Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Research on Adaptive Neural Fuzzy Inference System (ANFIS) controller for power system stability" (tên tiếng Trung: 基于 ANFIS 的电力系统稳定控制器研究 - Nghiên cứu bộ điều khiển hệ thống suy diễn mờ nơ-ron thích nghi cho ổn định hệ thống điện) do nghiên cứu sinh Phan Xuân Lễ (Phan Xuan Le / 潘春礼) thực hiện dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Thúc Hồng Xuân (Shu Hongchun / 束洪春) tại Đại học Khoa học và Công nghệ Côn Minh (Kunming University of Science and Technology - 昆明理工大学), hoàn thành vào tháng 3 năm 2015. Luận án thuộc chuyên ngành Cơ điện tử (Mechatronic Engineering / 机械电子工程), định hướng nghiên cứu Thiết bị truyền tải, biến đổi điện và tự động hóa (输变电设备及自动化).

Sự phát triển của các hệ thống điện hiện đại đặc trưng bởi sự liên kết lưới điện công suất lớn, truyền tải khoảng cách xa và việc ứng dụng rộng rãi các thiết bị kích từ nhanh. Tuy nhiên, các thiết bị kích từ điện áp cao và nhanh có thể làm suy giảm khả năng cản dịu của hệ thống kích từ, dẫn đến hiện tượng dao động tần số thấp (Low Frequency Oscillations - LFO). Hiện tượng này gây suy giảm chất lượng điện năng, làm hư hỏng thiết bị và có thể gây sự cố rã lưới trên diện rộng. Bộ ổn định hệ thống điện (Power System Stabilizer - PSS) truyền thống thường được thiết kế dựa trên mô hình tuyến tính hóa tại một điểm vận hành xác định. Khi hệ thống điện vận hành ở trạng thái phi tuyến mạnh hoặc có sự thay đổi cấu hình phụ tải, hiệu quả cản dịu của PSS bị suy giảm. Do đó, việc nghiên cứu một bộ điều khiển thích nghi thông minh phi tuyến như ANFIS để nâng cao tính ổn định của hệ thống điện là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu và các nội dung nghiên cứu chính của luận án được xác định gồm 5 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Phân tích hiện tượng dao động tần số thấp trên lưới điện và các cơ chế phát sinh sự cố dao động trên thế giới.
  2. Phân tích hệ thống kích từ của máy phát điện đồng bộ, xác định ảnh hưởng của mô-men cản dịu kích từ đến ổn định tĩnh và ổn định động của hệ thống điện.
  3. Phân tích ổn định hệ thống điện và thiết lập các thông số của bộ ổn định PSS2A dựa trên điều kiện thực tế của Nhà máy thủy điện Krông H'năng tại Việt Nam nhằm tăng cường khả năng cản dịu của hệ thống kích từ.
  4. Nghiên cứu bộ điều khiển thích nghi mờ - nơ-ron (ANFIS) kết hợp khả năng biểu diễn tri thức mờ và khả năng tự học của mạng nơ-ron để thay thế bộ điều khiển PSS tại Nhà máy thủy điện Krông H'năng.
  5. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống một máy phát nối thanh cái vô cùng (Single Machine Infinite Bus - SMIB) trên phần mềm MATLAB/Simulink; tiến hành so sánh, phân tích và đánh giá phản hồi động học giữa ba chế độ vận hành: không có PSS, có trang bị PSS2A và trang bị bộ điều khiển ANFIS dưới các điều kiện sự cố và nhiễu loạn khác nhau.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là dao động tần số thấp, hệ thống kích từ của máy phát điện đồng bộ ba pha, bộ ổn định PSS2A và cấu trúc điều khiển ANFIS. Phạm vi không gian của nghiên cứu gắn liền với mô hình lưới điện truyền tải 500 kV Bắc - Nam và thông số kỹ thuật của Nhà máy thủy điện Krông H'năng (Việt Nam). Phạm vi thời gian thực hiện nghiên cứu từ tháng 9 năm 2012 đến tháng 3 năm 2015.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong luận án, tác giả đã tổng hợp các công trình nghiên cứu và cơ sở lý thuyết về ổn định tín hiệu nhỏ cũng như các cơ chế gây dao động tần số thấp:

  • Cơ chế cản dịu âm (Negative Damping Mechanism): Do F. Concordia và DeMello công bố năm 1969. Lý thuyết này chỉ ra rằng khi hệ thống truyền tải có điện kháng ngoài lớn và máy phát phát công suất cao, hệ số khuếch đại lớn của hệ thống kích từ nhanh có thể tạo ra thành phần mô-men cản dịu âm. Thành phần này triệt tiêu độ cản dịu vốn có của máy phát, dẫn đến dao động biên độ tăng dần khi xuất hiện nhiễu loạn nhỏ.
  • Cơ chế dao động cưỡng bức / cộng hưởng (Forced Oscillation Mechanism): Do học giả Vương Thiết Cường (Wang Tieqiang) đề xuất, phân tích hiện tượng dao động khi tần số dao động định kỳ của phụ tải hoặc hệ thống điều tốc trùng hoặc gần với tần số dao động riêng của hệ thống điện.
  • Cơ chế cộng hưởng mạnh (Strong Resonance Mechanism): Phân tích sự tương tác giữa các mode dao động khác nhau trong hệ thống đa máy khi các giá trị riêng di chuyển và cắt trục ảo.
  • Cơ chế lý thuyết phi tuyến: Ứng dụng lý thuyết phân nhánh Hopf của Abed và Varaiya (giữa thập niên 1980) để giải thích sự xuất hiện của quỹ đạo tuần hoàn (chu trình giới hạn) và các điểm kỳ dị phi tuyến; cùng với các nghiên cứu bước đầu về hiện tượng dao động hỗn loạn (chaos) trong hệ thống điện nhiều biến động.
  • Các giải pháp triệt tiêu dao động: Khái niệm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) do N. Hingorani đưa ra năm 1986 (gồm SVC, STATCOM, TCSC, SSSC, UPFC), kỹ thuật điều chế công suất đường dây truyền tải một chiều cao áp (HVDC) như công trình tại tuyến đường dây Pacific Intertie ở miền Tây Hoa Kỳ, và các phương pháp thiết kế bộ ổn định hệ thống điện PSS kinh điển.
  • Lý thuyết ANFIS: Cấu trúc mạng thích nghi dựa trên hệ suy diễn mờ do J.-S. R. Jang (Jang Roger) đề xuất năm 1993, kết hợp cấu trúc đại diện luật mờ với thuật toán học tối ưu hóa tham số.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định: Các phương pháp thiết kế PSS truyền thống (như phân tích mode, phương pháp thặng số, độ nhạy giá trị riêng) chủ yếu dựa trên mô hình tuyến tính hóa tại một điểm làm việc tĩnh cố định. Hệ thống điều khiển mờ truyền thống cần chuyên gia thiết lập luật IF-THEN và không có khả năng tự học tham số; ngược lại mạng nơ-ron nhân tạo có tính chất "hộp đen", thiếu tính tường minh về mặt ngôn ngữ. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng việc xây dựng bộ điều khiển ANFIS lai ghép mô hình Sugeno với thuật toán học tham số kết hợp, áp dụng trực tiếp để nâng cao độ cản dịu kích từ cho máy phát điện tại Nhà máy thủy điện Krông H'năng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng các hệ thống lý thuyết, khái niệm và công cụ tính toán gồm:

  1. Lý thuyết ổn định hệ thống điện và dao động tần số thấp: Phân loại ổn định góc công suất thành ổn định góc công suất do nhiễu loạn lớn (ổn định quá độ) và ổn định góc công suất do nhiễu loạn nhỏ (ổn định tín hiệu nhỏ). Phân chia mode dao động theo bảng phân loại chuẩn:
Loại dao động Dải tần số Nguyên nhân chính Phương pháp nghiên cứu
Mode khu vực (Inter-area mode) 0,1 - 0,7 Hz Hệ thống thiếu cản dịu tổng thể, liên kết giữa các cụm máy phát yếu Mô hình hóa chi tiết toàn hệ thống
Mode nhà máy (Local mode) 0,8 - 2,0 Hz Thiết bị kích từ nhanh của máy phát đưa vào cản dịu âm Mô hình hóa chi tiết hệ thống cục bộ
Mode bộ điều khiển (Control mode) - Cấu hình thiết bị điều khiển không hợp lý Mô hình hệ thống một máy nối thanh cái vô cùng
Mode cộng hưởng dưới đồng bộ (Sub-synchronous mode) - Tương hỗ giữa hệ cơ khí trục máy và tần số lưới điện Mô hình hóa chi tiết trục máy và mạng điện
  1. Lý thuyết hệ thống suy diễn mờ nơ-ron thích nghi (ANFIS): Sử dụng mô hình Takagi-Sugeno bậc 1 với cấu trúc mạng truyền thẳng 5 lớp:
  • Lớp 1 (Lớp hàm liên thuộc): Tính toán độ thuộc của biến đầu vào $x, y$ thông qua hàm hình chuông tổng quát: $$O_{1,i} = \mu_{A_i}(x) = \frac{1}{1 + \left|\frac{x - c_i}{a_i}\right|^{2b_i}}$$ trong đó ${a_i, b_i, c_i}$ là tập tham số tiền đề (premise parameters) xác định độ rộng, độ dốc và tâm của hàm liên thuộc.
  • Lớp 2 (Lớp cường độ kích hoạt luật): Tính tích các tín hiệu vào: $$O_{2,i} = w_i = \mu_{A_i}(x) \mu_{B_i}(y)$$
  • Lớp 3 (Lớp chuẩn hóa cường độ luật): Tính tỷ lệ kích hoạt của từng luật: $$O_{3,i} = \bar{w}_i = \frac{w_i}{\sum w_i}$$
  • Lớp 4 (Lớp kết luận luật): Tính đầu ra của từng luật: $$O_{4,i} = \bar{w}_i f_i = \bar{w}_i (p_i x + q_i y + r_i)$$ với ${p_i, q_i, r_i}$ là tập tham số kết luận (consequent parameters).
  • Lớp 5 (Lớp tổng đầu ra): Tính tổng tất cả các tín hiệu truyền tới: $$O_{5,1} = \sum \bar{w}_i f_i = \frac{\sum w_i f_i}{\sum w_i}$$
  1. Thuật toán học lai (Hybrid Learning Algorithm):
  • Lan truyền tiến (Forward Pass): Cố định tham số tiền đề, sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu (Least Squares Estimate - LSE / RLS) để nhận dạng tham số kết luận ${p_i, q_i, r_i}$.
  • Lan truyền ngược (Backward Pass): Cố định tham số kết luận, sử dụng giải thuật hạ độ dốc (Gradient Descent / BP) để cập nhật tham số tiền đề ${a_i, b_i, c_i}$ theo sai số bình phương $E$.
Tham số Lan truyền tiến (Forward pass) Lan truyền ngược (Backward pass)
Tham số tiền đề ${a_i, b_i, c_i}$ Cố định không đổi Cập nhật bằng giải thuật hạ độ dốc (BP)
Tham số kết luận ${p_i, q_i, r_i}$ Nhận dạng bằng bình phương tối thiểu (LSE) Cố định không đổi

Phương pháp nghiên cứu thực tế là phương pháp định lượng và mô phỏng số học: xây dựng hệ phương trình vi phân phi tuyến mô tả hệ thống máy phát điện đồng bộ nối thanh cái vô cùng (SMIB) có bù tín hiệu kích từ phụ $U_{ANFIS}$, sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink để mô phỏng và kiểm tra định lượng các đáp ứng miền thời gian. Dữ liệu đầu vào sử dụng thông số kỹ thuật thực tế của hệ thống phát điện Thủy điện Krông H'năng và các chỉ số cấu trúc điều độ của lưới điện Việt Nam (trung tâm điều độ A0, A1, A2, A3).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu (第一章 绪论)

Chương này trình bày tính cấp thiết và cơ sở lý luận về ổn định hệ thống điện:

  • Phân tích các sự cố mất ổn định và mất điện diện rộng lịch sử trên thế giới (sự cố mất điện miền Tây Hoa Kỳ năm 1996, sự cố rã lưới tháng 8/2003 tại Mỹ - Canada ảnh hưởng đến 50 triệu người, các sự cố tại Anh, Thụy Điển, Đan Mạch, Ý).
  • Trình bày ba phương pháp phân tích ổn định tín hiệu nhỏ truyền thống: mô phỏng miền thời gian (Time-domain simulation), phương pháp miền tần số (Frequency-domain method) và phương pháp phân tích giá trị riêng (Eigenvalue analysis method dựa trên định lý thứ nhất của Lyapunov).
  • Hệ thống hóa các cơ chế phát sinh dao động tần số thấp (cản dịu âm, dao động cưỡng bức, cộng hưởng mạnh, phân nhánh Hopf, dao động hỗn loạn) và các giải pháp điều khiển ngăn chặn (PSS, FACTS, HVDC, ANFIS).
  • Giới thiệu tổng quan hệ thống điện Việt Nam với trục xương sống đường dây 500 kV Bắc - Nam, phân cấp điều độ (A0, A1, A2, A3), 5 trạng thái vận hành của hệ thống điện (Bình thường, Cảnh báo, Khẩn cấp, Sự cố, Khôi phục) và hai cấp điều khiển chính tại nhà máy điện: bộ điều khiển tần số tải (LFC) và bộ điều khiển hệ thống kích từ (AVR).

Chương 2: Phân tích Hệ thống suy diễn mờ nơ-ron thích nghi (第二章 自适应神经模糊推理系统分析)

Chương 2 đi sâu vào cấu trúc toán học và giải thuật huấn luyện của ANFIS:

  • So sánh chi tiết sự tương đồng và khác biệt giữa hệ mờ và mạng nơ-ron nhân tạo trên 6 khía cạnh: tập ánh xạ, phương thức lưu trữ tri thức, độ chính xác ánh xạ, phương thức kết nối, ý nghĩa vật lý của cấu trúc và khối lượng tính toán.
  • Trình bày nguyên lý của hai hệ suy diễn mờ Mamdani và Takagi-Sugeno.
  • Mô tả chi tiết mạng truyền thẳng 5 lớp Takagi-Sugeno ANFIS đối với hệ 2 đầu vào, 1 đầu ra.
  • Thiết lập công thức toán học cho thuật toán học lai (Hybrid Learning Algorithm): kết hợp giải thuật lan truyền ngược (BP) để cập nhật tham số hàm liên thuộc tiền đề và thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy (RLS) với ma trận hiệp phương sai sai số $S(k)$ để xác định véc-tơ tham số kết luận $\hat{\theta}$.

Chương 3: Ảnh hưởng của hệ thống điều khiển kích từ máy phát đồng bộ đến dao động tần số thấp (第三章 同步发电机的励磁控制系统对低频振荡的影响)

Chương 3 khảo sát mô hình máy phát và hệ thống kích từ:

  • Trình bày nguyên lý cấu tạo của máy phát điện đồng bộ ba pha (stator từ các lá thép kỹ thuật điện xếp chồng, rotor cực lồi và rotor cực ẩn).
  • Xây dựng mô hình toán học của hệ thống kích từ và bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR), phân tích mối liên hệ giữa điện áp đầu cực, dòng kích từ và mô-men điện từ $T_e$.
  • Làm rõ cơ chế hệ thống kích từ tác động lên góc lệch công suất $\delta$ và độ lệch tốc độ $\Delta\omega$, qua đó chứng minh bộ kích từ khuếch đại cao có thể tạo ra thành phần mô-men cản dịu âm làm mất ổn định tín hiệu nhỏ.
  • Đưa ra thông số kỹ thuật thực tế của cụm tổ máy phát điện tại Nhà máy thủy điện Krông H'năng (Việt Nam) và kết quả đáp ứng động học của hệ thống khi không trang bị bộ ổn định PSS (trường hợp non-PSS) dưới tác động của nhiễu loạn.

Chương 4: Nghiên cứu Bộ ổn định hệ thống điện - PSS (第四章 电力系统稳定器(PSS)的研究)

Chương này tập trung vào thiết kế và kiểm nghiệm bộ ổn định PSS truyền thống:

  • Tổng quan các phương pháp thiết kế tham số, phương pháp tối ưu hóa và xác định vị trí lắp đặt PSS trong hệ thống điện.
  • Thiết lập cấu trúc và tính toán tham số cho bộ ổn định PSS2A (bộ ổn định PSS đầu vào kép sử dụng tín hiệu sai lệch tốc độ $\Delta\omega$ và công suất điện $\Delta P_e$) ứng dụng cho tổ máy phát Nhà máy thủy điện Krông H'năng.
  • Thiết lập mô hình mô phỏng hệ thống trang bị bộ ổn định PSS2A trên môi trường MATLAB/Simulink; thực hiện kiểm tra đáp ứng động học trong hai điều kiện: đột biến phụ tải và sự cố ngắn mạch ba pha.

Chương 5: Ứng dụng Hệ thống suy diễn mờ nơ-ron thích nghi trong điều khiển ổn định hệ thống điện (第五章 自适应神经模糊推理系统在电力系统的稳定控制中的应用)

Chương 5 là nội dung thực nghiệm và ứng dụng chính của luận án:

  • Xây dựng cấu trúc điều khiển ổn định sử dụng ANFIS để tạo tín hiệu điều khiển bổ sung $U_{ANFIS}$ đưa vào mạch kích từ của máy phát điện trong mô hình SMIB.
  • Thiết kế bộ điều khiển ANFIS thay thế cho PSS truyền thống, huấn luyện dữ liệu để tối ưu hóa hàm liên thuộc và các hệ số kết luận nhằm tạo mô-men cản dịu dương đồng pha với độ lệch tốc độ $\Delta\omega$.
  • Tiến hành mô phỏng số trên MATLAB/Simulink và so sánh đối chứng toàn diện giữa ba chế độ: Không có PSS (Non-PSS), Có lắp PSS2A và Có lắp bộ điều khiển ANFIS dưới 4 kịch bản vận hành:
    1. Đột biến phụ tải (Load sudden change).
    2. Đột biến điện áp đặt kích từ (Excitation reference voltage step change).
    3. Sự cố ngắn mạch ba pha trên đường dây truyền tải (Three-phase short circuit fault).
    4. Đột biến công suất cơ học đầu vào (Mechanical power sudden change).
  • Phân tích đồ thị đáp ứng thời gian cho thấy bộ điều khiển ANFIS giúp dập tắt dao động công suất và dao động góc công suất nhanh hơn, giảm độ vọt lố và rút ngắn thời gian xác lập so với PSS2A và hệ thống không có PSS.

Chương 6: Kết luận (第六章 结论)

  • Tổng kết các kết quả nghiên cứu đã đạt được trong toàn bộ luận án.
  • Khẳng định tính hiệu quả của giải thuật ANFIS trong việc tăng cường cản dịu và triệt tiêu dao động tần số thấp cho máy phát điện.
  • Đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng của bộ điều khiển.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và thực tiễn được luận án nêu rõ gồm:

  1. Đóng góp về phương pháp luận và lý thuyết: Ứng dụng thành công lý thuyết suy diễn mờ nơ-ron thích nghi (ANFIS) kết hợp thuật toán học lai (Hybrid Learning Algorithm giữa Gradient Descent và RLS) vào bài toán điều khiển cản dịu kích từ của máy phát điện đồng bộ, khắc phục nhược điểm phụ thuộc điểm làm việc của PSS tuyến tính hóa và tính thiếu thích nghi của hệ mờ kinh điển.
  2. Đóng góp về mặt kỹ thuật và ứng dụng thực tiễn:
  • Tính toán và cấu hình thành công bộ thông số vận hành cho bộ ổn định PSS2A dựa trên thông số cụ thể của tổ máy phát Nhà máy thủy điện Krông H'năng (Việt Nam).
  • Thiết kế hoàn chỉnh cấu trúc bộ điều khiển kích từ bổ sung ANFIS cho mô hình hệ thống một máy phát nối thanh cái vô cùng (SMIB).
  • Chứng minh bằng mô phỏng số trên MATLAB/Simulink rằng bộ điều khiển ANFIS vượt trội hơn PSS2A truyền thống trong việc triệt tiêu dao động tần số thấp dưới 4 kịch bản nhiễu động nghiêm ngặt (đột biến tải, thay đổi điện áp chuẩn kích từ, ngắn mạch 3 pha và đột biến công suất cơ).
  1. Kiến nghị giải pháp: Đề xuất áp dụng giải pháp điều khiển kích từ thích nghi thông minh ANFIS vào các nhà máy thủy điện trên hệ thống điện Việt Nam nhằm nâng cao độ ổn định tĩnh và ổn định động của lưới điện truyền tải liên kết.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung văn bản luận án, các hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

  • Hạn chế:
    • Các kết quả đánh giá hiệu năng chủ yếu được thực hiện thông qua mô phỏng số học trên mô hình hệ thống một máy phát nối thanh cái vô cùng (Single Machine Infinite Bus - SMIB) bằng MATLAB/Simulink, chưa tiến hành thử nghiệm trên lưới điện đa máy quy mô lớn thực tế.
    • Quá trình huấn luyện ANFIS chủ yếu dựa trên phương thức học theo lô (batch learning / offline), đòi hỏi tập dữ liệu mẫu ban đầu để nhận dạng tham số.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng nghiên cứu áp dụng thuật toán ANFIS cho hệ thống điện đa máy phức tạp có tính đến tương tác giữa các mode dao động liên khu vực (Inter-area modes).
    • Nghiên cứu cơ chế tự học thích nghi trực tuyến (Online adaptive learning) cho ANFIS khi cấu hình lưới điện thay đổi liên tục.
    • Kết hợp bộ điều khiển ANFIS với các thiết bị FACTS hoặc hệ thống truyền tải HVDC trên lưới điện Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa và Cơ điện tử: Có thể tham khảo Chương 2 về cơ sở toán học chi tiết của mạng ANFIS 5 lớp và giải thuật học lai LSE-BP; Chương 3 về phương pháp mô hình hóa toán học hệ thống kích từ máy phát đồng bộ.
  • Kỹ sư vận hành, chuyên gia điều độ hệ thống điện (các trung tâm điều độ A0, A1, A2, A3) và kỹ sư nhà máy điện: Có thể tham khảo phương pháp chỉnh định thông số PSS2A tại Chương 4 và mô hình mô phỏng đánh giá dao động trên MATLAB/Simulink tại Chương 5 để áp dụng tính toán ổn định cho các nhà máy thủy điện thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Dao động tần số thấp trong hệ thống điện được phân loại như thế nào trong luận án?
Luận án phân loại dao động tần số thấp theo phạm vi và tần số thành 4 mode chính: (1) Mode khu vực (Inter-area mode) có dải tần 0,1 - 0,7 Hz do thiếu cản dịu tổng thể giữa các cụm máy phát liên kết yếu; (2) Mode nhà máy (Local mode) có dải tần 0,8 - 2,0 Hz xuất phát từ hệ thống kích từ nhanh của nhà máy cục bộ; (3) Mode bộ điều khiển (Control mode) liên quan đến thiết bị điều khiển; (4) Mode cộng hưởng dưới đồng bộ (Sub-synchronous mode) do tương hỗ điện từ - cơ khí trục máy.

2. Tại sao hệ thống kích từ tác động nhanh lại có thể gây dao động tần số thấp theo cơ chế của F. Concordia?
Theo cơ chế cản dịu âm do F. Concordia và DeMello (1969) công bố, khi hệ thống truyền tải có điện kháng ngoài lớn và máy phát làm việc ở công suất cao, bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR) có độ lợi khuếch đại cao sẽ tạo ra một thành phần mô-men cản dịu âm. Thành phần này triệt tiêu mô-men cản dịu dương vốn có của máy phát, làm cho tổng độ cản dịu của hệ thống bị triệt tiêu hoặc mang giá trị âm, dẫn đến dao động biên độ tăng dần khi có nhiễu loạn nhỏ.

3. Cấu trúc 5 lớp của mô hình Takagi-Sugeno ANFIS trong luận án thực hiện chức năng gì?
Cấu trúc 5 lớp gồm: Lớp 1 tính giá trị hàm liên thuộc hình chuông tổng quát của biến vào (chứa tham số tiền đề $a_i, b_i, c_i$); Lớp 2 tính cường độ kích hoạt luật bằng phép nhân $\Pi$; Lớp 3 chuẩn hóa cường độ kích hoạt luật $N$; Lớp 4 tính đầu ra của từng luật mờ (chứa tham số kết luận $p_i, q_i, r_i$); Lớp 5 tính tổng đầu ra rõ duy nhất bằng phép cộng $\Sigma$.

4. Thuật toán học lai (Hybrid Learning Algorithm) của ANFIS phân chia việc cập nhật tham số như thế nào?
Thuật toán chia làm hai bước: Ở pha lan truyền tiến (Forward pass), các tham số tiền đề ${a_i, b_i, c_i}$ được giữ cố định, các tham số kết luận ${p_i, q_i, r_i}$ được ước lượng tối ưu bằng thuật toán bình phương tối thiểu (LSE/RLS); Ở pha lan truyền ngược (Backward pass), các tham số kết luận được giữ cố định, sai số được truyền ngược bằng giải thuật hạ độ dốc (BP) để cập nhật lại các tham số tiền đề.

5. Luận án đã kiểm tra hiệu năng của bộ điều khiển ANFIS dưới những kịch bản mô phỏng nào?
Tác giả đã kiểm nghiệm mô hình SMIB trên phần mềm MATLAB/Simulink dưới 4 kịch bản nhiễu loạn: (1) Đột biến phụ tải, (2) Đột biến điện áp tham chiếu kích từ, (3) Ngắn mạch ba pha trên đường dây truyền tải, và (4) Đột biến công suất cơ học của tuabin. Trong cả 4 trường hợp, ANFIS đều cho kết quả triệt tiêu dao động vượt trội so với PSS2A và hệ thống không PSS.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phan Xuân Lễ đã nghiên cứu toàn diện bài toán nâng cao tính ổn định tín hiệu nhỏ và dập tắt dao động tần số thấp cho hệ thống điện thông qua việc tích hợp bộ điều khiển thích nghi mờ nơ-ron ANFIS vào mạch kích từ máy phát đồng bộ. Dựa trên dữ liệu thực tế của Nhà máy thủy điện Krông H'năng và mô hình lưới điện Việt Nam, tác giả đã thiết lập thành công bộ thông số PSS2A và thiết kế cấu trúc điều khiển ANFIS huấn luyện bằng thuật toán lai LSE-BP. Kết quả mô phỏng số học trên môi trường MATLAB/Simulink khẳng định giải pháp ANFIS có khả năng thích nghi cao, dập tắt dao động nhanh và cải thiện rõ rệt chất lượng động học so với các bộ ổn định PSS truyền thống. Công trình đóng góp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật hữu ích cho công tác vận hành, điều khiển ổn định hệ thống điện truyền tải.