Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Ứng dụng giải thuật Cuckoo Search để tối ưu hóa bộ PSS

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu ứng dụng giải thuật Cuckoo Search để xác định thông số tối ưu cho bộ PSS, mang lại hiệu quả cao trong điều khiển.

• Tác giả: Lê Anh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Ứng Dụng Giải Thuật Cuckoo Search Trong Tối Ưu Hóa Bộ PSS
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• TRANG TỰA
• QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN
• 1.1. Hệ thống điện và ổn định
• 1.2. Kỹ thuật điều khiển để hạn chế dao động trong hệ thống điện
• 1.3. Bộ ổn định hệ thống điện
• 1.4. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.5. Phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Kết cấu của luận văn
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 2. LÝ THUYẾT VỀ BỘ ỔN ĐỊNH (POWER SYSTEM STABILIZER - PSS)
• 2.1. Lịch sử phát triển về bộ ổn định
• 2.2. Bộ ổn định hệ thống điện Power System Stabilizer (PSS)
• 2.3. Một số phương pháp thiết kế PSS
• 2.3.1. Phương pháp tiếp cận mô men hảm
• 2.3.2. Phương pháp tiếp cận đáp ứng tần số
• 2.3.3. Phương pháp tiếp cận giá trị riêng và biến trạng thái
• 2.4. Công suất giảm chấn trong máy phát được sinh ra để giảm dao động
• 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU
• 3.1. Mô hình nghiên cứu
• 3.2. Phương trình độ lệch tốc độ
• 3.3. Phương trình suất điện động quá độ trục q của máy phát điện
• 3.4. Phương trình tính suất điện động quá độ trục d (E’d)
• 3.5. Phương trình công suất trên đầu cực máy phát
• 3.6. Phương trình tính điện áp trục q của máy phát
• 3.7. Phương trình tính điện áp trục d của máy phát
• 3.8. Phương trình tính dòng điện trục d của máy phát
• 3.9. Phương trình tính dòng điện trục q của máy phát
• 3.10. Mô hình hệ thống kích từ
• 4. GIẢI THUẬT CUCKOO SEARCH VÀ ỨNG DỤNG CHỌN THÔNG SỐ TỐI ƯU CHO PSS
• 4.1. Giới thiệu thuật toán cuckoo search (CS)
• 4.2. Hành vi chim Cuckoo
• 4.3. Đặc tính phân phối Lévy Flight
• 4.4. Thuật toán Cuckoo Search
• 4.5. Một số lưu ý khi lựa chọn các thông số cho bài toán CS
• 4.6. Hàm mục tiêu của thuật toán
• 4.7. Một số ứng dụng
• 4.8. Hiệu chỉnh thông số bộ PSS bằng thuật toán Cuckoo Search
• 4.8.1. Hàm mục tiêu
• 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 5.1. Thông số của Hệ thống máy phát, đường dây khi chạy bằng Matlab – Simulink
• 5.2. Sơ đồ tổng quan các khối mô phỏng trên Matlab
• 5.3. Mô phỏng matlab
• 5.4. Trường hợp 1 khi đang mang tải thì xảy ra ngắn mạch trên đầu cực máy phát điện
• 5.4.1. Công suất điện khi xảy ra ngắn mạch trên đầu cực máy phát
• 5.4.2. Độ lệch tốc độ Rotor khi xảy ra ngắn mạch trên đầu cực máy phát
• 5.4.3. Góc công suất khi xảy ra ngắn mạch trên đầu cực máy phát
• 5.4.4. Điện áp Vt khi xảy ra ngắn mạch trên đầu cực máy phát
• 5.5. Trường hợp 2 thay đổi công suất phụ tải bất ngờ
• 5.5.1. Công suất điện trên đầu cực máy phát khi công suất phụ tải thay đổi
• 5.5.2. Góc công suất delta của máy phát khi công suất phụ tải thay đổi
• 5.5.3. Độ lệch tốc độ Rotor khi công suất phụ tải thay đổi
• 5.5.4. Điện áp Vt khi công suất phụ tải thay đổi
• 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 6.1. Các kết quả đạt được trong đề tài
• 6.2. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về giải thuật Cuckoo Search

Giải thuật Cuckoo Search (CS) là một phương pháp tối ưu hóa dựa trên hành vi sinh sản của chim Cuckoo. Thuật toán này sử dụng nguyên lý Lévy Flight để tìm kiếm các giải pháp tối ưu trong không gian đa chiều. Cuckoo Search được xem là một trong những giải thuật metaheuristic hiệu quả, có khả năng tìm kiếm nhanh chóng và chính xác. Việc áp dụng Cuckoo Search trong tối ưu hóa bộ PSS (Power System Stabilizer) giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điện. Nghiên cứu cho thấy rằng Cuckoo Search có thể tìm ra các thông số tối ưu cho bộ PSS, từ đó nâng cao khả năng điều chỉnh và ổn định hệ thống điện.

1.1. Nguyên lý hoạt động của giải thuật Cuckoo Search

Giải thuật Cuckoo Search hoạt động dựa trên hành vi sinh sản của chim Cuckoo, nơi mà chim Cuckoo đẻ trứng trong tổ của các loài chim khác. Nếu trứng của Cuckoo không bị phát hiện, chúng sẽ nở ra và chiếm chỗ của các con non khác. Tương tự, trong Cuckoo Search, các giải pháp mới được tạo ra và thay thế các giải pháp kém hơn. Điều này giúp tối ưu hóa quá trình tìm kiếm và cải thiện hiệu suất của bộ PSS. Hành vi này không chỉ giúp tìm kiếm nhanh chóng mà còn đảm bảo rằng các giải pháp tốt nhất được giữ lại trong quá trình tối ưu hóa.

II. Tối ưu hóa bộ PSS bằng giải thuật Cuckoo Search

Việc tối ưu hóa bộ PSS là rất quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của hệ thống điện. Cuckoo Search được áp dụng để xác định các thông số tối ưu cho bộ PSS, từ đó cải thiện khả năng điều chỉnh và giảm thiểu dao động trong hệ thống. Kết quả từ các mô phỏng cho thấy rằng bộ PSS được tối ưu hóa bằng Cuckoo Search hoạt động hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống. Điều này chứng minh rằng Cuckoo Search không chỉ là một giải pháp lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn cao trong việc cải thiện hiệu suất của hệ thống điện.

2.1. Các thông số tối ưu cho bộ PSS

Các thông số tối ưu cho bộ PSS bao gồm độ lợi, thời gian trễ và các tham số điều chỉnh khác. Việc xác định các thông số này thông qua Cuckoo Search giúp đảm bảo rằng bộ PSS có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau của hệ thống điện. Các mô phỏng cho thấy rằng việc tối ưu hóa này không chỉ cải thiện độ ổn định mà còn nâng cao khả năng phản ứng của hệ thống khi có sự cố xảy ra. Điều này cho thấy giá trị thực tiễn của việc áp dụng Cuckoo Search trong tối ưu hóa bộ PSS.

III. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Kết quả từ nghiên cứu cho thấy rằng bộ PSS được tối ưu hóa bằng Cuckoo Search có khả năng cải thiện đáng kể độ ổn định của hệ thống điện. Các mô phỏng cho thấy rằng bộ PSS-CS hoạt động hiệu quả hơn so với các phương pháp khác như PSS-PSO. Điều này chứng minh rằng Cuckoo Search có thể được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống điện hiện đại để cải thiện hiệu suất và độ ổn định. Việc ứng dụng Cuckoo Search không chỉ mang lại lợi ích cho các nhà nghiên cứu mà còn cho các kỹ sư trong ngành điện, giúp họ thiết kế các hệ thống điện ổn định và hiệu quả hơn.

3.1. Tính khả thi và triển vọng ứng dụng

Tính khả thi của việc áp dụng Cuckoo Search trong tối ưu hóa bộ PSS đã được chứng minh qua các kết quả mô phỏng. Các kỹ sư có thể sử dụng giải thuật này để tối ưu hóa các thông số của bộ PSS trong các hệ thống điện khác nhau. Triển vọng ứng dụng của Cuckoo Search trong lĩnh vực điện lực là rất lớn, đặc biệt trong bối cảnh các hệ thống điện ngày càng phức tạp và yêu cầu cao về độ ổn định. Việc áp dụng giải thuật này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn góp phần vào việc phát triển các công nghệ mới trong ngành điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện hiện đại ngày càng phức tạp với sự gia tăng của các nguồn điện công suất lớn và mạng lưới truyền tải đa dạng. Theo ước tính, việc duy trì ổn định hệ thống điện là một thách thức lớn do các dao động không mong muốn có thể gây mất đồng bộ và gián đoạn cung cấp điện. Trong bối cảnh đó, bộ ổn định hệ thống điện (Power System Stabilizer - PSS) đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện ổn định động của máy phát điện đồng bộ. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng giải thuật Cuckoo Search (CS) để xác định các thông số tối ưu cho bộ PSS, nhằm nâng cao hiệu quả hãm dao động và cải thiện trạng thái ổn định của hệ thống điện.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện một máy phát kết nối với lưới có công suất vô hạn, mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink trong các điều kiện vận hành khác nhau. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp điều khiển tối ưu, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành của hệ thống điện, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu điện năng ngày càng tăng và yêu cầu về chất lượng điện năng ngày càng khắt khe.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết ổn định hệ thống điện: Bao gồm ổn định góc rotor, ổn định tần số và ổn định điện áp, tập trung vào khả năng duy trì trạng thái đồng bộ của máy phát sau các nhiễu loạn.
• Mô hình máy phát điện đồng bộ: Sử dụng các phương trình trạng thái mô tả góc công suất, độ lệch tốc độ, suất điện động quá độ trục d và q, công suất trên đầu cực máy phát, dòng điện trục d và q, cùng hệ thống kích từ.
• Lý thuyết bộ ổn định công suất (PSS): PSS cung cấp tín hiệu điều khiển bổ sung cho hệ thống tự động điều chỉnh điện áp (AVR) nhằm tạo ra mô men hãm dao động rotor, cải thiện ổn định động của máy phát.
• Thuật toán Cuckoo Search (CS): Thuật toán metaheuristic lấy cảm hứng từ hành vi đẻ trứng của chim Cuckoo và đặc tính phân phối Lévy flight, được sử dụng để tối ưu hóa các tham số của bộ PSS nhằm đạt hiệu quả hãm dao động tối ưu.

Các khái niệm chính bao gồm: mô men hãm, hàm mục tiêu tối ưu, phân phối Lévy flight, và các thông số kỹ thuật của bộ PSS theo chuẩn IEEE 421.5–2005.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, sách, bài báo khoa học và các mô hình mô phỏng trước đó. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Mô phỏng Matlab/Simulink: Xây dựng mô hình hệ thống điện một máy phát kết nối với lưới vô hạn, mô phỏng các phương trình trạng thái và hệ thống kích từ.
• Phân tích và tối ưu hóa: Áp dụng thuật toán Cuckoo Search để tìm kiếm các thông số tối ưu của bộ PSS dựa trên hàm mục tiêu nhằm giảm thiểu dao động rotor và cải thiện ổn định động.
• So sánh kết quả: Đánh giá hiệu quả của bộ PSS-CS so với bộ PSS không có tối ưu và bộ PSS sử dụng thuật toán PSO trong cùng điều kiện vận hành.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2016 đến 2017, với cỡ mẫu mô phỏng đủ lớn để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả cải thiện ổn định động: Bộ PSS được tối ưu bằng thuật toán Cuckoo Search đã cải thiện đáng kể trạng thái ổn định của máy phát. Ví dụ, trong trường hợp xảy ra ngắn mạch trên đầu cực máy phát, độ lệch tốc độ rotor giảm khoảng 30% so với trường hợp không có bộ PSS.
2. Tăng cường đặc tính hãm dao động: So với bộ PSS sử dụng thuật toán PSO, bộ PSS-CS cho thấy hiệu suất hãm dao động tốt hơn khoảng 15% trong các điều kiện tải thay đổi đột ngột.
3. Ổn định góc công suất: Góc công suất δ của máy phát duy trì ổn định nhanh hơn, giảm thời gian dao động xuống còn khoảng 0.5 giây trong các mô phỏng, so với 0.7 giây khi không sử dụng bộ PSS.
4. Điện áp đầu cực ổn định: Điện áp Vt trên đầu cực máy phát được duy trì ổn định hơn, giảm biến động điện áp khoảng 20% trong các trường hợp tải thay đổi đột ngột.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các cải thiện trên là do thuật toán Cuckoo Search có khả năng tìm kiếm toàn cục hiệu quả, tránh được các điểm tối ưu cục bộ, từ đó xác định được bộ thông số PSS tối ưu nhất cho từng điều kiện vận hành. Kết quả mô phỏng được trình bày qua các biểu đồ độ lệch tốc độ rotor, góc công suất và điện áp đầu cực, minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa các phương án điều khiển.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng thuật toán PSO hay GA, bộ PSS-CS cho thấy ưu thế vượt trội về tốc độ hội tụ và chất lượng giải pháp. Điều này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của thuật toán CS trong việc tối ưu hóa các hệ thống điều khiển phức tạp như bộ PSS.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc nâng cao ổn định hệ thống điện mà còn góp phần giảm thiểu rủi ro mất đồng bộ, tăng tuổi thọ thiết bị và đảm bảo cung cấp điện liên tục, ổn định cho người tiêu dùng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ PSS-CS trong các nhà máy điện: Khuyến nghị các nhà máy điện lớn như nhiệt điện và thủy điện áp dụng bộ PSS được tối ưu bằng thuật toán Cuckoo Search để nâng cao ổn định động, giảm thiểu sự cố dao động rotor trong vòng 1-2 năm tới.
2. Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp CS: Đề xuất xây dựng phần mềm mô phỏng tích hợp thuật toán CS để hỗ trợ các kỹ sư điện trong việc thiết kế và điều chỉnh bộ PSS phù hợp với từng hệ thống cụ thể.
3. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thuật toán metaheuristic và ứng dụng trong kỹ thuật điện cho cán bộ kỹ thuật và nghiên cứu viên trong 6 tháng tới nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng thực tế.
4. Mở rộng nghiên cứu cho hệ thống đa máy phát: Khuyến nghị nghiên cứu tiếp tục áp dụng thuật toán CS cho các hệ thống điện phức tạp hơn với nhiều máy phát và điều kiện vận hành đa dạng, nhằm tối ưu hóa điều khiển phối hợp bộ PSS trong vòng 3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện: Giúp hiểu rõ về các phương pháp tối ưu hóa bộ PSS, nâng cao hiệu quả vận hành và ổn định hệ thống.
2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa máy phát điện, thuật toán metaheuristic và ứng dụng thực tiễn trong điều khiển hệ thống điện.
3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hỗ trợ trong việc đánh giá và lựa chọn công nghệ điều khiển hiện đại nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống điện quốc gia.
4. Các nhà phát triển phần mềm mô phỏng kỹ thuật: Tham khảo để phát triển các công cụ mô phỏng tích hợp thuật toán tối ưu, phục vụ cho thiết kế và vận hành hệ thống điện.

Câu hỏi thường gặp

1. Thuật toán Cuckoo Search là gì và tại sao được chọn để tối ưu bộ PSS?
   Thuật toán Cuckoo Search là một phương pháp metaheuristic lấy cảm hứng từ hành vi đẻ trứng của chim Cuckoo và đặc tính phân phối Lévy flight. Nó được chọn vì khả năng tìm kiếm toàn cục hiệu quả, tránh bị kẹt ở điểm tối ưu cục bộ, giúp xác định thông số tối ưu cho bộ PSS một cách nhanh chóng và chính xác.

2. Bộ PSS có vai trò gì trong hệ thống điện?
   Bộ PSS cung cấp tín hiệu điều khiển bổ sung cho hệ thống tự động điều chỉnh điện áp (AVR), tạo ra mô men hãm dao động rotor, giúp duy trì đồng bộ và ổn định động của máy phát điện, giảm thiểu dao động không mong muốn trong hệ thống.

3. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ PSS-CS hiệu quả hơn bộ PSS truyền thống như thế nào?
   Kết quả mô phỏng cho thấy bộ PSS-CS giảm độ lệch tốc độ rotor khoảng 30%, giảm thời gian dao động góc công suất xuống còn 0.5 giây, và giảm biến động điện áp đầu cực khoảng 20% so với bộ PSS truyền thống hoặc bộ PSS sử dụng thuật toán PSO.

4. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng và phân tích?
   Phần mềm Matlab/Simulink được sử dụng để xây dựng mô hình máy phát điện, hệ thống kích từ và mô phỏng các trường hợp vận hành khác nhau nhằm đánh giá hiệu quả của bộ PSS tối ưu.

5. Có thể áp dụng thuật toán Cuckoo Search cho các hệ thống điện phức tạp hơn không?
   Có, thuật toán Cuckoo Search có thể mở rộng áp dụng cho các hệ thống đa máy phát và các bài toán tối ưu phức tạp khác trong kỹ thuật điện, giúp cải thiện hiệu quả điều khiển và ổn định hệ thống.

Kết luận

• Bộ PSS được tối ưu bằng thuật toán Cuckoo Search đã cải thiện đáng kể trạng thái ổn định và đặc tính hãm dao động của máy phát điện trong hệ thống điện một máy phát kết nối với lưới vô hạn.
• Thuật toán CS cho thấy ưu thế vượt trội về khả năng hội tụ và chất lượng giải pháp so với các thuật toán tối ưu khác như PSO.
• Mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp đề xuất trong các điều kiện vận hành thực tế.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành của hệ thống điện, đồng thời mở ra hướng phát triển ứng dụng thuật toán metaheuristic trong kỹ thuật điều khiển điện.
• Đề xuất triển khai ứng dụng bộ PSS-CS trong các nhà máy điện và mở rộng nghiên cứu cho các hệ thống phức tạp hơn trong tương lai nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển và ổn định hệ thống điện quốc gia.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm thực tế bộ PSS-CS tại các nhà máy điện và phát triển phần mềm hỗ trợ thiết kế bộ PSS tối ưu, đồng thời đào tạo nhân lực chuyên môn để ứng dụng rộng rãi giải pháp này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van  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 Luan van 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 Luan van Chương 2: Lý thuyết về bộ ổn định PSS.