Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu ổn định và tối ưu các hệ thống phức hợp nhiều thành phần ứng dụng cho hệ thống điện" được thực hiện tại Viện Công nghệ thông tin thuộc Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Thái Quang Vinh và TS Hoàng Ngọc Nhân. Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, tập trung giải quyết bài toán ổn định và tối ưu hóa cho hệ thống phức hợp quy mô lớn (large-scale systems), lấy đối tượng ứng dụng trọng tâm là hệ thống điện diện rộng.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong lý thuyết hệ thống, các hệ thống quy mô lớn như mạng lưới sinh thái, hệ thống giao thông, mạng máy tính toàn cầu và hệ thống điện diện rộng có mô hình toán học phức tạp, bậc cao và chịu ảnh hưởng tương hỗ từ nhiều quá trình công nghệ. Khối lượng tính toán cho các hệ thống này tăng nhanh hơn nhiều so với sự gia tăng về quy mô vật lý. Do đó, việc áp dụng các phương pháp điều khiển tập trung ("one shot") trực tiếp lên toàn hệ thống thường không khả thi hoặc không mang lại hiệu quả kinh tế.

Hướng giải quyết được đặt ra là phân rã (decomposition) hệ thống lớn thành $n$ hệ thống con liên kết chặt chẽ (interconnected subsystems) có tính độc lập tương đối. Mỗi hệ con được phân tích và thiết lập chiến lược điều khiển riêng biệt, sau đó kết hợp với các điều kiện ràng buộc tương tác (interconnection constraints) để hình thành giải pháp điều khiển tổng thể. Trong hệ thống điện đa máy phát, quá trình truyền tải và trao đổi công suất qua đường dây làm nảy sinh các thành phần phi tuyến bất định cùng các nhiễu loạn ngẫu nhiên đa mức, gây dao động tức thời và làm lệch tần số lưới điện khỏi giá trị danh định (50 Hz). Việc nghiên cứu phương pháp phân rã toán học kết hợp các thuật toán điều khiển phi tập trung và điều khiển mờ thông minh là yêu cầu cấp thiết để đảm bảo an ninh năng lượng và chất lượng điện năng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của đề tài là nghiên cứu phương pháp phân tích hệ thống phức hợp nhiều thành phần thành các hệ thống con có tính độc lập tương đối, từ đó xây dựng thuật toán điều khiển phi tập trung cho hệ thống đa phức hợp đã phân rã, ứng dụng vào đối tượng điển hình là hệ thống điện lớn thông qua hai bài toán: ổn định quá độ cho từng vùng điều khiển và kiểm soát tần số - phụ tải cho toàn hệ thống.

Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án được xác định gồm 3 nội dung:

  1. Nghiên cứu về hệ thống phức hợp nhiều thành phần với mối quan hệ tương tác bất định để xây dựng cơ sở toán học cho việc phân rã hệ thống điện lớn thành các vùng con có tính độc lập tương đối.
  2. Xây dựng hai lớp bài toán điều khiển: điều khiển phi tập trung tuyến tính để điều khiển quá độ các vùng con và điều khiển mờ kiểu PD kết hợp bộ lưu trữ năng lượng từ trường siêu dẫn (SMES) để kiểm soát tần số cho hệ thống điện lớn.
  3. Xây dựng mô hình và mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink để kiểm tra tính đúng đắn của các quy luật điều khiển đã đề ra.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phức hợp nhiều thành phần, cụ thể là hệ thống điện lớn (hệ thống điện diện rộng đa máy phát liên kết gồm máy phát điện đồng bộ, bộ điều tốc, tua-bin, đường dây truyền tải, phụ tải và thiết bị lưu trữ năng lượng từ trường siêu dẫn SMES).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về quy mô mô hình: Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống lưới điện có từ 3 đến 5 đối tượng (máy phát, phụ tải, SMES) có mối liên hệ bất định.
    • Về nội dung kỹ thuật: Khảo sát bài toán ổn định quá độ trên mô hình hệ thống điện 3 máy phát và bài toán kiểm soát tần số - phụ tải (LFC) trên mô hình hệ thống điện diện rộng 5 vùng điều khiển với tần số danh định $f_n = 50\text{ Hz}$.
    • Về phương pháp kiểm chứng: Kiểm nghiệm các thuật toán thông qua mô phỏng số trị trên công cụ MATLAB/Simulink.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu về hệ bất định, tính ổn định và bài toán tối ưu hóa tại Việt Nam phát triển rõ nét từ cuối những năm 1990:

  • Tài liệu [2] giới thiệu phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi tham chiếu theo mô hình mẫu (MRAS) dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov cho thiết bị MeDe5 có bậc tương đối bằng 6 theo 3 dạng: trực tiếp, gián tiếp và học phản hồi.
  • Tài liệu [3] xây dựng bộ điều khiển PID bền vững áp dụng cho hệ phi tuyến MIMO như tay máy công nghiệp 2 bậc tự do; các hệ số điều khiển được xác định tường minh phụ thuộc vào các thông số $K_{const,i}, I_i, \phi_i, C_i$ và chứng minh ổn định bằng tiêu chuẩn Lyapunov.
  • Tài liệu [16] nghiên cứu hệ thống cần cẩu xoay phi tuyến gồm xe con và vật treo dây mềm, sử dụng điều khiển mờ thích nghi gián tiếp và mạng nơ-ron để xấp xỉ hàm phi tuyến $f(x)$ chưa biết, thực nghiệm mô phỏng trên MATLAB Realtime.
  • Tài liệu [8] nghiên cứu điều khiển dự báo thích nghi cho đối tượng bất định nhưng còn hạn chế do giả định tham số bất định là hằng số chưa biết không đổi theo thời gian, chưa xử lý được trường hợp tham số biến thiên ngẫu nhiên liên tục và chưa kết hợp logic mờ.
  • Các công trình [6], [38], [39], [46], [47] phân tích hệ bất định nhiều thành phần; trong đó [38] mô hình hóa trạng thái và đưa ra tiêu chuẩn tối ưu theo phương trình Riccati phân lớp; [47] so sánh bộ điều khiển PID và điều khiển mờ trượt trên mô hình con lắc đôi ngược. Luận án cũng điểm lại các đóng góp của các nhà khoa học trong nước như Vũ Ngọc Phát, Phan Xuân Minh, Thái Quang Vinh.

Các hướng nghiên cứu quốc tế

  • A. Lyapunov đặt nền móng cho lý thuyết ổn định phương trình vi phân thường với hai phương pháp: phương pháp số mũ và phương pháp hàm số.
  • Lotfi A. Zadeh ([69], 1973) thiết lập nền tảng lý thuyết logic mờ, đưa ra khái niệm biến ngôn ngữ và hệ quy tắc IF-THEN mờ, mở đầu cho các ứng dụng điều khiển động cơ hơi nước và lò luyện sắt tại Đan Mạch.
  • Công trình [70] ứng dụng logic mờ vào điều khiển cơ hệ tuyến tính bất định và truyền động cảm biến.
  • Mariton ([71]) ứng dụng điều khiển mờ, toán tử tuyến tính và quá trình ngẫu nhiên Markov hữu hạn để giải quyết bài toán biến động nhiệt bức xạ do mây che ngẫu nhiên tại nhà máy điện mặt trời 10 MW ở California.
  • Siljak ([20]) và Mohammad Jamshidi nghiên cứu lý thuyết hệ thống lớn, thiết lập mô hình phương trình trạng thái, tiêu chuẩn ổn định Lyapunov với điều kiện ràng buộc tương tác áp dụng cho con lắc ngược song song, kính thiên văn và mô hình máy bay theo nhóm.
  • Công trình [28] nghiên cứu hệ thống lớn phi tuyến, đề xuất phương pháp phân tách các liên kết rõ và chưa rõ để giải phương trình Lyapunov giới hạn trên MATLAB/Simulink.
  • Công trình [21] mô hình hóa vật lý hệ thống điện diện rộng có xét đến các yếu tố truyền tải - công suất và tần số - phụ tải.
  • Nhóm tác giả [23] nghiên cứu ổn định hệ thống điện sử dụng thuật toán Hybrid Big Bang-Big Crunch cho mô hình 4 máy phát 11 khu vực và kiểm soát thiết bị bù tĩnh VAR.
  • Công trình [43] đề xuất chiến lược kiểm soát toàn cục cho hệ thống điện đa máy phát bằng cách phân tách mỗi hệ con thành 4 hệ con thứ cấp theo trạng thái máy cắt.
  • Công trình [49] phân tích hệ thống điện 2 khu vực nhiệt điện kết nối đường dây cao áp một chiều HVDC, so sánh các bộ điều khiển P, PI, PID và mờ.
  • Công trình [50] nghiên cứu tái cấu trúc hệ thống điện và kiểm soát tần số - phụ tải (LFC) thông qua phương pháp gán điểm cực, LQR, giải thuật di truyền và logic mờ với ma trận DPM liên kết DISCO/GENCO.
  • Công trình [56] thiết kế bộ điều khiển thông minh dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và logic mờ cho hệ thống 2 khu vực thủy điện.
  • Các nghiên cứu về thiết bị lưu trữ năng lượng từ trường siêu dẫn (SMES): [60] ứng dụng SMES cải thiện công suất truyền tải trong hệ thống điện gió DFIG; [61] kết hợp SMES với bộ dịch pha để kiểm soát tần số; [62] xem xét SMES như một giải pháp điều khiển tối ưu dập tắt dao động tần số; [63] (2012) kết hợp SMES với thiết bị hạn chế dòng lỗi siêu dẫn (SFCL) tối ưu hóa bằng thuật toán bầy đàn PSO.
  • Walker và McClamroch (1967) đề xuất quy trình ước lượng vùng ổn định trong không gian trạng thái hữu hạn cho các hệ phi tuyến.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu trong nước và quốc tế trước đó tiếp cận bài toán điều khiển hệ thống điện ở các khâu cục bộ (ổn định tốc độ tua-bin, ổn định đường dây, tối ưu tổn thất) hoặc áp dụng điều khiển tập trung gặp rào cản về khối lượng tính toán và tính bất định. Luận án lựa chọn giải quyết bài toán tổng thể: phân rã toán học hệ thống điện đa máy phát thành các hệ con Lur'e - Postnikov, đánh giá vùng ổn định qua ma trận tương tác $W$, xây dựng bộ điều khiển phi tập trung tối ưu phản hồi trạng thái dựa trên phương trình đại số Riccati cải tiến cho quá trình quá độ, đồng thời thiết kế bộ điều khiển mờ kiểu PD tích hợp thiết bị SMES cho bài toán kiểm soát tần số - phụ tải diện rộng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết ổn định Lyapunov và cấu trúc Lur'e - Postnikov: Sử dụng hàm Lyapunov dạng Lur'e - Postnikov kết hợp thành phần toàn phương và tích phân phi tuyến để đánh giá vùng ổn định của các hệ thống con và hệ thống toàn cục.
  • Phương trình đại số Riccati cải tiến (Extended Algebraic Riccati Equation): Bổ sung các ma trận tham số tương tác phi tuyến và bất định vào phương trình Riccati kinh điển nhằm xác định vector độ lợi phản hồi trạng thái tối ưu cho từng vùng điều khiển.
  • Lý thuyết điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic Control): Ứng dụng các khái niệm tập mờ, độ cao tập mờ ($H = \sup \mu_F(x)$), miền xác định ($S = \text{supp } \mu_F(x)$), miền tin cậy ($T = {x \in X \mid \mu_F(x) = 1}$), hàm liên thuộc (Trimf, Gaussmf, Gbellmf), biến ngôn ngữ và các luật hợp thành (Max-Min, Max-Prod, Sum-Min, Sum-Prod). Kỹ thuật giải mờ sử dụng phương pháp cực đại và phương pháp điểm trọng tâm (Center of Gravity): $$y' = \frac{\int y \cdot \mu(y) dy}{\int \mu(y) dy}$$
  • Mô hình thiết bị SMES: Thiết bị lưu trữ năng lượng từ trường siêu dẫn sử dụng bộ biến đổi Thyristor được mô hình hóa toán học để trao đổi công suất tác dụng và phản kháng tức thời với lưới điện.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp giải tích: Thiết lập hệ phương trình vi phân phi tuyến mô tả động học máy phát đồng bộ; chuyển đổi hệ thống về dạng chuẩn Lur'e - Postnikov; thiết lập bất đẳng thức vi phân vector $\dot{v} \le Wv$; giải phương trình Riccati mở rộng để tìm luật điều khiển tối ưu.
  • Quy trình tính toán 5 bước ước lượng vùng ổn định:
    1. Bước 1: Chọn tham số và xấp xỉ hàm phi tuyến theo điều kiện biên, chọn hàm Lyapunov dạng Lur'e - Postnikov để xác định các hệ số $\alpha_1, \alpha_2$.
    2. Bước 2: Tính toán các giá trị riêng nhỏ nhất $\lambda_m$ và lớn nhất $\lambda_M$ của ma trận $H_i$, xác định các hệ số $\eta_{i1}, \eta_{i2}, \eta_{i3}$.
    3. Bước 3: Xác định các biên tương tác $\xi_{ij}$ và thiết lập ma trận tương tác $W = (w_{ij})_{(n-1)\times(n-1)}$; kiểm tra điều kiện ổn định của ma trận $W$.
    4. Bước 4: Đánh giá vùng ổn định từng phần $V_i(x_i) \le V_{i0}$ bằng cách giải phương trình xác định điểm cực trị trên siêu phẳng trực giao.
    5. Bước 5: Chọn vector $c = (1, 1, \dots, 1)^T$, tính vector $d^T = -c^T W^{-1}$, xác định hàm Lyapunov tổng quát $v(x)$ và suy ra biên vùng ổn định $\Omega$ cho toàn hệ thống.
  • Phương pháp tổng hợp điều khiển mờ: Xây dựng bộ điều khiển mờ kiểu PD (PD-FL controller) gồm 2 đầu vào (sai lệch $e$ và đạo hàm sai lệch $\Delta e$) và 1 đầu ra điều khiển, kết hợp với tín hiệu trao đổi năng lượng từ khối SMES.
  • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng công cụ MATLAB/Simulink để mô phỏng đáp ứng động học của hệ thống 3 máy phát liên kết và hệ thống điện diện rộng 5 vùng điều khiển dưới các điều kiện biến động phụ tải.

Nguồn tư liệu và thông số dữ liệu

Mô hình toán học sử dụng các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của máy phát điện đồng bộ, tua-bin, bộ điều tốc và đường dây truyền tải:

Ký hiệu Đại lượng và đơn vị Ký hiệu Đại lượng và đơn vị
$\delta_i$ Góc công suất máy phát thứ $i$ (rad) $\omega_i, \omega_0$ Tốc độ góc tức thời và định mức (rad/s)
$P_{mi}, P_{ei}$ Công suất cơ và công suất điện (p.u.) $M_i, D_i$ Mô-men quán tính và hệ số tắt dần (p.u.)
$E'{qi}, E{qi}$ Sức điện động ngang trục tức thời và ổn định $E_{fi}$ Sức điện động cuộn kích từ (p.u.)
$T'_{doi}$ Hằng số thời gian ngắn mạch dọc trục (s) $x_{di}, x'_{di}$ Điện kháng dọc trục và tức thời (p.u.)
$x_{Ti}, x_{ij}$ Điện kháng máy biến áp và đường dây (p.u.) $V_{ti}$ Điện áp đầu ra máy phát thứ $i$ (p.u.)
$X_{ei}$ Độ mở van hơi nước tua-bin máy phát $i$ (p.u.) $P_{ci}$ Đầu vào điều khiển công suất (p.u.)
$T_{mi}, K_{mi}$ Hằng số thời gian và độ lợi tua-bin (s) $T_{ei}, K_{ei}$ Hằng số thời gian và độ lợi điều tốc (s)
$R_i$ Hệ số điều chỉnh máy phát thứ $i$ (p.u.) $B_{ij}$ Phần tử ma trận điện thế nút (p.u.)
$f_i, f_n$ Tần số thực và tần số danh định ($f_n = 50\text{ Hz}$) $\Delta f_i$ Độ biến thiên tần số lưới điện (p.u.)
$\Delta P_{D,i}$ Lượng biến thiên công suất tải (p.u.) $T_{G,i}, T_{T,i}$ Hằng số thời gian điều tốc và tua-bin (s)
$P_{tie,i}$ Công suất đường dây liên kết (p.u.) $ACE_i$ Sai lệch điều khiển vùng thứ $i$
$SMES_i$ Thiết bị lưu trữ từ trường siêu dẫn vùng $i$ $s$ Toán tử vi phân Laplace

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày đặc điểm của các hệ thống phức hợp nhiều thành phần, phân tích tính phi tuyến, tính bất định, bậc cao và sự hạn chế thông tin trạng thái trong các hệ thống quy mô lớn. Tác giả tổng hợp tình hình nghiên cứu trong nước về tối ưu hóa mô hình tương tác (các công trình về MRAS cho thiết bị MeDe5, PID bền vững cho tay máy 2 bậc tự do, điều khiển mờ thích nghi cho cần cẩu xoay, điều khiển dự báo thích nghi cho hệ bất định, điều khiển mờ trượt cho con lắc đôi ngược). Đồng thời, chương này phân tích các nghiên cứu quốc tế của A. Lyapunov, L. A. Zadeh, Mariton, Siljak, Jamshidi, cùng các nghiên cứu chuyên sâu về ổn định hệ thống điện đa máy, điều khiển LFC, AGC và ứng dụng thiết bị lưu trữ năng lượng SMES/SFCL.

Từ việc phân tích ưu điểm và hạn chế của phương pháp điều khiển tập trung, chương 1 khẳng định tính tất yếu của việc lựa chọn chiến lược điều khiển phi tập trung kết hợp logic mờ và thiết bị SMES để giải quyết bài toán ổn định và kiểm soát tần số cho hệ thống điện diện rộng tại Việt Nam.

Chương 2: Hệ phân tán và điều khiển phi tập trung cho hệ thống điện lớn

Chương 2 thiết lập mô hình tổng quát cho hệ thống điện đa máy phát gồm $n$ máy phát đồng bộ dựa trên phương trình chuyển động rotor: $$M_i \ddot{\delta}i + D_i \dot{\delta}i = P{mi} - P{ei}, \quad i = 1, 2, \dots, n$$ Trong đó công suất điện phát ra là: $$P_{ei} = \sum_{j=1}^n E_i E_j Y_{ij} \cos(\delta_i - \delta_j - \alpha_{ij})$$ Hệ thống được chuyển đổi về hệ phương trình trạng thái Lur'e - Postnikov dạng liên kết với vector trạng thái hệ con thứ $i$: $$x_i = [\delta_{in}, \dot{\delta}{in} - \dot{\delta}{in0}]^T = [\delta_i - \delta_n, \omega_i - \omega_n - (\omega_{i0} - \omega_{n0})]^T$$ Phương trình trạng thái của hệ thống con thứ $i$ có dạng: $$\dot{x}i = A_i x_i - b_i \phi_i(y_i) + h_i(x), \quad y_i = c_i^T x_i = [0 \quad 1] x_i$$ Hàm Lyapunov dạng Lur'e - Postnikov được xây dựng cho từng hệ con: $$V_i(x_i) = x_i^T H_i x_i + \beta_i \int_0^{c_i^T x_i} \phi_i(y_i) dy_i$$ Bằng việc sử dụng bất đẳng thức vi phân vector $\dot{v} \le Wv$, ma trận tương tác $W = (w{ij}){(n-1)\times(n-1)}$ được xác định với các phần tử: $$w{ij} = \begin{cases} -\eta_{i2}^{-1} \eta_{i3} + \xi_{ii} \eta_{i1}^{-1}, & i = j \ \xi_{ij} \eta_{j1}^{-1}, & i \ne j \end{cases}$$ Chương này đưa ra ví dụ tính toán số học chi tiết cho hệ thống 3 máy phát ($M_1 = 0.106$, $\alpha_{12} = 86^\circ$, $\alpha_{13} = 88^\circ$, $\alpha_{23} = 89^\circ$, $\delta_{10} = 50^\circ$, $\delta_{20} = -20^\circ$, $\delta_{30} = -30^\circ$, $\delta_{13}^0 = 100^\circ$), tính toán được các giá trị $\eta_{11} = 0.800$, $\eta_{12} = 1.341$, $\eta_{13} = 0.0114$, $v_0 = 0.123$, xác định ma trận ổn định $W$, vector $d^T = -c^T W^{-1}$ và thiết lập biên ước lượng vùng ổn định toàn cục $\Omega$.

Phần cuối chương hệ thống hóa cơ sở lý thuyết điều khiển logic mờ (tập mờ, độ cao, miền xác định, hàm liên thuộc, phép toán mờ, khối mờ hóa, khối hợp thành, khối luật mờ và các kỹ thuật giải mờ cực đại, điểm trọng tâm), làm nền tảng cho các thuật toán điều khiển ở các chương tiếp theo.

Chương 3: Chiến lược điều khiển phi tập trung ổn định hệ thống điện

Chương 3 xây dựng chiến lược điều khiển phi tập trung tuyến tính để ổn định quá trình quá độ của hệ thống điện đa máy phát. Hệ thống gồm $N$ hệ thống con phi tuyến có dạng: $$\dot{x}i(t) = A_i x_i(t) + B_i u_i(t) + f_i(t, x(t)), \quad i = 1, 2, \dots, N$$ Thành phần phi tuyến thỏa mãn điều kiện Lipschitz: $$|f_i(x)| \le \sum{j=1, j\ne i}^N |g_{ij}(x_i, x_j)| \le \sum_{j=1, j\ne i}^N \left(W_i x_i(t) + W_{ij} x_j(t)\right)$$ Quy trình thiết lập luật điều khiển tối ưu gồm 2 bước:

  • Bước 1: Thiết lập phương trình đại số Riccati cải tiến: $$A_i^T P_i + P_i A_i + P_i \left( \sum_{j=1, j\ne i}^N \rho_{ij} G_{ij} G_{ij}^T \right) P_i - P_i B_i R_i^{-1} B_i^T P_i + \sum_{j=1, j\ne i}^N \rho_{ij} \left( W_i^T W_i + W_{ji}^T W_{ji} \right) + Q_i = 0$$ Trong đó $R_i > 0$, $Q_i$ và $P_i$ là các ma trận xác định dương.
  • Bước 2: Giải phương trình Riccati để tìm luật điều khiển phản hồi trạng thái: $$u_i(t) = -K_i x_i(t) = -R_i^{-1} B_i^T P_i x_i(t)$$ Luật điều khiển tối ưu hóa hàm mục tiêu chất lượng: $$J_i = \frac{1}{2} \int_{t_0}^{t_f} \left( x_i^T Q_i x_i + u_i^T R_i u_i \right) dt$$ Đối với mô hình hệ thống 3 máy phát, luật điều khiển phản hồi trạng thái 4 thành phần được xác định: $$u_i(t) = -K_{\delta i} (\delta_i(t) - \delta_{i0}) - K_{\omega i} \dot{\delta}i(t) - K{Pi} (P_{mi}(t) - P_{mi0}) - K_{Xi} (X_{ei}(t) - X_{ei0})$$

Mô phỏng trên MATLAB/Simulink được thực hiện trên cơ sở Bảng 3.1 (Bộ thông số mô phỏng hệ 3 máy phát) và Bảng 3.2 (Điều kiện ban đầu cho 3 trường hợp mô phỏng). Kết quả mô phỏng thể hiện qua các đáp ứng động học của máy phát 1 và máy phát 2, chứng minh thời gian xác lập với sai số 2% được rút ngắn rõ rệt khi áp dụng luật điều khiển đề xuất.

Chương 4: Kiểm soát tần số - phụ tải lưới điện lớn

Chương 4 tập trung vào bài toán kiểm soát tần số - phụ tải (LFC) cho hệ thống điện diện rộng gồm 5 vùng điều khiển kết nối. Mỗi vùng phát điện bao gồm các khâu động học:

  • Hàm truyền đạt bộ điều tốc: $G_{G,i}(s) = \frac{1}{1 + s T_{G,i}}$
  • Hàm truyền đạt tua-bin không hồi nhiệt: $G_{T,i}(s) = \frac{1}{1 + s T_{T,i}}$
  • Hàm truyền đạt máy phát - phụ tải: $G_{P,i}(s) = \frac{K_{P,i}}{1 + s T_{P,i}} = \frac{1}{D_i + s M_i}$
  • Sai lệch điều khiển vùng: $ACE_i = \Delta P_{tie,i} + B_i \Delta f_i$

Chương này xây dựng mô hình thiết bị lưu trữ năng lượng từ trường siêu dẫn SMES tích hợp bộ biến đổi Thyristor, kết nối vào lưới điện để hấp thụ hoặc phát công suất trong khoảng thời gian mili-giây. Cấu trúc bộ điều khiển mờ kiểu PD (PD-FL controller) được thiết kế dựa trên bảng luật mờ:

Sai lệch $e$ \ $\Delta e$ Âm lớn (NB) Âm nhỏ (NS) Không (ZE) Dương nhỏ (PS) Dương lớn (PB)
NB NB NB NB NS ZE
NS NB NB NS ZE PS
ZE NB NS ZE PS PB
PS NS ZE PS PB PB
PB ZE PS PB PB PB

Mô phỏng trên MATLAB/Simulink được khảo sát dưới 2 trường hợp thay đổi phụ tải $\Delta P_{D,i}$. Kết quả so sánh sai lệch tần số $\Delta f_i$ và công suất đường dây $\Delta P_{tie,i}$ giữa các bộ điều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ kiểu PD kết hợp SMES khẳng định:

  • Độ quá điều chỉnh (độ vọt lố) của tần số và công suất đường dây giảm đáng kể tại tất cả các vùng điều khiển (vùng #1, #4, #5 ở trường hợp 1 và vùng #2, #3, #5 ở trường hợp 2).
  • Thời gian xác lập dao động tần số về dải ổn định danh định $50\text{ Hz}$ được rút ngắn.
  • Bảng so sánh độ vọt lố công suất đường dây tại trang 95 chứng minh hiệu quả phối hợp giữa bộ điều khiển mờ PD và khối lưu trữ năng lượng siêu dẫn SMES.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận khoa học

  • Xây dựng phương pháp phân rã hệ thống điện diện rộng nhiều thành phần thành các hệ con Lur'e - Postnikov có tính độc lập tương đối, thiết lập quy trình 5 bước xác định ma trận tương tác $W$ và hàm Lyapunov để ước lượng vùng ổn định toàn cục $\Omega$.
  • Mở rộng phương trình đại số Riccati chứa các tham số ràng buộc tương tác phi tuyến và bất định, tạo cơ sở toán học để xác định vector hệ số phản hồi trạng thái tối ưu cho từng vùng điều khiển riêng biệt trong bài toán ổn định quá độ.
  • Thiết lập mô hình điều khiển phối hợp giữa bộ điều khiển mờ kiểu PD và thiết bị lưu trữ năng lượng từ trường siêu dẫn SMES trong bài toán kiểm soát tần số - phụ tải (LFC) cho lưới điện đa vùng.

Đóng góp về mặt thực tiễn và ứng dụng

  • Xây dựng hoàn chỉnh mô hình mô phỏng trên nền tảng MATLAB/Simulink cho hệ thống điện 3 máy phát và hệ thống điện diện rộng 5 vùng điều khiển tích hợp SMES.
  • Chứng minh khả năng dập tắt nhanh các dao động quá độ của góc quay rotor, tốc độ góc, điện áp và công suất máy phát khi xảy ra nhiễu loạn tham số.
  • Giảm thiểu độ lệch tần số $\Delta f$ và sai lệch công suất đường dây $\Delta P_{tie}$ khi phụ tải thay đổi đột ngột, góp phần nâng cao chất lượng điện năng và duy trì tần số ổn định ở mức 50 Hz.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng mô hình phân rã và điều khiển phi tập trung vào công tác tính toán ổn định tại các trung tâm điều độ hệ thống điện, thay thế cho các phương thức tính toán tập trung cồng kềnh.
  • Nghiên cứu lắp đặt thử nghiệm các thiết bị lưu trữ năng lượng siêu dẫn SMES tại các nút truyền tải trọng yếu có dao động công suất lớn để hỗ trợ điều tần tự động (AGC).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Phạm vi mô hình toán học và kiểm chứng mô phỏng mới dừng lại ở quy mô từ 3 máy phát đến 5 vùng điều khiển; chưa mở rộng đánh giá trên mô hình lưới điện thực tế có hàng trăm nút với cấu trúc phức tạp hơn.
  • Toàn bộ các kết quả đánh giá chất lượng điều khiển mới được thực hiện thông qua mô phỏng số trị trên phần mềm MATLAB/Simulink, chưa có điều kiện thử nghiệm thực tế trên hệ thống phần cứng (Hardware-in-the-loop) hoặc lưới điện vận hành thực tế.
  • Các mô hình tua-bin trong luận án chủ yếu khảo sát dạng tua-bin không hồi nhiệt, chưa bao quát đầy đủ các dạng tua-bin có hồi nhiệt và các nguồn năng lượng tái tạo biến thiên cao (điện gió, điện mặt trời).

Hướng nghiên cứu phát triển

  • Tiếp tục mở rộng lý thuyết ổn định Lyapunov và phương trình Riccati cải tiến cho các hệ thống bất định bậc cao hơn có xét đến trễ truyền thông trong mạng diện rộng (WAMS).
  • Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của bộ điều khiển mờ và dung lượng cuộn dây siêu dẫn SMES bằng các thuật toán tối ưu hóa thông minh.
  • Ứng dụng giải pháp điều khiển đề xuất cho lưới điện thông minh tích hợp nguồn năng lượng tái tạo quy mô lớn.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển, Tự động hóa và Kỹ thuật Điện có thể sử dụng luận án làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết điều khiển hệ thống lớn, phương pháp hàm Lyapunov cho hệ Lur'e - Postnikov và kỹ thuật giải phương trình Riccati mở rộng.
  • Kỹ sư vận hành hệ thống điện và cán bộ điều độ: Tham khảo các giải pháp cấu trúc điều khiển phi tập trung và ứng dụng thiết bị lưu trữ năng lượng SMES trong việc nâng cao chất lượng điều tần tự động (LFC/AGC).

Các nội dung có giá trị tham khảo cao

  • Quy trình 5 bước ước lượng vùng ổn định bằng hàm Lyapunov và ma trận tương tác $W$ (Chương 2).
  • Thuật toán giải phương trình đại số Riccati cải tiến để tìm vector phản hồi trạng thái tối ưu $K_i$ cho hệ đa máy phát (Chương 3).
  • Cấu trúc mô phỏng Simulink và bảng luật mờ kiểu PD phối hợp thiết bị SMES để kiểm soát tần số hệ thống điện diện rộng 5 vùng (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lại lựa chọn giải pháp điều khiển phi tập trung thay vì điều khiển tập trung cho hệ thống điện lớn?

Điều khiển tập trung đòi hỏi phải thu thập đầy đủ thông tin trạng thái của toàn bộ hệ thống về một trung tâm xử lý, dẫn đến khối lượng tính toán tăng vọt theo kích thước hệ thống, gây khó khăn trong thiết kế và tốn kém chi phí. Trong khi đó, điều khiển phi tập trung phân rã hệ thống lớn thành các hệ con có tính độc lập tương đối, thiết kế luật điều khiển phản hồi cục bộ dựa trên thông tin tại chỗ mà vẫn thích ứng được với tương tác phi tuyến giữa các vùng, giúp giảm tải tính toán và tăng tính khả thi.

2. Hai lớp bài toán điều khiển chính được giải quyết trong luận án là gì?

Luận án giải quyết 2 lớp bài toán:

  1. Bài toán ổn định quá trình quá độ: Dập tắt các dao động tức thời của dòng, áp, tốc độ rotor máy phát khi chịu nhiễu loạn lớn bằng bộ điều khiển tối ưu phản hồi trạng thái tuyến tính dựa trên phương trình đại số Riccati cải tiến.
  2. Bài toán kiểm soát tần số - phụ tải (LFC): Duy trì tần số lưới điện ở giá trị danh định $50\text{ Hz}$ và ổn định công suất truyền tải đường dây khi phụ tải biến động ngẫu nhiên bằng bộ điều khiển logic mờ kiểu PD kết hợp thiết bị SMES.

3. Phương trình đại số Riccati cải tiến trong luận án có điểm gì khác so với phương trình Riccati kinh điển?

Phương trình đại số Riccati cải tiến được bổ sung thêm các số hạng ma trận phản ánh tương tác phi tuyến và giới hạn Lipschitz giữa các hệ con ($\sum \rho_{ij} G_{ij} G_{ij}^T$ và $\sum \rho_{ij}(W_i^T W_i + W_{ji}^T W_{ji})$). Nhờ đó, nghiệm $P_i$ của phương trình đảm bảo tính ổn định bền vững của từng hệ con trong mối tương tác ràng buộc với các hệ con còn lại của toàn hệ thống.

4. Thiết bị lưu trữ năng lượng từ trường siêu dẫn (SMES) đóng vai trò gì trong bài toán LFC ở Chương 4?

Thiết bị SMES sử dụng cuộn dây siêu dẫn kết hợp bộ biến đổi Thyristor có khả năng nạp và xả công suất với tốc độ đáp ứng tính bằng mili-giây. Khi phụ tải thay đổi đột ngột làm mất cân bằng công suất, SMES lập tức bù hoặc hấp thụ công suất tác dụng thừa/thiếu, phối hợp cùng bộ điều khiển mờ kiểu PD để dập tắt nhanh dao động tần số và giảm độ vọt lố công suất đường dây liên kết.

5. Kết quả kiểm chứng trên phần mềm MATLAB/Simulink đã khẳng định điều gì?

Kết quả mô phỏng trên hệ thống 3 máy phát và hệ thống diện rộng 5 vùng khẳng định: các luật điều khiển phi tập trung đề xuất giúp rút ngắn thời gian xác lập của các thông số quá độ máy phát trong giới hạn sai số 2%, đồng thời bộ điều khiển mờ PD kết hợp SMES làm giảm rõ rệt độ quá điều chỉnh của sai lệch tần số $\Delta f$ và dao động công suất đường dây $\Delta P_{tie}$ so với các bộ điều khiển kinh điển.

Kết luận

Luận án đã giải quyết bài toán ổn định và tối ưu hóa hệ thống phức hợp nhiều thành phần thông qua phương pháp phân rã toán học và các chiến lược điều khiển phi tập trung ứng dụng cho hệ thống điện quy mô lớn. Tác giả đã kết hợp lý thuyết ổn định Lyapunov dạng Lur'e - Postnikov, phương trình đại số Riccati cải tiến và điều khiển logic mờ kiểu PD tích hợp thiết bị lưu trữ năng lượng từ trường siêu dẫn SMES. Các kết quả mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink đối với hệ thống 3 máy phát và hệ thống diện rộng 5 vùng đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp trong việc dập tắt dao động quá độ và kiểm soát ổn định tần số lưới điện. Công trình cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán có giá trị tham khảo cho lĩnh vực kỹ thuật điều khiển tự động và vận hành hệ thống điện diện rộng.