CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP 1.1 Tính cần thiết của điều khiển tự động thiết bị điện Sự phát triển kinh tế xã hội đòi hỏi nâng cao nhu cầu tiện nghi và tự động hóa trong mọi lĩnh vực. Trong đó, hệ thống điện công nghiệp là một trong các lĩnh vực quan trọng. Hệ thống điện công nghiệp phát triển sẽ hỗ trợ đắc lực cho công cuộc phát triển kinh tế xã hội.
Các thành phần thiết bị điện trong hệ thống điện công nghiệp hiện diện trong lĩnh vực sản xuất và tiêu dùng và cần được điều khiển vận hành để đảm bảo an ninh năng lượng và hiệu quả kinh tế. Một hệ thống điện thông thường [1] bao gồm các thành phần như hình 1-1. Sơ đồ khối hệ thống điện Trong đó: Các nguồn điện phân tán trong hệ thống điện công nghiệp có thể 15 ở dạng máy phát đồng bộ với nguồn cơ năng từ máy phát dầu diesel, nhiệt điện than, khí, tua bin thủy điện nhỏ, v. Ngoài ra, các nguồn điện này có thể sử dụng năng lượng tái tạo như gió, mặt trời hay pin nhiên liệu ở dạng dự trữ sẵn thông qua các bộ nghịch lưu nối lưới.
Đối với năng lượng tái tạo, xu hướng sử dụng năng lượng này hiện nay ngày càng nhiều vì có các ưu điểm về môi trường. Tuy nhiên, sự phổ biến của nguồn năng lượng tái tạo cũng gây ảnh hưởng tiêu cực đáng kể đến hệ thống điện. Đường dây truyền tải: cấp điện áp trong hệ thống điện công nghiệp thông thường ở cấp trung áp và hạ áp với qui mô nhỏ có các thiết bị đóng cắt và thiết bị bù lọc để nâng cao chất lượng điện năng. Phụ tải trong hệ thống điện công nghiệp thông thường bao gồm các máy sản xuất sử dụng các loại động cơ điện thông qua các bộ biến đổi công suất.
Đối với động cơ một chiều, các bộ biến đổi có thể là các bộ chỉnh lưu có điều khiển, bộ biến đổi một chiều tăng áp và giảm áp. Đối với động cơ xoay chiều 3 pha, các bộ biến đổi có thể là các bộ nghịch lưu như biến tần. Để vận hành hiệu quả hệ thống điện công nghiệp, tất cả các thành phần phải được điều khiển theo các qui định, tiêu chuẩn và được ban hành bởi các cơ quan quản lý chuyên ngành. Mức độ điều khiển các thành phần này tùy thuộc vào qui mô, cấp độ quản lý cũng như hiệu quả kinh tế và an ninh năng lượng yêu cầu của hệ thống.
Trong lĩnh vực sản xuất và tiêu dùng, các thành phần thiết bị điện đòi hỏi mức độ hiệu suất và khả năng tự động hóa ngày càng cao. Cùng với sự phát triển của IoT, các thiết bị điện có tính năng tiện nghi ngày càng nhiều. Do đó, việc nghiên cứu và điều khiển các thiết bị này sẽ góp phần nâng cao hiệu quả của hệ thống điện công nghiệp.2 Các mô hình điều khiển Về cơ bản, có 2 loại mô hình, đó là mô hình xác lập và mô hình động hay mô hình quá độ. Ngoài ra, còn có các khái niệm về mô hình không gian trạng thái.
Ví dụ, trên hình 1-2 là mô hình xác lập của phần ứng động cơ một chiều. Trong khi mô hình quá độ của phần ứng động cơ một chiều được thể hiện trên hình 1-3. Hình 1-4 là sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ 3 pha ở chế độ xác lập. Tuy nhiên, trong thực tế có thể có các loại mô hình khác tùy thuộc vào các quan điểm phân loại khác nhau.
16 (b) Mô hình xác lập (a) Hình ảnh minh họa cấu tạo của phần ứng Hình 1‑2. Mô hình xác lập của động cơ một chiều kích từ độc lập Hình 1‑3. Mô hình quá độ của động cơ một chiều kích từ độc lập Hình 1‑4. Mô hình xác lập 17 1.3 Mức độ điều khiển Thông thường có 3 mức độ điều khiển trong hệ thống điện công nghiệp, đó là điều khiển ở mức sơ cấp cho cấp độ nhà máy, điều khiển ở mức thứ cấp để kiểm soát chất lượng cho khu vực, và điều khiển ở mức độ nâng cao để vận hành kinh tế như hình 1-5.
Các cấp độ điều khiển trong hệ thống điện công nghiệp Ở mức độ điều khiển sơ cấp (Primary control), việc điều khiển nhằm mục đích đạt các thông số kỹ thuật của thiết bị trong phạm vi nhà máy. Ví dụ: một bộ nghịch lưu nối lưới khi thực hiện điều khiển ở mức độ sơ cấp, chủ yếu điều khiển để phát công suất tác dụng vào lưới điện và đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng điện năng. Tương tự như vậy, việc điều khiển một máy phát điện đồng bộ sử dụng động cơ diesel ở mức độ nhà máy nhằm điều khiển điện áp và tần số theo nguồn lưới đang kết nối. Ở mức độ điều khiển thứ cấp (Secondary control), việc điều khiển các thiết bị nhằm mục đích đạt các thông số chất lượng kỹ thuật cho một khu vực.
Ví dụ, việc điều khiển kết hợp các nguồn phát điện và phụ tải trong một khu vực để đảm bảo ổn định chất lượng điện năng và an toàn cho hệ thống điện của khu vực. Trong khi đó, ở mức độ điều khiển nâng cao (Tertiary control), ngoài mục tiêu ổn định hệ thống, công tác điều độ trong quá trình điều khiển sẽ hướng đến vận hành kinh tế. Khi đó, việc điều khiển được thực hiện bằng cách điều khiển kết hợp các loại nguồn phát điện với những mức công suất khác nhau ở những vị trí khác nhau vào những thời điểm khác nhau nhằm thỏa mãn cực tiểu chi phí phát điện. Trong quá trình này, có thể cắt bớt phụ tải hoặc nguồn phát điện.
18 Do đó, mức độ điều khiển sơ cấp của mọi thiết bị điện là nền tảng cơ bản của điều khiển hệ thống điện công nghiệp. R(t) U(t) C(t) controller object Hình 1‑6. Nguyên lý điều khiển vòng hở Hơn nữa, trong điều khiển, tùy thuộc vào mức độ điều khiển với các yêu cầu khác nhau, có thể sử dụng nguyên lý điều khiển vòng hở hay điều khiển vòng kín như hình 1-6 và 1-7. Ví dụ, để điều khiển vận hành di chuyển theo các hướng của một cầu trục, người vận hành sử dụng bộ điều khiển cầm tay để điều khiển trực tiếp cơ cấu di chuyển của cầu trục.
Khi đó, hệ thống có vẻ như sử dụng nguyên lý điều khiển vòng hở. Tuy nhiên, bản chất của điều khiển luôn là vòng kín. Bởi vì trong quá trình điều khiển, người vận hành sử dụng các giác quan của mình để nhận biết thông số trạng thái của hệ thống cầu trục, từ đó tác động vào các nút bấm của bộ điều khiển cầm tay nhằm đạt mục tiêu di chuyển của cầu trục. Thêm vào đó, khi điều khiển vòng hở, việc điều khiển có thể gây mất an toàn và khó có thể đạt được mục tiêu điều khiển hệ thống.
Nguyên lý điều khiển vòng kín Có nhiều phương pháp điều khiển được sử dụng để điều khiển các thành phần của hệ thống điện công nghiệp và thường được phân nhóm như hình 1-8. Phương pháp điều khiển sử dụng trí thông minh nhân tạo AI (Artificial intelligence) ngày càng được sử dụng nhiều như: logic mờ, mạng nơ ron, mạng nơ ron mờ dựa trên cơ sở dữ liệu và học máy. Các 19 giải thuật di truyền GA (Genetic algorithm), tối ưu bầy đàn PSO (Particle swarm optimization), Cookoo search, Harmony search, v.v, cũng có thể xem là phương pháp AI vì dựa vào thông tin tri thức. Phương pháp điều khiển bão hòa (Hysteresis) thường sử dụng điều khiển dòng, điều khiển trực tiếp công suất, v.
Phương pháp điều khiển dự báo MPC (Model predictive control) thường dựa vào mô hình để hiệu chỉnh việc điều khiển. Phương pháp chế độ trượt SMC (Sliding mode control) có thể điều khiển một đại lượng bất kỳ thông qua việc điều chỉnh mặt trượt. Trong đó, các phương pháp điều khiển tuyến tính (Linear) như sử dụng các bộ điều khiển PID (Proportional integral derivative) hay PR (Prportional resonance) là phổ biến nhất vì tính đơn giản và hiệu quả của chúng. Artificial intelligence Hysteresis Control Linear methods Prediction Sliding mode Hình 1‑8.
Các phương pháp điều khiển thường dùng Trong từng mức độ và yêu cầu cụ thể, có thể sử dụng một phương pháp hay nhiều phương pháp điều khiển kết hợp nhằm đạt mục tiêu điều khiển.4 Tiêu chuẩn đánh giá Để đánh giá chất lượng của việc điều khiển một hệ thống, thông thường các chỉ tiêu kỹ thuật cũng như kinh tế được xem xét một cách định lượng. Các chỉ tiêu kỹ thuật thông thường bao gồm: Tính ổn định Sai số xác lập Đáp ứng động 20 Độ vọt lố Tiêu chuẩn chất lượng điện năng: tiêu chuẩn sóng hài dòng điện, điện áp Tiêu chuẩn chống cô lập Tổn thất công suất Step Response 1.2 Settling time Steady-state error 1 0. Sai số xác lập Step Response 1. Độ vọt lố Để đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả hệ thống điện công nghiệp, các cơ quan quản lý vận hành ban hành các tiêu chuẩn cụ thể cho các thông số kỹ thuật liên quan [2], [3].
Các tiêu chuẩn chất lượng điện năng đã được 21 các cơ quan vận hành hệ thống điện ban hành như: IEEE-929 (2000) [4]; IEEE-1547 (2009) và giới hạn sóng hài IEEE 519-2014 [2], [5], [6] của Mỹ; tiêu chuẩn IEC 62116 (2005) về cô lập DG; IEC 61727 (2007); các tiêu chuẩn EN 50160 ở châu Âu; VDE 0126 (2006) của Đức; thông tư 30 BCT (2019) của Bộ Công thương Việt Nam, v.v, trong đó, các tiêu chuẩn về tần số khi kết nối lưới, giới hạn sóng hài và tổng trở bộ lọc cũng rất nghiêm ngặt đối với thiết bị nối lưới. Như vậy, để thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật và góp phần nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện công nghiệp, cần phải có các nghiên cứu sâu hơn để điều khiển hệ thống điện công nghiệp hiệu quả hơn về mặt kinh tế và an ninh năng lượng.5 Phần mềm mô phỏng Hiện nay có nhiều phần mềm được sử dụng để hỗ trợ mô phỏng điều khiển và kết nối phần cứng cho các thiết bị điện từ nhiều hãng khác nhau. Trong lĩnh vực điều khiển các thiết bị lập trình như PLC (Programmable logic controller) và màn hình HMI (Human machine interface) sẽ có các phần mềm hỗ trợ lập trình đi kèm như: CX-One của Omron, Tia Portal của Siemens, GX Developer của Mitsubishi, v. Trong lĩnh vực tự động và điều khiển trang bị điện có phần mềm Automation StudioTM của hãng Famic Technologies Inc.
Ngoài ra, trong lĩnh vực mô phỏng còn có các phần mềm như MATLAB của hãng Mathworks, PSIM của hãng PowerSim, v. Mỗi phần mềm sẽ có các ưu điểm riêng và tùy vào nhu cầu cụ thể để có các ứng dụng phù hợp.