Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Hệ thống điện và ổn định Điện năng được tạo ra ở trạm phát điện và được truyền tải đến hộ tiêu thụ thông qua mạng lưới điện phức tạp bao gồm các đường dây truyền tải, các máy biến áp, các thiết bị đóng cắt,…Ta có thể phân mạng lưới điện thành các hệ thống như sau: hệ thống truyền tải, hệ thống truyền tải trung gian, hệ thống phân phối[1].1: Các phần tử cơ bản của một hệ thống điện. 1 HTĐ như mô tả ở trên tạo nên sự phức tạp về cấu trúc cũng như độ tin cậy,. Một mặt, HTĐ này cho phép khai thác tối đa các ưu điểm vận hành kinh tế, cho phép hệ thống chống lại được các sự cố bất thường mà không làm gián đoạn việc cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ. Mặt khác, là tiền đề thuận lợi cho việc phát triển các nguồn điện công suất lớn và việc đấu nối vào hệ thống.
Tuy nhiên, cũng làm nảy sinh vấn đề về ổn định HTĐ. Nghiên cứu ổn định hệ thống điện là một chủ đề nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu kỹ thuật điện ở trong và ngoài nước. Ổn định hệ thống điện là khả năng duy trì trạng thái hoạt động bình thương (trạng thái được xác định trước) trong hệ thống điện sau khi chịu tác động nhiễu xảy ra. Nhiễu này có thể là ngắt một máy phát ra khỏi hệ thống, thay đổi nhu cầu tải đột ngột hoặc ngắn mạch trên đường dây truyền tải.
Khả năng của hệ thống trở về trạng thái ổn định phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của hệ thống và loại nhiễu. Một xáo trộn trong mạng điện sẽ tạo ra dao động điện giữa các nhà máy điện và cả mạng điện. Một trong những điều kiện cần thiết để HTĐ hoạt động bình thường là tất cả các máy phát duy trì đồng bộ với nhau. Về khía cạnh này HTĐ chịu ảnh hưởng của đặc tính động học góc rotor và quan hệ công suất - góc [2], [3].
Nghiên cứu ổn định phụ thuộc bản chất và đặc tính của biên độ nhiễu, và được phân ra làm các loại như sau : 2 Hình 1.2: Phân loại ổn định hệ thống điện. Ổn định góc rotor là khả năng mà các máy phát hoạt động đồng bộ duy trì trạng thái đồng bộ sau khi có một nhiễu loạn đã xảy ra. Ổn định tần số và ổn định điện áp có liên quan đến mối quan hệ giữa máy phát điện và điện năng tiêu thụ trong hệ thống. Một sự thay đổi phân bố công suất phản kháng sẽ gây ra một thay đổi điện áp trong hệ thống điện, và tương tự một sự thay đổi phân bố công suất tác dụng sẽ dẫn đến một thay đổi tần số trong hệ thống.2 Kỹ thuật điều khiển để hạn chế dao động trong hệ thống điện Một vấn đề thông thường trong hệ thống điện lớn và nhỏ là bản chất vốn có của dao động không ổn định.
Trong những thập kỹ qua nhiều công trình nghiên cứu để cải thiện ổn định hệ thống, thường nói nhiều là phương pháp điều khiển hạn chế dao động được chia ra thành hai nhóm : 3 Hình 1.3: Phân nhánh các khối điều kiển ổn định dao động hệ thống điện. Khối điều khiển phía nhà máy điện có hai bộ phận cơ bản: một là điều khiển tần số tải (LFC) hay là điều tốc turbine, dùng để giữ tần số của máy phát ở giá trị định mức, hai là hệ thống điều khiển kích từ có tác dụng ổn định điện áp mức. Khối điều khiển phía đường dây có bộ phận quan trọng là các thiết bị FACTS, FACTS được thiết kế đã góp phần tăng khả năng truyền tải, điều khiển luồng công suất và dập tắt các dao động trong HTĐ. Ngoài các khối điều khiển nêu trên, trong HTĐ Việt Nam còn có trung tâm điều độ HTĐ Quốc gia, điều độ miền Bắc, miền Trung và miền Nam để chỉ huy vận hành HTĐ đáp ứng yêu cầu sản xuất và tiêu thụ điện năng.
Sau đây ta xem xét vấn đề điều khiển hai thông số quan trọng của chế độ hệ thống là điện áp và tần số.3 Bộ ổn định hệ thống điện Lý do chính cho việc thêm một bộ ổn định hệ thống điện (PSS) trong điều khiển điện áp là để cải thiện ổn định tín hiệu nhỏ của hệ thống. Quay trở lại những năm 1940 và 1950 máy phát điện được sản xuất với một điện kháng đồng bộ lớn. Điều này dẫn đến giảm từ thông và dẫn đến việc giảm momen đồng bộ. Kết quả là sự ổn định quá độ của máy phát kém, đặc biệt là khi nó được kết nối với một mạng yếu.
Để giải quyết vấn đề ổn định quá độ này, một hệ thống kích 4 từ tĩnh điều khiển thyristor đáp ứng cao được giới thiệu. Khi lắp đặt hệ thống này thì khử các phản ứng phần ứng cao, nhưng nó cũng tạo ra một vấn đề khác. Khi máy phát hoạt động ở một mức tải cao và kết nối với một mạng lưới kém, điều chỉnh điện áp tạo ra một momen hảm âm và đã dẫn đến sự dao động gây mất ổn định. Do đó một tín hiệu ổn định bên ngoài đã được giới thiệu như là một đầu vào để điều chỉnh điện áp.
Tín hiệu này cải thiện việc hảm của các dao động rotor .Thiết bị được gọi là hệ thống ổn định công suất PSS. PSS cung cấp một tín hiệu mà có kết quả tối ưu trong việc hảm momen điện ở rotor. Momen này ngược với của sự biến đổi tốc độ rotor [3]. Trên thế giới PSS nhận được rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu [4] và các nhà sản xuất [5],[6].Tuy nhiên trong nước thì rất ít tác giả hay tài liệu viết về PSS [7], [8], [8], [10].
Ở Việt Nam hầu hết các nhà máy phát điện thì PSS được tích hợp trong hệ thống kích từ của máy phát điện nhưng chỉ số ít nhà máy đưa vào hoạt động như nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ, Phả Lại,Vũng Áng nhà máy thủy điện Sông Tranh 2. Việc nghiên cứu tác động của PSS đến ổn định góc rotor là một vấn đề cần thiết trong nghiên cứu ổn định hệ thống điện. Có rất nhiều tác giả trong và ngoài nước sử dụng mô hình tuyến tính hóa các phần tử trong hệ thống điện để nghiên cứu về PSS. Tuy nhiên trong thực tế thì hệ thống điện là một hệ không tuyến tính, do đó nó chỉ đánh giá tại một thời điểm nhất định.
Bộ PSS đầu tiên được gọi là bộ PSS thông thường được thiết kế dựa trên hàm truyền sử dụng lý thuyết điều khiển cổ điển. Nó sử dụng hệ thống bù sớm trể pha để bù sự dịch chuyển pha do dao động tần số thấp gây ra do sự nhiễu loạn trong hệ thống bằng cách điều chỉnh thích hợp các thông số hệ thống bù sớm trể pha. Nó có thể làm cho hệ thống giảm bớt dao động. Những thiết kế bộ điều khiển PSS truyền thống không thể hoạt động tốt vì nó tồn tại một số vấn đề : 5 Cách chọn một hàm truyền chính xác để cho bộ PSS đáp ứng cho việc cung cấp tín hiệu điều khiển.
Cách điều chỉnh hiệu quả các thông số PSS. Cách tự động bám theo trạng thái thay đổi của hệ thống. Cách tính toán phản ứng sự thay đổi giữa các máy phát. Trong những năm gần đây bộ PSS được thiết kế dựa trên kỹ thuật trí tuệ nhân tạo được đề xuất để giải quyết những nhược điểm tồn tại ở bộ PSS truyền thống.
Thiết kế PSS dựa trên mạng nơ ron nhân tạo(ANN) được đề xuất [12-14].Nó hiệu quả hơn so với các bộ CPSS, nhưng vấn đề chính của bộ điều khiển này là thời gian đào tạo dài và việc lựa chọn số lớp, nơ-ron trong mỗi lớp phải thích hợp. Cách tiếp cận khác là điều khiển logic mờ (FLC) đã thu hút nhiều sự chú ý trong các ứng dụng điều khiển [15-20]. Nó không đòi hỏi một mô hình chính xác của nhà máy điện. Nó có thể được thiết kế dựa trên cơ sở thông tin thu thập được từ các dử liệu trước đây của hệ thống điều khiển.
Nó mang lại kết quả tốt hơn so với các bộ điều khiển thông thường nhưng rất khó để lấy được những cơ sở thông tin hiệu quả khi thiết kế bộ PSS. Điều khiển bền vững H [21] và H2 [22] được sử dụng để thiết kế PSS. Những phương pháp này lặp đi lặp lại không chắc chắn không tạo ra được một định dạng đặc biệt làm giảm khả năng ứng dụng của chúng. Các thuật toán tối ưu hoá đã được áp dụng để thiết kế PSS như mô phỏng luyện kim (SA) được trình bày trong [23].
Một kỹ thuật khác như Tabu Search (TS) được giới thiệu trong [24]. Thuật toán di truyền (GA) được đề xuất trong [25] và tối ưu hóa bầy đàn (PSO) trong [26]. Các bộ PSS của những phương pháp này đem lại một mức độ ổn định khác nhau tùy thuộc vào cấu hình, phạm vi tải và sự thay đổi thông số của hệ thống. Nhìn 6 chung các phương pháp này vẫn còn những vấn đề tồn tại như hội tụ sớm, chậm hội tụ và bị mắc kẹt ở tối ưu cục bộ.
Từ đó cho thấy việc tìm hiểu một phương pháp giải quyết bài toán tối ưu một cách hiệu quả là điều mong muốn và thực tế. Qua tìm hiểu về thuật toán Cuckoo Search (CSA), được phát triển năm 2009 bởi Xin – She Yang Suash Deb, là một thuật toán cho kết quả rất khả quan trong việc giải quyết bài toán tối ưu. Do đó tác giả xin đề xuất áp dụng thuật toán Cuckoo Search chọn tham số tối ưu cho bộ PSS.4 Mục tiêu nghiên cứu Ứng dụng giải thuật (CS: Cuckoo search ) để xác định thông số tối ưu của bộ PSS nhằm cải thiện trạng thái ổn định của máy phát, nâng cao đặc tính ổn định động của hệ thống.5 Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu giải thuật Cuckoo Search (CS) để xác định thông số tối ưu của bộ PSS nhằm cải thiện trạng thái ổn định của máy phát, nâng cao đặc tính ổn định động của hệ thống.6 Kết cấu của luận văn Luận văn này chia ra các phần nghiên cứu như sau: Chương 1: Tổng quan về hệ thống điện. Chương này gồm những nội dung sau : Hệ thống điện và sự ổn định Kỹ thuật điều khiển để hạn chế dao động trong hệ thống điện Bộ ổn định hệ thống điện Mục tiêu nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Kết cấu của luận văn Phương pháp nghiên cứu 7 Chương 2: Lý thuyết về bộ ổn định PSS.