên cứu rất nổi tiếng của các nhà khoa học như: nghiêncứu của Georg Simon Ohm với sự liên hệ định lượng giữa cường độ dòng điện và hiệuđiện thế trên hai đầu vật dẫn vào năm 1827, sự phát hiện của Michael Faraday về hiệntượng cảm ứng điện từ năm 1831, và lý thuyết của James Clerk Maxwell về sự thốngnhất giữa từ học và điện học trong bản luận Electricity and Magnetism năm 1873

Nhưng mãi cho đến cuối thế kỷ 19 thì năng lượng điện mới có thể cạnh tranh vớicác loại năng lượng khác Từ những năm 1880, ở các thành phố có nền công nghiệp pháttriển trên thế giới, mạng lưới ống dẫn khí ga được lắp đặt để dùng cho thắp sáng Nhưngđèn khí ga không những tỏa sáng kém, lãng phí nhiệt, làm nhiệt độ phòng tăng cao vàkhói, nó còn thải ra khí hydro và khí than cháy dở (carbon monoxide) độc hại Vì những

lý do trên, thắp sáng bằng đèn điện đã nhanh chóng giành được nhiều lợi thế so với thắpsáng bằng khí than Đánh dấu một chặng đường phát triển ngoài mong đợi của vật lýngành Điện

Ngược dòng thời gian hơn 120 năm về trước để tìm về cội nguồn lịch sử của ngànhđiện Việt Nam Nhà máy điện đầu tiên ở Đông Dương đã được khởi công xây dựng ởthành phố Hải Phòng năm 1892 và chính thức đưa vào hoạt động tháng 02/1894 Hơn 60năm sau, phải tới ngày giải phóng Thủ đô 10/10/1954, nhân dân Việt Nam mới chínhthức được làm chủ ngành điện, với công suất ban đầu chỉ là 31,5 MW, sản lượng điệnnăng khoảng 53 triệu kWh/năm, lực lượng cán bộ kỹ thuật chỉ có 7 kỹ sư điện, 5 kỹ thuậtviên của chính quyền cũ ở lại và đội ngũ công nhân của nhà máy điện

Ngày nay, chúng ta đều thấy sự hiện diện khắp mọi nơi và tầm quan trọng của nănglượng điện đối với cuộc sống Với sự phát triển không ngừng, hệ thống điện luôn phảiđảm bảo những yêu cầu khắt khe nhất của lưới điện Mà ổn định tần số là một trongnhững vấn đề quan trọng được quan tâm và nghiên cứu hàng đầu hiện nay nhằm đảm bảochất lượng điện năng Nó không những ảnh hưởng trực tiếp tới các thành phần trong hệthống điện mà còn ảnh hướng tới sự phát triển của nền kinh tế Do đó, vấn đề ổn định tần

số rất quan trọng trong suốt quá trình phát triển, đặc biệt là giai đoạn công nghiệp hóahiện đại hóa, điện năng đóng một vai trò gần như không thể thiếu với nền công nghiệp vàliên quan đến sự sinh tồn của cả một quốc gia.

II Khái quát vấn đề ổn định tần số trong hệ thống điện

Nhằm đảm bảo độ tin cậy và tính cung cấp điện liên tục, một hệ thống điện phải đápứng các chỉ tiêu về chất lượng điện như:

2.1 Mục đích

Khi tổng công suất tác dụng phát ra của hệ thống ít hơn công suất tác dụng tiêu thụcủa phụ tải sẽ dẫn đến giảm tần số Ngược lại, tổng công suất tác dụng phát ra lớn hơncông suất tác dụng tiêu thụ của phụ tải thì tần số tăng

Vì thế, mục đích của điều khiển tần số là cân bằng công suất phát ra và công suất tiêu thụ,hay nói cách khác là duy trì và ổn định tần số ở mức cho phép

2.2 Nguyên nhân

Nguyên nhân của sự thay đổi tần số là do sự mất cân bằng giữa công suất tác dụngphát ra và công suất tác dụng tiêu thụ theo các yêu tố như:

 Ngày trong tuần

 Giờ trong ngày

 Ảnh hưởng của thời tiết (nhiệt độ, độ ẩm, mây mưa v.v )

 Chính sách về giá theo giờ trong ngày

 Những biến cố đặc biệt ví dụ chương trình TV, v.v

 Những yếu tố ngẫu nhiên…

2.3 Hậu quả

Việc thay đổi tần số có thể gây ra một số hậu quả như:

Đối với hộ tiêu thụ và nhà máy :

+ Các thiết bị hoạt động không hiệu quả, làm giảm hiệu năng của các thiết bị điện.+ Giảm tuổi thọ thiết bị điện

+ Dễ xảy ra sự cố, gây cháy nổ hoặc hư hỏng thiết bị

+ Giảm hiệu suất của động cơ, thiết bị truyền động

+ Dây chuyền hoạt động không ổn định => giảm năng suất gây thiệt hại kinh tế

+ Giảm tuổi thọ động cơ

Đối với hệ thống :

+ Tăng cảm kháng trong các máy biến áp (do X L=j L) => tăng tổn thất máy biến áp+ Thay đổi tần số dẫn đến thay đổi tốc độ quay của máy phát có thể làm các tuabinngưng hoạt động dẫn đến lưới điện tan rã

III Phương pháp trong điều chỉnh tần số

Với sự phát triển của điện tử công suất, chúng ta có thể thiết kế những bộ điều khiểnkhác nhau với những chức năng khác nhau cùng tham gia vào điều chỉnh tần số hệ thống.Nguyên lý điều chỉnh tần số hệ thống như sau, giả xử một hệ thống ổn định gồm cácthông số:

- P0 là công suất mà khi đó tổng công suất của các máy phát trong hệ thống bằng tổngcông suất phụ tải tiêu thụ tại thời điểm t0 (MW)

- ƒ0 là tần số định mức của hệ thống (Hz)

- U0 là điện áp tại tần số định mức của động cơ bộ điều tốc (V)

Giả xử hệ thống đang hoạt động ổn định với các thông số P0, ƒ0, U0 tại thời điểm t0,cho tới thời điểm t1, công suất tải tiêu thụ đột nhiên tăng P (MW) dẫn đến tổng công suấtphát sẽ nhỏ hơn tổng công suất tiêu thụ và hao hụt liên quan dẫn đến tần số giảm mộtlượng ƒ (Hz) Lúc này, bộ điều tốc có nhiệm vụ là nhận thông tin từ cảm biến tần số vàđiều chỉnh điện áp U (V) của động cơ để thay đổi độ mở của van hơi (cửa xả) sao cho tốc

độ tuabin tăng lên từ đó tăng công suất máy phát sao cho công suất phát ra cân bằng vớicông suất tiêu thụ, đưa tần số hệ thống về điểm làm việc ổn định.

Hiện nay có một số phương pháp điều khiển tối ưu như: mạng điều khiển nhân tạoANNs, logic mờ, thuật toán di truyền Gas, phân bố hạt tối ưu hóa PSO, phương pháp điềukhiển trượt, phương pháp điều khiển PID,… Mỗi phương pháp đều có một đặc điểm và

ưu điểm khác nhau và đã được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới Tuy nhiên, luận văn nàychỉ ứng dụng các nguyên lý của từng bộ điều khiển vào ổn định tần số, không nghiên cứuchuyên sâu về các nội dụng của các bộ điều khiển

Quy định về điều khiển tần số trong hệ thống điện Việt Nam:

 Yêu cầu về tần số trong hệ thống điện:

- Hệ thống điện quốc gia Việt Nam có tần số danh định là 50 Hz Ở các chế độ vậnhành của hệ thống điện, tần số được phép dao động trong các phạm vi được quy địnhtại Bảng 1

Bảng 1 Phạm vi dao động tần số trong hệ thống điện quốc gia

Chế độ vận hành của hệ thống điện Dải tần số cho phép

Vận hành bình thường 49,8 Hz ÷ 50,2 Hz

- Trong trường hợp hệ thống điện quốc gia bị sự cố bao gồm nhiều phần tử, sự cố cótính chất nghiêm trọng hoặc hệ thống điện trong trạng thái khẩn cấp, tần số được phépdao động trong khoảng từ 47 Hz đến 52 Hz Dải tần số cho phép và số lần cho phépxuất hiện được xác định theo chu kỳ 1 năm hoặc 2 năm được quy định tại Bảng 2

Bảng 2 Dải tần số cho phép và số lần cho phép trong trường hợp sự cố nhiều phần tử,

sự cố nghiêm trọng hoặc trạng thái khẩn cấp

Dải tần số cho phép (Hz)

(“f” là tần số của hệ thống điện)

Số lần cho phép theo chu kỳ thời gian

(tính từ thời điểm bắt đầu chu kỳ)

Điều khiển tần số thứ cấp được chia thành 03 cấp như sau:

a) Điều khiển tần số cấp I (viết tắt là điều tần cấp I) là đáp ứng của hệ thống AGC nhằm duy trì tần số định mức 50,0 Hz với dải dao động cho phép ± 0,2 Hz;

b) Điều khiển tần số cấp II (viết tắt là điều tần cấp II) là điều chỉnh tự động hoặc điều chỉnh bằng tay các tổ máy phát điện nhằm đưa tần số nằm ngoài khoảng 50,0 ± 0,5 Hz vềgiới hạn trong khoảng 50,0 ± 0,5 Hz;

c) Điều khiển tần số cấp III (viết tắt là điều tần cấp III) là điều chỉnh bằng sự can thiệp bởi lệnh điều độ để đưa tần số hệ thống điện vận hành ổn định theo quy định hiện hành

và đảm bảo phân bổ kinh tế công suất phát các tổ máy phát

1 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ĐIỆN

I Mô hình bộ điều tốc (governor)

Giả định rằng hệ thống đang hoạt động trong điều kiện ổn định, các thanh cơ họcđứng im, các van được đóng, van hơi được mở lớn, tuabin đang hoạt động với tốc độkhông đổi và công suất đầu ra cân bằng với công suất tải

Với điều kiện ổn định như trên, ta có:

Công suất truyền tải: P G0

Tốc độ tuabin: ω0

Tần số định mức: f0

Độ dịch chuyển của van chính: X E0

Bây giờ ta thay đổi tốc độ của bộ điều tốc để tăng công suất∆ P c[∆ P ref]. Sự dịch chuyểncủa bộ điều tốc làm điểm liên kết A dịch chuyển xuống một khoảng nhỏ bằng ∆ X A

Ta có công thức: ΔXX A=K ΔXP c

Hình 2-1: Sơ đồ chức năng đơn giản của hệ thống một khu vực thông thường

Điểm liên kết C sẽ di chuyển lên trên thông qua mối liên kết giữa các trục A-B-C.Khoảng dịch chuyển này ta đặt là ΔXX ’ Hơn nữa, điểm liên kết D làm pitong của servo di

chuyển, kết quả là dầu áp suất cao chảy lên phía trên của pitong chính Piston di chuyểnxuống dưới một lượngΔX X D và van hơi được mở lớn hơn Nó làm tăng mô-men xoắn củatuabin Mô-men xoắn tăng làm tăng tốc độ của máy phát, tức là tần số (Δf) Sự thay đổif) Sự thay đổitốc độ này là kết quả của những tác động bên ngoài vào quả văng của bộ điều chỉnh tốc

độ Do đó, liên kết ‘B’ di chuyển xuống một khoảng cách nhỏ ∆ X B Do chuyển động củađiểm liên kết B, điểm liên kết ‘C’ cũng di chuyển xuống dưới một lượng ∆ X C ' ' cũng tỷ

lệ thuận với Δf) Sự thay đổif Do đó, chuyển động của điểm liên kết C là:

∆ X C và ∆ X E và có thể viết như sau:

V, sau đó sự di chuyển của ∆ X E của pitong có thể chuyển thành:

K4K5: thời hằng của bộ điều tốc.

Sơ đồ của bộ điều tốc:

Hình 2-2: Sơ đồ khối của bộ điều tốc

II Mô hình tuabin hơi

Tất cả các hệ thống tuabin hơi phức hợp đều có van điều khiển theo tỷ lệ áp lực cao(hoặc áp suất rất cao) ở đầu vào tuabin để kiểm soát lưu lượng hơi Lò hơi và đường ốngtới các tuabin phức tạp cho thấy sự chậm trễ giữa chuyển động của van và sự thay đổi củalưu lượng hơi nước

dw

Trong đó: w là khối lượng hơi nước trong thể tích d (m3)

t là thời gian (s)

Q¿ và Q out là dòng chảy giả định lưu lượng trọng lượng ra khỏi bình, tỷ lệ thuận với ápsuất trong bình.

Trong đó: T T là thời hằng của tuabin hơi (s).

1 Tuabin không thu hồi nhiệt (Non-Reheater)

Hình 2-3: Sơ đồ khối tuabin không thu hồi nhiệt

- Mô hình của tuabin hơi không thu hồi nhiệt (non-reheater) được áp dụng như sau:

Trong đó: T T ≈ τ τ P T: thời hằng của tuabin hơi (s)

P T là áp lực hơi nước ở đầu vào của tuabin (lb/in2)

Z là khoảng hở van

G1≅ 1 là hằng số độ lợi của tuabin hơi

τ τ là thời hằng của lượng hơi vào tuabin

2 Tuabin thu hồi nhiệt (Reheater)

Hình 2-4: Sơ đồ khối tuabin thu hồi nhiệt

- Mô hình tua bin hơi có thu hồi nhiệt ( with reheater):

∆ T0

∆ P T=

G2(1+n τ γ)1+τ γ ≈

1+s K R T R

T0 : mô men chuyển động chính (p.u)

G2≅ 1 là hằng số độ lợi của bộ thu hồi nhiệt

n=K R: hệ số thu hồi nhiệt tức là tỷ lệ giảm nhiệt trong tuabin H.P so với tổnglượng nhiệt đã giảm

τ γ=T R : thời hằng của bộ thu hồi nhiệt (s)

III Mô hình tuabin thủy điện

Mô hình tuabin thủy điện chính xác nhất là mô hình được thực hiện thông qua hiệntượng sóng dịch chuyển Theo các nghiên cứu đề cập đến, nó không cần thiết để sử dụng

mô hình dao động của sóng

Hình 2-5: Sơ đồ khối tuabin thủy điện

Lưu lượng của tuabin được tính như sau:

Trong đó: g là vị trí cửa

h là chiều cao cột nước

Xem xét cột nước không đổi, cột nước và dòng chảy có liên quan bởi hàm trở kháng:

h

- T w là thời gian nước bắt đầu chảy (s)

Biến đổi công thức (2.23) (2.24) (2.25):

1−T w s

Phương trình này đại diện cho chức năng truyền động của tuabin thủy điện

1 Mô hình bộ điều tốc thủy điện

Chức năng cơ bản của bộ điều tốc là kiểm soát tốc độ và (hoặc) tải Chức năng điềukhiển tốc độ/ tải chính liên quan đến việc phản hồi lỗi tốc độ để điều khiển vị trí vannước Để đảm bảo hoạt động song song và ổn định của nhiều bộ phận, bộ điều tốc tốc độđược cung cấp với đặc tính nhỏ giọt Mục đích của droop là để đảm bảo cân bằng tải giữatạo các khu vực Thông thường, trạng thái dừng ổn định được đặt ở khoảng 5%, sao cho

độ lệch tốc độ 5% gây ra thay đổi 100% về vị trí cổng hoặc công suất, điều này tươngứng với mức tăng 20

2 Bộ điều tốc pitong thủy lực

Các bộ phận cũ của chức năng điều tốc được thực hiện bằng cách sử dụng các thànhphần cơ khí và thủy lực Cảm biến tốc độ, giảm tốc tuyệt đối, phản hồi và các chức năngtính toán đạt được thông qua thành phần cơ khí, chức năng đạt mức công suất cao thôngqua các bộ phận thủy lực

Chức năng truyền của van chuyển tiếp và động cơ servo tại cổng là:

Ngoài ra, tuabin thủy điện còn có hệ số đáp ứng tức thời Hàm hệ số tức thời được trình

bày trong công thức (2.31), trong đó T R là thời gian đặt lại, R T là hệ số giảm tạm thời,

IV Mô hình máy phát trong hệ thống điện

Ở đây mô hình toán học của một máy phát điện bị cô lập được đưa ra Máy phátđiện chỉ cung cấp tải cục bộ và không cung cấp điện cho khu vực khác thông qua đườngdây Giả sử có sự thay đổi tải trên thực tế là ∆ P D Do tác động của bộ điều khiển tuabin,máy phát điện tăng công suất của nó bằng một lượng ∆ P m Công suất dư ∆ P m−∆ P D sẽđược tiêu thụ bởi hệ thống theo hai cách:

1 Bằng cách tăng động năng Wkin trong rotor của máy phát ở mức d (W kin)

D f0 là thời thằng công suất của hệ thống.

Mô hình phụ tải trong hệ thống điện:

Hình 2-6: Sơ đồ khối đại diện cho phụ tải trong hệ thống điện

V Mô hình đường dây liên kết giữa các khu vực

Công suất truyền tải trên đường dây được tính như sau:

P12=|V1||V2|

x sin ⁡(δ1−δ2)Giả sử công suất vùng 1 đang dư và truyền qua vùng 2 thông qua đường dây:

P12=|V1||V2|

X12

P12 là công suất truyền từ vùng 1 sang vùng 2

Trong đó: δ1và δ2 là góc công suất giữa điện áp V1 và V2 của 2 khu vực

X12 là tổng trở đường dây

Trường hợp công suất từ vùng 1 truyền trực tiếp qua vùng 2 thông qua đường dây

Đối với độ lệch ở các góc nhỏ và sự thay đổi công suất đường dây nhỏ tức là độ lệch của

P12+∆ P12=|V1||V2|

X12 sin(δ1−δ2)+|V1||V2|

X12 cos(δ1−δ2) (∆ δ1−∆ δ2) (2.47)hay

∆ P12=|V1||V2|

X12 cos(δ1−δ2) (∆ δ1−∆ δ2) (2.48)Tương tự khái niệm “độ cứng điện” của các máy đồng bộ “đồng bộ hóa”, hệ số đồng bộcủa đường dây có thể được định nghĩa là:

T0=|V1||V2|

X12

cos(δ1−δ2)

T0là moment được sinh ra

Công thức (2.53) có thể viết thành như sau:

Công suất đường dây liên kết có thể đại diện bởi hình sau:

Tương tự cho công suất truyền từ vùng 2 sang vùng 1:

VI Công suất đường dây liên kết giữa các khu vực

Công suất lúc hoạt động bình thường trên đường dây truyền tải theo công thức:

Hình 2-7: Sơ đồ khối đại diện cho đường dây liên kết giữa khu vực thứ i trong 1 hệ thống

điện kết nối có N khu vực

2 CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH KIỂM SOÁT TẦN SỐ TRONG HỆ

THỐNG ĐIỆN

I Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID - Proportional IntegralDerivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát Cơ chếhoạt động cơ bản của bộ điều khiển PID là tính toán sai số giữa thông số đo được trênthực tế và giá trị định mức (giá trị đặt sẵn) Sau khi phân tích giá trị sai số, bộ điều khiểnsẽ điều chỉnh giá trị đầu vào nhằm giảm mức sai số thấp nhất có thể trong thời gian nhanhnhất

Giải thuật tính toán của bộ điều khiển PID bao gồm 3 khâu riêng biệt: khâu tỉ lệ(Proportional), khâu tích phân (Integral) và khâu đạo hàm (Derivative), viết tắt là P, I, và

D Khâu tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện thời, khâu tích phân xác định tác động củatổng các giá trị sai số quá khứ, và khâu vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi giátrị sai số Kết quả của quá trình này dùng để điều chỉnh thông qua một phần tử điều khiểnnhư cửa van hay đầu vào động cơ của bộ điều tốc Như vậy, các khâu này có thể xác địnhđược mối quan hệ về thời gian: khâu tỉ lệ phụ thuộc vào giá trị sai số hiện tại, khâu tíchphân phụ thuộc vào tích lũy các giá trị sai số trong quá khứ, và khâu đạo hàm dự đoáncác sai số trong tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi các giá trị ở hiện tại

Tùy vào đặc thù của từng hệ thống, người ta sẽ chọn các khâu khác nhau để làm bộđiều khiển Một bộ điều khiển PID có thể được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I Bộđiều khiển PI phổ biến nhất trong các loại điều khiển PID, do khâu tỉ lệ đáp ứng khá tốtcác biến đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạtđược giá trị mong muốn

Hình 3-8: Mô hình bộ điều khiển PID

Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV) Ta có:

trong đó:

P out ; I out ; D out là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID, được xác định như dưới đây

Mục tiêu điều khiển của bộ điều khiển PID:

 Triệt tiêu sai số xác lập

 Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố

 Hạn chế dao động

Sai số hệ thống: e (t)= y (t)

với K xlà độ lợi của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân: K p , K dhoặc K i

Hình 3-9: Sơ đồ điều khiển của PID

1 Khâu tỉ lệ

Khâu tỉ lệ (hay còn gọi là độ lợi) có chức năng làm thay đổi giá trị đầu ra, giá trị này

tỉ lệ với giá trị của sai số hiện tại Đáp ứng khâu tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách

nhân sai số đó với một hằng số K p, hằng số này được gọi là độ lợi tỉ lệ

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

t : thời gian tức thời (s)

- Độ lợi tỉ lệ Kp càng lớn => sai số xác lập càng bé (nhưng không thể triệt tiêu hết).

- Kp càng lớn => các cực của hệ thống có xu hướng di chuyển càng ra xa trục thực

xác định bởi độ lợi tích phân K i

Khâu tích phân được cho bởi:

t : thời gian tức thời (s)

ℸ : biến tích phân qua miền trung gian

- Tín hiệu của ngõ ra được xác định bằng giá trị sai số.

- Hệ số Ki càng lớn => thời gian đáp ứng quá độ càng lâu.

- Hệ số Ki càng lớn => sai số xác lập càng nhỏ Hệ số khuếch đại của khâu tích phânbằng ∞ khi tần số bằng 0 => triệt tiêu sai số xác lập với hàm nấc

- Ki càng lớn thì độ vọt lố càng cao.

3 Khâu vi phân

Tốc độ thay đổi sai số quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số

theo thời gian và nhân tốc độ này với độ lợi vi phân K d Độ lợi vi phân quyết định tốc độ

thay đổi trên khâu vi phân

Khâu vi phân được cho bởi:

t : thời gian tức thời (s)

- Kd càng lớn thì thời gian đáp ứng quá độ càng nhanh.

trong đó các thông số điều chỉnh là:

Độ lợi tỉ lệ K p, giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng nhỏ, bù khâu tỉ

lệ càng lớn Nếu giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn có thể dẫn đến quá trình điều khiển mất ổnđịnh và dao động rối loạn

Độ lợi tích phân K i, giá trị càng lớn làm sai số xác lập càng nhỏ nhanh Nhưng lại khiến

độ vọt lố càng lớn: bất kỳ giá trị sai số âm nào trong khâu tích phân trong suốt quá trìnhđáp ứng quá độ phải được triệt tiêu bằng sai số dương trước khi hệ thống tiến tới trạngthái ổn định

Độ lợi vi phân K d, giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm quá trình đápứng quá độ và có thể mất ổn định bởi những tín hiệu có tần số cao

II Phương pháp điều khiển sử dụng thuật toán LQR

Bộ điều khiển tối ưu nhằm xác định quy luật điều khiển cho hệ thống động có trướcsao cho tối thiểu hóa một chỉ tiêu chất lượng Điều khiển tối ưu được phát triển dựa trêncác cơ sở toán học như: phương pháp biến phân (Bernoulli, Euler, Lagrange, Weiertrass,

- Loại đối tượng điều khiển.

- Miền thời gian liên tục hoặc miền thời gian rời rạc.

- Các chỉ tiêu chất lượng khác nhau đối với từng hệ thống.

- Yêu cầu ràng buộc về bài toán tối ưu.

Hiện nay, có 2 dạng điều khiển tối ưu chính:

- Điều khiển tối ưu tĩnh: các yêu cầu chỉ tiêu chất lượng không phụ thuộc vào thời

gian (miền thời gian rời rạc)

- Điều khiển tối ưu động: các yêu cầu về chỉ tiêu chất lượng phụ thuộc vào thời gian

(miền thời gian liên tục), ví dụ như:

 Bài toán điều chỉnh tuyến tính ( Linear Quadractic Regulator – LQR)

 Bài toán điều khiển tối ưu H2

Các vấn đề trong lý thuyết điều khiển tối ưu được miêu tả dưới dạng không gian trạngthái như sau:

´

trong đó:

x là vector trạng thái có kích thước n × 1, n là số biến trạng thái

u là vector điều khiển có kích thước m × 1, m là số biến điều khiển

y là vector ngõ ra có kích thước p × 1, p là số biến đầu ra

Để đạt ổn định, tất cả các giá trị của ma trận (~A−~ B ´K ) phải thuộc biến thực âm Từ côngthức (3.11) và (3.12), cài đặt tối ưu của độ lợi (K´ ¿ đã được thu Giải phương trình Riccati(3.11) được sử dụng bởi hàm trong MATLAB.

Quy định đáp ứng ngõ ra của bộ điều khiển được định nghĩa là:

Trong đó: ~K là độ lợi ma trận có kích thước m × p

Trong kế hoạch điều khiển tối ưu, ngõ vào điều khiển được kết hợp với giá trị trung bình

từ đáp ứng ngõ ra với hằng số đáp ứng theo tiêu chí tối ưu hóa Sử dụng công thức (3.11)

và công thức (3.13), mô hình tuyến tính bởi công thức (3.1) được chuyển thành:

´

x=(~A−~ K ~ B ~ C)x =~ A C x (3.14)Chỉ số hiệu suất được cho bởi công thức (3.14) có thể viết lại:

Vấn đề điều khiển hiện tại là thiết kế ma trận ~K sao cho hàm chi phí J là nhỏ nhất

Sau khi tối ưu hóa và đơn giản hóa, những công thức được thiết kế theo độ lợi tối ưu đãthu được như sau:

2tr (~ P X )

Các phương trình (3.16) và (3.17) là phương trình Lyapunov và phương trình (3.18) làmột phương trình để đạt được độ lợi ~K Để thu được độ lợi đáp ứng đầu ra ~K tối thiểu J0những phương trình này có thể được giải đồng thời bằng kỹ thuật lặp lại

III Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển

Nguyên lý điều khiển được hiểu như sau: Khi có bất kì thay đổi công suất phụ tảinào thì bộ cảm biến tần số sẽ tính toán độ lệch tần số là bao nhiêu sau đó sẽ phản hồi tới

bộ điều khiển Tại đây, bộ điều khiển có nhiệm vụ phân tích và tính toán lượng công suấtphát cần thay đổi là bao nhiêu, từ đó thay đổi vận tốc của bộ điều tốc điều khiển động cơtua bin hơi hay động cơ cửa xả tua bin nước,… từ đó làm thay đổi tốc độ tua bin tới máyphát Lúc này máy phát sẽ tăng hoặc giảm công suất phát ra để cân bằng công suất tải vàgiảm độ lệch tần số về 0

Hình 3-10: Sơ đồ khối của máy phát đồng bộ với vòng lặp điều khiển tần số

3 CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỆN MỘT KHU VỰC

I Mô hình hệ thống thủy điện

Xét một hệ thống điện đơn lẻ được đại diện bởi các phần tử gồm: đường dây, tua bin, máy phát, bộ điều tốc,

Hình 4-11: Sơ đồ hệ thống thủy điện 1 khu vực.

Bộ điều tốc ( Governor) : được mô hình hóa bởi công thức:

u là vector điều khiển.

A,B,F là các ma trận chứa các biến trạng thái trong hệ thống

Dựa vào phương trình trạng thái (4.8) và các phương trình (4.1) ⇒ (4.7), ta tìm các ma

trận định vị A,B,F như sau:

PS PS

K T F

m v g

F s

P s

P s X

Xét hệ thống nhà máy thủy điện đơn lẻ có các thông số sau:

a Mô hình sử dụng bộ điều khiển PID

Mô hình hệ thống thủy điện sử dụng bộ điều khiển PID được kết nối thông qua cáckhối sau:

Hình 4-12: Mô hình hệ thống thủy điện sử dụng bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID được đặc trưng bởi công thức:

Mô hình mô phỏng hệ thống thủy điện dùng phương pháp điều khiển tối ưu LQR:

Hình 4-13: Mô hình hệ thống thủy điện sử dụng phương pháp LQR

- Khối hệ thống thủy điện:

Hình 4-14: Mô hình hệ thống thủy điện sử dụng phương pháp LQR

Trong đó: A,B,F là các ma trận định vị

Delta(PL) là khối thay đổi công suất tải

Các code trong lập trình matlab:

c Mô hình sử dụng phương pháp dời cực tự chọn ( Pole Placement)

Mô hình hệ thống thủy điện sử dụng phương pháp dời cực tự chọn giống như mô hình hệthống nhiệt điện sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu LQR nhưng phương pháp dờicực tối ưu không có ma trận Q,R và thay bằng đoạn code trong matlab:

Các mã trong mô phỏng matlab:

II Mô hình hệ thống nhiệt điện

Mô hình hệ thống nhiệt điện được đại diện bởi các công thức sau:

- Mô hình tuabin hơi không tái tạo nhiệt (non-reheater):

1

- Mô hình tuabin hơi tái tạo nhiệt (re-heater): tương tự tuabin không tái tạo nhiệt

nhưng thêm khâu tái tạo nhiệt

- Bộ điều tốc điều chỉnh lượng hơi nước qua tua bin, làm thay đổi tốc độ tua bin và

thay đổi công suất phát của máy phát sao cho phù hợp với công suất tải

- Bộ điều khiển ( Controller) nhận tín hiệu độ lệch tần số để điều khiển tín hiệu vào

ΔPc(s) của bộ điều tốc.

1 Mô hình hệ thống nhiệt điện 1 khu vực sử dụng tuabin không tái tạo nhiệt

Hình 4-15: Sơ đồ hệ thống nhiệt điện dùng tuabin không tái tạo nhiệt

Dựa vào công thức (4.12) (4.14) (4.15) (4.16), qua biến đổi vi phân ta được các phương trình như sau:

X (t)= A X (t )+B u (t)+F ∆ P D(t ) (4.21)trong đó:

X là vector trạng thái

u là vector điều khiển

A,B,F là các ma trận chứa các biến trạng thái trong hệ thống

Dựa vào phương trình trạng thái, ta xác định được các ma trận định vị A,B,F:

PS PS

K T F

m v

Xét hệ thống nhiệt điện sử dụng tuabin không tái tạo nhiệt gồm các thông số sau

a Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID

Mô hình hệ thống nhiệt điện sử dụng bộ điều khiển PID như sau:

Hình 4-16: Mô hình hệ thống nhiệt điện sử dụng bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID được đặc trưng bởi công thức:

b Mô hình sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu LQR

Dựa vào các thông số trên bảng 2, ta xác định giá trị các ma trận A,B,F:

Mô hình mô phỏng hệ thống nhiệt điện dùng phương pháp LQR:

Hình 4-17: Mô hình khối hệ thống nhiệt điện dùng phương pháp LQR

- Khối hệ thống nhiệt điện:

Hình 4-18: Mô hình hệ thống nhiệt điện dùng phương pháp LQR

Trong đó: A,B,F là các ma trận định vị

Delta(PL) là khối thay đổi công suất tải

Các code trong lập trình matlab:

c Mô hình sử dụng phương pháp dời cực tự chọn Pole Placement

Mô hình hệ thống nhiệt điện sử dụng phương pháp dời cực tự chọn giống như mô hình hệthống nhiệt điện sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu LQR nhưng phương pháp dờicực tối ưu không có ma trận Q,R và thay bằng đoạn code trong matlab:

Các mã trong mô phỏng matlab:

2 Mô hình hệ thống nhiệt điện 1 khu vực sử dụng tuabin tái tạo nhiệt

Hình 4-19: Sơ đồ hệ thống nhiệt điện dùng tuabin tái tạo nhiệt

Dựa vào công thức (4.12) (4.13) (4.14) (4.15) (4.16), qua biến đổi vi phân ta được các phương trình như sau:

u là vector điều khiển.

A,B,F là các ma trận chứa các biến trạng thái trong hệ thống

Dựa vào phương trình trạng thái (4.29) và các phương trình (4.24)⇒ (4.28), ta xác

SG

B T