Lập trình mô phỏng điều khiển hệ thống điện

Việc điều khiển HTĐ được thực hiện thông qua việc xác định các giá trị đặt của thông số điều khiển của thiết bị điều khiển, bao gồm điện áp đầu cực MPĐ, nấc phân áp của MBAĐADT.. Hình 1:

LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN

Trong vận hành hệ thống điện (HTĐ) ở chế độ bình thường cũng như chế độ sau sự cố, việc điều khiển HTĐ nhằm đảm bảo các thông số vận hành của HTĐ thỏa mãn mục tiêu có liên quan đến tiêu chuẩn kinh tế/kỹ thuật cho trước là nhiệm

vụ rất quan trọng Điều khiển HTĐ nói chung bao gồm điều khiển điện áp và tần

số Nghiên cứu được thực hiện và báo cáo trong đề tài này tập trung vào điều khiển

điện áp với mục tiêu nhằm đảm bảo biên độ điện áp tại các nút của HTĐ nằm trong

giới hạn cho phép Đây là một trong các yêu cầu quan trọng có ý nghĩa không những về mặt kỹ thuật mà còn mang lại lợi ích kinh tế Biên độ điện áp tại các nút HTĐ càng gần với giá trị định mức, chế độ làm việc của phụ tải nối vào nó càng tối ưu, và dòng công suất phản kháng trên các nhánh sẽ càng bé dẫn đến tổn thất công suất trên toàn HTĐ càng giảm

Các thiết bị tham gia điều khiển điện áp HTĐ trong đề tài này được giả thiết bao gồm hệ thống kích thích máy phát điện (MPĐ) và bộ đổi nấc phân áp của máy biến áp có điều áp dưới tải (MBAĐADT) Việc điều khiển HTĐ được thực hiện thông qua việc xác định các giá trị đặt của thông số điều khiển của thiết bị điều khiển, bao gồm điện áp đầu cực MPĐ, nấc phân áp của MBAĐADT Mối quan hệ giữa các thông số điều khiển (của các thiết bị điều khiển) và biên độ điện áp nút của HTĐ (thông số được điều khiển) là mối quan hệ rất phi tuyến

Nhằm mục đích giúp cho sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật điện hiểu rõ hơn các kiến thức về điều khiển HTĐ, qua đó thấy được tác động của các thông số điều khiển lên các thông số được điều khiển, việc xây dựng mô hình mô phỏng điều khiển HTĐ bằng máy tính là đề tài mang tính giáo dục và thực tiễn có chi phí thấp so với các mô hình khác Mục tiêu của đề tài bao gồm thành lập mô hình mô phỏng điều khiển HTĐ, trên cơ sở đó xây dựng bài thí nghiệm mô phỏng

điều khiển HTĐ dùng cho các sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật điện

II MÔ HÌNH HTĐ DÙNG TRONG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP

Vì chu kỳ điều khiển điện áp trong HTĐ tương đối bé nên mô hình của HTĐ dùng trong bài toán điều khiển điện áp là mô hình trong chế độ xác lập, trong đó công suất tác dụng của các MPĐ (trừ MPĐ cân bằng), công suất phụ tải, và cấu

trúc HTĐ được giả thiết là không đổi [1] – [5] Mô hình được biểu diễn dưới dạng

hệ phương trình đại số phi tuyến diễn tả chế độ HTĐ ở chế độ xác lập, thường

được gọi là hệ phương trình phân bố công suất (power flow equations) Phương

trình phân bố công suất tại các nút khác nhau có các dạng khác nhau Không mất

tính tổng quát, HTĐ được giả thiết bao gồm 1 nút cân bằng, L nút tải và G nút

MPĐ

- Nút cân bằng: Chế độ xác lập của nút cân bằng được mô tả bởi 2 phương

trình liên quan đến biên độ và góc pha như sau:

cb V cb

V( ) = (1)

0)(cb =

θ (2) Trong (1) và (2):

cb là nút cân bằng, trong trường hợp tổng quát có giá trị bất kỳ;

|V(cb)| và θ(cb) là biên độ và góc pha của điện áp phức tại nút cân bằng;

V cb là biên độ điện áp cho trước của nút cân bằng

- Nút tải: Công suất tác dụng và công suất phản kháng yêu cầu tại nút tải ở

chế độ xác lập được cho trước và không đổi Các phương trình mô tả chế độ xác lập của nút tải là các phương trình cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng tại nút tải, và được cho như sau:

)())

((nt l P0 l

P =− t (3)

)())

((nt l Q0 l

((Re))((

k

k V k l nt Y l

nt V l

k

k V k l nt Y l

nt V l

nt

Trong (3) – (6):

l là thứ tự của nút phụ tải, với l = 1,2, …, L;

nt(l) là tên nút của phụ tải thứ l;

- Nút MPĐ: Công suất tác dụng cung cấp bởi MPĐ và điện áp đầu cực của nó

là các giá trị xác định trước của MPĐ Nếu công suất phản kháng phát ra hoặc hấp thu của MPĐ nằm trong phạm vi cho phép của nó, hệ phương trình

mô tả chế độ xác lập của nút MPĐ được viết trên cơ sở cân bằng công suất tác dụng và chức năng điều khiển điện áp của MPĐ như sau:

)())

(

P = p (7)

)())

(

V = p (8)

)())

(()

((Re))((

k

k V k g np Y g

np V g

k

k V k g np Y g

np V g

np

Trong trường hợp công suất phản kháng phát ra hoặc hấp thu của MPĐ vượt quá giới hạn cho phép của nó, hay nói khác đi bất phương trình kép (9) không thỏa mãn, phương trình (8) được thay thế bởi một trong hai phương trình sau đây, tùy thuộc vào giới hạn công suất phản kháng bị vi phạm:

)()

()),(())

((

*

g Q k

V k g np Y g

()),(())

((

*

g Q k

V k g np Y g

Y(np(g),k) là phần tử (np(g),k) của ma trận tổng dẫn nút, Y, của HTĐ

Hệ thống điện nếu trên có thể mô tả bằng hình sau đây:

Hình 1: Mô hình HTĐ

Ma trận tổng dẫn nút trong các phương trình trên được thành lập từ các phần tử của mạng điện bao gồm đường dây truyền tải, máy biến áp và các các nhánh song song, trong đó máy biến áp được mô hình có xét đến nấc phân áp Mô hình máy biến áp có xét đến nấc phân áp khác định mức được cho dưới dạng hình π trong đó các phần tử được biểu diễn dưới dạng tổng dẫn như sau:

Hình 2: Mô hình π của máy biến với nấc phân áp khác định mức

Trong mô hình trên, Y b là tổng dẫn của máy biến áp; t là nấc phân áp; S và R là

nút đầu gửi và nút đầu nhận của máy biến áp

t

2

)1( +

−

b Y t

III BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP HTĐ

Hệ phương trình được xây dựng trong mục II có thể được viết dưới dạng ma trận/vec tơ tổng quát như sau:

0),,(V θ u =

g (14)

Trong phương trình trên, |V| và θ là các vec tơ biên độ và góc pha của điện áp tại các nút trong hệ thống, u là vec tơ biến điều khiển, và g là véc tơ hàm bao gồm các phương trình mô tả phân bố công suất trong hệ thống điện Nói chung, g là véc

tơ hàm phi tuyến theo các biến |V|, θ và u

Nhằm mục đích minh họa bài toán điều khiển điện áp HTĐ và không mất tính tổng quát, thiết bị tham gia điều khiển điện áp được giả thiết bao gồm các MPĐ, kể

cả MPĐ tại nút cân bằng, và các máy biến áp có điều áp dưới tải Trên cơ sở đó vec tơ biến điều khiển được định nghĩa như sau:

p p

và nấc điều chỉnh MBAĐADT sao cho biên độ điện áp tại các nút của hệ thống nằm trong phạm vi cho phép, chẳng hạn từ 0.95 – 1,05 đvtđ, đồng thời các thông

số của các phần tử trong HTĐ nằm trong giới hạn cho phép của nó

Bài toán vừa nêu trên có thể phát biểu dưới dạng toán học, tùy thuộc vào mục

đích của bài toán điều khiển, như sau:

Trường hợp 1: Dùng cho điều khiển điện áp trực tuyến trong vận hành HTĐ

Bài toán điều khiển điện áp HTĐ trong trường hợp này được phát biểu dưới dạng bài toán phân bố công suất tối ưu như sau:

f(|V|,θ,u) → min (16)

thỏa mãn các ràng buộc

0),,(V θ u =

g

(17) 0

),,(V θ u ≤

h

(18)

Trong đó f là hàm mục tiêu, trong trường hợp tổng quát là hàm phi tuyến của

các biến hệ thống (|V|, θ) và biến điều khiển u Hàm mục tiêu có thể là hàm tổng

tổn thất công suất tác dụng trong mạng điện, hoặc hàm biểu diễn tổng bình phương

độ lệch biên độ điện áp nút so với giá trị yêu cầu của chúng

Véc tơ hàm g mô tả chế độ xác lập của HTĐ, bao gồm các phương trình phân

bố công suất trong HTĐ

h là véc tơ hàm biểu diễn ràng buột có liên quan đến các thông số của các phần

tử trong HTĐ như biên độ điện áp nút, công suất phản kháng của các MPĐ, công suất biểu kiến trên các đường dây truyền tải, biên độ điện áp đầu cực của các MPĐ,

và nấc phân áp của MBAĐADT

Việc giải bài toán trong trường hợp này làm cơ sở cho việc xây dựng chiến lược

điều khiển và ứng dụng trong điều khiển HTĐ trực tuyến đã được nghiên cứu và

trình bày trong Hội nghị khoa học trẻ ĐHQG Tp Hồ Chí Minh lần 1 năm 2012, nên không được trình bày chi tiết trong báo cáo này Bài toán điều khiển được trình bày trong báo cáo này là bài toán có liên quan đến việc xây dựng mô hình mô phỏng

điều khiển HTĐ làm cơ sở để xây dựng bài thí nghiệm mô phỏng điều khiển HTĐ

Trường hợp 2: Dùng cho thí nghiệm mô phỏng điều khiển điện áp HTĐ

Bài toán điều khiển điện áp HTĐ trong trường hợp này được phát biểu dưới

dạng bài toán tìm biến điều khiển u thỏa mãn các ràng buộc:

0),,(V θ u =

g

(19)

max min V V

V ≤ ≤ (20)

Trong các biểu thức trên, g được định nghĩa giống như trường hợp, V min và

V max là véc tơ điện áp nút cực tiểu cho phép và điện áp cực đại cho phép Vì mục

đích của thí nghiệm là giúp cho sinh viên hiểu được ảnh hưởng của điện áp đầu cực

MPĐ và nấc phân áp của MBAĐADT đến biên độ điện áp của HTĐ, nên, ngoài ràng buột về công suất phản kháng của MPĐ được xét đến trong quá trình giải bài toán phân bố công suất (19), các ràng buột khác được bỏ qua

Việc giải bài toán trên được thực hiện bằng phương pháp lặp trên cơ sở thử và sai có định hướng dựa trên kiến thức HTĐ Quá trình giải như sau:

- Bước 1: Gán giá trị ban đầu cho biến u Giá trị ban đầu có thể là các giá trị

định mức

- Bước 2: Với giá trị đã biết của biến u, giải bài toán phân bố công suất (19) để xác định các nghiệm |V| và θ

- Bước 3: Kiểm tra các bất đẳng thức (20), nếu tất cả các bất đẳng thức đều

thỏa giá trị của u chính là giá trị cần tìm, quá trình giải kết thúc Ngược lại, nếu một trong các bất đẳng thức trên không thỏa, biến điều khiển u được hiệu chỉnh

và trở lại bước 2

Việc hiệu chỉnh biến điều khiển u gồm biên độ điện áp đầu cực MPĐ hoặc/và

nấc phân áp MBAĐADT được thực hiện trên các cơ sở sau đây:

- Tăng hoặc giảm biên độ điện áp đầu cực MPĐ sẽ tăng hoặc giảm biên độ

điện áp của các nút lân cận

- Tăng giá trị của nấc phân áp sẽ tăng biên độ điện áp đầu gửi của máy biến áp (nút S trên Hình 2), ngược lại giảm giá trị của nấc phân áp sẽ tăng điện áp đầu nhận của máy biến áp (nút R trên Hình 2)

IV LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG ĐIỂU KHIỂN HTĐ

Việc lập trình mô phỏng điều khiển HTĐ dựa trên sơ đồ tiến trình sau đây:

Hình 3: Sơ đồ tiến trình mô phỏng điều khiển HTĐ

Chương trình được viết bằng ngôn ngữ MATLAB dựa trên sơ đồ tiến trình mô tả ở trên được cho ở phần Phụ lục

• Nhập thông số mạng điện

• Nhập thông số tải

• Nhập thông số MPĐ

• Gán điện áp đầu cực MPĐ bằng 1 đvtđ

• Gán nấc phân áp của MBAĐADT bằng 0

• Giài bài toán phân bố công suất

• Hiển thị kết quả biên độ điện áp nút

V XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG ĐIỂU KHIỂN HTĐ

Thí nghiệm mô phỏng điều khiển HTĐ sử dụng HTĐ có sơ đồ được cho trong Hình 14 [5] của phần Phụ lục Cũng trong phần Phụ lục, thông số về đường dây và máy biến áp được cho trong Bảng 1 và 2, chế độ vận hành tiêu biểu của HTĐ thể hiện bởi công suất tác dụng của MPĐ cùng với công suất tác dụng và phản kháng của phụ tải được cho trong Bảng 3 và 4

Bài thí nghiệm xây dựng trên cơ sở chương trình MATLAB trình bày ở mục IV

được thực hiện bao gồm các bước được mô tả sau đây:

1 Viết file số liệu mô tả cấu trúc và chế độ làm việc của HTĐ

File số liệu mô tả cấu trúc và chế độ làm việc của HTĐ là file có cấu trúc định

trước File số liệu mẫu soạn thảo bằng MATLAB với tên là case1.m được cho

trong phần Phụ lục

Sau khi đã có file số liệu, trong cửa sổ lệnh của MATLAB, nhập lệnh main, sau

đó nhập tên file số liệu khi được yêu cầu Màn hình máy tính sẽ có nội dung như được cho trong Hình 4 dưới đây:

Hình 4: Sơ đồ HTĐ và các cửa sổ MATLAB

Nhấp chuột vào nút Normal của menu trên góc trái phía trên màn hình để chọn

chế độ làm việc bình thường

Phía bên phải màn hình sẽ xuất hiện biểu đồ điện áp của các nút tải, biên độ

điện áp đầu cực MPĐ và nấc phân áp của MBAĐADT Đồng thời góc trên bên trái

xuất hiện menu để chọn đại lượng điều khiển là nấc phân áp của MBAĐADT hoặc

điện áp đầu cực của MPĐ

Hình 5

Do biên độ điện áp đầu cực MPĐ và nấc phân áp của MBAĐADT ban đầu là các giá trị định mức (chưa điều khiển) nên điện áp tại một số nút như 7, 8, 11 và 13 thấp hơn giá trị nhỏ nhất cho phép (0.95 đvtđ) Để điều khiển điện áp tại tất cả các nút nằm trong phạm vi cho phép, người tham gia thí nghiệm có thể chọn cách thay

đổi giá trị nấc phân áp của MBAĐADT hoặc/và điện áp đầu cực MPĐ Trong

trường hợp chọn cách thay đổi nấc phân áp của MBAĐADT, nhấp vào nút

Transformer Tap-changer màn hình máy tính sẽ thay đổi trong đó trên góc trái

phía trên màn hình sẽ xuất hiện menu để chọn MBAĐADT: T1, T2, T3 và T4

Hình 6 Nhấp vào một trong bốn MBA để chọn MBA cần thay đổi nấc phân áp và màn hình máy tính thay đổi như sau:

Hình 7

Trong trường hợp chọn cách thay đổi điện áp đầu cực của MPĐ, nhấp vào

nút Generator Voltage Reference màn hình máy tính sẽ thay đổi trong đó trên

góc trái phía trên màn hình sẽ xuất hiện menu để chọn MPĐ: G1, G2, G3, G4 và G5

Hình 8 Nhấp vào một trong năm MPĐ để chọn MPĐ cần thay đổi điện áp đầu cực Phía trên góc trái mà hình sẽ xuất hiện menu để chọn giá trị điện áp đầu cực MPĐ

Hình 9 Việc chọn các giá trị của nấc phân áp của MBAĐADT và điện áp đầu cực MPĐ được thực hiện theo nguyên tắc thử và sai có định hướng như đã trình bày trong Mục III Sau khi đã chọn các giá trị này hợp lý, trên màn hình sẽ thấy biểu đồ

điện áp chấp nhận được, trong đó điện áp tại tất cả các nút nằm trong phạm vi cho

phép Màn hình máy tính sẽ thay đổi như sau:

Hình 10

Để kết thúc phần điều khiển điện áp HTĐ trong chế độ làm việc bình

thường, nhấp vào nút stop

Màn hình máy tính sẽ có dạng như được cho trên Hình 11, trong đó phía bên phải màn hình là biểu đổ điện áp của HTĐ, điện áp đầu cực MPĐ và nấc phân áp MBAĐADT trong chế độ làm việc bình thường

Để thực hiện điều khiển điện áp HTĐ trong chế độ sau sự cố, ví dụ đứt

đường dây nối giữa nút 2 và 5, nhấp vào nút Contingency Nội dung màn hình

máy tính sẽ thay đổi như được cho trong Hình 12

Do điện áp trong chế độ này không thỏa yêu cầu, việc điều khiển điện áp cần phải được thực hiện tương tự như phần 2 của mục V ở trên

Hình 11

Hình 12

Điều khiển điện áp có thể được thực hiện tương tự như đã thực hiện trong

phần 2, nghĩa là thay đổi nấc phân áp của MBAĐADT hoặc/và điện áp đầu cực máy phát Hình sau đây trình bày kết quả điều khiển trong trường hợp sự cố đứt dây giữa nút 2 và 5

VI CÁC YÊU CẦU BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

Báo cáo thí nghiệm được viết theo các nội dung yêu cầu như sau:

1 Giới thiệu

• Trình bày mục đích của thí nghiệm

• Tóm tắt các nội dung đã thực hiện trong thí nghiệm

2 Mô tả HTĐ dùng trong thí nghiệm

• Sơ đồ nối điện của HTĐ

• Thông số mạng điện

• Thông số tải

3 Kết quả thí nghiệm

a File số liệu mô tả HTĐ

b Điều khiển điện áp trong chế độ làm việc bình thường

• Trình bày trình tự điều khiển để đạt được biểu đồ điện áp HTĐ trong đó điện áp tại tất cả các nút nằm trong phạm vi cho phép

• Giá trị điện áp đầu cực MPĐ và nấc phân áp MBAĐADT

c Điều khiển điện áp trong chế độ sự cố tiêu biểu

• Trình bày sự thay đổi của biểu đồ điện áp khi có sự cố đứt dây giữa nút 2 và 5

• Trình bày trình tự điều khiển để đạt được biểu đồ điện áp HTĐ trong đó điện áp tại tất cả các nút nằm trong phạm vi cho phép

• Giá trị điện áp đầu cực MPĐ và nấc phân áp MBAĐADT

4 Kết luận

• Các kết luận được rút ra sau khi thực hiện thí nghiệm

5 Tài liệu tham khảo

• Liệt kê các tài liệu tham khảo đã sử dụng