i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Nguyễn Hiền Trung ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƢU RH ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số: 62 52 60 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Doãn Phƣớc PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển Thái Nguyên – 2012 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi dựa hƣớng dẫn tập thể nhà khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Kết nghiên cứu trung thực chƣa công bố cơng trình khác Nghiên cứu sinh Nguyễn Hiền Trung iii LỜI CẢM ƠN Trong q trình làm luận án, tơi nhận đƣợc nhiều ý kiến đóng góp từ thầy giáo, giáo, anh chị bạn đồng nghiệp Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn đến PGS.TS Nguyễn Dỗn Phƣớc PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển dành tâm huyết hƣớng dẫn suốt thời gian qua Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo mơn Tự động hóa – Khoa điện – Trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp gia đình có ý kiến đóng góp q báu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Phịng quản lý đào tạo sau đại học – Trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp; chân thành cảm ơn môn Điều khiển tự động – Viện Điện – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, trung tâm nghiên cứu triển khai công nghệ cao trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Tác giả luận án Nguyễn Hiền Trung iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết, ý nghĩa lý luận thực tiễn đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Những đóng góp luận án Cấu trúc luận án Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu cấu trúc hệ thống điện 1.2 Điều khiển hệ thống điện 1.2.1 Nhiệm vụ điều khiển HTĐ 1.2.2 Cấu trúc điều khiển HTĐ 10 1.3 Vấn đề dao động góc tải HTĐ 16 1.3.1 Định nghĩa góc tải (góc rotor) 16 1.3.2 Cân công suất HTĐ 17 1.3.3 Nguyên nhân gây dao động góc tải 18 1.4 Bộ ổn định HTĐ - PSS 21 1.5 Những vấn đề nghiên cứu PSS 22 1.5.1 Một số phƣơng pháp thiết kế PSS 22 1.5.2 Các cơng trình nghiên cứu PSS 25 1.6 Hƣớng nghiên cứu luận án 26 1.7 Kết luận chƣơng 27 v Chƣơng MÔ HÌNH TỐN CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Mơ hình máy phát điện đồng 28 30 2.1.1 Phƣơng trình biểu diễn hệ trục toạ độ dq0 31 2.1.2 Phƣơng trình với mạch từ tuyến tính 35 2.2 Mơ hình kích từ điều chỉnh điện áp 36 2.3 Mơ hình turbine điều chỉnh tốc độ 39 2.3.1 Mơ hình turbine 39 2.3.2 Mơ hình điều tốc 41 2.4 Mơ hình động học hệ máy phát kết nối với HTĐ 42 2.4.1 Phƣơng trình ràng buộc điện áp hệ đơn vị tƣơng đối 42 2.4.2 Mơ hình multi–time–scale hệ máy phát kết nối với HTĐ 43 2.4.3 Mơ hình bỏ qua độ stator máy phát kết nối với HTĐ 45 2.4.4 Mơ hình two-axis hệ máy phát kết nối với HTĐ 47 2.4.5 Mơ hình flux–decay hệ máy phát kết nối với HTĐ 48 2.4.6 Mô men damping 50 Kết luận chƣơng 51 2.5 Chƣơng PHÂN TÍCH BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS 52 3.1 Xây dựng mơ hình tín hiệu nhỏ hệ máy phát kết nối với HTĐ 52 3.2 Phân tích ảnh hƣởng PSS ổn định tín hiệu nhỏ 58 3.3 Phân tích cấu trúc PSS 63 3.3.1 PSS đầu vào đơn – PSS1A 63 3.3.2 PSS đầu vào kép 64 3.4 Phân tích thành phần PSS2A/2B 68 3.4.1 Tín hiệu tốc độ 68 3.4.2 Tín hiệu cơng suất điện 69 3.4.3 Tín hiệu công suất 69 3.4.4 Bù pha lựa chọn tín hiệu ổn định 70 3.4.5 Khâu giới hạn điện áp đầu cực 70 3.5 Đánh giá hiệu PSS ổn định góc tải 71 3.5.1 Trƣờng hợp khơng sử dụng PSS có sử dụng PSS 71 3.5.2 Trƣờng hợp sử dụng PSS1A PSS2A 72 vi 3.6 Kết luận chƣơng 74 Chƣơng ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU RH ĐỂ THIẾT KẾ PSS TỐI ƢU CẤU TRÚC 4.1 Chuyển toán điều khiển ổn định tín hiệu nhỏ thành tốn điều khiển bền vững RH 4.2 75 Thiết kế điều khiển bền vững RH 75 80 4.2.1 Khái niệm lý thuyết điều khiển tối ƣu RH 80 4.2.2 Các bƣớc thực toán điều khiển tối ƣu RH 81 4.2.3 Thiết kế PSS tối ƣu RH 85 Mô điều khiển 91 4.3.1 Mô Matlab 91 4.3.2 Mô theo thời gian thực 93 4.3 4.4 Kết luận chƣơng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 97 99 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 PHỤ LỤC 106 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU x Các vector biến trạng thái y Vector đầu hệ thống u Vector đầu vào hệ thống nn Ma trận có phần tử có kích thƣớc n  n In Ma trận đơn vị có kích thƣớc n a, b, c Cuộn dây stator pha fd Cuộn dây kích từ kd Cuộn cản theo trục d, (k=1,2) kq Cuộn cản theo trục q, (k=1,2) va, vb, vc Điện áp pha tức thời stator ia, ib, ic Dòng điện tức thời stator pha a, b, c ifd, ikd, ikq Các dịng điện mạch kích từ, cuộn cản dọc trục ngang trục rfd, rkd, rkq Các điện trở mạch rotor, cuộn cản laa, lbb, lcc Tự cảm cuộn dây stator lab, lbc, lca Hỗ cảm cuộn dây stator lafd, lakd, lakq Hỗ cảm cuộn dây rotor stator lffd, lkkd, lkkq Tự cảm mạch rotor Rs Điện trở pha phần ứng (stator) s Toán tử laplace = d/dt δ Góc rotor (góc tải) máy phát (rad) viii θ Góc xác định trục pha a trục d (rad) vs Góc pha đầu điện áp hệ thống ω Tốc độ góc máy phát (rad/s) ω0 Tốc độ đồng (rad/s) Pm Công suất (p.u) TM Mô men (p.u) Pe Công suất điện (p.u) Te Mô men điện (p.u) Qe Công suất phản kháng (p.u) TD Mô men dammping – mô men dập (damping torque) TS Mô men đồng (synchronizing torque) KD Hệ số mô men damping KS Hệ số mơ men đồng H Hằng số qn tính máy phát (s) d Từ thông stator dọc trục q Từ thơng stator ngang trục Efd Điện áp kích từ Vt Điện áp đầu cực máy phát (p.u) Vd Điện áp stator dọc trục Vq Điện áp stator ngang trục Id Dòng điện stator dọc trục Iq Dòng điện stator ngang trục ix E’d Điện áp độ dọc trục E’q Điện áp độ ngang trục kd Từ thông móc vịng cuộn cản dọc trục kq Từ thơng móc vòng cuộn cản ngang trục Xd; X’d; X’’d Điện kháng đồng bộ, độ siêu độ dọc trục máy phát Xq; X’q; X’’q Điện kháng đồng bộ, độ siêu độ ngang trục máy phát Xls Điện kháng khe hở (stator leakage inductance) T’d0; T’’d0 Hằng số thời gian độ siêu dộ dọc trục (s) T’q0; T’’q0 Hằng số thời gian độ siêu dộ ngang trục (s) x DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Biểu diễn Ghi tiếng anh PSS Bộ ổn định HTĐ Power System Stabilizer AVR Tự động điều chỉnh điện áp Automatic Voltage Regulator LMI Bất đẳng thức ma trận tuyến tính Linear Matrix Inequalities LFO Dao động tần số thấp Low Frequency Oscillation LFC Điều khiển tần số–tải AGC Load–Frequency Control Automatic Generation Control HTKT Hệ thống kích từ Excitation Systems CSTD Công suất tác dụng Active Power CSPK Công suất phản kháng Reactive Power FACTS Hệ thống truyền tải điện xoay chiều Flexible AC Transmission linh hoạt Systems Truyền tải điện chiều cao áp High Voltage Direct HVDC Current SVC Thiết bị bù công suất phản kháng Static Var Compensator tĩnh HTĐ Hệ thống điện Power System MBA Máy biến áp Transformer AC Xoay chiều DC Một chiều p.u Đơn vị tƣơng đối Per unit xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các phần tử HTĐ Hình 1.2 Các hệ thống điều khiển điều khiển liên quan trạm phát điện Hình 1.3 Phân loại chế độ HTĐ 10 Hình 1.4 Cấu trúc điều khiển HTĐ 11 Hình 1.5 Sơ đồ khối điều khiển bảo vệ HTKT máy phát điện đồng 13 Hình 1.6 Điều khiển tần số phân phối CSTD HTĐ 16 Hình 1.7 Đặc tính cơng suất máy phát 17 Hình 1.8 Phân loại ổn định HTĐ 19 Hình 1.9 Dao động cục 19 Hình 1.10 Dao động liên khu vực 20 Hình 1.11 Sơ đồ khối điều khiển HTKT có PSS 20 Hình 1.12 Cấu trúc PSS 21 Hình 2.1 Sơ đồ khối máy phát điện đồng 29 Hình 2.2 Sơ đồ máy điện đồng hai cực từ [47] 30 Hình 2.3 Sơ đồ mạch máy kích từ chiều độc lập 36 Hình 2.4 Sơ đồ mạch máy kích từ tự kích 37 Hình 2.5 Mơ hình HTKT IEEE loại [47] 39 Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc khí - thủy lực 41 Hình 2.7 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc điện tử - thủy lực 41 Hình 2.8 Mơ hình hệ thống turbine điều tốc đơn giản 42 Hình 2.9 Sơ đồ động học siêu độ máy phát [47] 45 Hình 2.10 Mơ hình two-axis hệ máy phát [47] 47 Hình 2.11 Mơ hình động học flux-decay máy phát điện [47] 49 Hình 3.1 Sơ đồ khối điều chỉnh kích từ máy phát nối lƣới 52 Hình 3.2 Mơ hình HTKT IEEE loại với tín hiệu nhỏ 56 Hình 3.3 HTKT thyristor ST1A với AVR 57 Hình 3.4 Sơ đồ khối tuyến tính máy phát bao gồm kích từ & AVR 57 Hình 3.5 Đáp ứng tự nhiên góc tải δ với nhiễu nhỏ 59 Hình 3.6 Đồ thị vector thành phần mơ men với kích từ & AVR 60