Ứng dụng thuật toán PID thích nghi cho bộ điều khiển PSS2A trong nhà máy thủy điện

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN HỒNG PHÚC ỨNG DỤNG THUẬT TỐN PID THÍCH NGHI CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN PSS2A TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN Chuyên ngành: Tự động hĩa Mã số: 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2012 2 Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hồng Mai Phản biện 1: TS. Nguyễn Bê Phản biện 2: TS. Phan Văn Hiền Luận văn đã được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ ngành Tự động hĩa họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 26 tháng 08 năm 2012 Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Thư viện Học liệu, Đại học Đà Nẵng 3 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong một vài năm qua, thuật ngữ “Power system stability” đã được nhắc đến rất nhiều và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống phát dẫn điện. Tuy nhiên việc yêu cầu sử dụng các bộ điều khiển ổn định hệ thống điện với các thiết bị kích từ mới và hiện cĩ đã tạo nên nhiều sự nhầm lẫn về khả năng ứng dụng cũng như mục đích và lợi ích của chúng trong hệ thống. [12] Đề tài: “Ứng dụng thuật tốn PID thích nghi cho bộ điều khiển PSS2A trong nhà máy thủy điện” sẽ cung cấp một phương pháp nghiên cứu mới trong phân tích ổn định các dao động nhỏ của hệ thống điện. PSS2A là các thiết bị điều khiển phụ, được sử dụng kết hợp với hệ thống kích từ máy phát, cung cấp một tín hiệu điều khiển để tăng cường sự làm giảm các dao động trong hệ thống và mở rộng giới hạn truyền tải điện. Để phục vụ cho cơng tác nghiên cứu, một phương pháp được nhiều nhà khoa học trong và ngồi nước sử dụng rất nhiều đĩ là phương pháp điều khiển thích nghi. Trong luận văn tác giả sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi và phần mềm Matlab Simulink, xây dựng mơ hình hố và mơ phỏng hệ thống điều khiển. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là ứng dụng thuật tốn PID thích nghi cho bộ điều khiển PSS2A. Đánh giá ảnh hưởng của hệ thống kích từ khi cĩ và khơng cĩ sử dụng bộ điều khiển PID thích nghi cho PSS2A đến khả năng ổn định hệ thống. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là hệ thống kích từ cho máy phát điện của một nhà máy thủy điện. 4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu phương pháp điều khiển thích nghi cho bộ điều khiển PSS2A trong nhà máy thủy điện. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các vấn đề về ứng dụng điều khiển thích nghi, mơ hình của bộ điều khiển PSS2A và các đối tượng cĩ tham gia vào quá trình điều khiển. - Phương pháp mơ phỏng: Xây dựng mơ hình mơ phỏng để kiểm chứng trên phần mềm Matlab-Simulink. Trên cơ sở các kết quả thu được trên các mơ hình để rút ra các đánh giá, kết luận. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Đề tài là một hướng nghiên cứu mới trong điều khiển ổn định các dao động nhỏ trong hệ thống điện. Gĩp phần nâng cao tính ổn định của hệ thống điện và nâng cao chất lượng điện năng. - Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu thành cơng đề tài này sẽ cĩ ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu nâng cao chất lượng điện năng và sự ổn định của hệ thống điện. Do cấu trúc khơng quá phức tạp, giá thành hợp lý nên sẽ cĩ giá trị thực tiễn. 7. Cấu trúc luận văn Mở đầu Chương 1: Tổng quan về máy phát điện đồng bộ và hệ thống kích từ Chương 2: Điều khiển ổn định hệ thống điện Chương 3: Bộ điều khiển PID và điều khiển thức nghi Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi cho bộ điều khiển PSS2A trong nhà máy thủy điện 5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ 1.1. KHÁI QUÁT VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3 PHA Máy phát đồng bộ biến đổi cơng suất cơ thành cơng suất điện với một điện áp và tần số xác định, trong đĩ động cơ sơ cấp cung cấp cơng suất cơ cho máy phát cĩ thể là động cơ diesel, tuabin hơi, tuabin thủy lực hay tuabin khí. Cho dù loại động cơ sơ cấp nào được sử dụng để dẫn động máy phát, thì đặc tính cơ bản của chúng là tốc độ phải gần như khơng đổi với bất kỳ nhu cầu điện năng của tải.[6] 1.1.1. Kết cấu và nguyên lý cơ bản Ở đây, ta chỉ xét kết cấu và nguyên lý làm việc cơ bản của các máy phát điện đồng bộ ba pha làm việc trong hệ thống điện. Chúng cĩ hai phần chính là phần tĩnh và phần quay. 1.1.1.1. Phần tĩnh 1.1.1.2. Phần quay 1.1.2. Đặc điểm và phân loại 1.1.2.1. Máy phát nhiệt điện 1.1.2.2. Máy phát thủy điện 1.2. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ Hệ thống kích từ cĩ nhiệm vụ cung cấp dịng điện một chiều cho các cuộn dây kích từ nhằm giữ điện áp khơng đổi khi phụ tải biến đổi và nâng cao giới hạn cơng suất truyền tải từ nhà máy điện vào hệ thống đảm bảo ổn định tĩnh và ổn định động. Hệ thống kích từ cĩ thể được chế tạo theo 3 loại sau: 1.2.1. Hệ kích từ một chiều 1.2.2. Hệ tự kích từ xoay chiều 1.2.2.1. Hệ chỉnh lưu tĩnh 6 1.2.2.2. Hệ chỉnh lưu quay 1.2.3. Hệ tự kích từ 1.2.3.1. Hệ tự kích từ chỉnh lưu nguồn áp 1.2.3.2. Hệ tự kích từ chỉnh lưu nguồn hỗn hợp 1.2.3.3 Hệ tự kích từ chỉnh lưu hỗn hợp cĩ điều khiển 1.2.4. Tác động của hệ thống kích từ đối với sự ổn định Duy trì ổn định của hệ thống điện cũng phụ thuộc tốc độ đáp ứng và khả năng cưỡng bức của hệ thống kích từ. Tăng khả năng cưỡng bức và giảm thời gian đáp ứng sẽ làm tăng độ ổn định, tác động này được minh họa trong hình 1.8. 1.3. MƠ HÌNH HĨA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.3.1. Phương trình chuyển động quay Phương trình chuyển động quay được biểu diễn bằng 2 phương trình vi phân bậc nhất như sau: )( 2 1 rDem r KTT Hdt d ω ω ∆−−=∆ (1.18) rdt d ωω δ ∆= 0 (1.19) 1.3.2. Mơ hình máy phát nối với hệ thống trong nghiên cứu ổn định Trong nghiên cứu ổn định tín hiệu nhỏ của hệ thống thì ta sẽ khơng sử dụng các phương trình mơ tả điện động của một máy phát độc vì nĩ chỉ cĩ ý nghĩa đối với các hệ thống rất nhỏ chỉ một máy phát hoạt động độc lập. Do đĩ để phục vụ cho bài tốn đặt ra ta sẽ thực hiện mơ hình hĩa cho hệ máy phát được nối với hệ thống cĩ cơng suất rất lớn. [13] 1.3.2.1. Các phương trình máy phát đồng bộ 1.3.2.2. Các phương trình lưới Phương trình ràng buột cho hệ thống như (1.35). 7 Đối chiếu các thành phần d, q trong phương trình trên, rút ra được (1.36), (1.37) Tổng hợp lại ta tính được các thành phần di , qi trong mối quan hệ của các biến trạng thái fdψ và δ như (1.39). Các phương trình mơ tả hệ thống được phân tích như trên là các phương trình phi tuyến, nhưng trong nghiên cứu phân tích ổn định tín hiệu nhỏ cho hệ thống ta thường sử dụng mơ hình tuyến tính hĩa rút ra từ nhiễu loạn nhỏ của mơ hình hệ thống. Do đĩ ta cần phải tuyến tính hĩa cho các phương trình mơ tả hệ thống. 1.3.3. Tuyến tính hĩa mơ hình hệ thống Từ phương trình (1.39), các phương trình dịng điện viết trong mối quan hệ của giá trị nhiễu là: fdq fdd nni mmi ψδ ψδ ∆+∆=∆ ∆+∆=∆ 21 21 (1.41) m1 , m2 , n1 , n2 được xác định từ (1.42). Tuyến tính hĩa các phương trình từ thơng ta được: δψψ ∆−∆−=∆ aqsfdaqsad LnLn 12 (1.44) Tuyến tính hĩa phương trình mơ men từ (1.30) ta được: aqddaqadqqade iiiiT ψψψψ ∆−∆−∆+∆=∆ 0000 (1.46) Thay aqadqd ii ψψ ∆∆∆∆ ,,, vào (1.46) ta được: fde KKT ψδ ∆+∆=∆ 21 (1.47) K1 , K2 được xác định từ (1.48). Sự biến thiên của từ thơng fdψ được xác định bằng phương trình động học của mạch kích từ: [ ]δψ ∆−∆ + =∆ 4 3 3 1 KE sT K fdfd (1.50) K3 , K4 , T3 được xác định từ (1.51). 8 Tuyến tính hĩa phương trình điện áp: addlqaq aqqldad iLiRu iLiRu ψ ψ ∆−∆+∆−=∆ ∆−∆+∆−=∆ (1.55) Phương trình điện áp viết cho giá trị nhiễu loạn dạng rút gọn là: fdt KKU ψδ ∆+∆=∆ 65 (1.56) K5 và K6 được tính từ (1.57). Từ các phương trình được tổng hợp như ở trên. Mơ hình hệ thống tuyến tính được mơ tả dưới dạng sơ đồ khối như hình 1.13. 1.4. MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG KÍCH TỪ Mơ hình hệ thống kích từ được đưa ra nghiên cứu trong phần này sẽ là hệ thống kích từ tự kích sử dụng cầu chỉnh lưu cĩ điều khiển như hình 1.14. Đây là một hệ thống điều khiển liên tục và được sử dụng phổ biến hiện nay trong các nhà máy điện. 1.4.1. Mơ hình hĩa các thành phần của hệ thống kích từ
Máy biến áp và bộ chỉnh lưu Nếu giá trị điện áp 3 pha kí hiệu là Ut thì ta cĩ thể viết: t R R dc U sT KU + = 1 (1.60) Trong đĩ KR là hằng số tỷ lệ và TR là hằng số thời gian lọc.
Bộ điều chỉnh điện áp và tham chiếu (Bộ so sánh) Bộ này cĩ chức năng so sánh điện áp Udc phản hồi với một giá trị tham chiếu để tạo ra một điện áp Ue. Điện áp này gọi là điện áp lỗi và tỷ lệ với điện áp sai lệch. )( dcREFe UUkU −= (1.61)
Bộ khuếch đại Các bộ khuếch đại được đặc trưng bởi một hằng số khuếch đại KA cùng với một hằng số thời gian TA và cĩ thể viết: 9 e A A R U sT KU + = 1 (1.62) Với các bộ khuếch đại thì một giá trị bão hịa cần phải được xác định, chẳng hạn như URMIN < UR < URMAX và được biểu diễn như trên hình 1.18.
Máy kích từ Máy kích từ một chiều tự kích được mơ tả như hình 1.19. FDRef EUE += (1.63) [ ] dt dETESE R R E FDEFDeFD g ef ef ++= )(1 (1.64) Thay Eef vào (1.26) ta viết được: EE FDFDER FD sTK EESUE + − = )( (1.65) 1.4.2. Tổng hợp mơ hình hệ thống kích từ Từ việc phân tích mơ hình các thành phần chi tiết như trên, mơ hình cấu trúc của hệ thống kích từ hồn chỉnh được trình bày trên hình 1.20. Mơ hình hệ thống kích từ này theo tiêu chuẩn IEEE được kí hiệu là ST1A. Với hệ thống kích từ loại ST1A thì các thơng số của máy kích từ là KE=1, TE=0 và SE=0, KF và TF là hệ số khuếch đại và hằng số thời gian của mạch ổn định bộ điều khiển, nếu hệ thống khơng sử dụng mạch ổn định thì khối này sẽ được bỏ qua. Tuyến tính hĩa cho mơ hình hệ thống kích từ Từ khối thứ nhất của hình 1.20 nếu ta sử dụng giá trị nhiễu loạn nhỏ ta cĩ: t R U sT U ∆ + =∆ 1 1 1 (1.67) 10 Hay như (1.68) Thay tU∆ từ (1.56) ta được: 1 65 1 1 U TT K T KUs R fd RR ∆−∆+∆=∆ ψδ (1.69) Từ khối thứ 2 của hình 1.20 ta cĩ: )( 1 31 UUU sT K E REF A A fd −−+ = (1.70) Viết dưới dạng nhiễu loạn nhỏ )( 1 1 U sT KE A A fd ∆−+ =∆ (1.71) 1.5. TỔNG HỢP MƠ HÌNH HỆ THỐNG Từ các phương trình (1.47), (1.50), (1.56), (1.67), (1.71), mơ hình hệ thống được mơ tả dưới dạng sơ đồ khối như hình 1.21. 1.6. CÁC THƠNG SỐ MÁY PHÁT VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ 1.7. KẾT LUẬN Chương 2 ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1. CÁC BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS Tùy vào loại tín hiệu đầu vào của PSS được sử dụng mà các PSS cĩ tên gọi khác nhau cũng như khả năng điều khiển của chúng. Với một vài biến đổi nhỏ, rất nhiều bộ ổn định cơng suất dựa trên cơ sở là độ sai lệch tốc độ đã được chế tạo sử dụng. Tuy nhiên với bộ ổn định hệ thống điện dựa trên tốc độ thì một trong những hạn chế của nĩ là nĩ cĩ thể kích thích các mơ hình dao động xoắn. Để khắc phục những hạn chế như đã nêu của bộ PSS cĩ tín hiệu vào là tốc độ thì một bộ điều khiển đầu vào kép là cơng suất-tốc độ (∆P-ω), hay cịn gọi là bộ ổn định cơng suất gia tốc đã được xem xét và thiết kế. Với loại PSS này thì tín hiệu cơng suất được sử dụng là 11 cơng suất gia tốc của máy phát mà cĩ tương tác xoắn rất thấp. Với bộ điều khiển loại này thì hệ số khuếch đại của PSS cĩ thể được tăng lên mà vẫn khơng làm mất đi sự ổn định và từ đĩ làm tắt nhanh các dao động. Theo các tiêu chuẩn của IEEE nĩ được kí hiệu là PSS2A. 2.2. BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS2A 2.2.1. Cơ sở lý thuyết của PSS2A Bộ ổn định hệ thống điện là một bộ phận phụ của hệ thống kích từ máy phát, với mục đích cơ bản là tạo ra một thành phần mơ men điện trong rotor máy phát đồng bộ, thành phần mơ men này tác động giống như một mơ men cản để chống lại sự dao động của rotor. Để hiểu được tác động của PSS2A như thế nào ta sẽ xét sơ đồ khối của hệ thống như hình 2.1. Các thành phần mơ men điện được tạo ra thơng qua các mạch vịng trên sơ đồ khi khơng xét đến tác động của bộ điều chỉnh điện áp δδ ∆ + −∆=∆ 3 432 1 1 sT KKKKTe (2.1) Như vậy phản ứng phần ứng sẽ làm giảm sự đồng bộ hĩa mơ men bởi K2K3K4. Mơ tả cho sự thay đổi thành phần mơ men điện theo sự thay đổi của gĩc cơ được viết như sau: fde KKT ψδ ∆+∆=∆ 21 (2.2) Ở trạng thái ổn định s = jω = 0 ta viết lại phương trình mơ men fde KT fd ψψ ∆=∆ ∆ 2 (2.4) Sự biến thiên từ thơng fdψ∆ được xác định từ mạch vịng điều khiển trên hình 2.1 và được viết như ở phương trình (2.5) Từ (3.6) ta cĩ thể xác định hệ số mơ men đồng bộ hĩa là: 12 A A s KKK KKKKKKK K fd 63 532432 )( 1+ −− =∆ψ (2.6) Khi đĩ hệ số mơ men đồng bộ tổng bằng: A A ss KKK KKKKKKKKKKK fd 63 532432 1)(1 1+ −− +=+= ∆ψ (2.7) Từ phương trình (2.7) ta nhận thấy rằng dưới tác động của AVR được đặt trưng bằng một hằng số khuếch đai KA sẽ cĩ khuynh hướng làm tăng thành phần mơ men điện ở trạng thái ổn định. Như vậy, tác động của bộ điều chỉnh điện áp là sẽ tạo ra một thành phần mơ men đồng bộ hĩa dương và một thành phần mơ men giảm âm. Trong trường hợp này với một máy kích từ cĩ đáp ứng cao sẽ cĩ lợi trong việc tăng mơ men đồng bộ hĩa, tuy nhiên khi đĩ nĩ cũng sẽ tạo ra một một men hãm âm. Do đĩ cĩ sự mâu thuẫn trong yêu cầu với độ nhạy kích từ. Hoạt động của PSS2A là tác động thơng qua khối hàm truyền đạt GEP(s) giữa mơ men điện và đầu vào hệ thống máy kích từ để khắc phục những hạn chế như đã nêu trên của bộ điều chỉnh điện áp. Cấu trúc Lead/Lag cơ bản của bộ điều khiển PSS2A được mơ tả như trên hình 2.2. 2.2.2. Chức năng của PSS2A Tác dụng chính của PSS2A là mở rộng giới hạn ổn định của hệ thống điện bằng cách cung cấp bổ sung sự giảm dao động của rotor máy phát đồng bộ thơng qua hệ thống kích từ của máy phát đồng bộ. Để cĩ thể làm giảm nhanh những dao động của rotor, PSS2A sẽ tạo ra một thành phần mơ men điện đặt lên rotor tại gĩc pha cĩ tốc độ biến thiên. Thành phần mơ men này tỷ lệ với độ sai lệch giữa tốc độ thực và tốc độ đồng bộ. Khi rotor cĩ sự dao động thì thành phần mơ 13 men này tác động giống như một mơ men cản để chống lại sự dao động của rotor. Như đã phân tích ở trên, do sự trễ pha trong mạch vịng điều khiển của hệ thống kích từ nên sẽ tạo ra một thành phần mơ men giảm ∆TD. Mục đích chính của PSS2A là tạo ra một tín hiệu điều khiển để bù cho thành phần mơ men giảm này. Từ mục đích đĩ thì cấu trúc của PSS2A sẽ gồm các khối bù pha để bù cho sự trể pha giữa đầu vào máy kích từ và mơ men điện. 2.2.3. Cấu trúc của PSS2A Bộ PSS2A là loại cĩ nhiều đầu vào được thiết kế dựa trên cơ sở các phương trình điện cơ của máy phát. Phương trình động học cho tốc độ rotor là hàm của mơ men và được viết như sau: acem TH TT Hdt d ∆=∆−∆=∆ 2 1)( 2 1ω (2.13) Trong hệ đơn vị tương đối ta cĩ thể xem mơ men và cơng suất là cĩ giá trị tương đương nhau. Thay mơ men (T) bằng cơng suất (P) và viết lại phương trình trên ta được. em PHsP ∆+∆=∆ ω2 (2.14) Trong thực tế việc đo lường trực tiếp tín hiệu cơng suất cơ là rất khĩ khăn và hầu như là khơng thể. Do đĩ phương trình này cho phép chúng ta tổng hợp hiệu quả tín hiệu cơng suất cơ từ 2 tín hiệu tốc độ và cơng suất điện đo được, ở đây tín hiệu tốc độ và cơng suất điện ta cĩ thể đo được rất dễ dàng. Tuy nhiên, nhược điểm của phép tổng hợp này là cơng suất điện cĩ thể thay đổi nhanh khi cĩ biến cố thống qua (tức thời) trong hệ thống cơng suất. Điều này sẽ làm cho cơng suất cơ được tổng hợp như trên cũng sẽ thay đổi nhanh. Trong thực tế 14 đã biết thì cơng suất cơ thay đổi chậm hơn rất nhiều và được thể hiện rõ ở độ dốc đường đặc tính làm việc. Vì lý do này, tín hiệu tích phân của sai lệch cơng suất cơ cĩ thể được đưa qua một bộ lọc thơng thấp để là giảm tần số xoắn, bộ lọc này được gọi là bộ lọc “Ramp-Tracking”. Một bộ lọc thơng thấp đa cực sẽ chỉ cho phép những tín hiệu cơng suất cơ thay đổi chậm hơn đi qua. Sơ đồ khối thực hiện để đưa ra tín hiệu cơng suất cơ được biểu diễn như hình 2.3. Tiếp theo là xác định tín hiệu cơng suất gia tốc. emacc PPP ∆−∆=∆ ' (2.17) Bây giờ chúng ta sẽ quay lại xem xét bản chất của 2 tín hiệu đầu vào là tốc độ và cơng suất điện. Cả 2 tín hiệu tốc độ và cơng suất điện nĩi chung đều cĩ các giá trị ở trạng thái ổn định và cĩ thể thay đổi từ từ trong chu kì thời gian dài. Vì lý do này mà hầu hết các PSS2A được thiết kế phải sử dụng một bộ lọc thơng cao cho cả 2 tín hiệu đầu vào, bộ lọc này cịn được gọi là bộ lọc “Washout” (hình 2.5). Bộ lọc này cĩ tác dụng loại bỏ các tín hiệu thay đổi với tần số thấp. Tích phân sai lệch cơng suất gia tốc chính là đầu vào của PSS2A cĩ cấu trúc phase Lead/Lag với một hằng số khuếch đại và hàm giới hạn đầu ra. Khả năng bù của PSS phụ thuộc vào việc tính chọn giá trị của KPSS và các hằng số thời gian. Ở đây các hằng số thời gian trễ và vượt được điều chỉnh trong khoảng 0.01s ≤ T ≤ 6s. Vậy cấu trúc hồn thiện của PSS2A được mơ tả như sau như hình 2.7 (Theo tiêu chuẩn IEEE). 2.2.4. Tính chọn tham số cho PSS2A 2.2.4.1. Chọn các thơng số cho bộ lọc thơng cao Với cấu trúc bộ lọc thơng cao như đã trình bày ở trên thì giá trị của hằng số thời gian lọc Tw phải được chọn đủ lớn để cho phép các 15 dao động kết hợp với sự thay đổi của tốc độ và cơng suất điện đi qua là khơng đổi. Tw là khơng giới hạn và cĩ thể cĩ giá trị bất kì trong dãi từ 1 đến 20s. Trong trường hợp này ta chọn hằng số thời gian cho các bộ lọc “Washout” ở đầu vào là Tw = 10s và khi đĩ sẽ cĩ một tần số cắt cĩ giá trị là 0.0159Hz. Tần số này thấp hơn các tần số của mơ hình liên khu vực, do đĩ giá trị của hằng số thời gian lọc đã chọn là hợp lý. 2.2.4.2. Chọn các thơng số của bộ lọc “Ramp-Tracking” Hàm truyền đạt dạng tổng quát (2.22) Hầu hết các bộ lọc “Ramp-tracking” ta thường sử dụng với các hệ số là N=1 và M=5. Điều này sẽ cung cấp một bộ lọc 4 cực với quan hệ của tử số và mẫu số là một số nhỏ nhất. Các hằng số thời gian T8 và T9 của bộ lọc được chọn sao cho cung cấp đủ sự suy giảm ở tất cả các tần số xoắn trục và trong cùng một thời gian cĩ thể bám theo sự thay đổi của mơ men điện. Ở đây T9 thường được chọn bằng 0.1s là chấp nhận được, khi đĩ T8 = 0.5s 2.2.4.3. Chọn các thơng số cho khâu bù Lead/Lag Hàm truyền đạt cơ bản của khâu phase Lead (2.30) Gĩc vượt pha lớn nhất (φMax) cần bù trong trường hợp này được mơ tả như (2.31). Hằng số thời gian T xác định ở tần số dao động ∆ωMax (2.32) với gĩc vượt pha để bù cho sự trễ pha là lớn nhất. Giả sử, trong hệ thống xảy ra dao động với tần số là Maxω∆ = 12,56 rad/s tương ứng với HzfMax 2=∆ . Từ các phân tích ở trên ta tiến hành tính gĩc pha cần bù trong trường hợp này như sau. Từ hình 2.1 sự biến thiên từ thơng do tác động của PSS2A )( 1 63 3 sfd A fd uK sT KK ∆+∆− + =∆ ψψ (2.33) 16 Ở tần số dao động 12,56 rad/s, tức là s = jω = j12,56 3421,370637,37 32,80 ju s fd + = ∆ ∆ψ Thành phần mơ men điện do PSS2A tác động là: APSSfdAPSSeAPSS KTT 2222 ψ∆=∆=∆ (2.36) Khi đĩ: 02 21,454329,1 −∠=∆ ∆ s APSS u T (2.37) Với bộ PSS2A ta sử dụng 2 giai đoạn bù như nhau và do đĩ mỗi giai đoạn sẽ bù 1 gĩc cĩ giá trị φMax = 45,210/2 = 22,6050. Thay vào (2.31) ta tính được giá trị “a” như sau: 605,22) 1 1(sin 1 = + − = − a a Maxϕ Suy ra: a = 2,2489 Từ (2.32) ta sẽ tính được hằng số thời gian T s a T Max 053,0 2489,256,12 11 == ∆ = ω Suy ra các hằng số thời gian của khâu Phase Lead sTTT 053,042 === saTTT 12,031 === Cuối cùng ta xác định hệ số khuếch đại KPSS Từ (2.41), hệ số mơ men đồng bộ tổng là: 8575,01382,07193,01 =+=+= ∆ fdss KKK ψ (pu mơmen/rad) Thành phần mơ men cản do fdψ∆ là: )(1917,0)( δψ ∆−=∆ jT fdD (2.42) Từ 00 // ωδωωδω ∆=∆=∆ js ω ω ωδψ ∆−=∆−=∆ 01917,0)(1917,0)( jT fdD (2.43) 17 Với srad /56,12=ω ωψ ∆−=∆ 8,4)( fdDT (2.44) Tồn bộ hệ số mơ men cản khi cĩ sự tác động của AVR và PSS2A là: HKKKK PSSPSSDAVRDD 2)4329,1(8,4)()( +−=+= (2.45) Như vậy từ (2.45) ta thấy rằng, bộ điều khiển PSS2A với mục đích là tạo ra một thành phần mơ men điện để bù cho sự giảm âm của mơ men đồng bộ dưới tác động của bộ điều khiển AVR. Ở điều kiện lý tưởng thì thành phần mơ men này sẽ bù chính xác cho thành phần mơ men bị giảm, nghĩa là: 02)4329,1(8,4 =+−= HKK PSSD Vậy hệ số KPSS được chọn cho trường hợp này là: 1166,1 2*4329,1 8,4 == H KPSS 2.2.4.4. Giới hạn của PSS2A Giới hạn đầu ra của bộ ổn định được cài đặt trong dãi giá trị từ puus 15,015,0 <<− 2.3. KẾT LUẬN Chương 3 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 3.1. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.1.1. Khái quát về bộ điều khiển PID Cấu trúc của bộ điều khiển PID như hình 3.1 gồm cĩ ba thành phần là khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật tốn PID nhất thiết phải lựa chọn chế độ làm việc là P, I hay D và sau đĩ là đặt tham số cho các chế độ đã chọn. Một cách tổng quát, cĩ ba thuật tốn cơ bản được sử dụng là P, PI và PID. 18 3.1.2. Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID 3.1.2.1. Phương pháp Ziegler-Nichols Phương pháp Ziegler-Nichols là pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ điều khiển P, PI, hoặc PID bằng cách dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển. Tùy theo đặc điểm của từng đối tượng, Ziegler và Nichols đã đưa ra hai phương pháp lựa chọn tham số của bộ điều khiển. Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất: Phương pháp này áp dụng cho các đối tượng cĩ đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc cĩ dạng chữ S như hình 3.3 như nhiệt độ lị nhiệt, tốc độ động cơ,… Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai: Phương pháp này áp dụng cho đối tượng cĩ khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ truyền động dùng động cơ, … Đáp ứng quá độ của hệ hở của đối tượng tăng đến vơ cùng. Phương pháp này được thực hiện như sau: [10] - Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại như hình 3.4. - Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín ở chế độ biên giới ổn định, tức là h(t) cĩ dạng dao động điều hịa. - Xác định chu kỳ Tth của dao động. 3.1.2.2. Phương pháp Chien-Hrones-Reswick Phương pháp này cũng áp dụng cho các đối tượng cĩ đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc cĩ dạng chữ S như hình 3.6 nhưng cĩ thêm điều kiện b/a > 3. 3.1.2.3. Phương pháp tối ưu modul 3.1.2.4. Phương pháp tối ưu đối xứng 3.2. ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 3.2.1. Giới thiệu chung Điều khiển thích nghi là sự tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự động 19 chỉnh định các bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển để thực hiện hay duy trì ở một mức độ nhất định chất lượng của hệ khi thơng số của quá trình điều khiển khơng biết trước hoặc thay đổi theo thời gian. Hệ thống điều khiển thích nghi gồm cĩ hai vịng: vịng hồi tiếp thơng thường và vịng hồi tiếp điều khiển thích nghi. Các bộ điều khiển thích nghi thường là sự lựa chọn hợp lý, khi ta khơng cĩ khả năng hoặc khơng kinh tế, khi khảo sát một cách hồn hảo sự thay đổi của các biến quá trình. 3.2.2. Hệ thống thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAS) Mơ hình mẫu được chọn để tạo ra một đáp ứng mong muốn đối với tín hiệu đặt, ym , mà ngõ ra của hệ thống, y, phải bám theo. Hệ thống cĩ một vịng hồi tiếp thơng thường bao gồm đối tượng và bộ điều khiển. Sai lệch bám e là hiệu của ngõ ra hệ thống và ngõ ra của mơ hình mẫu, e = ym - y. Bộ điều khiển cĩ thơng số thay đổi dựa vào sai số này. Hệ thống cĩ hai vịng hồi tiếp: vịng hồi tiếp trong là vịng hồi tiếp thơng thường và vịng hồi tiếp ngồi hiệu chỉnh tham số cho vịng hồi tiếp bên trong. Vịng hồi tiếp bên trong được giả thiết là nhanh hơn vịng hồi tiếp bên ngồi. Hệ thống thích nghi mơ hình mẫu cĩ thể được phân thành hai loại: trực tiếp và gián tiếp. 3.2.3. Luật thích nghi - Luật MIT (Massachusetts Institute Technology). - Hàm Lyapunov xác định dương. - Phương pháp gradient và phương pháp bình phương bé nhất dựa trên tiêu chí đánh giá hàm chi phí sai lệch bám. 3.2.3.1. Phương pháp độ nhạy (Luật MIT) Phương pháp độ nhạy được sử dụng để thiết kế luật thích nghi sao cho các tham số ước lượng được điều chỉnh theo hướng tối thiếu 20 hĩa một hàm đặc tính nào đĩ. Các thành phần của vec tơ θ∂ ∂e là đạo hàm độ nhạy của sai số với các tham số chỉnh định θ. Thơng số γ xác định tốc độ thích nghi. Luật MIT cĩ thể được giải thích như sau: giả sử các thơng số θ thay đổi chậm hơn nhiều so với các biến các khác của hệ thống, để bình phương sai số là bé nhất cần thay đổi các tham số theo hướng gradien âm của bình phương sai số (e2). Trở ngại của phương pháp này là luật thích nghi khơng thể được thực thi nếu nĩ khơng thể được tạo ra on-line. Việc sử dụng hàm độ nhạy ước lượng để cĩ thể thực hiện được dẫn đến các sơ đồ điều khiển thích nghi mà tính ổn định của nĩ rất thấp hoặc khơng thể thiết lập được. 3.2.3.2. Gradient và phương pháp bình phương bé nhất dựa trên tiêu chí đánh giá hàm chi phí sai số Phương pháp Gradient và các hàm chi phí được sử dụng cho việc triển khai luật thích nghi để ước lượng các tham số quan tâm θ trong mơ hình tham số. Phương pháp gradient bao gồm việc khai triển một phương trình sai số ước lượng đại số làm động cơ thúc đẩy việc lựa chọn một hàm chi phí gần đúng J(θ) mà nĩ là một hàm lồi trong tồn bộ khơng gian của θ(t). Sau đĩ, hàm chi phí sẽ được cực tiểu hĩa theo tham số θ(t) bởi phương pháp gradient như sau: )(θγθ J∇−= 3.2.3.3. Hàm Lyapunov Trong phương pháp này, lý thuyết về sự ổn định của Lyapunov (tiêu chuẩn ổn định thứ hai) cĩ thể dung để thiết kế luật thích nghi, đảm bảo sự ổn định cho hệ thống vịng kín. Do đĩ, sơ đồ điều khiển thích nghi dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov khơng gặp những trở ngại 21 như sơ đồ sử dụng luật MIT. Tiêu chuẩn ổn định thứ hai Lyapunov chỉ là điều kiện đủ, khơng phải là điều kiện cần. Nếu thỏa tiêu chuẩn thì hệ ổn định, nếu khơng thỏa thì vấn đề kết luận về tính ổn định cịn bỏ ngõ, phụ thuộc vào cách chọn hàm mục tiêu xác định dương V(x) và biến trạng thái x. 3.3. KẾT LUẬN Chương 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI BỘ ĐIỀU KHIỂN PSS2A TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 4.1. TỔNG HỢP MẠCH VỊNG TỐC ĐỘ Sơ đồ cấu trúc mạch vịng như hình 4.1. Từ đĩ ta cĩ hàm truyền đạt của đối tượng là: )2)(1()( 3 32 D PSSA KHssT KKKK sS ++ = (4.1) Áp dụng nguyên tắc tối ưu đối xứng, ta chọn bộ điều khiển PI Do tham số Kpss phục thuộc vào sai lệch tốc độ ∆ω nên tham số b cũng biến đổi. Do đĩ bộ điều khiển kinh điển khơng thể tự cập nhật theo thơng số b của quá trình được. Vấn đề đặt ra là thiết kế một bộ điều khiển sao cho nĩ cĩ thể thích nghi với quá trình khi thơng số b thay đổi theo thời gian trong một khoảng tương đối rộng. Bộ điều khiển thích nghi mơ hình tham chiếu (MRAS) cĩ thể giải quyết bài tốn này. 4.2. GIẢI THUẬT Hàm truyền đạt của vịng hở của quá trình (4.4) bUss =∆+⇔ ω)12,0( 2 (4.5) Luật điều khiển: Chọn Kp là tham số điều khiển 22 )( ωω ∆−∆= dmpKU (4.6) Thay (4.6) vào (4.5) ta được: dm p p bKss bK ωω ∆ ++ =∆⇒ 212,0 (4.8) Sai số của hệ thống vịng kín: me ωω ∆−∆= (4.9) Từ (4.8) suy ra độ nhạy của sai số theo hệ số tỉ lệ Kp dm pp bKss ssb K e ω∆ ++ + = ∂ ∂ ⇒ 22 2 )12,0( )12,0( (4.10) Do đĩ, theo luật MIT, luật cập nhật hệ số tỉ lệ Kp cĩ dạng (4.11) Phương trình (4.11) khơng thể sử dụng trực tiếp để cập nhật hệ số tỉ lệ Kp của bộ điều khiển được do thơng số b của quá trình là khơng biết được. Do đĩ phải sử dụng phép xấp xỉ để loại bỏ đi thơng số chưa biết này. Hàm truyền đạt mong muốn của hệ thống vịng kín: )2012,0( 20 2 ++ ∆ =∆⇔ ss dm m ω ω (4.13) Khi hàm truyền đạt của hệ thống đạt tới hàm truyền đạt mong muốn thì phương trình (4.7) sẽ đạt tới phương trình mong muốn (4.12): CmCpp UYssUbKYbKss 20)2012,0()12,0( 22 =++≡=++ Hay 20=CpUbK . Do đĩ phương trình (4.11) cĩ thể xấp xỉ:         ∆ ++ +∆−∆′−= ∂ ∂ ′ −= dmm p p ss ssb K e e dt dK ωωωγγ 22 2 )2012,0( )12,0()( (4.14) Hơn nữa, đặt bγγ ′−= , một lần nữa phương trình (4.14) cĩ thể xấp xỉ: 23       ∆ ++ +∆−∆′−= dmm p ss ss dt dK ωωωγ 22 2 )2012,0( )12,0()( (4.15) Phương trình (4.14) đã loại bỏ thơng số b qua 2 lần xấp xỉ do đĩ cĩ thể sử dụng để cập nhật hệ số tỉ lệ Kp của bộ điều khiển. Với 2 phép xấp xỉ này thì hàm truyền đạt vịng kín của hệ thống chỉ cĩ thể hội tụ về hàm truyền đạt vịng kín mong muốn khi thơng số γ được chọn đủ nhỏ. Phép xấp xỉ bγγ ′−=′ đã gộp thơng số b thay đổi theo thời gian vào γ, hay nĩi cách khác γ cũng trở thành thay đổi theo thời gian. Tĩm lại, tính ổn định của hệ thống phụ thuộc nhiều vào thơng số b của quá trình. Việc lựa chọn thơng số γ ' của bộ điều khiển thích nghi phải căn cứ vào tầm thay đổi của thơng số b khi hệ thống hoạt động. 4.3. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG KIỂM CHỨNG BẰNG MATLAB- SIMULINK 4.3.1. Các sơ đồ mơ phỏng trên MATLAB-SIMULINK MO HINH MAY PHAT LAM VIEC DOC LAP NOI LUOI 1 1 A B C tai1 Continuous y5 To Workspace5 y4 To Workspace4 y3 To Workspace3 y2 To Workspace2 y1 To Workspace1 y To Workspace Terminator Switch Scope5 Scope4 Scope3 Scope2 Scope1 Scope 0.7516 w Pe Out1 PSS A B C a b c MC A B C a b c MBA Vf _ m A B C Pm MAY PHAT 200 MVA 13.8 kVv ref vd vq vstab Vf HT kich tu Iabc It Do luong3 Vabc Vt Do luong1 wref Pref we Pe0 dw Pm gate Dieu toc DZ Vabc Iabc A B C a b c DO LUONG A B C 300MW A B C 10,000 MVA, 230 kV source b100 Hình 4.2. Mơ hình mơ phỏng của một máy phát độc lập nối với lưới điện 24 Hình 4.3. Mơ hình mơ phỏng bộ điều khiển PSS2A Hình 4.4. Khối thích nghi Hình 4.5. Luật điều khiển 4.3.2. Các kết quả mơ phỏng
Điện áp đầu cực máy phát 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0.97 0.98 0.99 1 1.01 1.02 Thoi gian t (s) U t ( p u ) DIEN AP DAU CUC MAY PHAT Ut pss2A thich nghi khong pss2A Hình 4.6. Điện áp đầu cực máy phát khi khơng PSS2A và PSS2A_Thích nghi
Điện áp kích từ 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 Thoi gian t (s) U k t ( p u ) DIEN AP KICH TU Ukt pss2A thich nghi khong pss2A Hình 4.7. Điện áp kích từ khi khơng cĩ PSS2A và PSS2A_Thích nghi KHOI THICH NGHI 1 Kp 0.12s +s2 den(s) Transfer Fcn Product1 Product 1 s Integrator Add1 Add 3 delta-m 2 delta 1 delta-dm LUAT DIEU KHIEN 1 Out1 Product 1 s Integrator Add 2 Kp 1 In1 25
Tốc độ rotor 6 7 8 9 10 11 12 13 0.997 0.998 0.999 1 1.001 1.002 1.003 1.004 Thoi gian t (s) w ( p u ) TOC DO RO TO Wr pss2A thich nghi khong pss2A Hình 4.8. Dao động tốc độ rotor
Điện áp đầu ra PSS2A 6 7 8 9 10 11 12 13 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 Thoi gian t (s) U p s s ( p u ) DIEN AP DAU RA PSS2A pss2A thich nghi Hình 4.9. Điện áp đầu ra Upss2A
Cơng suất tác dụng Pe 7 8 9 10 11 12 13 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Thoi gian t (s) P e ( p u ) CONG SUAT TAC DUNG Pe pss2A thich nghi khong pss2A Hình 4.10. Cơng suất tác dụng Pe
Dịng điện đầu cực máy phát It 6 7 8 9 10 11 12 13 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 Thoi gian t (s) I t ( p u ) DONG DIEN DAU CUC MAY PHAT It pss2A thich nghi khong pss2A Hình 4.11. Dịng điện đầu cực máy phát It 5.3. KẾT LUẬN 26 KẾT LẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn tốt nghiệp“Ứng dụng thuật tốn PID thích nghi cho bộ điều khiển PSS2A trong nhà máy thủy điện” tơi đã đạt được một số kết quả sau: Mơ hình hĩa được hệ thống gồm máy phát được nối với hệ thống để phục vụ cho bài tốn nghiên cứu ổn định tín hiệu dao động nhỏ. Nghiên cứu vai trị chức năng của PSS2A và từ đĩ đưa ra phương pháp tính chọn tham số cho bộ ổn định cơng suất PSS2A. Nghiên cứu các phương pháp thực thi bộ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAS). Từ đĩ thiết kế bộ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu sẽ được dựa trên lý thuyết ổn định của Lyapunov (tiêu chuẩn ổn định thứ hai) nhằm đạt được một hệ thống điều khiển ổn định và cĩ các tiêu chí về các hàm đặc tính như mong muốn. Xây dựng mơ hình mơ phỏng để kiểm chứng trên phần mềm Matlab-Simulink. Với kết quả trên, cho thấy mơ hình thiết kế đảm bảo tốt các yêu cầu về chức năng điều khiển, đây là cơ sở quan trọng để cĩ thể tiến hành thử nghiệm với mơ hình trong thực tế. Tuy nhiên, với thời gian nghiên cứu cĩ hạn, luận văn này chỉ mới giải quyết được các vấn đề trên cơ sở lý thuyết về hệ thống tự động ổn định điện áp và ổn định cơng suất, triệt tiêu các dao động nhỏ trong máy phát điện. Mơ hình mơ phỏng hoạt động cho kết quả tốt. Một trong những hạn chế nữa là trong luận văn này cũng chỉ mới dừng lại ở việc nghiên cứu ổn định cho một máy phát độc lập nối với hệ thống, nhưng trong thực tế tại các nhà máy thường cĩ nhiều nhà máy làm việc song song với nhau. Do đĩ, để cĩ thể ứng dụng bộ điều khiển này vào thực tiễn ta cần phải xem xét đến trường hợp này và đây cũng là một hướng phát triển mới của đề tài.