Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải thuật điều khiển STATCOM trong việc cải thiện chất lượng điện áp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:173

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp trên lưới điện, cải tiến các giải thuật điều khiển của thiết bị STATCOM sử dụng hệ nơ ron mờ thích nghi nhằm cải thiện chất lượng và nâng cao ổn định điện áp lưới điện phân phối, và đề xuất áp dụng các bộ điều khiển cải tiến cho thiết bị STATCOM vào lưới điện thông số thực tế.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải thuật điều khiển STATCOM trong việc cải thiện chất lượng điện áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN HỮU VINH NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN STATCOM TRONG VIỆC CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN HỮU VINH NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN STATCOM TRONG VIỆC CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số chuyên ngành: 62520202 Phản biện 1: PGS. TS. Ngô Văn Dưỡng Phản biện 2: PGS. TS. Võ Ngọc Điều Phản biện 3: PGS. TS. Trường Đình Nhơn NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS.TS. Lê Kim Hùng 2. PGS.TS. Nguyễn Hùng
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Luận án Tiến sĩ đã được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 06 tháng 11 năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận án gồm: TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 GS. TSKH. Nguyễn Xuân Quỳnh Chủ tịch 2 PGS. TS. Ngô Văn Dưỡng Phản biện 1 3 PGS. TS. Võ Ngọc Điều Phản biện 2 4 PGS. TS. Trương Đình Nhơn Phản biện 3 5 GS. TS. Phạm Thị Ngọc Yến Ủy viên 6 PGS. TS. Huỳnh Châu Duy Ủy viên 7 PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Nghiên cứu sinh, tập thể cán bộ hướng dẫn, Khoa/Viện quản lý chuyên ngành và Viện Đào tạo Sau đại hộc sau khi Luận án đã được sửa chữa. Cán bộ hướng dẫn 1 Cán bộ hướng dẫn 2 Nghiên cứu sinh GS. TS. Lê Kim Hùng PGS. TS. Nguyễn Hùng Nguyễn Hữu Vinh KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương PGS. TS. Huỳnh Châu Duy
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : 1. GS. TS Lê Kim Hùng ------------------------------------- 2. PGS.TS Nguyễn Hùng ----------------------------------- Luận án Tiến sĩ đã được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 06 tháng 11 năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận án gồm: TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 GS. TSKH. Nguyễn Xuân Quỳnh Chủ tịch 2 PGS. TS. Ngô Văn Dưỡng Phản biện 1 3 PGS. TS. Võ Ngọc Điều Phản biện 2 4 PGS. TS. Trương Đình Nhơn Phản biện 3 5 GS. TS. Phạm Thị Ngọc Yến Ủy viên 6 PGS. TS. Huỳnh Châu Duy Ủy viên 7 PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận án sau khi Luận án đã được báo cáo và sửa chữa. Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận án GS. TSKH. Nguyễn Xuân Quỳnh
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc. Nghiên cứu sinh thực hiện Nguyễn Hữu Vinh i
TÓM TẮT LUẬN ÁN Hệ thống điện ngày nay đã phải đối mặt với các vấn đề về chất lượng và độ tin cậy cung cấp điện. Những khó khăn quan trọng nhất là lượng điện năng tiêu thụ tăng lên một cách đáng kể, sự phát triển nhanh chóng các nguồn năng lượng tái tạo và phân tán và sự gia tăng các phụ tải phi tuyến. Những điều này và nhiều hiện tượng khác, là nguyên nhân của thông số điện áp cung cấp không đạt yêu cầu, chẳng hạn như: dao động điện áp; nhấp nháy điện áp; mất cân bằng điện áp; lồi và lõm điện áp; gián đoạn cung cấp điện. Xu hướng sử dụng ngày càng nhiều thiết bị phụ tải phi tuyến trong công nghiệp và dân dụng như bộ chuyển đổi điện tử công suất dùng trong truyền động điện, máy hàn hồ quang, lò luyện kim hồ quang, mất cân bằng điện áp, nhấp nháy điện áp, lồi và lõm điện áp. Những hiện tượng này có tác động tiêu cực nghiêm trọng đến các đơn vị phát điện, truyền tải và phân phối điện và phụ tải được kết nối. Gần đây, chất lượng điện đã được các đơn vị quản lý vận hành chú ý nhiều hơn. Ngày nay các vai trò đang thay đổi - đó là khách hàng sử dụng điện, người đòi hỏi nguồn cung cấp công suất cao và tin cậy từ các đơn vị cung cấp điện (ở đây là các Công ty Điện lực). Vấn đề đặc biệt nghiêm trọng đối với các khách hàng chiến lược, khách hàng quan trọng như các tổ chức tài chính, bệnh viện và căn cứ quân sự, cũng như khách hàng công nghiệp, nơi sự mà việc suy giảm các thông số điện áp cung cấp có thể gây gián đoạn cho quá trình sản xuất. Việc phát triển kỹ thuật thyristor công suất lớn đã mở ra những khả năng mới, một trong số đó là việc ra đời và ứng dụng các thiết bị FACTS như STATCOM, SVC, hoặc DVR. Ứng dụng của thiết bị FACTS có thể được dùng trong 3 trạng thái của hệ thống, bao gồm: trạng thái xác lập (thông thường), trạng thái quá độ (thông thường) và trạng thái xác lập sau quá độ. Nhằm mục đích ổn định điện áp dùng STATCOM, các nghiên cứu trước đây đã sử dụng các kỹ thuật và phương pháp sau: phương pháp điều khiển vị trí cực; điều khiển PI/PID/PD; điều khiển cân bằng kết nối DC. Các cấu trúc điều khiển thông thường có thể được chia thành ba nhóm: i) Điều khiển dòng điện cục bộ: chế độ điều khiển áp dụng để bù các thành phần dòng tải không mong muốn. Điều khiển được áp dụng trong STATCOM để bù cho công suất phản kháng hoặc trong bộ lọc công suất tác dụng để bù cho tải phi tuyến hoặc tải không cân bằng; ii) Điều khiển điện áp cục bộ: được sử dụng chủ yếu trong STATCOM để điều chỉnh điện áp. Thông thường, nó ghép ii
tầng các bộ điều khiển điện áp và điều khiển dòng điện. Một vòng điện áp ngoài đặt tham chiếu với công suất phản kháng cho bộ điều khiển dòng điện; iii)Tham chiếu bên ngoài: được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống lớn với một bộ điều khiển trung tâm. Chế độ điều khiển phù hợp với lưới điện truyền tải hơn là lưới phân phối. Điều khiển từ xa phát công suất phản kháng trong các trang trại gió hiện đại là bắt buộc. Trong số các bộ điều khiển STATCOM được trình bày, chủ yếu là sử dụng các khối điều khiển PID. Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ tính đơn giản và tính bền vững của nó. Tuy nhiên, nó rất phù hợp với hệ tuyến tính, đối với các hệ phi tuyến cao như trong hệ thống điện, bộ điều khiển PID chỉ có thể hoạt động tốt trong phạm vi nhất định. Để đạt được kết quả tối ưu toàn cục, nó cần thiết phải hiệu chỉnh lại bộ điều khiển PID khi chế độ vận hành thay đổi, và ứng dụng các kỹ thuật khác nhau từ lý thuyết điều khiển phi tuyến. Đối với logic mờ, trí tuệ nhân tạo phát triển mạnh mẽ tạo cơ sở xây dựng các hệ chuyên gia, những hệ có khả năng cung cấp kinh nghiệm điều khiển hệ thống. Việc kết hợp cả hai phương pháp để tạo nên một công cụ xử lý mạnh. Với các nhận định này, luận án nghiên cứu hệ nơ ron mờ thích nghi (ANFIS) để cải tiến bộ điều khiển STATCOM. Trong luận án này, tác giả đã tập trung vào việc nghiên cứu bộ điều khiển STATCOM, sử dụng hệ mờ thích nghi (ANFIS) kết hợp với thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO-Particle Swarm Optimization), hoặc kết hợp với giải thuật di truyền (GA-Generic Algorithm) để cải tiến bộ điều khiển. Trong quá trình nghiên cứu, đề tài cũng đã áp dụng các bộ điều khiển kết hợp như: ANFIS-PSO, ANFIS-GA, và ANFIS-Online để so sánh các kết quả đạt được trước khi đưa ra kết luận đối với bộ điều khiển nào đạt hiệu quả tốt nhất. Hơn nữa, một phương pháp lọc dữ liệu mới dựa trên cơ sở lý thuyết thống kê được phát triển trước khi áp dụng vào các giải thuật huấn luyện cho bộ điều khiển thiết bị STATCOM cũng đã được đề cập trong luận án. Các kết quả nghiên cứu trên hệ một máy phát nối với nút vô cùng lớn, lưới điện mẫu IEEE_9 nút và hệ thống lưới điện thông số thực tế tại Khu Công nghệ cao Tp Hồ Chí Minh cũng được trình bày để làm rõ các kết quả nghiên cứu. Các kết quả cũng cho thấy hiệu quả của bộ ANFIS-Online và đặc biệt là dữ liệu dùng để huấn luyện được đánh giá độ tin cậy trước khi huấn luyện nên đảm bảo độ chính xác cao. iii
ABSTRACT The power system has been struggling with power quality and reliability problems for decades. Nowadays, the most important difficulties are the meaningly growing amount of consumed power, the rapid development of renewable and distributed energy sources, and increasing the share of non-linear loads. These, and many other phenomena, cause deterioration of supply voltage parameters, such as voltage fluctuations/flicker; voltage unbalance; higher harmonic content; voltage dips and swells; interruptions in the power supply. These phenomena have a serious negative impact on the units generating, transmitting and distributing electricity, and on connected loads. Recently, the power quality has been mostly noticed by utilities. Nowadays roles are changing – it is the consumer, who requires a reliable and high-quality power supply from the utilities. The problem is particularly serious for strategic customers such as financial institutions, hospitals, and military facilities, as well as industrial customers, where deterioration of supply voltage parameters can cause disruption to the fabrication process. The development of high power semiconductor devices allows controlling power flow in the network. Flexible AC Transmission Systems (FACTS) like series and shunt compensators can be installed to control power flow in the power grid. STATCOM is the original shunt connected controller and falls amongst the FACTS Controllers. In order to stabilize the voltage using STATCOM, techniques, and methods were used in previous studies as follows: pole placement controller technique; PI/PID/PD controller technique; DC-link balancing controller technique. Basically, conventional control structures can be divided into three groups: i) Local current control– the control mode applicable to compensate for unwanted load current components. The control applied in the STATCOM to compensate for the reactive power or in the active power filter to compensate for load nonlinearity or unbalance; ii) local voltage control– used mainly in the STATCOM for voltage regulation. Conventionally, it consists of cascade voltage and current controllers. An outer voltage loop sets a reactive current reference for the current controller; iii) External reference – used mostly in widespread systems with one central controller. The control mode is rather suitable for transmission than the distribution network. Remotely controlled reactive power generation is mandatory in a modern wind farm. iv
Among the STATCOM controllers presented, the PID controllers are mostly used. The PID controllers can be described by robust performances across a wide range of operating conditions and their functional simplicity. However, the high nonlinear of the power system means that a PID controller cannot perform well at all operating range, it can be a robust performance at a particular operating range. For meeting the good global results, it is necessary to re-tune the PID controller when the operating range is changed, and different techniques from nonlinear control theory are required. The neuro-adaptive learning techniques supply a procedure for the fuzzy modeling procedure to acquire information about a data set. The ANFIS control algorithm is very attention due to its robustness for nonlinear systems. Under the conditions of uncertainly, a method to identify the model parameters of parallel manipulators is to use the ANFIS control algorithm. In the author’s opinion, the adaptive fuzzy neuron system (ANFIS) is a good way of improving the STATCOM controller. In this thesis, the author has focused on the study of the STATCOM controller, using the adaptive fuzzy system in combination with a particle swarm optimization algorithm, or in combination with a generic algorithm to improve the controllers. The thesis also applied the combination controllers such as ANFIS-PSO, ANFIS-GA, and ANFIS- Online to compare the results before making conclusions which is the best. In addition, a new method of filtering data based on statistical theory is developed before applying to train algorithms for STATCOM controllers that were also mentioned in the thesis. To achieve nonlinear optimal control at abnormal operating conditions of the one machine – infinite bus, IEEE 9 bus power systems and real network at Ho Chi Minh city, the controller is trained offline by PSO, GA and is trained online, and Simulation results are provided that explains the performance of the ANFIS-PSO, ANFIS-GA, ANFIS-Online controller. The results also show that the effectiveness of the ANFIS-Online and especially the training data is assessed before the training should be guaranteed to be highly accurate. v
LỜI CÁM ƠN Trước tiên tôi muốn được bày tỏ lòng kính trọng, biết ơn tới GS. TS. Lê Kim Hùng và PGS. TS. Nguyễn Hùng là những người trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Xin cảm ơn Quí thầy cô giáo trong và ngoài Trường Đại học Công nghệ TpHCM đã giảng dạy, hướng dẫn và truyền đạt và chia sẻ những kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho tôi trong thời gian qua. Cảm ơn Viện đào tạo Đào tạo sau đại học và Viện Kỹ thuật HUTECH - Trường Đại học Công nghệ TpHCM đã hỗ trợ, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận án. Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Tổng Công ty Điện lực thành phố Hồ Chí Minh, các đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ cho tôi trong quá trình công tác, học tập. Đặc biệt, cảm ơn vợ yêu, các con và gia đình đã tạo mọi điều kiện và luôn động viên tôi yên tâm học tập, nghiên cứu và công tác. Cuối cùng, xin được ghi nhớ tất cả tình cảm và sự giúp đỡ của các nghiên cứu sinh, học viên cao học, những người luôn hỗ trợ, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Hữu Vinh vi
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................... xi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................... xv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................. xvii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ....................................................................... xix Chương 1 GIỚI THIỆU ................................................................................... 1 1.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 1 1.2 Mục tiêu của đề tài.......................................................................................... 5 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài ...................................................................... 6 1.4 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 6 1.5 Đóng góp của đề tài ........................................................................................ 7 1.6 Giá trị thực tiễn của đề tài ............................................................................... 7 1.7 Bố cục luận án ................................................................................................ 8 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ STATCOM ..................................................... 10 2.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 10 2.2 Tổng quan các nghiên cứu về STATCOM .................................................... 10 2.2.1 Các phương pháp ổn định hệ thống điện sử dụng STATCOM ................ 10 2.2.2 Các giải thuật điều khiển điện áp sử dụng STATCOM ........................... 12 2.3 Mô hình STATCOM..................................................................................... 14 2.3.1 Cấu trúc cơ bản của STATCOM ............................................................ 14 2.3.2 Nguyên lý hoạt động của STATCOM .................................................... 15 2.3.3 Bộ chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) ...................................................... 17 2.3.4 Nguyên tắc hoạt động của VSC .............................................................. 18 2.3.5 Bộ điều khiển của STATCOM ............................................................... 20 2.3.6 Mô hình toán của STATCOM ................................................................ 21 2.4 Lý thuyết điều khiển để ổn định điện áp dùng STATCOM ........................... 27 2.4.1 Lý thuyết mờ .......................................................................................... 27 vii
2.4.2 Hệ điều khiển mờ lai (Fuzzy-PID) áp dụng trong STATCOM ................ 36 2.4.3 Hệ Nơ-ron mờ thích nghi (ANFIS)......................................................... 38 2.4.4 Thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) ............................................................ 41 2.4.5 Thuật toán di truyền (GA) ...................................................................... 42 2.5 Tổng kết chương ........................................................................................... 43 Chương 3 CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN STATCOM ĐƯỢC ĐỀ XUẤT ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP ................................................. 45 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển STATCOM được đề xuất .................................... 45 3.2 Giải thuật điều khiển STATCOM sử dụng các thuật toán huấn luyện ANFIS kết hợp với PSO và GA ............................................................................................... 46 3.2.1 Thuật toán tối ưu bầy đàn PSO kết hợp ANFIS ...................................... 48 3.2.2 Thuật toán di truyền GA kết hợp với ANFIS .......................................... 52 3.2.3 Thuật toán huấn luyện ANFIS-Online .................................................... 56 3.3 Giải thuật điều khiển STATCOM sử dụng thuật toán ANFIS-Online kết hợp với bộ ANI và bộ dự báo công suất ........................................................................ 59 3.3.1 Độ ổn định dữ liệu ................................................................................. 59 3.3.2 Phân tích thành phần chính (PCA) ......................................................... 59 3.3.3 Bộ lọc dữ liệu ngõ vào ........................................................................... 61 3.3.4 Cấu trúc bộ ANI ..................................................................................... 64 3.3.5 Thuật toán ANFIS-online kết hợp với ANI và bộ lọc dữ liệu đầu vào .... 65 3.4 Tổng kết chương ........................................................................................... 67 Chương 4 ÁP DỤNG HỆ NƠ-RON MỜ THÍCH NGHI VÀO CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CỦA STATCOM ĐỂ CẢI THIỆN ĐIỆN ÁP ................................. 69 4.1 Các kết quả nghiên cứu với hệ thống A......................................................... 70 4.1.1 Cấu trúc hệ thống A ............................................................................... 70 4.1.2 Kết quả mô phỏng hệ thống A ................................................................ 71 4.1.3 Đánh giá kết quả nghiên cứu bộ điều khiển STATCOM trên hệ OMIB .. 86 4.2 Các kết quả nghiên cứu với hệ thống B ......................................................... 88 viii
4.2.1 Cấu trúc của hệ thống B ......................................................................... 88 4.2.2 Kết quả mô phỏng hệ thống B ................................................................ 89 4.2.3 Đánh giá các kết quả nghiên cứu của bộ điều khiển STATCOM trên lưới mẫu IEEE_9 nút ................................................................................................. 99 4.3 Tổng kết chương ......................................................................................... 101 Chương 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CỦA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN STATCOM ĐỂ CẢI THIỆN ĐIỆN ÁP TRÊN LƯỚI ĐIỆN THỰC TẾ . 103 5.1 Đặc tính điện áp tại trạm Intel tương ứng với các kịch bản sự cố ................ 106 5.2 Kết quả mô phỏng của các bộ điều khiển STATCOM khi sự cố trên đường dây Thủ Đức – Thủ Đức Bắc – Intel ........................................................................... 107 5.2.1 Kết quả so sánh trong trường hợp có hoặc không có bộ STATCOM .... 107 5.2.2 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển Fuzzy và PID .............................. 108 5.2.3 Kết quả mô phỏng cải tiến bộ điều khiển STATCOM dùng ANFIS ..... 109 5.2.4 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển STATCOM dùng phương pháp kết hợp ANFIS- PSO và ANFIS- GA..................................................................... 111 5.2.5 Kết quả mô phỏng cải tiến bộ điều khiển STATCOM dùng phương pháp ANFIS-Online.................................................................................................. 113 5.2.6 Đánh giá các kết quả mô phỏng đạt được ............................................. 115 5.3 Kết quả mô phỏng của các bộ điều khiển STATCOM khi sự cố trên đường dây Cát Lái – Công nghệ cao ...................................................................................... 115 5.3.1 Kết quả so sánh trong trường hợp có hoặc không có bộ STATCOM .... 116 5.3.2 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển Fuzzy ......................................... 117 5.3.3 Kết quả mô phỏng cải tiến bộ điều khiển STATCOM dùng ANFIS ..... 119 5.3.4 Kết quả mô phỏng cải tiến bộ điều khiển STATCOM dùng phương pháp ANFIS- PSO và ANFIS- GA ........................................................................... 122 5.3.5 Kết quả mô phỏng cải tiến bộ điều khiển STATCOM dùng phương pháp ANFIS-Online.................................................................................................. 124 5.3.6 Đánh giá các kết quả mô phỏng đạt được ............................................. 127 5.4 Tổng kết chương ......................................................................................... 127 ix
Chương 6 KẾT LUẬN ................................................................................. 129 6.1 Các kết quả đạt được của luận án ................................................................ 129 6.2 Hướng phát triển của luận án ...................................................................... 131 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................. 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 135 PHỤ LỤC .............................................................................................. 143 x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của STATCOM .................................................................. 15 Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản STATCOM ...................................................... 15 Hình 2.3 Nguyên lý bù của bộ bù STATCOM ............................................................. 16 Hình 2.4 Trạng thái hấp thụ và phát công suất phản kháng của STATCOM .............. 17 Hình 2.5 Cấu trúc liên kết của một VSC ba pha hai cấp sử dụng IGBT ...................... 18 Hình 2.6 Hoạt động của VSC: (a) VSC kết nối với một hệ thống thanh cái; ............... 19 Hình 2.7 Hệ thống điều khiển của STATCOM ............................................................ 20 Hình 2.8 Mô hình đơn giản của thiết bị STATCOM ................................................... 22 Hình 2.9 Mô hình động học đơn giản của STATCOM dựa vào nguồn điện áp được điều khiển .......................................................................................................................... 22 Hình 2.10 Mô hình động học nâng cao của STATCOM.............................................. 24 Hình 2.11 Mô hình động nâng cao của STATCOM với điện áp DC thay đổi .............. 25 Hình 2.12 Sơ đồ đơn tuyến STATCOM nối lưới ......................................................... 26 Hình 2.13 Sơ đồ khối điều khiển STATCOM .............................................................. 26 Hình 2.14 Đường cong qua các phần tử của tập hợp ................................................. 28 Hình 2.15 Độ cao tập mờ A, B ................................................................................... 28 Hình 2.16 Tập mờ B được đưa về dạng chính tắc....................................................... 29 Hình 2.17 Miền làm việc của tập mờ.......................................................................... 29 Hình 2.18 Biến NHIỆT ĐỘ gồm các tập mờ LẠNH, MÁT, ẤM, NÓNG...................... 29 Hình 2.19 Dạng tuyến tính ......................................................................................... 30 Hình 2.20 Đường cong dạng S ................................................................................... 30 Hình 2.21 Đường cong hình chuông .......................................................................... 30 Hình 2.22 Dạng hình thang........................................................................................ 31 Hình 2.23 Dạng hình tam giác ................................................................................... 31 Hình 2.24 Các khối chức năng của hệ điều khiển mờ ................................................. 32 Hình 2.25 Các bộ điều khiển mờ ................................................................................ 33 Hình 2.26 Cấu trúc tổng quát một hệ mờ ................................................................... 33 Hình 2.27 Sơ đồ hệ mờ lai F-PID .............................................................................. 35 Hình 2.28 Vùng tác động của các bộ điều khiển......................................................... 35 Hình 2.29 Cấu trúc bộ điều khiển tự điều chỉnh các thông số Fuzzy-PID ................... 36 Hình 2.30 Các hàm liên thuộc ngõ vào ...................................................................... 37 xi
Hình 2.31 Sơ đồ khối bộ điều khiển Fuzzy – PID ....................................................... 38 Hình 2.32 Cấu trúc bộ điều khiển ANFIS ................................................................... 39 Hình 3.1 Hệ thống điều khiển của STATCOM được đề xuất để cải thiện chất lượng điện áp .............................................................................................................................. 46 Hình 3.2 Các bước thực hiện thuật toán PSO ............................................................ 49 Hình 3.3 Sơ đồ khối mô phỏng bộ điều khiển dùng ANFIS-PSO................................. 51 Hình 3.4 Các bước thực hiện thuật toán GA............................................................... 53 Hình 3.5 Sơ đồ khối mô phỏng bộ điều khiển dùng ANFIS-GA................................... 56 Hình 3.6 Bộ điều khiển ANFIS-Online ....................................................................... 57 Hình 3.7 Sơ đồ Bộ điều khiển ANFIS-Online đề xuất ................................................. 58 Hình 3.8 Giải thuật đề xuất để lọc dữ liệu dựa trên phương pháp phân tích thống kê 63 Hình 3.9 Cấu trúc mạng nơ-ron ................................................................................. 64 Hình 3.10 Bộ điều khiển ANFIS-Online sử dụng bộ lọc dữ liệu ngõ vào .................... 66 Hình 3.11 Sơ đồ khối mô phỏng bộ điều khiển dùng ANFIS-Online ........................... 67 Hình 4.1 Cấu trúc của hệ thống OMIB được nghiên cứu ........................................... 71 Hình 4.2 Sơ đồ đơn tuyến của máy phát điện gió DFIG ............................................. 71 Hình 4.3 Điện áp quá độ tại điểm đấu nối chung PCC và công suất của máy phát đồng bộ (SG) khi có ngắn mạch 3 pha ................................................................................ 73 Hình 4.4 Công suất tác dụng (PWF) và công suất phản kháng (QWF) của máy phát điện gió (DFIG) khi có sự cố ngắn mạch 3 pha ................................................................. 74 Hình 4.5 Công suất (PSG và QSG) của máy phát đồng bộ (SG) khi có ngắn mạch 3 pha trong trường hợp sử dụng bộ điều khiển PID, Fuzzy, và ANFIS ................................. 75 Hình 4.6 Điện áp quá độ (VPCC) tại điểm đấu nối chung PCC khi có ngắn mạch 3 pha trong trường hợp sử dụng bộ điều khiển PID, Fuzzy, và ANFIS ................................. 76 Hình 4.7 Công suất tác dụng (PWF) và công suất phản kháng (QWF) khi có ngắn mạch 3 pha trong trường hợp sử dụng bộ điều khiển PID, Fuzzy, và ANFIS .......................... 77 Hình 4.8 So sánh kết quả huấn luyện ANFIS dùng PSO và GA đối với bộ dữ liệu từ hệ dùng PID ................................................................................................................... 79 Hình 4.9 Điện áp quá độ (VPCC) tại điểm đấu nối chung PCC khi có ngắn mạch 3 pha trong trường hợp sử dụng PID, Fuzzy, ANFIS, ANFIS-GA, và ANFIS-PSO ............... 80 Hình 4.10 Công suất (PSG và QSG) của máy phát đồng bộ khi có ngắn mạch 3 pha trong trường hợp sử dụng điều khiển PID, Fuzzy, ANFIS, ANFIS-GA, và ANFIS-PSO ....... 81 xii
Hình 4.11 Công suất tác dụng (PWF) và công suất phản kháng (QWF) khi có ngắn mạch 3 pha khi sử dụng các bộ điều khiển PID, Fuzzy, ANFIS, ANFIS-GA, và ANFIS-PSO82 Hình 4.12 Điện áp quá độ (VPCC) tại điểm đấu nối chung PCC khi có ngắn mạch 3 pha trong trường hợp sử dụng ANFIS, ANFIS-GA, ANFIS-PSO và ANFIS-Online ........... 83 Hình 4.13 Công suất (PSG và QSG) của máy phát đồng bộ khi có ngắn mạch 3 pha trong trường hợp sử dụng các bộ điều khiển ANFIS, ANFIS-GA, ANFIS-PSO và ANFIS- Online ........................................................................................................................ 85 Hình 4.14 Công suất tác dụng (PWF) và công suất phản kháng (QWF) khi có ngắn mạch 3 pha đối với các bộ điều khiển ANFIS, ANFIS-GA, ANFIS-PSO, và ANFIS-Online . 86 Hình 4.15 Cấu trúc của hệ thống nghiên cứu 9 nút .................................................... 88 Hình 4.16 Đặc tính động học của các công suất tác dụng tại các máy phát SG1 và SG2 trên lưới điện mẫu IEEE_9 nút được khảo sát............................................................ 90 Hình 4.17 Đặc tính động học của điện áp tại các máy phát SG1, SG2, SG3 và tại điểm chung PCC trên lưới khảo sát sử dụng các bộ điều khiển PID, Fuzzy, và ANFIS ....... 93 Hình 4.18 So sánh kết quả huấn luyện ANFIS dùng PSO và GA ................................ 94 Hình 4.19 Đặc tính động học của các điện áp tại các máy phát SG1, SG2, SG3 và tại điểm chung PCC trên lưới khảo sát, sử dụng các bộ điều khiển PID và ANFIS ......... 96 Hình 4.20 So sánh các kết quả ổn định điện áp tại nút PCC khi sử dụng bộ huấn luyện ANFIS cho thiết bị STATCOM ................................................................................... 97 Hình 5.1 Sơ đồ lưới điện khu vực cung cấp điện cho khu công nghệ cao Tp. HCM .. 104 Hình 5.2 Sơ đồ mô phỏng lưới điện khu công nghệ cao Tp. HCM ............................ 104 Hình 5.3 Đặc tính điện áp tại trạm Intel khi sự cố ngắn mạch ba pha xảy ra trên đường dây 110kV Thủ Đức – Thủ Đức Bắc – Intel .............................................................. 106 Hình 5.4 Đặc tính điện áp tại trạm Intel khi sự cố ngắn mạch ba pha xảy ra trên đường dây 110kV Cát Lái – Công nghệ cao ........................................................................ 106 Hình 5.5 Kết quả khảo sát điện áp tại trạm Intel trong trường hợp có và không có sử dụng thiết bị STATCOM........................................................................................... 107 Hình 5.6 Kết quả điện áp tại trạm Intel trong trường hợp sử dụng bộ điều khiển Fuzzy và bộ điều khiển PID ............................................................................................... 108 Hình 5.7 Kết quả khảo sát độ ổn định điện áp tại trạm Intel trong trường hợp dùng bộ điều khiển ANFIS, PID và Fuzzy .............................................................................. 110 Hình 5.8 Kết quả khảo sát độ ổn định điện áp tại trạm Intel trong trường hợp dùng bộ điều khiển ANFIS, ANFIS-PSO và ANFIS-GA ......................................................... 112 xiii
Hình 5.9 Kết quả khảo sát độ ổn định điện áp tại trạm Intel trong trường hợp dùng bộ điều khiển ANFIS và ANFIS-Online ......................................................................... 114 Hình 5.10 Kết quả khảo sát độ ổn định điện áp tại trạm Intel trong trường hợp dùng bộ điều khiển PID, Fuzzy, ANFIS và ANFIS-Online ..................................................... 114 Hình 5.11 Kết quả khảo sát điện áp tại nút tải Intel, Thủ Đức Đông, Công Nghệ Cao trong trường hợp có và không có sử dụng thiết bị STATCOM .................................. 117 Hình 5.12 Kết quả khảo sát điện áp tại nút tải Intel, Thủ Đức Đông, Công Nghệ Cao trong trường hợp sử dụng bộ điều khiển Fuzzy ........................................................ 118 Hình 5.13 Kết quả khảo sát điện áp tại nút tải Intel, Thủ Đức Đông, Công Nghệ Cao trong trường hợp sử dụng bộ điều khiển PID, Fuzzy, và ANFIS ............................... 121 Hình 5.14 Kết quả khảo sát điện áp tại nút tải Intel, Thủ Đức Đông, và Công nghệ cao trong trường hợp sử dụng bộ điều khiển PID, ANFIS, ANFIS-PSO và ANFIS-GA ... 124 Hình 5.15 Kết quả khảo sát điện áp tại nút tải Intel, Thủ Đức Đông, và Công nghệ cao trong trường hợp sử dụng bộ điều khiển PID, ANFIS, ANFIS-PSO, ANFIS-GA và ANFIS-Online .......................................................................................................... 126 xiv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các luật điều khiển của hệ mờ (FL) ............................................................ 37 Bảng 4.1 Các kịch bản mô phỏng............................................................................... 69 Bảng 4.2 Bảng so sánh các đặc tính động học của các đại lượng điện áp và công suất liên quan đến các bộ điều khiển khác nhau của STATCOM trong hệ thống OMIB .... 74 Bảng 4.3 Bảng so sánh các đặc tính động học của các đại lượng điện áp và công suất liên quan đến các bộ điều khiển khác nhau như PID truyền thống, Fuzzy, và ANFIS. 76 Bảng 4.4 Đặc tính của mô hình huấn luyện ANFIS .................................................... 79 Bảng 4.5 Thông số cài đặt cho thuật toán bầy đàn (PSO) ........................................... 79 Bảng 4.6 Thông số cài đặt cho thuật toán di truyền (GA) ........................................... 79 Bảng 4.7 Bảng so sánh các bộ điều khiển ANFIS-PSO, ANFIS-GA, PID, Fuzzy, và ANFIS dành cho thiết bị STATCOM trên lưới OMIB ............................................... 80 Bảng 4.8 Bảng so sánh các bộ điều khiển ANFIS-PSO, ANFIS-GA, ANFIS và ANFIS- Online dành cho thiết bị STATCOM trên lưới OMIB ................................................ 84 Bảng 4.9 Bảng so sánh các bộ điều khiển PID, Fuzzy, ANFIS, ANFIS-PSO, ANFIS- GA, và ANFIS-Online dành cho thiết bị STATCOM trên lưới OMIB ....................... 87 Bảng 4.10 Bảng so sánh các bộ điều khiển PID, Fuzzy, và ANFIS dành cho thiết bị STATCOM trên lưới điện 9 nút được khảo sát........................................................... 91 Bảng 4.11 Bảng so sánh các bộ điều khiển PID, ANFIS, ANFIS-GA và ANFIS-PSO dành cho thiết bị STATCOM trên lưới điện 9 nút được khảo sát ................................ 95 Bảng 4.12 Bảng so sánh các bộ điều khiển PID, ANFIS, ANFIS-GA, ANFIS-PSO và ANFIS-Online dành cho thiết bị STATCOM trên lưới điện 9 nút được khảo sát ........ 98 Bảng 4.13 So sánh thời gian, biên độ và độ chênh lệch điện áp các đáp ứng điện áp 100 Bảng 5.1 Các kịch bản mô phỏng hoạt động của các bộ điều khiển STATCOM được kết nối với lưới điện thực tế ........................................................................................... 105 Bảng 5.2 Bảng so sánh các bộ điều khiển PID và Fuzzy dành cho thiết bị STATCOM trên lưới điện Khu Công nghệ cao được khảo sát ..................................................... 109 Bảng 5.3 Bảng so sánh các bộ điều khiển PID, Fuzzy và ANFIS dành cho thiết bị STATCOM trên lưới điện Khu Công nghệ cao được khảo sát.................................. 109 Bảng 5.4 Bảng so sánh các bộ điều khiển Fuzzy, ANFIS, ANFIS-GA và ANFIS-PSO dành cho thiết bị STATCOM trên lưới điện Khu Công nghệ cao được khảo sát ....... 111 xv
Bảng 5.5 Bảng so sánh các bộ điều khiển PID, Fuzzy, ANFIS, ANFIS-GA, ANFIS-PSO và ANFIS-Online dành cho thiết bị STATCOM trên lưới Khu Công nghệ cao ........ 113 Bảng 5.6 Bảng so sánh các bộ điều khiển PID và Fuzzy dành cho thiết bị STATCOM trên lưới điện Khu Công nghệ cao được khảo sát ..................................................... 119 Bảng 5.7 Bảng so sánh các bộ điều khiển PID, Fuzzy và ANFIS dành cho thiết bị STATCOM trên lưới điện Khu Công nghệ cao được khảo sát.................................. 121 Bảng 5.8 Bảng so sánh các bộ điều khiển PID, Fuzzy, ANFIS, ANFIS-GA, ANFIS-PSO dành cho thiết bị STATCOM trên lưới điện Khu Công nghệ cao ............................. 122 Bảng 5.9 Bảng so sánh các bộ điều khiển PID, Fuzzy, ANFIS, ANFIS-GA, ANFIS-PSO và ANFIS-Online dành cho thiết bị STATCOM trên lưới điện Intel thực tế ............. 126 xvi