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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii LỜI CẢM ƠN Trong q trình làm luận án, tơi nhận đƣợc nhiều ý kiến đóng góp từ thầy giáo, cô giáo, anh chị bạn đồng nghiệp Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến PGS.TS Nguyễn Doãn 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 Công nghiệp gia đình có ý kiến đóng góp q báu tạo điều kiện thuận lợi cho q trình hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Phòng 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 cơng 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn v Chƣơng MƠ HÌNH TOÁN CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 28 Mơ hình máy phát điện đồng 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 75 Chuyển tốn điều khiển ổn định tín hiệu nhỏ thành toán điều khiển bền vững RH 4.2 75 Thiết kế điều khiển bền vững RH 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 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 PHỤ LỤC 106 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 Tốn tử laplace = d/dt δ Góc rotor (góc tải) máy phát (rad) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 mô men đồng H Hằng số quán tính máy phát (s) d Từ thông stator dọc trục q Từ thông 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ix E’d Điện áp độ dọc trục E’q Điện áp độ ngang trục kd Từ thơng móc vịng cuộn cản dọc trục kq Từ thơng móc vịng 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) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 Cơng 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Per unit http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... PSS TỐI ƢU CẤU TRÚC 4.1 75 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? ?? 80 4.2.1 Khái niệm lý thuyết điều khiển tối ƣu RH? ??... 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)... dụng PSS 71 3.5.2 Trƣờng hợp sử dụng PSS1A PSS2A 72 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi 3.6 Kết luận chƣơng 74 Chƣơng ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU RH? ?? ĐỂ