1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG VÕ CƠNG TỒN ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PID ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI MỘT CHIỀU CAO ÁP KẾT NỐI LƢỚI ĐIỆN QUỐC GIA HỘI AN - ĐẢO CÙ LAO CHÀM Chuyên ngành : Tự động hóa Mã số: 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2012 Cơng trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS ĐOÀN QUANG VINH Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN HỒNG ANH Phản biện 2: TS NGUYỄN HOÀNG MAI Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 05 tháng 2013 * 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 01 năm MỞ ĐẦU LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay, truyền tải dòng điện chiều cao áp phần thiếu hệ thống điện nhiều quốc gia giới Truyền tải điện siêu cao áp chiều cân nhắc phải tải lượng công suất lớn khoảng cách xa, liên kết hệ thống điện không đồng xây dựng đường cáp điện vược biển Với lượng công suất đủ lớn, khoảng cách truyền đủ xa truyền tải cao áp chiều cao áp chiếm ưu chi phí đầu tư tổn thất truyền tải so với dòng điện pha truyền thống Năm 2011 Đinh Trung Kiên đề xuất hệ thống truyền tải VSCHVDC kết nối Lưới điện quốc gia từ Hội An cấp điện cho Đảo Cù Lao Chàm Luận văn xây dưng đầy đủ kết cấu phần cứng đưa số phương án điều khiển Tuy nhiên phương án điều khiển Đinh Trung Kiên đưa chưa thể hết đặc tính điều khiển linh hoạt VSC, chưa có khả kiểm sốt q trình truyền sản xuất lượng để khắc phục nhược điểm lý chọn đề tài ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU a) Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu hệ thống truyền tải điện VSC-HVDC Hội An –Cù Lao Chàm b) Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu, xây dựng, tính tốn thơng số cho điều khiển VSC nhằm đáp ứng tính điều khiển linh hoạt trạm chuyển đổi VSC hệ thống truyền tảiVSC-HVDC Hội An – Cù Lao Chàm PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô kiểm chứng phần mềm Mathlab Simulink 2 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài ứng dụng phương pháp điều khiển nhằm nâng cao chất lượng truyền tải góp phần giải toán điều khiển hệ thống truyền tải HVDC tạo tiền đề cho hệ thống VSC-HVDC Hội An Cù Lao Chàm vào thực tế giải nhu cầu điện đảo CẤU TRÚC LUẬN VĂN: Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo luận văn gồm chương sau: Chương Tổng quan hệ thống truyền tải điện chiều cao áp Chương Truyền tải VSC-HVDC Hội An Cù Lao Chàm Chương Tính tốn thơng số đánh giá kết hoạt động cho điều khiển truyền tải VSC – HVDC Hội An - Cù Lao Chàm Chƣơng TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU CAO ÁP 1.1 Tổng quan hệ thống truyền tải điện chiều cao áp 1.1.1 Giới thiệu hệ thống truyền tải VSC-HVDC Gần đây, hình thức truyền tải HVDC đời dựa nên tảng HVDC cổ điển Điểm đặc biệt sử dụng công nghệ bán dẫn tiên tiến thay sử dụng thyristor chuyển đổi lượng AC DC Thiết bị bán dẫn sử dụng IGBT chuyển đổi chuyển đổi nguồn điện áp hoạt động với tần số chuyển mạch cao (1-2kHz) sử dụng điều chế PWM Trong luận văn này, công nghệ gọi VSC-HVDC 1.1.2 Các hình thức truyền tải hệ thống truyền tải HVDC - Kết nối đơn cực - Kết nối lưỡng cực - Kết nối đồng cực 1.1.3 Cấu hình chung cho trạm chuyển đổi AC/DC: Hình 1.3 - Cấu hình trạm chuyển đổi AC-DC HVDC 1.2 Các chuyển đổi hệ thống truyền tải HVDC 1.2.1 Giới thiệu chung - Bộ chuyển đổi nguồn dòng (CSC) - Bộ chuyển đổi nguồn áp (VSC) Hình 1.4 Bộ chuyển đổi nguồn dòng chuyển đổi nguồn áp 1.2.2 Bộ chuyển đổi nguồn dòng (CSC): - Cấu trúc chuyển đổi nguồn dòng sáu xung - Hoạt động chuyển đổi nguồn dòng trường hợp khơng có trùng dẫn có trùng dẫn 1.2.3 Bộ chuyển đổi nguồn áp (VSC) Các hình thức điều khiển chuyển đổi VSC - Điều khiển điện áp tụ điện DC VSC với điều khiển dòng điện AC Hình 1.11 - Bộ chuyển đổi nguồn áp với điều khiển dòng điện PWM chỉnh lưu - VSC với điều khiển điện áp AC Hình 1.14 - Bổ xung điều khiển điện áp chỉnh lưu cho trạm VCS - Hoạt động trạm chuyển đổi VSC phụ tải thay đổi Hình 1.18 - Giản đồ điện áp, dịng điện, cơng suất trạm chuyển đổi VSC kết nối phụ tải điện trở phía DC 1.3 Kỹ thuật đồng hóa cho chuyển đổi cơng suất Để thực tính tốn điều khiển vector, yêu cầu chuyển đổi hệ tọa độ abc, αβ, dq cần thiết để cung cấp thơng số cho chuyển đổi, khóa pha PLL sử dụng có cấu trúc sau: Hình 1.19 - Bộ khóa pha PLL Hoạt động đồng hóa, cung cấp góc chuyển đổi khóa pha Hình 1.20 - Giản đồ điện áp góc theta khóa pha PLL 1.4 Hệ thống truyền tải VSC-HVDC 1.4.1 Cấu trúc hệ thống truyền tải VSC – HVDC Hình 1.21- Cấu trúc hệ thống truyền tải VSC-HVDC 1.4.2 Hoạt động hệ thống truyền tải điện VSC – HVDC - Hoạt động chuyển đổi điện áp AC/DC với chuyển ba mức điện áp - Điều chế PWM điều khiển sóng điện áp chuyển đổi VSC - Hoạt động chuyển đổi dịng cơng suất trạm chuyển đổi VSC 1.4.3 Ưu điểm hệ thống truyền tải VSC-HVDC  Điều khiển độc lập công suất tác dụng công suất phản độ lớn lẫn hướng truyền lượng  Dễ dàng kết nối lưới điện mà không cần quan tâm đến tần số lưới điện yêu cầu hòa lưới điện  Do có khả sản xuất cơng suất phản cách độc lập theo giá trị mong muốn nên không cần thêm thiết bị bù cơng suất phản kháng gây tốn chi phí đầu tư vận hành bảo dưỡng thiết bị bù công suất phản kháng  VSC với kỹ thuật PWM tính chọn tỉ số điều biến tần số thích hợp nhằm thỏa mãn tổn thất lượng giảm lượng sóng hài sinh lưới AC Chƣơng TRUYỀN TẢI ĐIỆN VSC-HVDC HỘI AN – ĐẢO CÙ LAO CHÀM 2.1 Mơ hình hệ thống VSC-HVDC Hội An – Cù Lao Chàm Cấu trúc hệ thống truyền tải VSC-HVDC: Hình 2.1- Mơ hình hệ thống truyền tải VSC-HVDC Hội An – Cù Lao Chàm 2.2 Điều khiển hệ thống truyền tải VSC-HVDC Hội An Cù Lao Chàm 2.2.1 Bộ chuyển đổi ba mức điện áp Để khác phục khuyết điểm cấu trúc điều khiển Định Trung Kiên đề xuất năm 2011, luận văn đưa cấu trúc điều khiển linh hoạt cho trạm chuyển đổi VSC: Idc_p lọc AC PCC Udc_p IV Idc_n Udc_n xung sóng sin PWM Vref_abc vòng lặp dòng điện PLL Iref_dq Qref Pref vòng lặp công suất tác dụng/phản kháng điện áp UDCref Hình 2.6- Mơ hình cấu trúc điều khiển chuyển đổi VSC 2.2.2 Vector không gian hệ tọa độ điện áp điểm tham chiếu Nếu ta chọn trục d hệ tọa độ trùng với trục vector điện áp điểm tham chiếu ( B1 kết nối với lưới điện xoay chiều) thành phần điện áp trục q ta thu kết rỏ ràng mối quan hệ công suất, điện áp thành phần dịng điện Hình 2.7 - Vector dòng đầu VSC hệ tọa độ cố định αβ hệ tọa độ quay dq Công suất điểm tham chiếu: Pdq  Vxd id Qdq  Vxd iq (2.4) Theo phương trình 2.4 nhờ vào tách kênh điều khiển điều khiển độc lập công suất tác dụng công suất phản kháng độ lớn hướng truyền công suất hai dòng thành phần 2.2.1 Điều khiển vector: Bộ điều khiển vector dựa mối quan hệ mạch điện hình 2.15 thể hệ tọa độ dq với trục q tựa theo điện áp điểm tham chiếu nhằm tách kênh điều khiển công suất phản kháng cơng suất tác dụng 10 Hình 2.15 - Trạm chuyển đổi VSC hệ thống truyền tải VSCHVDC Hệ phương trình cho trạm chuyển đổi VSC: uf dq * dq k dq u PCC k Rtr itr j Ltr dq * itr k k k pcc itrdq * k iv dq * dq k itr kuf u f uv dq * k uf dq k Rviv dq (2.36) k itrdq k j Cf k dq itr dq * uf dq * k k uf uf dq kiv iv dq k k k j L dq * iv k k dq (2.38) iv dq k iv dq k (2.39) Ba phương trình thể mối quan hệ điện áp ngỏ VSC thành phần dòng điện, sở để xây dựng mạch vòng điều khiển dòng điện vòng nhằm xác định giá trị tham chiếu Vabc cho PWM điều khiển phát xung đáp ứng yêu cầu hệ thống 2.2.3 Bộ điều khiển dịng trong: Phương trình chuyển đổi VSC với điều khiển dòng điện vòng trong: uv dq * k uf dq k Rviv dq k k p ,iv iv dq * k j Lv dq * iv k iv dq k iv dq u I dq k ,v k 11 2.2.4 Bộ điều khiển vịng ngồi: 2.2.4.1 Bộ điều khiển điện áp DC Phương trình điều khiển vịng ngồi xác định giá trị id cho mạch vòng điều khiển dòng điện vòng iv d * uDC k * k p ,DC uDC k ud k f k uDC k iload k 2.2.4.2 Bộ điều khiển cơng suất tác dụng Phương trình cho mạch vịng điều khiển cơng suất tác dụng iv d * Pf* u fd k p ,Pf k I ,Pf s Pf* Pf 2.2.4.3 điều khiển công suất phản kháng Phương trình cho mạch vịng điều khiển cơng suất phản kháng iv q Q* f uf d k p ,Qf k I ,Qf s Q* Q f f Theo cấu trúc hình 2.6 với việc tách kênh điều khiển ta điều khiển độc lập hai thành phần dòng cơng suất tác dụng dịng cơng suất phản kháng, kèm với điều khiển hai thành phần dòng ta điều khiển thành phần điện áp DC theo dịng id Trên sở đó, tổng họp hai mạch vòng điều khiển cho chuyển đổi VSC Vòng ngồi vịng vịng lặp cơng suất tác dụng điện áp DC cơng suất phản kháng, vịng vòng lặp điều khiển dòng điện AC thể hình 2.10 12 Hình 2.10 –Hai mạch vịng điều khiển cho chuyển đổi VSC 2.2.5 Bộ điều khiển mờ lai PID bù công suất truyền tải ổn định điện áp lưới DC Theo cấu trúc điều khiển 2.10, hệ thống VSC-HVDC lượng công suất xác định bất chấp điều kiện phụ tải gây thiệt hại lãng phí lượng Giải nhược điểm đề xuất điều khiển mờ lai PID bù công suất truyền tải, nhằm đáp ứng lượng công suất truyền tải tối ưu Hình 2.22 – Cấu trúc điều khiển VSC với điều khiển mờ lai PID bù cơng suất truyền tải 13 Chƣơng TÍNH TỐN THÔNG SÔ VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HOẠT ĐỘNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN TẢI ĐIỆN VSC-HVDC HỘI AN- CÙ LAO CHÀM 3.1 Tổng hợp thơng số điều khiển dịng điện vòng 3.1.1 Hàm truyền mạch vòng điều khiển dịng điện Hình 3.1 - Cấu trúc mạch vịng điều khiển dòng điện vòng 3.1.2 Tổng hợp vòng mạch vòng điều khiển dòng điện phương pháp tối ưu đối xứng Bộ điều khiển PI với thông số sau: Tr 2K1T1 100 0.008 1.6 KI Tr 1.6 0.625 hàm truyền hệ kín mạch vịng điều khiển dòng điện vòng GIk p 1 2T p 2T p 1 0.016 p 0.000256 p Đáp ứng xung đáp ứng bước nhảy điều khiển mạch vịng dịng điện Hình 3.4 - Đáp ứng xung đơn vị đáp bước nhảy hàm truyền kín mạch vịng điều khiển dịng điện 14 Hệ thống cho đáp ứng nhanh dao động thấp, nhiễu lại có điều chỉnh cao 3.2 Tổng hợp thông số điều khiển vịng ngồi 3.2.1 Tổng hợp thơng số mạch vịng điều khiển cơng suất tác dụng Hình 3.5 – Sơ đồ khối mạch vịng điều khiển cơng suất tác dụng Tổng hợp thơng số mạch vịng điều khiển cơng suất tác dụng theo phương pháp tối ưu modul ta có hàm truyền hệ: GIh p K P,I p K1 T p 3.125 p 0.016 p 3.125 0.016 p p Đáp ứng xung đáp ứng bước nhảy mạch vịng điều khiển cơng suất tác dụng vịng ngồi Hình 3.6 – Đáp ứng xung đáp ứng bước nhảy mạch vịng điều khiển cơng suất tác dụng 15 3.2.2 Tổng hợp điều khiển công suất phản kháng vịng ngồi Hình 3.7 – Sơ đồ khối mạch vịng điều khiển cơng suất phản kháng vịng ngồi Hàm truyền hệ hở mạch vịng điều khiển cơng suất phản kháng GIh p K P,I p K1 T p 3.125 p 0.016 p Hình 3.8 - Đáp ứng xung đáp ứng bước nhảy mạch vịng điều khiển cơng suất kháng vịng ngồi 3.2.3 Tổng hợp thông số điều khiển điện áp DC 16 Hình 3.9 - Sơ đồ khối mạch vịng điều khiển điện áp DC vịng ngồi Mạch vịng điều khiển điện áp DC có điểm cực nằm gốc tọa độ nên áp dụng tổng hợp điều khiển phương pháp tối ưu modul mà thực phương pháp tối ưu đối xứng Hàm truyền hệ hở mạch vòng điều khiển điện áp DC với bôi điều khiển PI tối ưu đối xứng GDC , h p K DC ,P K DC 12 TDC ,I p TDC ,I Tp TI , p 5.654 2,127 0.048 p 0.048 p 0.016025 p 0.048 p 0.0078 p 0.048 Biểu đồ bode cho hàm truyền hệ hở Hình 3.10- Đồ thị Bode mạch vòng điều khiển điện áp DC Theo tiêu chuẩn Nyquist, từ đồ thị Bode ta thấy hệ kín điều khiển điện áp DC ổn định 17 3.3 Xây dựng điều khiển mờ bù cơng suất truyền tải Hình 2.19 – Cấu trúc điều khiển mờ bù công suất truyền tải 3.3.1 Mờ hóa Biến sai lệch cơng suất EP xác định tập X={1:0.01:1} đơn vị pu gồm có ba biến ngôn ngữ tương ứng với ba tập mờ NB1, NM1, ZE1, PM1, PB1 Biến sai lệch điện áp EUDC xác định tập X={1:0.01:1} gồm có ba biến ngơn ngữ tương ứng với ba tập mờ NB2, NM2, ZE2, PM2, PB2 Biến ngôn ngữ ngỏ xác định bù công suất truyền tải PREF xác định tập Z={-0.2:0.01:0.2} gồm biến ngôn ngữ ứng với tập mờ: NB, NM, ZE, PM, PB 3.3.2 Xây dựng luật hợp thành Bảng 3.1 – Luật hợp thành cho điều khiển mờ NB2 NM2 ZE NB1 PB2 NM NB PB NM1 PM2 PM ZE PB PM ZE PM1 NM PB1 NB 3.3.3 Giải mờ: 18 Do miền xác định giá trị mờ đầu miền liên thông, ta chọn qui tắc hợp thành Max-Min, giải mờ theo phương pháp trọng tâm 3.4 Kết mô hệ thống truyền tải điện VSC – HVDC Hội An –Cù Lao Chàm Hệ thống AC 1: điện áp 110/22kV, công suất 10MVA Tần số 50Hz Hệ thống AC 2: điện áp 22kV, công suất 6MVA, tần số 50Hz Bộ chuyển đổi VSC1 VSC2: kết nối thống qua đường cáp ngầm dài 25Km Thời gian lấy mẫu cho điều khiển:TS_Control= 74.06µs Bộ chuyển đổi nguồn áp VSC:bộ chuyển đổi cầu ba mức điện áp (sử dụng IGBT/Diode lý tưởng) Bộ chuyển đổi thực khóa pha biên độ điện áp AC ngỏ trùng với điện áp ngỏ hệ thống AC 3.4.1 Đáp ứng điện áp AC dòng điện B2 kết nối với phụ tải Hình 3.16 - Đáp ứng điện áp AC B2 trạm VSC2 19 3.4.2 Đáp ứng công suất truyền tải Hình 3.17- Đáp ứng cơng suất B1 trình hoạt động hệ thống VSC-HVDC Hội An Cù Lao Chàm 3.4.3 Đáp ứng điện áp DC Hình 3.18- Đáp ứng điện áp DC trình hoạt động hệ thống VSC-HVDC Hội An Cù Lao Chàm 20 3.4.4 Tín hiệu điều khiển Hình 3.19 - Tín hiệu dịng điện điều khiển trạm VSC1 Hình 3.20- Tỉ số điều biến điện áp DC trạm VSC1 3.5 Kết luận chƣơng 3: Trong chương luận văn tiến hành mô đối tượng thực có cấu trúc thu chương Với kết mô với đối tượng thực chương cho phép khẳng định mơ hình toán cấu trúc điều khiển giai đoạn xây dựng đúng, giải pháp điều khiển đưa hợp lý thỏa mãn nhu cầu trao đổi công suất, ổn định điện áp lưới DC, có khả sản xuất cơng suất phản kháng đáp ứng nhu cầu phụ tải 21 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu, xây dựng, phát triển cấu trúc điều khiển với giúp đỡ nhiệt tình PGS.TS Đoàn Quang Vinh thầy giáo khoa đến luận văn hoàn thành Luận văn giải hạn chế phát triển cấu trúc điều khiển trao đổi công suất Đảo Cù Lao Chàm Hội An thỏa mãn nội dung theo ban đầu đề gồm: Chương 1: Tổng quan hệ thống truyền tải HVDC Chương đề cập đến vấn đề tổng quan hệ thống VSC-HVDC: ưu nhược điêm hệ thống VSC-HVDC, chuyển đổi hình thức truyền tải hệ thống truyền tải HVDC Đặc biệt chương xây dựng cấu trúc nguyên lý hoạt động hệ thống truyền tải VSC-HVDC Chương Truyền tải VSC-HVDC Hội An Cù Lao Chàm Trong chương vào cấu trúc phần cứng xây dụng Luận Văn cao học “Ứng Dụng Truyền Tải Điện Một Chiều Cao Áp Kết Nối Lưới Điện Quốc Gia: Hội An – Đảo Cù Lao Chàm” xác định thông số thiết khí cụ hệ thống làm sở cho việc xây dựng điều khiển Điểm nhấn chương xây dựng sở lý thuyết cho khả điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng điện áp DC từ đề xuất cấu trúc điều khiển cho hệ thống truyền tải VSC-HVDC Hội An – Cù Lao Chàm với chức trao đổi công suất tác dụng,ổn định điện áp DC sản xuất công suất phản cho hệ thống Chương Tính tốn thơng số đánh giá kết hoạt động điều khiển truyền tải VSC – HVDC Hội An - Cù Lao Chàm 22 Chương thực tổng hợp tính tốn thơng số điều khiển Đồng thời chương xây dựng mô hình thực hệ thống chuyển đổi VSC -HVDC Hội An Cù Lao Chàm Mathlab Simulink sở để tiến hành mô đối tượng trường hợp thay đổi phụ tải Đảo Cù Lao Chàm Tại thời điểm t=1 đóng tải 10MVA để thấy khả đáp ứng phụ tải định mức, sau thời điểm t=t2 cắt tải 7MVA để thực chuyển đổi công suất từ Đảo nguồn lưới điện Quốc Gia Kết luận: Như Luận Văn giải toán điều khiển hệ thống truyền tải đáp ứng chức trao đổi cơng suất có thay đổi phụ tải Qua kết mô chương cho phép khẳng định phương pháp điều khiển cho đối tượng phù hợp Kiến nghị: điều kiện thời gian, nên luận văn dừng lại mức độ xây dựng giải pháp điều khiển cho hệ thống truyền tải VSC – HVDC Hội An Cù Lao Chàm hoàn thiện chức điều khiển trường hợp đóng cắt, thay đổi phụ tải hướng phát triển đề tài, đề tài sử dụng VSC gây sóng hài lớn cho lưới AC vây để nâng cao chất lượng lưới điện cần nghiên cứu thêm lọc sóng hài tích cực AC, nghiên cứu phương pháp lọc nhiểu số hóa tín hiệu tham chiếu đo đạc Đề tài dừng lại tính tốn kỹ thuật, để đề tài áp dụng vào thực tế cân phải có bước tính tốn phân tích kinh tế - tài so sánh với phương án truyền tải xoay chiều Tuy nhiên điều kiện công nghệ bán dẫn ngày phát triển chi phí thiết bị bán dẫn cơng suất ngày thấp làm giảm nhanh chóng chi phí xây dựng trạm VSC sở vũng cho đề tài áp dụng vào tương lai gần  ... VSC-HVDC Hội An Cù Lao Chàm Trong chương vào cấu trúc phần cứng xây dụng Luận Văn cao học ? ?Ứng Dụng Truyền Tải Điện Một Chiều Cao Áp Kết Nối Lưới Điện Quốc Gia: Hội An – Đảo Cù Lao Chàm? ?? xác định... Cù Lao Chàm Cấu trúc hệ thống truyền tải VSC-HVDC: Hình 2.1- Mơ hình hệ thống truyền tải VSC-HVDC Hội An – Cù Lao Chàm 2.2 Điều khiển hệ thống truyền tải VSC-HVDC Hội An Cù Lao Chàm 2.2.1 Bộ chuyển... trình hoạt động hệ thống VSC-HVDC Hội An Cù Lao Chàm 3.4.3 ? ?áp ứng điện áp DC Hình 3.18- ? ?áp ứng điện áp DC trình hoạt động hệ thống VSC-HVDC Hội An Cù Lao Chàm 20 3.4.4 Tín hiệu điều khiển Hình 3.19