Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh hệ thống năng lượng hiện đại liên tục mở rộng quy mô truyền tải liên vùng, việc duy trì độ ổn định tĩnh và ổn định động đóng vai trò then chốt đối với an toàn vận hành hệ thống điện quốc gia. Khi các đường dây truyền tải điện áp cao 230 kV phải truyền tải công suất lớn, ví dụ mức truyền tải 413 MW giữa hai khu vực, hệ thống thường xuyên đối mặt với các dao động điện cơ tần số thấp dao động trong khoảng từ 0.1 Hz đến 2.0 Hz. Những dao động này nếu không được dập tắt kịp thời sẽ tích tụ năng lượng, làm suy yếu mối liên kết giữa các khu vực và có nguy cơ dẫn đến sự cố tan rã toàn bộ hệ thống điện.

Vấn đề cốt lõi nảy sinh từ bộ ổn định hệ thống điện truyền thống PSS Kundur chỉ sử dụng một tín hiệu ngõ vào là độ lệch tốc độ rotor và được thiết kế dựa trên mô hình tuyến tính hóa quanh một điểm làm việc cố định. Khi phụ tải biến động từ 5% đến 10% hoặc xuất hiện sự cố ngắn mạch ba pha nghiêm trọng, các thông số cố định của bộ PSS Kundur không còn duy trì được đường đặc tính tối ưu, thậm chí tạo ra moment cản âm gây mất ổn định.

Mục tiêu trọng tâm của luận văn là nghiên cứu, thiết kế và tối ưu hóa bộ ổn định hệ thống điện sử dụng mạng nơron truyền thẳng có khâu trễ ngõ vào mang tên FTDNN-PSS. Thiết bị này tiếp nhận đồng thời hai tín hiệu đầu vào theo thời gian thực gồm độ lệch tốc độ và độ lệch công suất tăng tốc. Nghiên cứu được triển khai trên mô hình hệ thống điện đa máy phát gồm 4 tổ máy phát đồng bộ công suất 900 MVA chia làm hai khu vực đối xứng, kết nối qua 11 đến 13 thanh cái. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn lớn khi giúp rút ngắn thời gian triệt tiêu dao động quá độ xuống dưới 2.5 giây sau sự cố ngắn mạch kéo dài 0.133 giây, nâng cao khả năng truyền tải của đường dây tiệm cận giới hạn nhiệt định mức mà vẫn đảm bảo an toàn vận hành tuyệt đối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết vững chắc về ổn định hệ thống điện và kỹ thuật điều khiển thông minh hiện đại. Trước hết, luận văn vận dụng tiêu chuẩn diện tích bằng nhau và tiêu chuẩn hàm năng lượng quá độ Liapunov để phân tích ranh giới ổn định góc lệch rotor khi hệ thống chịu tác động của nhiễu loạn lớn. Dựa trên phương trình chuyển động của rotor máy phát với hằng số quán tính H và hệ số moment cản KD, tiêu chuẩn năng lượng xác định rằng hệ thống sẽ duy trì được trạng thái cân bằng nếu tổng động năng và thế năng quá độ nhỏ hơn mức năng lượng giới hạn sau khi loại trừ sự cố.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp mô hình tuyến tính hóa Heffron-Phillips cho máy phát làm việc với hệ thống thanh cái vô hạn và mở rộng cho lưới điện đa máy phát. Mô hình này làm sáng tỏ tương quan giữa các hệ số từ K1 đến K6, phản ánh tác động của từ thông kích từ và bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR mạch kích từ Thyristor lên các thành phần moment đồng bộ và moment cản. Đặc biệt, cấu trúc mạng nơron truyền thẳng có khâu trễ ngõ vào FTDNN đóng vai trò hạt nhân trong việc nhận dạng và thích nghi phi tuyến. Thuật toán lan truyền ngược sai số Levenberg-Marquardt được ứng dụng để liên tục cập nhật ma trận trọng số, xử lý linh hoạt hai tín hiệu ngõ vào là độ lệch tốc độ và độ lệch công suất tăng tốc nhằm tạo ra tín hiệu điện áp điều khiển kích từ bổ sung chính xác nhất.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số trên môi trường Matlab Simulink kết hợp bộ công cụ Power System Blockset để thu thập và xử lý dữ liệu động học. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm một ma trận dữ liệu lớn có kích thước 2 x 16016 điểm dữ liệu, được trích xuất từ chuỗi phản ứng quá độ của các đại lượng điện áp, tốc độ góc và công suất.

Phương pháp chọn mẫu được thực hiện theo nguyên tắc lấy mẫu có chủ đích đa kịch bản với 16 trường hợp vận hành tiêu biểu. Các kịch bản này bao gồm các dạng sự cố ngắn mạch ba pha thoáng qua tại nhiều vị trí trọng yếu: cách thanh cái B1 các khoảng cách 20 km, 50 km, 80 km; cách thanh cái B2 các khoảng cách 20 km, 50 km, 80 km; tại điểm giữa đường dây liên kết 110 km; đồng thời kết hợp với các mức dao động phụ tải khu vực từ 3%, 5% đến 10%. Sự cố được thiết lập xuất hiện tại thời điểm 1.0 giây, thời gian tồn tại ngắn mạch là 0.133 giây (tương đương 8 chu kỳ tần số 60 Hz) và máy cắt tác động cô lập hoàn toàn tại thời điểm 1.2 giây.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên thuật toán tối ưu hóa lan truyền ngược kết hợp chỉ số sai số toàn phương trung bình MSE là nhằm đảm bảo tốc độ hội tụ nhanh và triệt tiêu sai lệch điều khiển. Tiến trình huấn luyện mạng nơron được kiểm soát qua 300 chu kỳ lặp để xác định cấu trúc mạng tối ưu có sai số nhỏ nhất, giúp mô hình FTDNN-PSS đạt độ chính xác điều khiển cao nhất trong suốt timeline nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm mô phỏng và kiểm thử đối chứng đã mang lại 4 phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, cấu trúc mạng nơron FTDNN hai ngõ vào có khâu trễ đạt độ chính xác nhận dạng vượt trội với sai số MSE thấp hơn đáng kể so với cấu trúc mạng truyền thẳng không trễ Newff sau 300 chu kỳ huấn luyện. Việc tích hợp khâu trễ giúp mạng nơron ghi nhớ được tiến trình động học quá khứ của rotor, từ đó dự báo chính xác xu hướng dao động.

Thứ hai, trong kịch bản sự cố ngắn mạch ba pha tại điểm giữa đường dây L1 dài 110 km, bộ FTDNN-PSS giúp giảm thời gian dập tắt dao động góc rotor xuống còn 2.2 giây, nhanh hơn khoảng 35% đến 40% so với thời gian xác lập 3.8 giây của bộ PSS Kundur kinh điển. Độ vọt lố biên độ góc lệch rotor cũng giảm được khoảng 18% so với giá trị cực đại khi sử dụng bộ ổn định truyền thống.

Thứ ba, ở chế độ vận hành lệch tải nghiêm trọng khi phụ tải khu vực 1 tăng 10% (đạt mức 1069.2 MW) và phụ tải khu vực 2 giảm 5% (xuống còn 1689.1 MW), bộ FTDNN-PSS thể hiện khả năng thích nghi phi tuyến hoàn hảo. Hệ thống nhanh chóng tái lập trạng thái cân bằng điện áp và tần số tại thanh cái 230 kV mà không xảy ra hiện tượng mất đồng bộ giữa 4 tổ máy phát 900 MVA.

Thứ tư, tín hiệu điều khiển điện áp kích từ đầu ra Upssnr từ bộ FTDNN-PSS có dạng đáp ứng mượt mà, loại bỏ triệt để hiện tượng quá điều khiển, giúp các tổ máy phát điện có thể vận hành ổn định ở mức 95% đến 98% công suất định mức cực đại ngay sau khi xóa sự cố.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp bộ FTDNN-PSS đạt hiệu năng vượt trội là nhờ việc bổ sung tín hiệu độ lệch công suất tăng tốc bên cạnh độ lệch tốc độ rotor. Khi xảy ra ngắn mạch, công suất điện từ giảm đột ngột về gần bằng 0 trong khi công suất cơ của tuốc bin chưa kịp thay đổi, tạo ra gia tốc góc quay rất lớn. Việc nắm bắt kịp thời độ lệch công suất tăng tốc cho phép bộ điều khiển nơron tạo ra một moment cản dương đồng pha với độ lệch tốc độ ngay tại chu kỳ dao động đầu tiên, triệt tiêu hiệu quả moment cản âm sinh ra bởi bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR.

So sánh với các nghiên cứu sử dụng bộ ổn định mờ AFLPSS hoặc giải thuật di truyền GA, bộ FTDNN-PSS có ưu thế rõ rệt về tốc độ xử lý thời gian thực và không yêu cầu xây dựng tập luật mờ phức tạp từ chuyên gia. Để trực quan hóa các kết quả nghiên cứu, dữ liệu phản ứng động học được mô tả sinh động qua đồ thị đáp ứng thời gian biểu diễn quỹ đạo góc lệch rotor và bảng tổng hợp so sánh các chỉ số hiệu năng bao gồm độ vọt lố, thời gian quá độ và sai số MSE giữa 16 kịch bản vận hành khác nhau. Biểu đồ miền thời gian minh chứng rõ nét rằng đường cong dao động của FTDNN-PSS có biên độ suy giảm theo hàm mũ nhanh hơn hẳn so với đường cong dao động của PSS Kundur.

Đề xuất và khuyến nghị

Từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao:

Thứ nhất, tích hợp thuật toán điều khiển FTDNN-PSS vào hệ thống kích từ số kỹ thuật số của các nhà máy điện có tổ máy công suất lớn từ 300 MW đến 900 MW. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư tự động hóa nhà máy điện phối hợp cùng nhà chế tạo thiết bị, hướng tới mục tiêu giảm 30% thời gian quá độ kích từ trong lộ trình triển khai 12 tháng.

Thứ hai, nâng cấp hạ tầng đo lường diện rộng WAMS kết hợp thiết bị đo đồng pha PMU tại các trạm biến áp nút 230 kV và 500 kV. Trung tâm điều độ hệ thống điện Quốc gia đóng vai trò chủ trì, đặt mục tiêu thu thập dữ liệu góc pha điện áp đồng bộ với chu kỳ lấy mẫu 20 mili giây trong vòng 18 tháng để cung cấp tín hiệu đầu vào chất lượng cao cho bộ điều khiển nơron.

Thứ ba, mở rộng cơ sở dữ liệu huấn luyện mạng nơron từ 16 kịch bản lên quy mô hơn 50 kịch bản bao gồm các chế độ vận hành đa dạng như mất máy phát lớn, dao động công suất tuốc bin và ngắn mạch không đối xứng. Các viện nghiên cứu năng lượng và phòng thí nghiệm trọng điểm cần thực hiện giải pháp này trong thời gian 6 đến 9 tháng để nâng cao độ bền vững của mô hình.

Thứ tư, ban hành quy chuẩn kỹ thuật về thử nghiệm và cài đặt thông số bộ ổn định hệ thống điện thông minh cho các nguồn năng lượng mới đấu nối vào lưới truyền tải. Cục Điều tiết Điện lực và các đơn vị truyền tải cần chủ trì ban hành văn bản quy phạm kỹ thuật trong vòng 24 tháng, đảm bảo chỉ số sai số MSE của hệ thống điều khiển luôn duy trì dưới ngưỡng 0.001.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và thực tiễn phong phú cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

Thứ nhất, kỹ sư vận hành và điều độ viên tại các trung tâm điều độ hệ thống điện: Nắm bắt sâu sắc bản chất dao động liên vùng tần số thấp từ 0.1 Hz đến 2.0 Hz, từ đó áp dụng các giải pháp phân bổ trào lưu công suất và cài đặt thông số kích từ tối ưu nhằm ngăn ngừa sự cố mất liên kết lưới điện 230 kV.

Thứ hai, học viên cao học, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Tự động hóa: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp xây dựng mô hình hệ thống điện đa máy phát trên Matlab Simulink và kỹ thuật ứng dụng mạng nơron FTDNN trong điều khiển thích nghi phi tuyến.

Thứ ba, chuyên gia nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại các đơn vị sản xuất thiết bị điện lực: Ứng dụng cấu trúc thuật toán FTDNN-PSS để lập trình nhúng trên các dòng vi xử lý số DSP hoặc vi mạch FPGA, hiện đại hóa dòng sản phẩm điều khiển kích từ tự động AVR/PSS thế hệ mới.

Thứ tư, giảng viên và các nhà khoa học tại các trường đại học khối kỹ thuật: Khai thác tài liệu để phục vụ công tác giảng dạy các học phần chuyên sâu như Động lực học hệ thống điện, Ổn định và điều khiển hệ thống năng lượng, Trí tuệ nhân tạo trong kỹ thuật điện.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao bộ ổn định FTDNN-PSS lại có khả năng dập tắt dao động vượt trội hơn bộ PSS Kundur truyền thống?
Bộ PSS Kundur sử dụng thông số cố định được tuyến tính hóa tại một điểm làm việc nhất định nên kém hiệu quả khi phụ tải biến động. Ngược lại, FTDNN-PSS với mạng nơron thích nghi phi tuyến và 2 tín hiệu ngõ vào giúp nhận dạng chính xác trạng thái lưới điện, cung cấp moment cản dương kịp thời, rút ngắn thời gian ổn định xuống dưới 2.5 giây.

Hai tín hiệu ngõ vào của bộ FTDNN-PSS đóng vai trò cụ thể như thế nào trong quá trình điều khiển?
Tín hiệu độ lệch tốc độ phản ánh sự thay đổi vận tốc quay của rotor máy phát, trong khi độ lệch công suất tăng tốc phản ánh trực tiếp sự mất cân bằng giữa công suất cơ và công suất điện từ. Việc kết hợp cả hai tín hiệu giúp bộ điều khiển bù đúng góc pha trễ, tăng cường moment cản đồng pha với tốc độ.

Mô hình hệ thống điện thử nghiệm trong nghiên cứu có quy mô và cấu hình ra sao?
Hệ thống gồm 4 máy phát đồng bộ 900 MVA chia làm 2 khu vực đối xứng liên kết qua đường dây 230 kV dài 110 km, truyền tải công suất liên vùng 413 MW. Phụ tải khu vực 1 là 972 MW kèm tụ bù 300 MVAr, phụ tải khu vực 2 là 1778 MW kèm tụ bù 350 MVAr.

Thuật toán lan truyền ngược sai số Levenberg-Marquardt được triển khai với các thông số nào?
Thuật toán được cấu hình huấn luyện qua 300 chu kỳ lặp trên tập dữ liệu ma trận kích thước 2 x 16016 điểm lấy từ 16 kịch bản sự cố. Mục tiêu là tối thiểu hóa sai số toàn phương trung bình MSE, giúp mạng nơron đạt tốc độ hội tụ nhanh và không bị bẫy cực tiểu địa phương.

Giải pháp FTDNN-PSS có tính khả thi khi ứng dụng vào hệ thống điều khiển thực tế hay không?
Hoàn toàn khả thi vì cấu trúc mạng nơron truyền thẳng có khâu trễ ngõ vào có khối lượng tính toán nhẹ, dễ dàng nhúng vào các bộ điều khiển số DSP hoặc PLC trong hệ thống kích từ Thyristor của các nhà máy điện hiện đại với thời gian đáp ứng ở mức mili giây.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu với những đóng góp học thuật và thực tiễn nổi bật:

  • Xây dựng thành công mô hình bộ ổn định hệ thống điện nơron truyền thẳng có trễ ngõ vào FTDNN-PSS tiếp nhận hai tín hiệu độ lệch tốc độ và độ lệch công suất tăng tốc.
  • Thiết lập ngân hàng dữ liệu mẫu toàn diện từ 16 kịch bản sự cố ngắn mạch ba pha và biến động tải trên mô hình 4 tổ máy phát 900 MVA điện áp 230 kV.
  • Tối ưu hóa cấu trúc mạng nơron với thuật toán Levenberg-Marquardt qua 300 chu kỳ huấn luyện, đạt chỉ số sai số MSE vượt trội so với các mô hình mạng truyền thống.
  • Chứng minh tính ưu việt của FTDNN-PSS trong việc triệt tiêu dao động điện cơ tần số thấp từ 0.1 Hz đến 2.0 Hz, rút ngắn thời gian xác lập quá độ về dưới 2.5 giây.
  • Đặt nền móng khoa học vững chắc cho việc phát triển các bộ điều khiển kích từ thích nghi thông minh trên lưới điện truyền tải quy mô lớn.

Trong giai đoạn tiếp theo từ 12 đến 24 tháng tới, hướng phát triển trọng tâm là thử nghiệm phần cứng trong vòng lặp thời gian thực RTDS và tích hợp dữ liệu đo lường góc pha từ hệ thống PMU diện rộng. Các cơ quan quản lý và kỹ sư vận hành hệ thống điện được khuyến khích tham khảo toàn văn luận văn để áp dụng vào công tác tối ưu hóa an toàn lưới điện.