Ứng dụgn logic mờ trong ổn định điện áp máy phát điện đồng bộ

Máy phát ñiện ñồng bộ ñóng một vai trò quan trọng trong hệ thống ñiện, nơi mà tính ổn ñịnh luôn ñược ñòi hỏi cao.. Bộ ñiều khiển mờ ra ñời trên cơ sở ứng dụng lô-gic mờ là một trong nhữn

Công trình ñược hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Phản biện 1: TS Nguyễn Đức Thành

Phản biện 2: TS Võ Như Tiến

Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ

thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 7 tháng 5 năm 2011

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

Năng lượng là một vấn ñề cực kỳ quan trọng trong xã hội ta Ở bất kỳ quốc gia nào, năng lượng nói chung và năng lượng ñiện nói riêng luôn luôn ñược coi là nghành công nghiệp mang tính chất xương sống cho sự phát trển của nền kinh tế Việc sản xuất và sử dụng ñiện năng một cách hiệu quả luôn ñược coi trọng một cách ñặc biệt Ý nghĩa quan trọng và cũng là mục tiêu cao cả nhất của nghành công nghiệp then chốt này là nhằm nâng cao ñời sống của mỗi người dân

Xã hội không ngừng phát triển, sinh hoạt của nhân dân không ngừng ñược nâng cao nên cần phải phát triển nhiều loại máy ñiện mới Tốc ñộ phát triển của nền sản xuất công nông nghiệp của một nước ñòi hỏi sự phát triển tương ứng của nghành công nghiệp ñiện lực Máy phát ñiện ñồng bộ ñóng một vai trò quan trọng trong hệ thống ñiện, nơi mà tính ổn ñịnh luôn ñược ñòi hỏi cao Ổn ñịnh ñược ñiện áp ñầu cực máy phát là nhờ vào các bộ ổn ñịnh ñiện áp máy phát

Các mạch ñiều khiển lô-gic, các bộ ñiều khiển kinh ñiển PID, các

hệ thống ñiều khiển tích hợp và ñiều khiển hiện ñại (ñiều khiển mờ, ñiều khiển nơ-ron, ñiều khiển thích nghi, …) ñã và ñang ñược ứng dụng rộng rãi và mang lại nhiều kết quả thiết thực Bộ ñiều khiển mờ ra ñời trên cơ sở ứng dụng lô-gic mờ là một trong những bộ ñiều khiển hiện ñại, ñang phát triển vượt bậc và ñược ứng dụng rộng rãi, hiện ñang ñóng vai quan trọng trong các hệ thống ñiều khiển vì ñảm bảo tính khả

thi cao,thực hiện tốt các chỉ tiêu kỹ thuật như tính bền vững và ổn ñịnh cao, dễ dàng thiết kế, dễ thay ñổi,

Với hy vọng việc ứng dụng bộ ñiều khiển mờ có ưu ñiểm là cấu trúc không quá phức tạp, có khả năng ứng dụng thực tế, ñề tài: “ Ứng dụng logic mờ trong ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện ñồng bộ” ñược thực hiện nhằm nâng cao chất lượng ñiện năng trong hệ thống ñiện

2 Mục ñích nghiên cứu

Bộ ñiều khiển mờ là một trong những bộ ñiều khiển thông minh, ñược xem là “công nghệ tính toán mềm”, ñang ñược ứng dụng nhiều trong ñiều khiển

Mục ñích nghiên cứu ñề tài là ứng dụng lô gíc mờ trong ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện ñồng bộ nhằm nâng cao chất lượng hệ thống ñiện

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hệ thống kích từ, máy phát ñiện ñồng bộ của một nhà máy thủy ñiện

Phạm vi nghiên cứu của ñề tài là thiết kế bộ ñiều khiển mờ ñể

ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện ñồng bộ Đề tài cũng cố gắng sử dụng bộ thông số thực của một nhà máy thủy ñiện ñiển hình trong nước ñể tính toán, mô phỏng và ñánh giá kết quả nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ñề tài

Với kết quả nghiên cứu ñược, ñề tài này mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn về vấn ñề ứng dụng lý thuyết ñiều khiển mờ trong bộ

ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện ñồng bộ, nhằm nâng cao ñộ ổn ñịnh, chất lượng ñiện năng trong hệ thống ñiện

5

6 Cấu trúc luận văn

Luận văn ñược trình bày theo cấu trúc sau:

Mở ñầu

Chương 1 : Tổng quan máy phát ñiện ñồng bộ và hệ thống

kích từ Chương 2: Mô hình hoá máy phát ñiện ñồng bộ và hệ thống

1.2 Máy phát ñiện ñồng bộ ba pha

1.2.1 Kết cấu và nguyên lý cơ bản

1.2.1.1 Phần tĩnh

1.2.1.2 Phần Quay

1.2.2 Đặc ñiểm và phân loại

1.2.2.1 Máy phát nhiệt ñiện

1.2.2.2 Máy phát thủy ñiện

1.3.3.3 Hệ tự kích từ chỉnh lưu hỗn hợp có ñiều khiển

1.3.4 Tác ñộng của hệ thống kích từ ñối với sự ổn ñịnh

1.4 Kết luận chương 1

Chương 2 : MÔ HÌNH HOÁ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ 2.1 Mô hình hoá máy phát ñiện ñồng bộ

2.1.1 Mô tả toán học của máy phát ñồng bộ

Các phương trình mô tả ñặc tính pha của máy phát sẽ ñược chuyển sang các hệ tọa ñộ ñảm bảo có lợi về phương diện mô tả vật lý, từ ñó dẫn ñến các lợi thế cho việc thiết kế hệ thống ñiều chỉnh Có hai loại hệ trục tọa ñộ ñược sử dụng là hệ tọa ñộ αβ gắn cố ñịnh với stator và hệ

tọa ñộ dq còn gọi là hệ tọa ñộ tựa hướng từ thông rotor Trong ñề tài, sẽ

chỉ tập trung phân tích và xây dựng mô hình máy phát dựa trên hệ tọa

ñộ dq

Ở ñây trục d ñược gắn với rotor và sớm pha hơn so với trục tham chiếu (pha a) một góc θ, dòng ñiện trong các pha stator là i a , i b , i c Nếu biểu diễn các dòng ñiện này trong hệ tọa ñộ dq ta sẽ có quan hệ sau

− +

− +

−

=

) 3

2 cos(

) 3

2 cos(

cos

) 3

2 sin(

) 3

2 sin(

sin

π θ

π θ θ

π θ

π θ θ

c b

a

d

d

c b

a

q

q

i i

i

k

i

i i

7

)3

2sin(

)3

2sin(

sin

πω

πωω

i

t I

i

t I

i

s m

c

s m

b

s m

a

(2.2)

) sin(

2

3

) 3

2 cos(

) 3

2 sin(

) 3

2 cos(

) 3

2 sin(

cos sin

θω

πθπωπ

θπωθ

+

−

− +

=

t I

k

t I t

I t

I

k

i

s m

d

s m s

m s

3

1

0 ia ib ic

i = + + (2.4)

Ở ñiều kiện cân bằng i a +i b+i c =0 do ñó i 0 = 0

Sự chuyển ñổi các ñại lượng pha abc sang các ñại lượng dq0 có

thể ñược viết dưới dạng ma trận sau:

q

d

i i i

i

i

i

) 3 2 sin(

) 3 2 sin(

sin

) 3 2 cos(

) 3 2 cos(

cos

2

1 2

1 2

θθ

πθπ

)32cos(

1)32sin(

)32cos(

1sin

cos

i i i

i

i

i

q d

c

b

a

πθπ

θ

πθπ

θ

θθ

(2.6)

2.1.2 Mô tả máy phát trong hệ ñơn vị tương ñối

2.1.3 Phân tích mô hình máy phát ở trạng thái ổn ñịnh

2.1.4 Phương trình chuyển ñộng quay

Các phương trình chính của máy quay trong việc phân tích ổn ñịnh hệ thống hầu hết là các phương trình quán tính quay Các phương trình này mô tả ảnh hưởng do sự không cân bằng giữa mô men ñiện và

mô men cơ của từng tổ máy Phương trình góc quay thể hiện mối quan

hệ giữa mô men quay của trục rotor và mô men gia tốc của nó, trong ñó

mô men gia tốc quay ñược xác ñịnh chính bằng sai lệch giữa mô men trục cơ và mô men ñiện Tốc ñộ quay của trục cơ sẽ ổn ñịnh ở giá trị hằng khi có sự cân bằng giữa mô men trục cơ và mô men ñiện, tức là

mô men gia tốc bằng 0

Khi có sự mất cân bằng giữa các thành phần mô men tác ñộng lên trục rotor máy phát thì sẽ tạo ra một mô men gia tốc là:

Ta = Tm - Te (2.71) Trong ñó:

Ta: Mô men gia tốc

Tm: Mô men cơ

Te: Mô men ñiện Trong phương trình trên Tm và Te là dương

Khi ñó phương trình chuyển ñộng quay sẽ là:

(2.72)

Trong ñó:

J: Mô men quán tính tổng hợp của máy phát và tuabin [kg.m2]

ωm: Vận tốc góc của rotor [rad/s]

t: Thời gian [s]

Phương trình trên có thể chuẩn hóa bằng quan hệ trong hệ ñơn vị tương ñối của hằng số quán tính H, ñược ñịnh nghĩa là ñộng năng của

e m a

m T T T dt

d

9 máy quay ở tốc ñộ ñịnh mức trên giá trị ñịnh mức VAcb của máy ñiện Gọi ω0m là vận tốc góc ñịnh mức, khi ñó hằng số quán tính ñược viết như sau:

cb

m

VA

J H

2 02

Từ (2.73) ta viết lại biểu thức của mô men quán tính J là

cb m

= Thay (2.74) vào phương trình (2.72) ta ñược

e m m cb m

T T dt

d VA

ω2 0

2 (2.75)

Hay

m cb

e m m

m VA

T T dt

d H

0 0

/

ω

ω ω

ω ω

ω

f

f r m

m r

Ở ñây ωr là góc quay ñiện của rotor [rad/s], ω0 là giá trị ñịnh mức

và p là số ñôi cực của máy phát

Nếu δ là vị trí góc ñiện của rotor và δ0là giá trị của nó tại thời

ñiểm t=0 thì

0

0 δ ω ω

δ = r t− t+ (2.79) Lấy ñạo hàm theo thời gian ta ñược

r r

dt

d

ωωω

d dt

0 0

ω ω

−

=2 2

0

ω (2.83)

Nếu kể ñến thành phần mô men cản ñiện từ tỷ lệ với tốc ñộ quay

thì cần phải thêm vào phương trình (2.83) một thành phần tỷ lệ với ñộ

lệch tốc ñộ Do ñó phương trình ñược viết lại như sau:

δ ω ω

ω ω

0 0

Phương trình (2.84) chính là phương trình chuyển ñộng của máy

phát ñồng bộ Đây là phương trình chuyển ñộng quay bởi vì nó mô tả

góc quay δ của rotor khi có nhiễu

Thay (2.85) vào (2.84) Phương trình ñược viết lại

dt

d K T T dt

d

e m

δ ω

δ

2 2

d K T T t d

d

H ω δ = m− e− D δ

2

2 0

2 (2.87)

Trong không gian trạng thái ñòi hỏi mô hình các thành phần phải

ñược mô tả bằng các phương trình vi phân bậc nhất Do ñó phương

trình chuyển ñộng quay (2.84) ñược biểu diễn bằng 2 phương trình vi

phân bậc nhất như sau:

( )

2

1

r D e m

H dt

d∆ω = − − ∆ω (2.88)

r

dt

dδ =ω0∆ω (2.89)

Sơ ñồ khối mô tả phương trình (2.88), (2.89) như sau:

Hình 2.3 Sơ ñồ khối mô tả phương trình chuyển ñộng quay

2.1.5.Mô hình máy phát nối với hệ thống trong nghiên cứu ổn ñịnh

Trong nghiên cứu ổn ñịnh tín hiệu nhỏ của hệ thống thì ta sẽ không

sử dụng các phương trình mô tả ñiện ñộng của một máy phát ñộc vì nó chỉ có ý nghĩa ñối với các hệ thống rất nhỏ chỉ một máy phát hoạt ñộng ñộc lập Do ñó ñể phục vụ cho bài toán ñặt ra ta sẽ thực hiện mô hình hóa cho hệ máy phát ñược nối với hệ thống có công suất rất lớn Xét mô hình hệ thống ñược mô tả như hình 2.4 gồm một máy phát ñồng bộ nối với hệ thống ñiện thông qua ñường dây truyền tải có tổng trở Ze =Re +jXE

Bây giờ ta sẽ xem xét ñặc tính của hệ thống dưới tác ñộng của sự biến thiên từ thông Ảnh hưởng của cuộn dây cản dịu sẽ ñược bỏ qua và ñiện áp kích thích sẽ ñược giả thiết là không ñổi

Hình 2.4 Mô hình hệ thống công suất

Trước tiên ta sẽ khai triển mô hình không gian trạng thái của hệ thống bằng cách rút gọn các phương trình của máy phát về dạng thích hợp và sau ñó kết hợp chúng với các phương trình lưới Ta sẽ mô tả thời gian là giây, góc là radian ñiện và tất cả các biến trong hệ ñơn vị tương ñối

2.1.5.1 Các phương trình máy phát ñồng bộ

2.1.5.2 Các phương trình lưới

2.1.6.Tuyến tính hóa mô hình hệ thống

Từ các phương trình ñược tổng hợp như ở trên Mô hình hệ thống tuyến tính ñược mô tả dưới dạng sơ ñồ khối như hình 2.7

t

U

V

E E

Mô hình máy kích từ loại ST1A mô tả một hệ thống chỉnh lưu nguồn có ñiều khiển và công suất kích từ ñược cung cấp thông qua một máy biến

áp từ ñiện áp ñầu ra máy phát

U R

U t

K T T dt

d H

ωωδ

ωω

)(

2

Các phương trình mô tả hệ thống kích từ ST1A

)(1

11

1

1

U sT

K E

U sT U

A

A fd

t R

∆

−+

=

∆+

=

∆

Từ các phương trình ñược tổng hợp như trên, mô hình hệ thống

ñược mô tả dưới dạng sơ ñồ khối như hình 2.15

Hình 2.15 Mô hình hệ thống tuyến tính rút ra từ nhiễu loạn hệ thống

∆

Σ

-

+ +

15

Chương 3: ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ỔN ĐỊNH

ĐIỆN ÁPMÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

3.1 Giới thiệu chung

3.1.1 Định nghĩa tập mờ

3.1.2 Một vài dạng hàm liên thuộc thường ñược sử dụng

3.2 Xây dựng mô hình mờ cho ñối tượng

Hiện nay có hai quan ñiểm về mô hình mờ thường ñược sử dụng

Đó là mô hình mờ Mamdani và mô hình mờ Sugeno

3.2.1 Mô hình mờ Mamdani

Phương pháp suy diễn mờ của Mamdani ñược coi là phương pháp luận phổ biến nhất Phương pháp này ñược Sbrahim Mamdani giới thiệu lần ñầu vào năm 1975 dựa trên các tài liệu của Lofti Zadeh

1973 về các thuật toán mờ Từ ñó ñến nay, quá trình suy diễn mờ ñã thay ñổi tuy nhiên chúng vẫn giữ ñược các ý tưởng cơ bản nhất

Mô hình mờ Mandani gồm ba thành phần:

Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển gồm có 4 khối: khối mờ hóa (fuzzifiers), khối hợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ (defuzzifiers) Ta có thể biểu diễn mô hình mờ Mamdani như hình 3.1

+ Hiệu quả tính toán cao

+ Thích hợp với các công nghệ tuyến tính (ví dụ bộ ñiều khiển PID) + Thích hợp với các kỹ thuật tối ưu và thích nghi

+ Bảo ñảm tính liên tục của mặt phẳng ñầu ra

+ Thích hợp với việc phân tích toán học

- Mô hình Mamdani

+ Trực giác, dễ hiểu

+ Được thừa nhận rộng rãi

+ Gần gũi với ñời sống

3.3 Tổng hợp bộ ñiều khiển mờ

3.3.1 Cấu trúc của bộ ñiều khiển mờ

Về nguyên tắc, hệ thống ñiều khiển mờ cũng không có gì khác

so với các hệ thống ñiều khiển tự ñộng thông thường khác Sự khác biệt

ở ñây chính là bộ ñiều khiển mờ làm việc có tư duy như "bộ não" dưới dạng trí tuệ nhân tạo Nếu khẳng ñịnh làm việc với hệ thống ñiều khiển

mờ do ñó cũng có thể ñược coi như là một hệ thống mạng neuron hay

17 ñúng hơn là một hệ thống ñiều khiển ñược thiết kế mà không cần biết trước mô hình của ñối tượng Bộ ñiều khiển mờ gồm có các thành phần sau (hình 3.8)

3.3.2 Nguyên tắc tổng hợp bộ ñiều khiển mờ

3.3.3 Các bước thực hiện khi xây dựng bộ ñiều khiển mờ

Đối với bộ ñiều khiển mờ theo mô hình Mamdani

- Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào ra

- Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào/ra

+ Xác ñịnh miền giá trị vật lý cho các biến ngôn ngữ vào/ra

+ Xác ñịnh số lượng tập mờ cần thiết

+ Xác ñịnh kiểu hàm liên thuộc

+ Rời rạc hoá các tập mờ

- Xây dựng các luật ñiều khiển (các mệnh ñề hợp thành)

Hình 3.8 Cấu trúc của bộ ñiều khiển mờ cơ bản

Bộ ñiều khiển

Đối tượng ñiều khiển

Thiết bi ño lường

u

-

- Chọn thiết bị hợp thành mờ (max-Min hay sum-Min, )

- Chọn phương pháp giải mờ

- Tối ưu hệ thống

Đối với bộ ñiều khiển mờ theo mô hình Sugeno:

- Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào ra

- Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào/ra

+ Xác ñịnh miền giá trị vật lý cho các biến ngôn ngữ vào/ra

+ Xác ñịnh số lượng tập mờ cần thiết

+ Xác ñịnh kiểu hàm liên thuộc

+ Rời rạc hoá các tập mờ

- Xây dựng các luật ñiều khiển, có nghĩa là chọn các hệ số ci (i =

1,2,3, ,n) cho từng luật Nếu thì của bộ ñiều khiển

3.4 Ứng dụng Logic mờ trong ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện ñồng

bộ

3.4.1 Xác ñịnh các biến vào ra

Bộ ñiều khiển mờ ñược sử dụng ñể ñiều chỉnh ñiện áp máy phát, theo kinh nghiệm thì bộ mờ gồm có hai ñầu vào và một ñầu ra hình 3.9

.- Đầu vào thứ 1 là sai lệch giữa giá trị ñặt và giá trị thực của hệ thống, ñại lượng này ñược ký hiệu là E

- Đầu vào thứ 2 là ñạo hàm ñộ sai lệch ñại lượng này ñược ký hiệu là

DE

- Đầu ra là ñiện áp vào bộ chuyển ñổi ñiện áp, ñại lượng này ñược ký hiệu là U

3.4.2 Xác ñịnh tập mờ

3.4.2.1 Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ vào/ra

Xác ñịnh ñược các miền giá trị rõ tới hạn cho các biến vào và ra: + Sai lệch E ñược chọn trong miền giá trị [-0.1,0.1]

19 + Đạo hàm DE ñược chọn trong miền giá trị [-0.5,0.5]

+ Đầu ra U có miền giá trị nằm trong khoảng [-1,1]

Hình 3.9 Các biến vào ra bộ ñiều khiển mờ

3.4.2.2 Giá trị tập mờ

Xác ñịnh số lượng tập mờ (các giá trị ngôn ngữ) cần thiết cho các biến: Nguyên lý chung là số lượng các giá trị ngôn ngữ cho mỗi biến nên nằm trong khoảng từ 3 ñến 10 giá trị Nếu số lượng ít hơn 3 thì quá thô và ít có ý nghĩa vì không thực hiện ñược việc lấy vi phân Nếu lớn hơn 10 thì quá mịn con người khó có khả năng cảm nhận quá chi ly, bao quát hết các trường hợp xảy ra và ảnh hưởng ñến bộ nhớ, tốc ñộ tính toán Vì vậy, chọn số lượng tập mờ cho biến ñầu vào E là 7, DE là

3 và biến ñầu ra là 7, cụ thể như sau:

+ E ∈ {NL, NM, NS, ZE, PS, PM, PL}

+ U∈ {NL, NM, NS, ZE, PS, PM, PL}

+ DE ∈ {NL, ZE, PL}

Trong ñó ký hiệu:

3.5 Xây dựng các luật ñiều khiển

Dựa vào bản chất vật lý, các số liệu vào ra có ñược, kinh nghiệm, và dựa vào ñặc tính quá ñộ thường gặp của hệ thống ñiều khiển dùng PID (Hình 3.13)

Hình 3.10 Xác ñịnh tập mờ cho biến vào E