Xây dựng giải thuật thích nghi điều khiển tối ưu máy phát điện đồng bộ trên cơ sở công nghệ mạng nơ rôn kèm tóm tắt la

NGÔ CAO CƯỜNG XÂY DỰNG GIẢI THUẬT THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ MẠNG NƠ RÔN LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGÀNH MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN MÃ SỐ: 02.0

NGÔ CAO CƯỜNG

XÂY DỰNG GIẢI THUẬT THÍCH NGHI

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ MẠNG NƠ RÔN

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH - 2008

NGÔ CAO CƯỜNG

XÂY DỰNG GIẢI THUẬT THÍCH NGHI

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ MẠNG NƠ RÔN

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGÀNH MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

MÃ SỐ: 02.06.07

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TSKH HỒ ĐẮC LỘC PGS.TS NGUYỄN NGỌC LÂM

TP HỒ CHÍ MINH - 2008

i

Luận án này được thực hiện tại Bộ môn Hệ thống điện – Khoa Điện –Điện tử

Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh

Em xin chân thành cảm ơn

PGS.TSKH HỒ ĐẮC LỘC

Thầy đã định hướng nghiên cứu và tân tụy hướng dẫn em trong suốt thời gian qua, giúp em hoàn thành luận án này

PGS.TS NGUYỄN NGỌC LÂM

Thầy đã luôn theo dõi, chỉ dẫn các phương pháp tiếp cận và giải quyết các nội dung cần nghiên cứu trong đề tài

PGS.TS NGUYỄN BỘI KHUÊ

Là người Thầy người Cha đã luôn bên cạnh chỉ dẫn, nâng đỡ em trong học tập - nghiên cứu và công tác ngay từ những ngày đầu là sinh viên đại học, học viên cao học cho đến nay

PGS.TS NGUYỄN HOÀNG VIỆT

Thầy đã luôn theo dõi chỉ dẫn em trong công tác học tập - nghiên cứu khi em còn là sinh viên đại học, cao học cho đến nay

PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Thầy luôn nhiệt đóng góp – chỉ dẫn em trong nhiệm vụ nghiên cứu đề tài luận án qua cả ba chuyên đề tiến sỹ

TS VŨ PHAN TÚ

Người thầy - người anh luôn động viên, nâng đỡ em trong học tập nghiên cứu và trong công tác hiện nay

Sau cùng chân thànhcảm ơn tất cả Quý thầy cô trong Khoa Điện – Điện tử đã luôn bên cạnh động viên – giúp đỡ em

ii

BAN GIÁM HIỆU BAN CHỦ NHIỆM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ PHÒNG QUẢN LÝ SAU ĐẠI HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

BAN GIÁM HIỆU TẬP THỂ CBGVNV KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

Đã luôn động viên và tạo điều kiện tốt nhất về vật chất cũng như tinh thần để tôi hoàn thành luận án này

…Với tất cả tầm lòng

Con cảm ơn Bố Lượng - Mẹ Bích và các anh chị em trong gia đình Cảm ơn Quỳnh Trang, Bách Lộc và con gái Sue đã luơn bên cạnh, động viên giúp Bố hồn thành luận án tốt nghiệp này

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi can đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án

Ngô Cao Cường

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU viii

MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1

0.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2

0.2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN ÁN 3

0.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4

0.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4

0.5 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN 4

0.6 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN 5

CHƯƠNG 1 ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 6

1.1 MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 7

1.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 21

1.2.1 Điều khiển thích nghi 21

1.2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi 26

1.3 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MẠNG NƠ RÔN 28

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 28

1.3.1 Quá trình phát triển 28

1.3.2 Một số mạng nơ rôn thông dụng 34

1.3.3 Một số ứng dụng của mạng nơ rôn trong hệ thống điện 37

1.4 ĐẶT VẤN ĐỀ CHO LUẬN ÁN 38

2.1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRÊN CƠ SỞ CÔNG

NGHỆ MẠNG NƠ RÔN 41

2.1.1 Đặt vấn đề 41

2.1.2 Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi 41

2.1.3 Xác định luật điều khiển tối ưu (Bước 1) 42

2.1.4 Xây dựng mạng RBF(bước 2) 46

2.1.5 Xác định luật chỉnh định tham số (bước 3) 47

2.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ ĐA BIẾN (MIMO) 48

2.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ KẾT NỐI VỚI HỆ THỐNG VÔ CÙNG LỚN 51

2.4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ ĐỘC LẬP 59

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐƯỢC THIẾT KẾ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT 66

3.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ KẾT NỐI VỚI HỆ THỐNG VÔ CÙNG LỚN 67

3.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỘNG CƠ 77

3.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỘNG CƠ ĐIỆN DC TRÊN CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐƯỢC ĐỀ XUẤT 78

3.4 KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ 89

3.5 KHẢO SÁT TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ HỆ ĐỘNG CƠ DC - MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 98

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT TRÊN MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM BỘ

ĐIỀU ÁP TẠI NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRỊ AN 107

4.1 HỆ THỐNG SẢN XUẤT ĐIỆN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRỊ AN 108

4.2 HỆ THỐNG KÍCH TỪ MÁY PHÁT ĐIỆN CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRỊ AN 112

4.3 CÁC CHẾ ĐỘ CỦA HỆ THỐNG KÍCH THÍCH BẢO ĐẢM LÀM VIỆC MÁY PHÁT 114

4.4 XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN 115

4.5 GIỚI THIỆU THIẾT BỊ KIỂM NGHIỆM NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN TRỊ AN .120

4.6 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 121

KẾT LUẬN 128

CÁC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ [CTTG] ĐÃ CÔNG BỐ 132

CÁC ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 133

TÀI LIỆU THAM KHẢO 134

PHỤ LỤC 142

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

(Bộ điều khiển tự động điều khiển điện áp);

PSS : Power System Stabilizers (Bộ ổn định công suất)

F-NN : Fuzzy – neural network (Mạng nơ rôn mờ)

SISO : Simple Input Simple Output (Một đầu vào, một đầu ra); MIMO : Multiple Input Multiple Output (nhiều đầu vào, nhiều đầu ra); MARC : MODEL ADAPTIVE REFERENCE CONTROL

(Bộ điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn);

LTM : Long Term Memory (Vùng nhớ dài hạn);

STM : Short Term Memory (Vùng nhớ ngắn hạn);

ANN : Artificial neural network (Mạng neuron nhân tạo);

DC : Direct current (một chiều);

ĐC : Động cơ;

R : Regulator (Bộ điều chỉnh);

AB : Bộ thích nghi;

CS : Bộ công suất;

Md : Moment tải;

POT : Độ vọt lố;

AVM (AVR) : Bộ điều chỉnh điện áp tự động;

AVN : Bộ điều chỉnh điện áp dự phòng bằng tay; QAE : Máy cắt dập từ;

KT : Kích từ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển của hệ thống điện 9

Hình 1.2 Sơ đồ khối mô tả phương trình (1.2) 10

Hình 1.3 Sơ đồ khối điều khiển công suất và tần số 11

Hình 1.4 Sơ đồ khối chức năng của máy phát và hệ thống điều khiển 13

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện áp 15

Hình 1.6 Cấu trúc điều khiển turbogenerator 18

Hình 1.7 Sơ đồ khối bộ điều khiển kích tư dùng nơ rôn 19

Hình 1.8 Sơ đồ điều khiển thích nghi gián tiếp 27

Hình 1.9 Sơ đồ điều khiển thích nghi trực tiếp 27

Hình 1.10 mô hình hóa nơ rôn nhân tạo 29

Hình 1.11 Mức kích hoạt cho nơ rôn nhân tạo 30

Hình 1.12 Học có giám sát 32

Hình 1.13 Học củng cố 33

Hình 1.14 Học không có giám sát 34

Hình 1.15 Cấu trúc mạng nơ rôn cấu trúc truyền ngược 35

Hình 3.1 Giao diện chương trình mô phỏng điều khiển máy phát điện kết nối hệ thống vô cùng lớn dùng mạng RBF 68

Hình 3.2 File chương trình khai báo và cập nhật thông số 68

Hình 3.3 Cấu trúc mạng nơ rôn điều khiển máy phát 69

Hình 3.4 Cấu trúc mạng điều khiển tín hiệu điều khiển (u2) công suất 69

Hình 3.5 Cấu trúc một nơ rôn lớp ẩn 70

Hình 3.6 Cấu trúc mạng nơ rôn phần khối (sub) trên hình 3.4 70

Hình 3.7 Đáp ứng công suất và sai số công suất với bộ điều khiển mạng nơ rôn với

mô hình tóan không cấy nhiễu 71

Hình 3.8 Đáp ứng điện áp và sai số điện áp với bộ điều khiển mạng nơ rôn với mô hình tóan không cấy nhiễu 72

Hình 3.9 Đáp ứng công suất và sai số công suất với bộ điều khiển mạng nơ rôn với mô hình tóan có cấy nhiễu 73

Hình 3.10 Đáp ứng điện áp và sai số điện áp với bộ điều khiển mạng nơ rôn với mô hình tóan có cấy nhiễu 74

Hình 3.11 Quá trình quá độ điện áp đầu cực máy phát với các hệ số điều khiển γ khác nhau 75

Hình.3.13 Đáp ứng điện áp phát Eq theo điện áp đặt thay đổi (không cấy nhiễu) 76

Hình.3.14 Đáp ứng tần số phát khi thay đổi công suất tải (không cấy nhiễu) 77

Hình.3.15 Đáp ứng tần số phát khi thay đổi công suất tải (có cấy nhiễu) 77

Hình 3.16 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi động cơ điện DC 79

Hình 3.17 Giao diện chương trình chạy mô phỏng điều khiển dùng mạng RBF 80

Hình 3.18 Vận tốc động cơ 81

Hình 3.19 Biến thiên tốc độ có dạng hình sin 81

Hình 3.20 Đáp ứng vận tốc động cơ khi tải biến thiên 82

Hình 3.21 Đáp ứng vận tốc động cơ khi các thông số ma sát biến đổi 83

Hình 3.22 Giao diện chương trình chạy mô phỏng điều khiển động cơ PID và RBF… 84

Hình 3.23 Đáp ứng tốc độ của động cơ cho bởi hai bộ điều khiển 84

Hình 3.24 Đáp ứng tốc độ của động cơ cho bởi hai bộ điều khiển 85

Hình 3.25 Đáp ứng tốc độ của động cơ cho bởi hai bộ điều khiển khi giảm tải liên

tục……… 86

Hình 3.26 Đáp ứng tốc độ của động cơ khi tốc độ đặt thay đổi bởi hai bộ điều khiển ….……… 87

Hình 3.27 Đáp ứng tốc độ của động cơ khi tốc độ đặt thay đổi bởi hai bộ điều khiển ….……… 88

Hình 3.28 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống mô hình vật lý 90

Hình 3.29 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ kéo 91

Hình 3.30 Sơ đồ nguyên lý điều khiển kích từ đảm bảo điện áp tải 91

Hình 3.31 Hệ động cơ- máy phát và tải… 92

Hình 3.32 Bộ công suất điều khiển hệ 92

Hình 3.33 Giao diện chương trình điều khiển với khâu hiểu chỉnh PID 93

Hình 3.34 Giao diện chương trình điều khiển dùng mạng RBF 93

Hình 3.35 Đáp ứng tốc độ khi khởi động không tải với khâu hiệu chỉnh PID 94

Hình 3.36 Đáp ứng tốc độ khi khởi động không tải với mạng RBF… 94

Hình 3.37 Đáp ứng tốc độ khi khởi động có tải với khâu hiệu chỉnh PID 94

Hình 3.38 Đáp ứng tốc độ khi khởi động có tải với mạng RBF 94

Hình 3.39 Đáp ứng điện áp trên tải khi thay đổi tải cực đại dùng khâu PID…… 95

Hình 3.40 Đáp ứng điện áp trên tải khi thay đổi tải cực đại với RBF 95

Hình 3.41 Đáp ứng tốc độ động cơ khi thay đổi cực đại dùng khâu PID 95

Hình 3.42 Đáp ứng tốc độ động cơ khi thay đổi cực đại dùng RBF………95

Hình 3.43 Đáp ứng tốc độ khi giảm tải liên tục rồi tăng liên tục dùng PID 96

Hình 3.44 Đáp ứng tốc độ khi giảm tải liên tục rồi tăng liên tục dùng RBF 96

Hình 3.45 Đáp ứng điện áp trên tải khi tải giảm liên tục tăng liên tục dùng

PID…… ……… 96

Hình 3.46 Đáp ứng điện áp trên tải khi tải giảm liên tục tăng liên tục dùng RBF……… ………… 96

Hình 3.47 Sơ đồ khối hệ thống máy phát điện đồng bộ……… 98

Hình 3.48 Hệ thống tải R-L-C 98

Hình 3.49 hệ thống MFĐ và động cơ 98

Hình 3.50 Mô hình vật lý hệ động cơ điện DC – MFĐ 99

Hình 3.51 Chương trình điều khiển máy phát Ac và động cơ DC dùng RBF .100

Hình 3.52 Đáp ứng áp phát khởi động không tải máy phát - giải thuật PID 101

Hình 3.53 Đáp ứng áp phát khởi động không tải máy phát – mạng RBF 101

Hình 3.54 Quan sát áp phát khi khởi động mạch kích từ- không tải dùng RBF 101

Hình 3.55 Đáp ứng áp trên tải R khi tải tăng giảm- giải thuật PID 102

Hình 3.56 Đáp ứng áp trên tải R khi tải tăng giảm- mạng RBF 102

Hình 3.57 Đáp ứng áp trên tải C khi tải tăng giảm – giải thuật PID 103

Hình 3.58 Đáp ứng áp trên tải C khi tải tăng giảm – mạng RBF 103

Hình 3.59 Đáp ứng áp trên tải L khi tải tăng giảm – giải thuật PID ……….103

Hình 3.60 Đáp ứng áp trên tải L khi tải tăng giảm – mạng RBF 103

Hình 3.61 Đáp ứng áp trên tải RLC khi tăng giảm – giải thuật PID 104

Hình 3.62 Đáp ứng áp trên tải RLC khi tăng giảm – mạng RBF 104

Hình 4.1 Toàn cảnh nhà máy thủy điện Trị An 108

Hình 4.2 Đập tràn nhìn từ phía thượng lưu 109

Hình 4.3 Đập tràn nhìn từ phía hạ lưu 109

Hình 4.4 Stator máy phát 110

Hình 4.5 Máy biến thế chính……… …110

Hình 4.6 Trạm phân phối ngoài trời 220Kv 111

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý nhà máy thủy điện Trị An 112

Hình 4.8 Sơ đồ mạch động lực hệ thống kích từ nhà máy thủy điện Trị An 113

Hình 4.9 Nguồn cung cấp điện áp kích thích 120

Hình 4.10 Khâu hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển 120

Hình 4.11 Mạch động lực điều khiển điện áp 121

Hình 4.12 Sơ đồ điều khiển áp kích từ 121

Hình 4.13 Giao diện phần mềm điều khiển kích từ máy phát 122

Hình 4.14 Đáp ứng điện áp phát khởi động kích từ không tải 123

Hình 4.15 Đáp ứng điện áp phát khởi động kích từ không tải (trị biên độ) 123

Hình 4.16 Đáp ứng điện áp phát khởi động kích từ có tải 124

Hình 4.17 Đáp ứng điện áp phát khởi động kích từ có tải (trị biên độ) 124

Hình 4.18 Đáp ứng điện áp khi thay đổi tải 125

Hình 4.19 Đáp ứng điện áp khi khởi động không tải (trị biên độ) 125

Hình 4.20 Đáp ứng điện áp khi trị áp đặt thay đổi 126

Hình 4.21 Đáp ứng điện áp khi trị áp đặt thay đổi (trị biên độ) 126

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 3.1: thống kế kết quả mô phỏng các đáp ứng tốc động cơ dùng PID và RBF 89 Bảng 3.2: tổng hợp kết quả thực nghiệm trên mô hình hệ động cơ – máy phát DC 97 Bảng 3.3: thống kế so sánh một số trường hợp vận hành khảo sát trên mô hình phòng thí nghiệm với máy phát hoạt động độc lập 104

MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

Trong phần mở đầu, giới thiệu luận án được trình bày với các tiểu mục sau:

‘ Đặt vấn đề;

‘ Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án;

‘ Phạm vi nghiên cứu;

‘ Điểm mới của luận án;

‘ Giá trị thực tiễn của luận án

0.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Máy phát điện (MFĐ) đồng bộ cung cấp năng lượng điện cho hệ thống, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện trong sản xuất và đời sống Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, yêu cầu nâng cao chất lượng điện năng luôn là một đòi hỏi quan trọng và cấp thiết Chính vì vậy, việc cải tiến hệ thống điều khiển và qui trình vận hành MFĐ là một hướng giải quyết thích hợp và hiệu quả cho phép nâng cao chất lượng điện năng

Máy phát điện đồng bộ là một đối tượng động phi tuyến với các thông số biến đổi và làm việc trong điều kiện nhiễu ngẫu nhiên lớn (trong đó có kể đến sự thay đổi của phụ tải theo thời gian, sự cố thoáng qua…) Tuy nhiên, trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển MFĐ đồng bộ với các bộ điều khiển truyền thống như

PD, PI hoặc PID, mô hình toán học của MFĐ đồng bộ đã được tuyến tính hoá Điều này dẫn đến trong một số trường hợp, đặc biệt là khi MFĐ đồng bộ làm việc trong chế độ nhiễu lớn (phụ tải thay đổi bất định, sự cố trên hệ thống điện,…), các chỉ tiêu

về chất lượng điều khiển (điện áp, tần số) không được đảm bảo

Hiện nay trên thế giới, các phương pháp điều khiển hiện đại được đề nghị áp dụng cho MFĐ như: điều khiển thích nghi, điều khiển tối ưu Các công nghệ tính toán mới như: công nghệ mạng nơ rôn, hệ mờ, cũng được sử dụng như là công cụ thực hiện giải thuật điều khiển Nhiều công trình khoa học được công bố nhằm chứng minh tính khả thi, cũng như chất lượng điều khiển của các hệ thống nêu trên

Tuy nhiên, các vấn đề mang tính nguyên lý, đặc biệt là việc chứng minh tính

ổn định cũng như định lượng các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống dựa trên lý thuyết điều khiển thích nghi với công nghệ mạng nơ rôn, logic mờ chưa được giải quyết triệt để Vì vậy việc phát triển các nghiên cứu về tính chất của hệ thống điều khiển thích nghi trên cơ sở ứng dụng công nghệ mạng nơ rôn, logic mờ là cần thiết Đó cũng là nội dung chính của luận án này

0.2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN ÁN

Mục tiêu của luận án :

1 Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển MFĐ đồng bộ làm việc trong các chế độ nhiễu và sự cố

2 Áp dụng phương pháp thiết kế giải tích hệ thống điều khiển thích nghi MFĐ đồng bộ Đảm bảo tính ổn định và chất lượng điều khiển của hệ thống

3 Ứng dụng công nghệ mạng nơ rôn làm cơ sở cho việc thực hiện giải thuật điều khiển thích nghi cho MFĐ đồng bộ

4 Triển khai các kết quả nghiên cứu cho một đối tượng cụ thể

Để đạt được các mục tiêu trên, các nhiệm vụ sau được đề xuất:

1 Nghiên cứu hệ thống điều khiển MFĐ đồng bộ làm việc trong các chế độ nhiễu và sự cố Từ đó đề xuất giải pháp điều khiển tối ưu theo các chỉ tiêu chất lượng cho trước

2 Nghiên cứu tổng quát phương pháp giải tích thiết kế hệ thống điều khiển véc

tơ thích nghi đối tượng động phi tuyến có mô hình không tường minh và làm

việc trong chế độ nhiễu ngẫu nhiên

3 Đề xuất phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi trên cơ sở công nghệ mạng nơ rôn

4 Chứng minh bằng giải tích tính ổn định và các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống điều khiển thích nghi

5 Thiết kế và Đánh giá hệ thống điều khiển đối tượng tiêu biểu trên cơ sở phương pháp được đề xuất

6 Thiết kế hệ thống điều khiển MFĐ đồng bộ trên cơ sở phương pháp được đề xuất

7 Đánh giá hệ thống điều khiển được thiết kế

8 Ứng dụng phương pháp được đề xuất thiết kế hệ thống điều khiển MFĐ đồng

bộ của nhà máy thủy điện Trị An Đánh giá hệ thống điều khiển trên mô hình vật lý

0.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Xây dựng phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi các đối tượng động phi tuyến không có mô hình toán học tường minh, làm việc trong chế độ nhiễu ngẫu nhiên Ứng dụng công nghệ mạng nơ rôn thực hiện giải thuật thích nghi Khảo sát hệ thống điều khiển cho một số đối tượng tiêu biểu Điều khiển MFĐ đồng bộ dựa trên phương pháp được đề xuất

0.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Giải tích toán học là phương pháp được sử dụng xuyên suốt trong luận án Phương pháp mô phỏng được sử dụng để khảo sát hệ thống điều khiển trên mô hình Các phương pháp đo lường, thống kê, phân tích được sử dụng trong khi khảo sát hệ thống vật lý

0.5 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN

1 Đề xuất phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi các đối tượng động phi tuyến không có mô hình toán học tường minh và làm việc trong chế

độ nhiễu ngẫu nhiên

2 Xây dựng mô hình điều khiển tổ hợp Turbine - Máy phát điện đồng bộ cho bài toán thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi

3 Thiết kế hệ thống điều khiển tổ hợp Turbine-MFĐ đồng bộ trên cơ sở phương pháp được đề xuất

4 Chứng minh tính ổn định của hệ thống được thiết kế bằng phương pháp giải tích trên cơ sở định lý Lyapunov 2

0.6 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN

1 Hệ thống điều khiển tổ hợp Turbine-MFĐ đồng bộ có thể được triển khai trên thực tế

2 Các khảo sát trên mô hình vật lý cho thấy tính ổn định cũng như chất lượng của hệ thống điều khiển Như vậy các hệ thống được thiết kế có thể được triển khai trong công nghiệp

3 Các kết quả lý thuyết mở ra hướng nghiên cứu thiết kế các hệ thống điều khiển thích nghi-tối ưu các đối tượng phi tuyến

4 Phương pháp được đề xuất có thể áp dụng trong bài toán thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi các đối tượng động phi tuyến như động cơ, cánh tay máy v.v

Bản Luận án bao gồm :

Mở đầu, Giới thiệu luận án (5 trang)

Chương 1 Tổng quan về điều khiển máy phát điện đồng bộ và các phương pháp

thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi( 34 trang)

Chương 2 Thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi máy phát điện đồng bộ trên cơ

sở công nghệ mạng nơ rôn (26 trang)

Chương 3 Khảo sát hệ thống điều khiển thích nghi được thiết kế theo phương pháp

đề xuất (42 trang)

Chương 4 ứng dụng giải thuật trên mô hình thí nghiệm bộ điều áp tại nhà máy thủy

điện Trị An (21 trang)

Kết luận (4 trang)

Danh mục công trình tác giả

Danh mục tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 1 ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

Nội dung Chương 1 giới thiệu những vấn đề chính liên quan đến đề tài luận án - về điều khiển máy phát điện đồng bộ, - về quá trình phát triển của điều khiển thích nghi cùng một số ứng dụng mạng nơ rôn trong hệ thống điện Từ đó, luận án đề xuất nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển thích nghi

1.1 MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

Máy phát điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng, thông thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ Nguồn cơ năng sơ cấp dẫn động có thể là các động cơ, turbine hơi, turbine nước, động cơ đốt trong, turbine gió hoặc các nguồn

cơ năng khác Máy phát điện giữ một vai trò then chốt trong các thiết bị cung cấp điện

Tùy vào nguồn năng lượng sơ cấp chúng ta có các loại MFĐ turbine nước (trong nhà máy thuỷ điện), MFĐ turbine hơi (trong nhà máy nhiệt điện) và MFĐ turbine khí (trong nhà máy khí điện) Các máy phát điện turbine hơi hoặc turbine khí thường được chế tạo với tốc độ cao (3000 vòng/phút đối với máy có tần số 50

Hz, và 3600 vòng/ phút đối với máy 60 Hz) Hầu hết các máy phát điện turbine hơi

và máy phát điện turbine khí là loại trục nằm ngang, chế tạo theo kiểu cực ẩn Loại này có rotor dài hơn nhiều so với đường kính

Thông thường với đa số các máy có đường kính lớn hơn 1 mét, lõi thép stator được chế tạo thành nhiều cung, bằng thép silicon cao cấp, có tính định hướng, phủ chất cách điện để giảm thiểu tổn thất điện năng Người ta thường không ghép thành một khối như các máy điện cỡ nhỏ, mà làm thành nhiều lớp, có khe hở ở giữa để thông gió làm mát

Cuộn dây stator được làm từ các thanh dẫn bằng đồng xếp nằm trong các rãnh, hai đầu nối lại với nhau thành các vòng dây Các thanh dẫn thường không phải

là thanh đặc nguyên khối, mà được làm từ các dây dẹp quấn bện theo kiểu Roebel, sao cho mỗi thanh nhỏ trong bó đều có một chiều dài bằng nhau, dù có phải uốn lượn theo nhiều hướng khác nhau Các dây nối ra ngoài và dây nối giữa các pha, các vòng dây với nhau được cố định chắc chắn hai đầu bằng các vật liệu cách điện có

độ bền điện và độ bền cơ học cao

Rotor của MFĐ có dạng trụ có xẻ rãnh, quấn nhiều cuộn dây kích từ đồng tâm Hai đầu chỗ các mối hàn nối các thanh và các cuộn dây với nhau được bảo vệ

bằng một vòng thép hình trụ, gọi là vòng hộ hoàn Các dây dẫn ra ngoài được dẫn xuyên qua dọc theo trục máy để đưa ra phía đầu rotor Từ đó có thể nối vào các vành nhận điện, để có thể đưa dòng điện từ bên ngoài vào qua các chổi than Dòng điện đưa vào rotor máy phát điện thường là dòng điện một chiều, gọi là dòng kích thích

Thông thường, hai đầu của rotor đều có lắp đặt cánh quạt để thổi chất khí đi vào theo các đường dẫn đặt sẵn, để làm mát máy Chất khí đó có thể là không khí tự nhiên, thông với môi trường bên ngoài, hoặc khí hydrogen, tuần hoàn kín Trong trường hợp tuần hoàn kín, có thể phải lắp đặt thêm một số bộ trao đổi nhiệt, để làm mát chất khí đó bằng nước Các máy phát điện turbine hơi và máy phát điện turbine khí có thể chế tạo từ một vài MW đến 700 MW

Máy phát điện có thể có các chế độ vận hành khác nhau như sau:

• Phát điện độc lập, cung cấp điện cho một nhóm tải tập trung;

• Phát điện song song Hòa đồng bộ với các máy khác, cung cấp cho một nhóm tải;

• Hòa đồng bộ với lưới Cung cấp công suất lên lưới điện;

• Phát vô công, làm máy bù đồng bộ

Trên hình 1.1 giới thiệu cấu trúc hệ thống điều khiển của hệ thống điện Hầu hết các hệ thống điện hiện nay trên thế giới là các hệ thống có công suất rất lớn với hàng trăm, hàng ngàn máy phát điện cung cấp cho một số lượng cực lớn các hộ tiêu thụ thông qua mạng điện lớn và phức tạp Đặc tính vận hành của hệ thống như vậy trong các chế độ là rất phức tạp và thường khác xa đặc tính vận hành của một số thiết bị hay một nhóm thiết bị Việc khảo sát sự làm việc của máy phát động bộ trong hệ thống như vậy thường sử dụng mô hình máy phát nối với hệ thông

vô cùng lớn hoặc mô hình hệ nhiều máy Tại mỗi nút tải của hệ thống điện cũng có

vô số các thiết bị tiêu thụ điện nối vào với các đặc tính khác nhau nên xem xét đặc tính tải tại mỗi nút hệ thống là tải tổng hợp Các lý thuyết khảo sát các chế độ làm

việc của các hệ thống điện phức tạp ngày nay đã phát triển rất phong phú và đạt được những kết quả khả quan nhờ vào sự phát triển của kỹ thuật máy tính

Với hệ thống lớn việc vận hành điện khiển MFĐ đồng bộ rất phức tạp, đòi hỏi đảm bảo chỉ tiêu chất lượng điện năng nghiêm ngặt Thông thường để điều khiển đảm bảo chất lượng điện năng cho hệ thống , ta phải đảm bảo việc phát điện của các máy phát kết nối với hệ thống [68] Điều khiển turbine đảm bảo tần số (công suất thực), điều khiển kích từ (công suất phản kháng) nhằm đảm bảo điện áp phát Chính vì vậy việc tìm hiểu các phương pháp điều khiển máy phát đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng luôn được các nhà khoa học nghiên cứu

Nhằm cải thiện chất lượng điện năng, nhiều thiết bị cũng như công nghệ điều khiển nhằm tối ưu vận hành – điều khiển MFĐ đồng bộ được đề xuất bởi các nhà

Hệ thống điều khiển trung tâm

- Ước lượng trạng thái

- Điều khiển luồng công suất

- Giải quyết tiết kiệm

- Giải quyết an ninh

Truyền tải và phân phồi Điều khiển thay đổi nấc

Bù công suất phản kháng HVDC, FACTS

Máy phát (Generation)

(in power station)

Điều khiển turbine

Điều khiển điện áp

TẢI Trong trường hợp bình thường không điều khiển

MẠNG ĐIỆN Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển của hệ thống điện

khoa học trong và ngoài nước Tuy nhiên, vì lý do máy phát điện là một đối tượng điều khiển phức tạp, hoạt động độc lập hoặc kết nối với các máy khác hoặc hệ thống

vô cùng lớn, và phụ tải của hệ thống điện luôn biến đổi liên tục nên các phương pháp điều khiển cổ điển chưa đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng điều khiển Ngoài ra, các thông số của MFĐ đồng bộ do nhà sản xuất cung cấp chỉ mang tính tương đối, các thông số này có thể bị sai lệch do nhiều yếu tố khách quan hoặc chủ quan khác, như nhiễu từ bên ngoài hoặc các yếu tố bên trong tác động, vì vậy việc thiết kế hệ thống điều khiển dựa trên mô hình MFĐ đồng bộ gặp nhiều khó khăn

Trong hệ thống điện hai thông số chính cần được đảm bảo là: tần số và điện

áp tại các nút Phương trình quan hệ có dạng [68, trang 9-12]:

ωω

Trong đó: Δωi là độ lệch tần số góc rotor so với tần số góc đặt ω Có thể 0viết phương trình biến đổi gia tốc tần số góc theo sự thay đổi tải và sơ đồ mô tả (hình 1.2) như sau:

2 0

m load

2H

ωω

ω

Điều khiển tần số của hệ thống điện gồm ba cấp [67, trang 36-55]: sơ cấp, thứ cấp và tam cấp Trên hình 1.3 mô tả sơ đồ khối điều khiển công suất và tần số của đối tượng phát công suất [68 trang 18]

Điều khiển sơ cấp (điều chỉnh tốc độ): là quá trình biến đổi tức thời công suất phát khi công suất phụ tải thay đổi nhờ các bộ điều chỉnh tốc độ của turbine trong

hệ thống Điều chỉnh này dựa trên sai số giữa giá trị đặt và giá trị đáp ứng của tần số

và công suất của đối tượng Chỉ số đo đạt và giá trị độ lệch với giá trị đặt được làm tín hiệu điều khiển các van đóng mở, các cổng, servo, … Điều khiển sơ cấp với nhiệm vụ là đưa tần số về giá trị đặt nhanh nhất (giữ tần số ở giá trị chấp nhận được) bất kể nguyên nhân tác động đến bộ điều khiển

Điều khiển thứ cấp (điều chỉnh tần số): do điều độ viên thực hiện hoặc tự động thực hiện nhờ thiết bị tự động điều chỉnh tần số Đưa tần số về giá trị định mức hoặc trong miền độ lệch cho phép tùy thuộc hệ thống điều tần sử dụng Điều chỉnh thứ cấp còn được hiểu là quá trình tăng công suất của máy phát điện, đưa tần

số trở về định mức (hoặc là khi phụ tải giảm thì giảm công suất phát) Tăng công suất phát được thực hiện bằng cách tăng thêm hơi vào turbine hoặc mở rộng thêm cửa nước của thủy điện

Bộ điều khiển

Điều khiển năng lượng Energy Control

P,f

Mạng điện (Network)

Điều khiển sơ cấp (Primary Control) Điều khiển thứ cấp (Second Control) Điều khiển tam cấp (Tertiary Control) Hình 1.3 Sơ đồ khối điều khiển công suất và tần số Điều khiển công suất

Power Control

Điều khiển tam cấp: mục đích của điều chỉnh tam cấp là phân bố lại công suất theo điều kiện tối ưu Khi xảy ra dao động công suất phụ tải, hệ thống điện phải làm hai nhiệm vụ: thay đổi công suất phát của các nhà máy điện để duy trì tần số ở mức bình thường, đồng thời giữ được phân bố công suất giữa các tổ máy theo điều kiện tối ưu, đảm bảo chi phí sản xuất nhỏ nhất

Khi có sự cố xảy ra, việc điều chỉnh tần số là cấp thiết [67, trang 57] Khi hư hỏng các tổ máy phát, tần số có thể giảm vượt ra ngoài sự kiểm soát của hệ thống điều chỉnh tần số, gây nguy nhiểm cho hệ thống điện Một sự cố nào đó có thể lan rộng và có thể dẫn đến một phần của hệ thống điện bị tách ra và trở thành cô lập, nếu công suất phát không đủ, tần số sẽ bị giảm thấp Sự giảm tần số sẽ dẫn đến hai vấn đề nghiêm trọng đối với các tổ máy nhiệt điện:

+ Nguy hiểm cho các cánh dài áp lực thấp của turbine do dao động Vì tần số nhỏ hơn 48,5Hz chỉ được kéo dài không quá 60 giây

+ Năng suất của các thiết bị tự dùng có động lực là động cơ điện bị giảm thấp Dưới 47Hz, năng suất của tổ máy phát giảm do giảm năng suất của các máy bơm nước và quạt gió Ở nhà máy điện nguyên tử có thể xảy ra sự cố quá nhiệt lò phản ứng khi năng suất tổ máy bơm nước giải nhiệt làm mát bị giảm do tần số bị hạ thấp Ngoài ra, các rơle tần số thấp hoặc các bảo vệ khác sẽ cắt tổ máy nếu tần số giảm quá

Để ổn định tần số trong trường hợp này cần phải thực hiện sa thải phụ tải Chiến lược sa thải phụ tải là khác nhau đối với mỗi hệ thống

Để điều khiển công suất cũng như tần số, việc điều khiển turbine là cốtyếu

Sơ đồ khối điều khiển turbine như hình 1.4.[68, trang 22]

Cùng với điều khiển turbine nhằm ổn định tần số phát, một yếu tố quan trọng khác là điều chỉnh điện áp phát trên hệ thống Mục tiêu điều chỉnh điện áp trên lưới

hệ thống nhằm giữ vững điện áp trong mọi tình huống vận hành bình thường cũng như sự cố, trong phạm vi cho phép xác định bởi giới hạn trên và dưới Giới hạn trên (giới hạn kỹ thuật hay điều kiện kỹ thuật) xác định khả năng chịu áp của cách điện

và hoạt động bình thường của các thiết bị phân phối cao và siêu cao áp Giới hạn

dưới xác định bởi điều kiện an toàn hệ thống, tránh quá tải đường dây và máy biến

áp, tránh gây mất ổn định điện áp Các phương tiện điều chỉnh điện áp bao gồm:

- Điều chỉnh kích từ máy phát điện

- Điều áp dưới tải ở máy biến áp (có đầu phân áp) tăng giảm theo thời gian

- Điều chỉnh điện áp ở các máy biến áp bổ trợ chuyên dùng điều áp

- Điều chỉnh công suất phản kháng của các nguồn công suất phản kháng đạt

trên lưới: bộ SVC và tụ điện, kháng điện điều chỉnh hữu cấp

- Điều chỉnh ngoài đầu phân áp ở các máy biến áp chỉ có đầu phân áp cố

định, điều chỉnh theo mùa

Trong sơ đồ hình 1.4 có các thành phần:

Bộ thay

đổi tốc độ

Bộ điều tốc

Các van khí hoặc cửa nhận nước

Điều khiển Turbine

Hệ thống cung cấp hơi hoặc nước

Công suất liên kết AGC

Tốc độ Tần số

Hình 1.4 Sơ đồ khối chức năng của máy phát và hệ thống điều khiển

AGC (Automatic Generation Control): Hệ điều khiển phát điện tự động, là máy tính trung tâm trực tuyến (on-line) được đặt trong từng hệ thống riêng biệt, sự liên hệ giữa các hoạt động của chúng chính là tần số và công suất trao đổi giữa các hệ thống điện liên quan [67, trang 52]

Các van khí hoặc cửa nhận nước (Valves or gates)

Bộ điều tốc (Speed governor)

Bộ thay đổi tốc độ (Speed changer)

Cũng giống điều chỉnh tần số, điều chỉnh điện áp chia làm ba cấp như sau [67]: Cấp một: Là quá trình đáp ứng nhanh và tức thời các biến đổi điện áp nhanh bằng tác động của các thiết bị điều chỉnh điện áp máy phát và các bù tĩnh Trong trường hợp điện áp biến đổi lớn thì các bộ tự động điều áp dưới tải ở các máy biến áp cũng tham gia vào quá trình điều chỉnh

Cấp hai: Nhằm đối phó với các biến đổi chậm và có biên độ lớn của điện áp Điều chỉnh thứ cấp hiệu chỉnh lại các giá trị điện áp chỉ định của các thiết bị điều chỉnh

sơ cấp của các máy phát và các bộ tụ bù có điều khiển tự động trong miền nó đảm nhận

Cấp ba: Là điều hòa mức điện áp giữa các miền điều chỉnh cấp hai, tối ưu mức điện

áp của hệ thống điện theo tiêu chuẩn kinh tế và an toàn

Tóm lại, ba cấp điều chỉnh điện áp trên được phân biệt theo thời gian và trong không gian: theo thời gian để tránh mất ổn định của quá trình điều chỉnh, và trong không gian để có thể chiếu cố ưu tiên các yêu cầu khu vực.[67 trang 71]

Lịch sử phát triển của hệ thống điều khiển MFĐ đồng bộ cho thấy chúng phát triển song hành cùng với sự phát triển của các lý thuyết và công nghệ điều khiển.

Các phương pháp điều khiển cổ điển dựa trên hiểu biết về các thông số của đối tượng điều khiển Khi có được các giá trị thông số chính xác của đối tượng, việc xây dựng một số giải thuật điều khiển như P, PI, PD, PID được thực hiện theo các phương pháp thiết kế trên miền tần số và bộ điều khiển sẽ hoạt động tương đối tốt Tuy nhiên, thường các thông số nhà sản xuất cho chỉ tương đối chính xác, vì thế yêu cầu xác định chính xác thông số của đối tượng được đặt ra để thiết kế bộ điều khiển

có chất lượng Trong các công trình nghiên cứu [5],[6],[40] giới thiệu phương pháp dùng mạng nơ rôn để ước lượng các thông số này, rồi từ việc đo đạt các tín hiệu trực tuyến và ngoại tuyến (offline) để xác định chúng

Các kết quả nghiên cứu ban đầu là các bộ điều khiển kích từ được thiết kế theo giải thuật kinh điển hiệu chỉnh PI, PD, sau đó theo hiệu chỉnh PID được giới

Điều chỉnh

Bộ Điều chỉnh

X

Bộ điều chỉnh

N

NN

Up điện áp nút hoa tiêu

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện áp

thiệu năm 1988, [42].Việc ứng dụng PID trong bộ điều khiển cho phép máy phát điện với các phụ tải biến thiên lớn Tuy nhiên trong một số trường hợp khi có nhiễu biến động ở khoảng rộng, bộ điều khiển PID làm việc không chính xác, bởi vì các

hệ số Ki, Kp, Kd được tính toán dựa trên mô hình toán xấp xỉ tuyến tính của máy phát điện

Như vậy có thể kết luận bộ điều khiển kinh điển thiết kế trên cơ sở mô hình toán xấp xỉ tuyến tính không hoàn toàn phù hợp với các đối tượng động phi tuyến

có mô hình toán không tường minh

Từ những năm 1989 bộ điều khiển tự động điều khiển điện áp (AVR) đã được áp dụng khá thành công cho các máy phát điện đồng bộ Bộ điều chỉnh điện áp

tự động AVR luôn luôn theo dõi điện áp đầu ra của máy phát điện, và so sánh nó với một điện áp tham chiếu Nó phải đưa ra các tín hiệu điều khiển để tăng giảm dòng điện kích thích sao cho sai số giữa điện áp đo được và điện áp tham chiếu là nhỏ nhất Tuy nhiên bộ điều khiển này cũng được xây dựng trên những thông số chưa hoàn toàn phù hợp

Song song với ứng dụng của mạng nơ rôn, lý thuyết điều khiển mờ ra đời với

bộ điều khiển logic mờ điều khiển kích từ cho máy phát điện đồng bộ, được giới thiệu như bộ điều khiển logic mờ thích nghi trực tuyến [61] Đặc biệt bộ điều khiển

mờ được đánh giá cao so với bộ PI, PD và PID được phân tích trong [54][60] Kết hợp ưu điểm bộ điều khiển logic mờ và các khâu hiệu chỉnh trong công trình [41][53] bộ điều khiển mờ PI, PD và PID được sử dụng điều chỉnh điện áp máy phát

Sự phát triển ứng dụng của mạng nơ rôn góp phần cải thiện yếu điểm của bộ điều khiển PID Với ưu điểm khả năng xấp xỉ các hàm phi tuyến, khả năng học từ các dữ liệu cho trước Nhiều công trình giới thiệu mạng nơ rôn được ứng dụng trong

hệ thống điều khiển MFĐ đồng bộ [40][43][46][48][50][55]

Với tính năng đơn giản trong việc huấn luyện, mạng nơ rôn Perceptron đã được ứng dụng trong điều khiển hệ thống kích từ cho MFĐ đồng bộ

[44][45][46][47][55][58] Kết hợp ưu điểm của mạng nơ rôn và điều khiển mờ, lý thuyết điều khiển tối ưu cho bộ điều khiển máy phát điện được xây dựng với hai bước Bước một huấn luyện bằng mạng lan truyền ngược và bước hai điều khiển mờ

sử dụng mạng nơ rôn [62]

Nhằm cải tiến họat động của bộ kích từ, năm 1997 trong [64] giới thiệu bộ PSS (Power System Stabilizer) kết hợp với công nghệ mờ (fuzzy basis function network) Giải thuật được đề nghị là bình phương tối thiểu trực giao (The orthogonal least squares) Sự kết hợp này cho phép hệ thống điều khiển hoạt động tốt trong điều kiện vận hành đa dạng và thông số hệ thống biến thiên lớn

Cùng năm 1997 trong [66], bộ điều khiển F-NN (Fuzzy – Neural Network) là

bộ điều khiển cải tiến từ điều khiển mờ, điều khiển PI và mạng nơ rôn để điều khiển kích từ máy phát đồng bộ Kết quả so sánh với bộ PSS dùng giải thuật cổ điển PID Cho thấy mức độ sai số điện áp (ΔV) tốt hơn, đảm bảo khả năng cung cấp công suất

và điện áp cho phụ tải Ngoài ra khả năng điều khiển ứng động tốt

Năm 2004 trong công trình [71] đã giới thiệu bộ điều khiển dạng vectơ (u,f) điện áp và tần số giải thuật được xây dựng trên mô hình toán tường minh, được chứng minh tính ổn định của bộ điều khiển dùng lý thuyết ổn định của Lyapunov

Năm 2003 trong công trình [65] đưa ra kết quả nghiên cứu bộ điều khiển hệ thống kích từ phi tuyến, điều khiển theo thời gian thực với thời gian trễ rất nhỏ, kết hợp giữa công nghệ logic mờ và công nghệ mạng nơ rôn Hệ thống điều khiển này cho đáp ứng nhanh và hiệu quả cao, với khả năng giảm dao động điện áp, cân bằng công suất thực tối ưu, đưa hệ thống trở lại ổn định sau dao động

Ưu điểm của việc áp dụng công nghệ hiện đại như: mạng nơ rôn, logic mờ,

nơ rôn - mờ so với các khâu điều chỉnh PID được trình bày trong [56]

Từ năm 1998 việc ứng dụng của mạng nơ rôn trong điều khiển thích nghi trực tiếp với bộ điều khiển mạng nơ rôn sử dụng giải thuật lan truyền ngược đã được nghiên cứu [4] Song song với sự phát triển của mạng nơ rôn giải thuật được xây dựng trên công nghệ logic mờ được áp dụng cho điều khiển kích từ máy phát [7]

Một số công trình [53][54], 2005 ứng dụng công nghệ điều khiển nơ rôn -

mờ tối ưu cho hệ thống điều khiển kích từ, nổi bật là ứng dụng giải thuật di truyền

để tối ưu hệ số mờ và thiết kế bộ điều khiển kích từ máy phát dựa trên tối ưu giải thuật di truyền mờ

Hình 1.6: Cấu trúc điều khiển turbogenerator

Điều khiển Turbine

Kết hợp điều khiển Toàn cục

Việc đánh giá ưu điểm của mạng RBF so với mạng perceptron nhiều lớp, trong ứng dụng điều khiển trên đối tượng phi tuyến động là MFĐ đồng bộ được trình bày trong [43], 2005

Trong [72] giới thiệu bộ điều khiển PID thích nghi điều khiển kích từ máy phát (được xem là đối tượng điều khiển SISO) Giải thuật điều khiển sử dụng mạng

nơ rôn đơn giản với luật học Hebb để thích nghi các hệ số của bộ điều khiển PID

cho kích từ máy phát điện Tín hiệu điều khiển 3

Trong [74, trang 340] tác giả đề xuất việc xây dựng bộ điều khiển kích từ tối

ưu sử dụng mạng nơ rôn như hình 1.6 Cấu trúc tổng quát gồm mạng nơ rôn nhiều lớp lan truyền ngược và bộ điều khiển tối ưu Việc huấn luyện trọng số của mạng là huấn luyện ngoại tuyến, vì vậy mẫu huấn luyện rất quan trọng Ở đây mẫu huấn luyện dựa trên lý thuyết điều khiển tối ưu tuyến tính Huấn luyện ngoại tuyến không bao gồm tất cả các trường hợp thực tế, đặc biệt số mẫu huấn luyện không hoàn toàn thích hợp với đối tượng thực

Trong [73], [76] các tác giả trình bày bộ điều khiển máy phát điện gồm nhận dạng mô hình trực tuyến dùng mạng Hopfield với mỗi nơ rôn biến trạng thái được

Hình 1.7: Thể hiện cấu trúc bộ điều khiển

K

V 1

ΔP

ΔQ ΔV

X t X L V 2

P

Q V MẠNG

NƠ RÔN

cho bởi x i = −a x i i +ω ρi i ( )x u, +ξi( ) ( )x u, +v x u, kết hợp với luật cập nhật trọng số mạng trực tuyến theo sai số

Trong [75] bộ điều khiển nơ rôn mờ dùng máy tính điều khiển máy phát đồng bộ Sơ đồ cấu trúc điều khiển dưới dạng MIMO cho điện áp và tần số phát Giải thuật được sử dụng trong [75] dựa trên các tín hiệu sai số của điện áp và tần số,

để cập nhật thông số dùng mạng lan truyền ngược nhằm chỉnh định bộ điều khiển PI

nơ rôn kết hợp với bộ điều khiển PI-like mờ

Kết luận và nhận xét:

Các công trình nghiên cứu nêu trên về điều khiển máy phát điện đã sử dụng các công cụ từ kinh điển như PI, PD và PID cho đến hiện đại như mạng nơ rôn, logic mờ và kết hợp các công cụ điều khiển như PID mờ, nơ rôn-mờ,….Các công trình này đã góp phần phát triển kỹ thuật công nghệ trong ứng dụng điều khiển máy phát điện đồng bộ Tuy nhiên với nguồn tài liệu thu thập được các bài báo trên tập trung giải quyết các bài toán xây dựng bộ điều khiển riêng lẻ (SISO) cho từng thiết

bị điều khiển, vấn đề tác dụng tương hỗ giữa các yếu tố cần điều khiển trên một đối tượng cần điều khiển cho hệ thống phi tuyến nhiều đầu vào/ra (MIMO) còn ít được quan tâm giải quyết Trong các tài liệu này chú trọng việc điều khiển kích từ cho MFĐ đồng bộ và coi tần số (công suất phát) là hằng số hoặc không đề cập đến Việc xây dựng giải thuật điều khiển hầu như chỉ dựa trên mô hình toán tường minh của đối tượng Tuy nhiên trong thực tế đối tượng điều khiển hầu như là động phi tuyến,

mô hình toán không hoàn toàn thể hiện hết bản chất của đối tượng, đặc biệt các đối tượng điều khiển lại hoạt động trong môi trường nhiễu ngẫu nhiên

Các giải thuật nêu trong các tài liệu tham khảo hầu như không đề cập khả năng nhiễu của môi trường xung quanh lên bộ điều khiển Mặt khác, việc mô tả chỉ nêu tính ứng dụng các công nghệ điều khiển và kết hợp tính năng ưu việt của các công nghệ điều khiển

Một số phương pháp điều khiển thích nghi gần đây sử dụng các công cụ hiện đại như nơ rôn (như mạng Perceptron), mờ (Fuzzy), nơ rôn-mờ mới chỉ áp dụng cho đối tượng điều khiển cụ thể nhất định, thiếu tính tổng quát

Nhận xét từ tổng quan trên, luận án mong muốn xây dựng một giải thuật điều khiển tối ưu – thích nghi cho đối tượng động phi tuyến nói chung và máy phát điện đồng bộ nói riêng Giải thuật được phát triển không những điều khiển cho đối tượng SISO mà áp dụng cho các đối tượng MIMO Đặc biệt giải thuật phải thích ứng trong

cả môi trường nhiễu nhất định

1.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

Điều khiển tự động có lịch sử phát triển lâu đời từ trước công nguyên, nhưng được bắt đầu phát triển mạnh từ những năm đầu thế kỷ 20 theo cùng với sự phát triển cách mạng của các ngành công nghiệp Các hệ thống điều khiển với những phát triển mạnh về cơ sở toán học và phân tích, được hình thành trong những năm 1935-1955 được xem là những hệ thống kinh điển

Sự ra đời của máy tính số từ những năm 1960 và ứng dụng rộng rãi sau đó cho phép điều khiển với độ chính xác cao các đối tượng khác nhau Với sự ra đời của vệ tinh, thời đại vũ trụ bắt đầu, các hệ điều khiển ngày càng phức tạp hơn và đòi hỏi chất lượng cao hơn Điều khiển tự động bước sang thời kỳ mới, hiện đại Các phương pháp của Lyapunov, Minorsky cũng như lý thuyết điều khiển tối ưu hiện đại của L.S.Pontryagin, của R.Belman có ý nghĩa rất lớn Các nguyên tắc điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững, điều khiển mờ, các “hệ thông minh” ra đời và được áp dụng có hiệu quả vào thực tiễn

1.2.1 Điều khiển thích nghi

Lý thuyết điều khiển thích nghi ra đời từ những năm đầu thập niên 1950, xuất phát từ yêu cầu thiết kế hệ thống tay lái tự động máy bay Máy bay có đặc tính động học thay đổi rất mạnh khi thay đổi tốc độ và độ cao nên không thể điều khiển bằng bộ điều khiển hồi tiếp có độ lợi cố định, do đó các bộ điều khiển phức tạp hơn

có thể học và thay đổi thích ứng theo đặc tính động thay đổi của máy bay Bộ điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn MARC (MODEL ADAPTIVE REFERENCE CONTROL) đã được đề xuất để giải quyết bài toán điều khiển lái tự động trong thập niên 1950 Phương pháp độ nhạy và phương pháp độ dốc được thiết kế luật thích nghi cho nhiều sơ đồ điều khiển thích nghi khác nhau

Thập niên 1960 là thời kỳ quan trọng nhất đối với lý thuyết điều khiển nói chung và điều khiển thích nghi nói riêng Kỹ thuật không gian trạng thái và lý thuyết ổn định dựa vào phương pháp Lyapunov được đưa ra Sự phát triển lý thuyết qui hoạch động, điều khiển ngẫu nhiên, nhận dạng hệ thống và ước lượng thông số đóng vai trò quan trọng trong phát triển lý thuyết thích nghi

Sự phát triển lý thuyết ổn định và lý thuyết điều khiển trong thập niên 1960

đã hoàn thiện quan niệm về điều khiển thích nghi và góp phần tạo nên một trào lưu nghiên cứu mới trong lĩnh vực này vào những năm 1970 Nhiều sơ đồ điều khiển thích nghi ra đời là kết quả của sự kết hợp giữa các sơ đồ ước lượng thông số với các phương pháp thiết kế bộ điều khiển, đặc biệt phương pháp thiết kế dựa vào phương pháp Lyapunov Mặc khác, sự phát triển của kỹ thuật điện tử và máy tính trong giai đoạn này cũng cho phép thực thi các bộ điều khiển phức tạp như điều khiển thích nghi Điều này đã làm gia tăng sự quan tâm nghiên cứu về các ứng dụng của điều khiển thích nghi Có thể nói giai đoạn 1970 là thời kỳ phát triển mạnh nhất của điều khiển thích nghi

Tuy nhiên sự thành công của giai đoạn 1970 nhanh chóng được nối tiếp bằng các tranh luận về tính thực tiễn của điều khiển thích nghi Năm 1979, người ta đã chỉ ra rằng các sơ đồ đã đưa ra trong những năm 1970 dễ dàng trở nên mất ổn định khi có nhiễu loạn nhỏ Tính không bền vững của điều khiển thích nghi trở nên vấn

đề gây nhiều tranh luận trong những năm đầu thập niên 1980 khi ngày càng có nhiều thí dụ về tính không ổn định được công bố, minh họa sự thiếu ổn định đối với sai số mô hình và nhiễu bị chặn Điều này đã là động lực của nhiều nhà nghiên cứu tìm hiểu về cơ chế gây mất ổn định và tìm cách khắc phục Vào những năm giữa

thập niên 1980, vài sơ đồ thiết kế lại và cải tiến được đề xuất và phân tích, dẫn đến nghiên cứu về điều khiển thích nghi bền vững [5] Một bộ điều khiển thích nghi được gọi là bền vững nếu nó đảm bảo tất cả các tín hiệu trong hệ thống bị chặn khi

có sai số mô hình và nhiễu bị chặn, đồng thời giới hạn sai số chất lượng với sai số

mô hình hóa Nghiên cứu về điều khiển thích nghi bền vững được tiếp tục trong thập niên 1980 Lời giải của bài toán thích nghi bền vững dẫn đến bài giải cho bài toán có từ lâu là điều khiển hệ tuyến tính có thông số quyết định và biến đổi theo thời gian

Hướng nghiên cứu lý thuyết điều khiển thích nghi từ thập niên 1990 đến nay

là nghiên cứu tính chất chất lượng của hệ điều khiển thích nghi và mở rộng các kết quả có được trong thập niên 1980 cho các lớp hệ phi tuyến có thông số không biết trước Các cố gắng này hình thành các sơ đồ điều khiển thích nghi mới xuất phát từ

lý thuyết điều khiển phi tuyến cũng như các sơ đồ điều khiển thích nghi cải thiện đáp ứng quá độ và xác lập Có rất nhiều tài liệu về điều khiển thích nghi với các kỹ thuật thiết kế phân tích khác nhau Các tài liệu [4],[5],[6] trình bày nhiều vấn đề liên quan đến điều khiển thích nghi hệ tuyến tính Đến nay có thể nói các sơ đồ điều khiển thích nghi đối tượng tuyến tính đã được nghiên cứu khá hoàn chỉnh

Trái ngược với lý thuyết điều khiển thích nghi hệ tuyến tính, lý thuyết điều khiển thích nghi hệ phi tuyến mặc dù đã được tập trung nghiên cứu rất mạnh từ đầu thập niên 1990 nhưng đến nay một số vấn đề liên quan vẫn còn là bài toán mở Hiện nay, đa số các sơ đồ điều khiển thích nghi hệ phi tuyến đều dựa trên kỹ thuật hồi tiếp tuyến tính hoá Theo lý thuyết điều khiển phi tuyến ([7],[8]) nếu biết chính xác đặc tính tuyến phi tuyến của đối tượng thì có thể biến đổi quan hệ vào ra của hệ phi tuyến thành quan hệ tuyến tính nhờ vào hồi tiếp trạng thái Trong sơ đồ điều khiển thích nghi gián tiếp, các bộ xấp xỉ tổng quát được sử dụng để nhận dạng trực tuyến

mô hình toán của đối tượng và luật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hoá được tính theo nguyên tắc chắc chắn tương đương Nguyên tắc chung để thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi là chọn luật cập nhật thông số sao cho hệ thống ổn định theo phương pháp Lyapunov Các bộ xấp xỉ tổng quát thường được sử dụng nhiều nhất là

các dạng mạng nơ rôn [9] và mô hình mờ [10] Về mặt chức năng mạng nơ rôn và

mô hình mờ là tương đương nhau ([11],[12]) nên đa số các trường hợp có thể sử dụng thay thế nhau trong các sơ đồ điều khiển thích nghi

Trong các công trình đầu tiên về điều khiển thích nghi hệ phi tuyến, đối tượng nghiên cứu là hệ phi tuyến SISO liên tục có mô hình toán có thể biến đổi về dạng chuẩn Các bộ điều khiển thích nghi gián tiếp [13] đảm bảo tính ổn định của

hệ kín theo phương pháp Lyapunov và tín hiệu ra của hệ thống tiệm cận bám theo tín hiệu chuẩn Để hệ thống điều khiển được, điều kiện cần là độ lợi đầu vào phải khác không, tuy nhiên trong các sơ đồ điều khiển thích nghi gián tiếp, mô hình nhận dạng độ lợi đầu vào rất dễ bị suy biến dẫn đến không thể điều khiển được vì không thể tính được tín hiệu điều khiển hồi tiếp tuyến tính hoá Để khắc phục tính trạng này có ba hướng tiệm cận:

Khi hệ thống bắt đầu hoạt động, mô hình xấp xỉ độ lợi đầu vào được khởi động dựa trên kết quả nhận dạng ngoại tuyến (offline)

Dùng các phiên bản cải tiến luật thích nghi gián tiếp sử dụng thuật toán hình chiếu [5]

Dùng sơ đồ điều khiển thích nghi trực tiếp ([14], [15])

Các sơ đồ điều khiển thích nghi được đề xuất vào đầu thập niên 1990 chỉ áp dụng được cho lớp rất nhỏ các hệ phi tuyến; cụ thể là các sơ đồ điều khiển thích nghi gián tiếp chỉ áp dụng được cho hệ phi tuyến không có đặc tính động học, và các sơ đồ điều khiển thích nghi trực tiếp chỉ có thể áp dụng cho lớp hệ phi tuyến có

số lớp đầu vào bằng hằng số Trên cơ sở công trình mang tính mở đường vừa nêu trên, các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều phiên bản cải tiến các sơ đồ điều khiển thích nghi theo hướng mở rộng lớp hệ phi tuyến có thể ứng dụng, nới lỏng các điều kiện ràng buộc và nâng cao tính bền vững của hệ thống điều khiển đối với các yếu

tố bất định Các công trình [16], [17], [18] đưa ra sơ đồ điều khiển thích nghi gián tiếp cho lớp hệ phi tuyến pha cực tiểu có bậc tương đối tổng quát và có độ lợi đầu vào là hàm của biến trạng thái Trong [18] cũng trình bày sơ đồ điều khiển thích