Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện hiện đại là một hệ thống phi tuyến phức tạp với nhiều máy phát điện đồng bộ hoạt động trong điều kiện vận hành thay đổi liên tục. Theo ước tính, các dao động tần số thấp thường xuyên xuất hiện trong hệ thống, gây ảnh hưởng đến sự liên kết và ổn định của toàn bộ mạng lưới điện. Ổn định hệ thống điện bao gồm ba khía cạnh chính: ổn định góc lệch rotor, ổn định tần số và ổn định điện áp, có mối liên hệ mật thiết với nhau. Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá và nâng cao sự ổn định của hệ thống nhiều máy phát điện thông qua thiết kế bộ ổn định hệ thống điện (Power System Stabilizer - PSS) dựa trên phương pháp mô phỏng mạng nơron truyền thẳng có delay ngõ vào (Focused Time Delay Neural Network - FTDNN).

Mục tiêu cụ thể của luận văn là thiết kế bộ FTDNN-PSS với hai ngõ vào là độ lệch tốc độ (dw) và độ lệch công suất tăng tốc (dPa), nhằm điều chỉnh tín hiệu điện áp kích từ máy phát trong các điều kiện vận hành và sự cố khác nhau. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện gồm bốn máy phát chia làm hai khu vực đối xứng, mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink trong khoảng thời gian từ 2010 đến 2012 tại Việt Nam. Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện sự ổn định toàn cục của hệ thống điện, giảm dao động rotor và nâng cao khả năng vận hành an toàn, đặc biệt trong các trường hợp sự cố ngắn mạch ba pha và biến đổi phụ tải đột ngột.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết ổn định hệ thống điện: Phân loại ổn định thành ổn định tĩnh và ổn định động, với các tiêu chuẩn khảo sát như tiêu chuẩn năng lượng và tiêu chuẩn diện tích. Ổn định tĩnh liên quan đến khả năng hệ thống trở lại trạng thái cân bằng sau nhiễu nhỏ, trong khi ổn định động đề cập đến khả năng chịu đựng các biến đổi lớn tạm thời mà không mất ổn định.

  • Mô hình máy phát điện và hệ thống kích từ: Mô hình máy phát làm việc với thanh cái có công suất vô hạn (SMIB) được tuyến tính hóa để phân tích đáp ứng nhiễu nhỏ. Mô hình này bao gồm các phương trình động học rotor, mạch kích từ và ảnh hưởng của bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR).

  • Bộ ổn định hệ thống điện (PSS): Bộ PSS Kundur truyền thống sử dụng tín hiệu độ lệch tốc độ làm đầu vào để tạo moment cản dương, giúp dập tắt dao động rotor. Tuy nhiên, bộ PSS này có hạn chế khi các điểm vận hành thay đổi. Do đó, bộ FTDNN-PSS được đề xuất với hai ngõ vào (dw và dPa), sử dụng mạng nơron truyền thẳng có delay ngõ vào và giải thuật lan truyền ngược sai số (Backpropagation - BP) để tự điều chỉnh thông số theo thời gian thực.

Các khái niệm chính bao gồm: độ lệch tốc độ rotor (dw), độ lệch công suất tăng tốc (dPa), moment cản dương, moment đồng bộ âm, mạng nơron nhân tạo (ANN), và bộ kích từ thyristor.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng được tạo ra từ mô hình hệ thống điện gồm bốn máy phát, hai khu vực đối xứng, với các trường hợp sự cố ngắn mạch ba pha và biến đổi phụ tải khác nhau. Các tín hiệu đầu vào cho mạng nơron gồm độ lệch tốc độ (dw), độ lệch công suất tăng tốc (dPa) và tín hiệu điện áp ổn định từ bộ PSS Kundur.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink với Power System Blockset để xây dựng mô hình hệ thống điện và bộ ổn định. Mạng nơron FTDNN được huấn luyện bằng giải thuật lan truyền ngược sai số (BP) với tập dữ liệu mô phỏng, nhằm nhận dạng và điều khiển bộ PSS trong các điều kiện vận hành khác nhau.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2010-2012, bao gồm xây dựng mô hình, huấn luyện mạng nơron, mô phỏng các trường hợp sự cố và đánh giá hiệu quả bộ FTDNN-PSS so với bộ PSS Kundur truyền thống.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình hệ thống điện gồm 11-13 bus với 4 máy phát, các trường hợp sự cố được chọn đa dạng về vị trí và điều kiện phụ tải nhằm đảm bảo tính đại diện và toàn diện cho nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của bộ FTDNN-PSS trong dập tắt dao động: Kết quả mô phỏng cho thấy bộ FTDNN-PSS có khả năng dập tắt dao động rotor nhanh hơn bộ PSS Kundur, đặc biệt trong các trường hợp sự cố ngắn mạch ba pha tại các vị trí khác nhau trên đường dây truyền tải. Ví dụ, trong trường hợp sự cố cách thanh cái B1 50 km, thời gian tắt dần dao động giảm khoảng 15% so với bộ PSS truyền thống.

  2. Khả năng thích ứng với điều kiện vận hành thay đổi: Bộ FTDNN-PSS tự động điều chỉnh thông số theo thời gian thực dựa trên tín hiệu đầu vào dw và dPa, giúp duy trì đặc tính ổn định tối ưu trong các điều kiện phụ tải chuẩn, nặng và nhẹ. So sánh kết quả mô phỏng cho thấy sự cải thiện ổn định toàn cục lên đến 20% trong các điều kiện phụ tải biến đổi.

  3. Tăng giới hạn ổn định động: Bộ FTDNN-PSS mở rộng giới hạn ổn định của hệ thống điện nhiều máy phát, cho phép hệ thống chịu được các nhiễu lớn như ngắn mạch ba pha mà không mất ổn định. Các mô phỏng với sự cố cách thanh cái B2 30 km và tăng tải KV1 thêm 10% cho thấy hệ thống vẫn duy trì ổn định với dao động giảm nhanh hơn 10% so với bộ PSS Kundur.

  4. Tính mạnh mẽ và linh hoạt của mạng nơron: Mạng nơron FTDNN với giải thuật lan truyền ngược sai số có độ hội tụ nhanh, giúp nhận dạng chính xác bộ PSS Kundur trong các điều kiện vận hành khác nhau, đồng thời tự điều chỉnh thông số để tối ưu hóa hiệu suất ổn định.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu quả bộ FTDNN-PSS là do khả năng thích ứng phi tuyến và cập nhật thông số theo thời gian thực, khắc phục hạn chế của bộ PSS Kundur với thông số cố định. Kết quả mô phỏng được trình bày qua các biểu đồ dao động tốc độ rotor và góc lệch rotor, cho thấy sự tắt dần dao động nhanh hơn và ổn định hơn trong các trường hợp sự cố khác nhau.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, bộ FTDNN-PSS thể hiện ưu thế vượt trội trong việc xử lý các điều kiện vận hành thay đổi và nhiễu lớn, đồng thời giảm thiểu thời gian phục hồi hệ thống. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy và an toàn vận hành hệ thống điện nhiều máy phát, đặc biệt trong bối cảnh mạng lưới điện ngày càng phức tạp và yêu cầu cao về ổn định.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bộ FTDNN-PSS trong các hệ thống điện quy mô lớn: Khuyến nghị các đơn vị vận hành và quản lý hệ thống điện áp dụng bộ FTDNN-PSS để nâng cao sự ổn định toàn cục, đặc biệt trong các hệ thống nhiều máy phát với điều kiện vận hành biến đổi liên tục. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 1-2 năm.

  2. Phát triển phần mềm mô phỏng và huấn luyện mạng nơron: Đề xuất xây dựng các công cụ phần mềm tích hợp để huấn luyện và cập nhật bộ FTDNN-PSS dựa trên dữ liệu vận hành thực tế, giúp tối ưu hóa hiệu suất điều khiển. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ điện lực.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực nhân sự: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mạng nơron nhân tạo và điều khiển hệ thống điện cho kỹ sư vận hành và nghiên cứu, nhằm đảm bảo việc áp dụng công nghệ mới hiệu quả và an toàn.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục mở rộng bộ FTDNN-PSS cho các hệ thống điện có quy mô lớn hơn, tích hợp với các công nghệ điều khiển hiện đại khác như giải thuật di truyền và logic mờ để nâng cao khả năng thích ứng và tối ưu hóa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành hệ thống điện: Giúp hiểu rõ về các phương pháp nâng cao ổn định hệ thống điện nhiều máy phát, áp dụng bộ ổn định PSS dựa trên mạng nơron để cải thiện hiệu suất vận hành.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về lý thuyết ổn định hệ thống điện, mô hình máy phát và bộ ổn định, cũng như ứng dụng mạng nơron trong điều khiển hệ thống điện.

  3. Các đơn vị phát triển phần mềm và thiết bị điều khiển điện: Tham khảo để phát triển các sản phẩm bộ ổn định hệ thống điện thông minh, tích hợp công nghệ mạng nơron và mô phỏng động lực học hệ thống.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hỗ trợ trong việc xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách áp dụng công nghệ mới nhằm nâng cao độ tin cậy và ổn định của hệ thống điện quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ FTDNN-PSS khác gì so với bộ PSS Kundur truyền thống?
    Bộ FTDNN-PSS sử dụng mạng nơron truyền thẳng có delay ngõ vào với hai tín hiệu đầu vào (độ lệch tốc độ và công suất tăng tốc), cho phép tự điều chỉnh thông số theo thời gian thực, trong khi bộ PSS Kundur chỉ sử dụng một tín hiệu đầu vào với thông số cố định, hạn chế khả năng thích ứng.

  2. Bộ FTDNN-PSS có thể áp dụng cho hệ thống điện quy mô lớn không?
    Có, bộ FTDNN-PSS được thiết kế để mở rộng và có thể áp dụng cho các hệ thống nhiều máy phát với quy mô lớn hơn, giúp cải thiện sự ổn định toàn cục và khả năng chịu đựng sự cố.

  3. Phương pháp huấn luyện mạng nơron trong nghiên cứu là gì?
    Mạng nơron FTDNN được huấn luyện bằng giải thuật lan truyền ngược sai số (Backpropagation - BP) sử dụng dữ liệu mô phỏng từ hệ thống điện với bộ PSS Kundur làm mẫu, nhằm tối ưu hóa sai số giữa tín hiệu đầu ra mong muốn và thực tế.

  4. Bộ FTDNN-PSS có đáp ứng nhanh hơn trong các trường hợp sự cố không?
    Theo kết quả mô phỏng, bộ FTDNN-PSS có thời gian tắt dần dao động nhanh hơn khoảng 10-15% so với bộ PSS Kundur trong các trường hợp sự cố ngắn mạch ba pha và biến đổi phụ tải.

  5. Làm thế nào để triển khai bộ FTDNN-PSS trong thực tế?
    Cần xây dựng phần mềm điều khiển tích hợp bộ FTDNN-PSS, đào tạo nhân sự vận hành, và tiến hành thử nghiệm trên hệ thống điện thực tế hoặc mô phỏng quy mô lớn trước khi áp dụng rộng rãi.

Kết luận

  • Bộ FTDNN-PSS với hai ngõ vào (độ lệch tốc độ và công suất tăng tốc) được thiết kế và mô phỏng thành công, cho thấy khả năng thích ứng và điều chỉnh thông số theo thời gian thực vượt trội so với bộ PSS Kundur truyền thống.
  • Kết quả mô phỏng trên hệ thống điện nhiều máy phát gồm bốn máy phát chia làm hai khu vực đối xứng chứng minh bộ FTDNN-PSS cải thiện đáng kể sự ổn định toàn cục, giảm dao động rotor và tăng giới hạn ổn định động.
  • Phương pháp huấn luyện mạng nơron bằng giải thuật lan truyền ngược sai số giúp bộ FTDNN-PSS nhận dạng chính xác đặc tính hệ thống trong các điều kiện vận hành và sự cố khác nhau.
  • Đề xuất triển khai bộ FTDNN-PSS trong các hệ thống điện quy mô lớn, đồng thời phát triển phần mềm và đào tạo nhân sự để tận dụng tối đa hiệu quả công nghệ mới.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu cho hệ thống điện quy mô lớn hơn, tích hợp với các công nghệ điều khiển hiện đại và thử nghiệm thực tế nhằm hoàn thiện giải pháp ổn định hệ thống điện thông minh.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị nghiên cứu và vận hành hệ thống điện nên xem xét áp dụng bộ FTDNN-PSS để nâng cao độ ổn định và an toàn vận hành, đồng thời phối hợp phát triển công nghệ và đào tạo nhân lực phù hợp.