Nghiên cứu ứng dụng thuật toán di truyền trong thiết kế bộ điều khiển pid cho hệ thống điều chỉnh tự động điện áp luận văn thạc sỹ chuyên ngành tự động hóa

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng thuật toán di truyền trong thiết kế bộ điều khiển pid cho hệ thống điều chỉnh, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Trần Thị Hoa
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Hùng Lân
• Trường học: Trường Đại học Giao thông vận tải
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Thuật Toán Di Truyền Trong Thiết Kế Bộ Điều Khiển PID Cho Hệ Thống Điều Chỉnh Tự Động Điện Áp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP
• 1.1. Bộ điều chỉnh điện áp
• 1.2. Nguyên lý hoạt động của AVR
• 1.3. Các phương pháp tự động điều chỉnh điện áp
• 1.4. Bù trừ điện áp suy giảm trên đường dây
• 1.5. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN PID CƠ BẢN
• 2.1. Mô hình điều khiển PID
• 2.2. Một số phương pháp hiệu chỉnh PID
• 2.2.1. Hai phương pháp xác định tham số PID của Ziegier-Nichols
• 2.2.2. Phương pháp Ziegier-Nichols thứ nhất
• 2.2.3. Phương pháp Ziegier-Nichols thứ hai
• 2.2.4. Phương pháp Chien-Hrones-Reswick
• 2.3. Phương pháp tối ưu độ lớn
• 2.4. Thuật toán di truyền và ứng dụng trong điều khiển
• 2.4.1. Lịch sử ra đời
• 2.4.2. Ứng dụng trí tuệ di truyền
• 2.4.3. Ứng dụng giải thuật di truyền cho việc học thông số mạng neural
• 2.4.4. Ứng dụng giải thuật di truyền trong lĩnh vực giao thông
• 2.4.5. Ứng dụng giải thuật di truyền phân bố công suất tối ưu trong hệ thống điện
• 2.4.6. Thuật toán di truyền
• 2.4.7. Xác định hàm mục tiêu theo tiêu chuẩn MSE
• 2.5. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TRÊN CƠ SỞ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN
• 3.1. Cấu trúc của hệ thống điều khiển điện áp sử dụng bộ PID
• 3.2. Bộ điều khiển PID tổng hợp theo Ziegler-Nichols
• 3.3. Bộ điều khiển PID tổng hợp bằng thuật toán di truyền
• 3.4. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về bài toán điều chỉnh điện áp

Chương này giới thiệu tổng quan về hệ thống điều chỉnh tự động điện áp và vai trò của bộ điều khiển PID trong việc duy trì ổn định điện áp. Thuật toán di truyền được đề cập như một phương pháp tối ưu hóa hiệu quả cho thiết kế bộ điều khiển. Các vấn đề chính bao gồm: điều chỉnh điện áp máy phát, giới hạn tỷ số điện áp/tần số, và điều chỉnh công suất vô công. Hệ thống điện áp cần đảm bảo độ chính xác và ổn định trong quá trình vận hành.

1.1. Bộ điều chỉnh điện áp

Bộ điều chỉnh điện áp (AVR) là thành phần quan trọng trong hệ thống điều chỉnh tự động điện áp. Nó có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp đầu ra của máy phát, giới hạn tỷ số điện áp/tần số, và điều chỉnh công suất vô công. AVR sử dụng PID controller để duy trì điện áp ổn định, đảm bảo chất lượng điện năng. Các phương pháp điều chỉnh truyền thống thường gặp hạn chế về độ chính xác và tốc độ đáp ứng.

1.2. Nguyên lý hoạt động của AVR

Nguyên lý hoạt động của AVR dựa trên việc so sánh điện áp đầu ra với điện áp tham chiếu. Thuật toán di truyền được áp dụng để tối ưu hóa các tham số của bộ điều khiển PID, giúp hệ thống đạt được hiệu suất cao hơn. Các phương pháp điều chỉnh tự động bao gồm điều chỉnh bằng tay và điều khiển kỹ thuật số, trong đó PID controller đóng vai trò trung tâm.

II. Phương pháp tính toán PID cơ bản

Chương này tập trung vào các phương pháp tính toán và hiệu chỉnh bộ điều khiển PID. Thuật toán di truyền được giới thiệu như một công cụ mạnh mẽ để tối ưu hóa các tham số PID. Các phương pháp truyền thống như Ziegler-Nichols và Chien-Hrones-Reswick được phân tích, cùng với ưu nhược điểm của từng phương pháp. Hệ thống điều chỉnh tự động điện áp yêu cầu độ chính xác cao, do đó việc áp dụng genetic algorithm mang lại hiệu quả đáng kể.

2.1. Mô hình điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là công cụ phổ biến trong hệ thống điều chỉnh tự động điện áp. Nó bao gồm ba thành phần: tỷ lệ (P), tích phân (I), và đạo hàm (D). Thuật toán di truyền được sử dụng để tối ưu hóa các tham số này, giúp hệ thống đạt được độ chính xác và tốc độ đáp ứng cao. Các phương pháp hiệu chỉnh truyền thống thường gặp khó khăn trong việc xác định tham số tối ưu.

2.2. Thuật toán di truyền và ứng dụng

Thuật toán di truyền (GA) là một phương pháp tối ưu hóa dựa trên nguyên lý tiến hóa tự nhiên. Nó được áp dụng để tìm kiếm các tham số tối ưu cho bộ điều khiển PID trong hệ thống điều chỉnh tự động điện áp. GA mang lại hiệu quả cao trong việc giải quyết các bài toán phức tạp, đặc biệt là khi các phương pháp truyền thống không đáp ứng được yêu cầu.

III. Xây dựng bộ tự động điều chỉnh điện áp

Chương này trình bày quá trình xây dựng bộ điều khiển PID sử dụng thuật toán di truyền cho hệ thống điều chỉnh tự động điện áp. Các kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab được phân tích để đánh giá hiệu quả của phương pháp. Hệ thống điện áp được thiết kế đảm bảo độ ổn định và độ chính xác cao, đáp ứng các yêu cầu thực tế.

3.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển điện áp

Hệ thống điều chỉnh tự động điện áp được thiết kế với bộ điều khiển PID làm trung tâm. Thuật toán di truyền được sử dụng để tối ưu hóa các tham số PID, giúp hệ thống đạt được hiệu suất cao. Các kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp này mang lại độ chính xác và tốc độ đáp ứng vượt trội so với các phương pháp truyền thống.

3.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá

Các kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab được phân tích để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển PID được tối ưu hóa bằng thuật toán di truyền. Hệ thống điều chỉnh tự động điện áp đạt được độ ổn định và độ chính xác cao, đáp ứng các yêu cầu thực tế. Phương pháp này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện hiện đại.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp và nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng, việc đảm bảo chất lượng điện áp trong hệ thống điện là vô cùng quan trọng. Theo báo cáo của ngành điện, điện áp ổn định và chính xác giúp giảm thiểu tổn thất, nâng cao hiệu suất vận hành máy phát điện và bảo vệ thiết bị tiêu thụ. Tuy nhiên, hệ thống tự động điều chỉnh điện áp (AVR) hiện nay vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế về độ chính xác, dao động và sai số xác lập. Đặc biệt, việc thiết kế bộ điều khiển PID truyền thống chưa tối ưu hoàn toàn, dẫn đến hiệu quả điều khiển chưa cao.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng thuật toán di truyền (GA) để thiết kế bộ điều khiển PID tối ưu cho hệ thống điều chỉnh tự động điện áp máy phát điện. Nghiên cứu tập trung xây dựng mô hình toán học của hệ thống AVR, phát triển thuật toán tối ưu tham số PID dựa trên GA và mô phỏng đánh giá hiệu quả trên phần mềm Matlab. Phạm vi nghiên cứu bao gồm hệ thống điều chỉnh điện áp máy phát điện, với dữ liệu và mô phỏng thực hiện tại Việt Nam trong năm 2013.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao chất lượng điện áp, giảm dao động và sai số, từ đó góp phần ổn định hệ thống điện, tăng tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí vận hành. Kết quả nghiên cứu cũng mở ra hướng ứng dụng thuật toán di truyền trong các bài toán điều khiển phức tạp khác trong lĩnh vực tự động hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: bộ điều khiển PID và thuật toán di truyền.

• Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative): Là bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ, gồm ba khâu P, I, D tương ứng với tác động tỷ lệ, tích phân và đạo hàm. Bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển tự động công nghiệp để giảm thiểu sai số và cải thiện đáp ứng hệ thống. Các tham số kP, kI, kD cần được hiệu chỉnh phù hợp với đặc tính của đối tượng điều khiển để đạt hiệu quả tối ưu.

• Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm - GA): Lấy cảm hứng từ quá trình tiến hóa sinh học, GA là phương pháp tìm kiếm và tối ưu hóa dựa trên các phép toán chọn lọc, lai tạo và đột biến trên quần thể các cá thể (giải pháp). GA không yêu cầu mô hình toán học phức tạp, có khả năng tìm kiếm toàn cục và thích hợp cho các bài toán tối ưu phi tuyến, đa biến.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR), hàm mục tiêu Mean Squared Error (MSE) dùng để đánh giá sai số điều khiển, mô hình truyền đạt hệ thống điều khiển, và các phương pháp hiệu chỉnh PID truyền thống như Ziegler-Nichols, Chien-Hrones-Reswick.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm mô phỏng trên máy tính:

• Nguồn dữ liệu: Mô hình toán học của hệ thống AVR được xây dựng dựa trên các đặc tính kỹ thuật của máy phát điện và bộ điều khiển PID. Thông số hệ thống được lấy từ tài liệu kỹ thuật và các nghiên cứu trước đó.

• Phương pháp phân tích: Thuật toán di truyền được phát triển để tối ưu hóa ba tham số kP, kI, kD của bộ điều khiển PID dựa trên tiêu chuẩn MSE. Quá trình tối ưu bao gồm mã hóa tham số, khởi tạo quần thể, đánh giá độ thích nghi, chọn lọc, lai tạo và đột biến. Mô phỏng hệ thống điều khiển được thực hiện trên Matlab-Simulink để đánh giá đáp ứng hệ thống với các tham số PID được tối ưu.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2013, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, phát triển thuật toán, mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xây dựng thành công thuật toán tối ưu PID dựa trên giải thuật di truyền: Thuật toán được thiết kế với mã hóa 24 bit cho ba tham số PID, sử dụng hàm mục tiêu MSE để đánh giá độ thích nghi. Quá trình tối ưu cho phép tìm ra bộ tham số PID tối ưu trong thời gian nhanh nhất, cải thiện đáng kể hiệu quả điều khiển.

2. Cải thiện chất lượng điều khiển điện áp: Mô phỏng trên Matlab cho thấy bộ điều khiển PID tối ưu bằng GA giảm sai số xác lập xuống dưới 0.5%, giảm độ dao động và độ quá điều chỉnh so với phương pháp hiệu chỉnh truyền thống. Ví dụ, thời gian quá độ giảm khoảng 20%, độ quá điều chỉnh giảm từ 40% xuống dưới 15%.

3. So sánh với các phương pháp hiệu chỉnh PID truyền thống: Thuật toán GA vượt trội hơn so với phương pháp Ziegler-Nichols và Chien-Hrones-Reswick về khả năng tìm kiếm tham số tối ưu cho hệ thống phức tạp, đặc biệt khi đối tượng điều khiển có đặc tính phi tuyến hoặc nhiều hằng số thời gian.

4. Tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống: Các nghiệm của phương trình đặc trưng hệ thống đều có phần thực âm, đảm bảo hệ thống ổn định khi sử dụng bộ điều khiển PID tối ưu. Đáp ứng hệ thống mượt mà, không có dao động lớn hay hiện tượng quá kích thích.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện là do thuật toán di truyền khai thác hiệu quả không gian tìm kiếm tham số PID, tránh bị kẹt tại các cực trị cục bộ như các phương pháp truyền thống. Việc sử dụng hàm mục tiêu MSE giúp đánh giá toàn diện sai số trong suốt quá trình đáp ứng, từ đó tối ưu hóa các tham số một cách chính xác.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng các thuật toán tiến hóa trong điều khiển tự động, đồng thời khẳng định tính khả thi và hiệu quả của GA trong thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống AVR. Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng bậc thang, bảng so sánh các chỉ tiêu thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh và sai số xác lập giữa các phương pháp.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc nâng cao chất lượng điều khiển điện áp mà còn mở rộng khả năng ứng dụng thuật toán di truyền trong các bài toán điều khiển phức tạp khác trong ngành tự động hóa và điện lực.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển PID tối ưu trên hệ thống thực tế: Áp dụng thuật toán di truyền để hiệu chỉnh tham số PID cho các hệ thống AVR trong các nhà máy điện nhằm nâng cao chất lượng điện áp, giảm thiểu dao động và sai số. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 6-12 tháng, chủ thể là các kỹ sư vận hành và phòng kỹ thuật.

2. Phát triển phần mềm hỗ trợ hiệu chỉnh PID tự động: Xây dựng công cụ phần mềm tích hợp thuật toán GA để tự động tính toán và cập nhật tham số PID theo điều kiện vận hành thực tế, giúp giảm thiểu thời gian và công sức hiệu chỉnh thủ công. Thời gian phát triển dự kiến 12 tháng, chủ thể là nhóm nghiên cứu và phát triển phần mềm.

3. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng thuật toán di truyền cho các bài toán điều khiển phức tạp khác: Ví dụ như điều khiển mạng lưới điện, điều khiển động cơ, hoặc hệ thống điều khiển đa biến phi tuyến. Thời gian nghiên cứu tiếp theo 1-2 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về thuật toán di truyền và ứng dụng trong điều khiển tự động nhằm nâng cao trình độ chuyên môn cho đội ngũ kỹ sư vận hành và bảo trì. Thời gian tổ chức định kỳ hàng năm, chủ thể là các trung tâm đào tạo và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống điện: Nắm bắt kiến thức về thiết kế và tối ưu bộ điều khiển PID giúp cải thiện hiệu quả vận hành máy phát điện và hệ thống AVR, giảm thiểu sự cố và tăng tuổi thọ thiết bị.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực tự động hóa: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp ứng dụng thuật toán di truyền trong điều khiển tự động, làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu và giảng dạy.

3. Sinh viên cao học chuyên ngành tự động hóa và điện: Học tập và áp dụng các phương pháp tối ưu hóa hiện đại trong thiết kế bộ điều khiển, nâng cao kỹ năng thực hành mô phỏng và phân tích hệ thống.

4. Các nhà phát triển phần mềm điều khiển và tự động hóa: Tham khảo thuật toán di truyền và mô hình hệ thống để phát triển các giải pháp phần mềm hỗ trợ hiệu chỉnh và tối ưu bộ điều khiển PID trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Thuật toán di truyền là gì và tại sao lại được sử dụng trong thiết kế bộ điều khiển PID?
   Thuật toán di truyền là phương pháp tối ưu hóa dựa trên mô phỏng quá trình tiến hóa sinh học, giúp tìm kiếm tham số tối ưu trong không gian lớn và phức tạp. Nó được sử dụng vì khả năng tránh bị kẹt tại cực trị cục bộ và tìm ra giải pháp gần tối ưu nhanh chóng, phù hợp với bài toán hiệu chỉnh PID.

2. Bộ điều khiển PID gồm những thành phần nào và vai trò của chúng ra sao?
   Bộ điều khiển PID gồm ba khâu: tỷ lệ (P) tác động theo sai số hiện tại, tích phân (I) loại bỏ sai số tích lũy trong quá khứ, và đạo hàm (D) dự đoán sai số tương lai. Sự kết hợp này giúp hệ thống đạt được đáp ứng nhanh, ổn định và chính xác.

3. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển PID tối ưu?
   Hiệu quả được đánh giá qua các chỉ tiêu như thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh, số lần dao động và sai số xác lập. Hàm mục tiêu MSE cũng được sử dụng để đo lường sai số trung bình bình phương trong quá trình đáp ứng.

4. Phương pháp hiệu chỉnh PID truyền thống có điểm hạn chế gì?
   Các phương pháp như Ziegler-Nichols hay Chien-Hrones-Reswick thường dựa trên mô hình xấp xỉ hoặc thực nghiệm, dễ bị ảnh hưởng bởi đặc tính phi tuyến hoặc nhiều hằng số thời gian của hệ thống, dẫn đến hiệu quả điều khiển chưa tối ưu.

5. Ứng dụng của nghiên cứu này trong thực tế như thế nào?
   Nghiên cứu giúp thiết kế bộ điều khiển PID tối ưu cho hệ thống AVR, nâng cao chất lượng điện áp, giảm dao động và sai số, từ đó cải thiện độ ổn định và hiệu suất vận hành máy phát điện trong các nhà máy điện và hệ thống điện công nghiệp.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công thuật toán di truyền để tối ưu tham số bộ điều khiển PID cho hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát điện.
• Thuật toán giúp giảm sai số xác lập xuống dưới 0.5%, cải thiện thời gian quá độ và độ quá điều chỉnh so với các phương pháp truyền thống.
• Mô hình toán học và mô phỏng trên Matlab chứng minh tính ổn định và hiệu quả của bộ điều khiển PID tối ưu.
• Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng thuật toán di truyền trong các bài toán điều khiển phức tạp khác trong lĩnh vực tự động hóa.
• Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế, phát triển phần mềm hỗ trợ và đào tạo cán bộ kỹ thuật để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện.

Các đơn vị vận hành và nghiên cứu nên phối hợp triển khai thử nghiệm bộ điều khiển PID tối ưu trên hệ thống thực tế, đồng thời phát triển công cụ hỗ trợ tự động hóa hiệu chỉnh tham số PID nhằm nâng cao chất lượng điều khiển điện áp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 1.1 Bộ điều chỉnh điện áp 1.1 Tính năng, tác dụng của AVR Hệ thống AVR chính là Bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR. Bộ tự động điều chỉnh điện áp, tần số tự động (Automatic Voltage Regulator – AVR) trong các máy phát điện, là một phần đóng vai trò quan trọng của mỗi máy phát hoặc hệ thống tổ máy phát điện, nếu mất tính năng tự điều chỉnh này thì chất lượng điện cung cấp (điện áp và tần số) không đáp ứng được yêu cầu khắt khe của hệ thống thiết bị 13. Bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR có tính năng, tác dụng: - Điều chỉnh điện áp máy phát điện. - Giới hạn tỷ số điện áp/tần số.

- Điều chỉnh công suất vô công máy phát điện. - Tạo độ suy giảm điện áp theo công suất vô công, để cân bằng sự phân phối công suất vô công giữa các máy với nhau trong hệ thống khi máy vận hành nối lưới. - Khống chế dòng điện kháng do thiếu kích thích, nhằm tạo sự ổn định cho hệ thống khi máy nối lưới.1 Điều chỉnh điện áp máy phát điện Bộ điều chỉnh điện áp tự động luôn luôn theo dõi điện áp đầu ra của máy phát điện và so sánh nó với một điện áp tham chiếu. Nó phải đưa ra những mệnh lệnh để tăng giảm dòng điện kích thích sao cho sai số giữa điện áp đo được và điện áp tham chiếu là nhỏ nhất.

Muốn thay đổi điện áp của máy phát điện, người ta chỉ cần thay đổi điện áp tham chiếu này. Điện áp tham chiếu thường được đặt tại giá trị định mức khi máy phát vận hành độc lập (Isolated) hoặc điện áp thanh cái, điện áp lưới tại chế độ vận hành hòa lưới (Paralled). Lê Hùng Lân HVTH. Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học 11 Tự động hóa 1.2 Giới hạn tỷ số điện áp/tần số Khi khởi động một tổ máy, lúc tốc độ quay của rotor còn thấp, tần số phát ra sẽ thấp.

Khi đó, bộ điều chỉnh điện áp tự động sẽ có khuynh hướng tăng dòng kích thích lên sao cho đủ điện áp đầu ra như tham chiếu theo giá trị đặt hoặc điện áp lưới. Điều này dẫn đến quá kích thích: cuộn dây rotor sẽ bị quá nhiệt, các thiết bị nối vào đầu cực máy phát như biến thế chính, máy biến áp tự dùng … sẽ bị quá kích thích, bão hòa từ và quá nhiệt. Thường tốc độ máy phát cần đạt đến 95% tốc độ định mức. Bộ điều chỉnh điện áp tự động cũng phải luôn theo dõi tỷ số này để điều chỉnh dòng kích thích cho phù hợp, mặc dù điện áp máy phát chưa đạt đến điện áp tham chiếu.3 Điều chỉnh công suất vô công máy phát điện Khi máy phát chưa phát điện lên lưới, việc thay đổi dòng điện kích từ chỉ thay đổi điện áp đầu cực máy phát.

Quan hệ giữa điện áp máy phát đối với dòng điện kích từ được biểu diễn bằng một đường cong, gọi là đặc tuyến không tải (đặc tuyến V-A) Tuy nhiên khi máy phát điện được nối vào một lưới có công suất rất lớn so với công suất của máy phát, việc tăng giảm dòng kích thích hầu như không làm thay đổi điện áp lưới. Tác dụng của bộ điều áp khi đó không còn là điều khiển điện áp máy phát nữa, mà là điều khiển dòng công suất phản kháng (còn gọi là công suất vô công, công suất ảo) của máy phát. Khi dòng kích thích tăng, công suất vô công tăng. Khi dòng kích thích giảm, công suất vô công giảm.

Dòng kích thích giảm đến một mức độ nào đó, công suất vô công của máy sẽ giảm xuống 0 và sẽ tăng lại theo chiều ngược lại (chiều âm), nếu dòng kích thích tiếp tục giảm thêm. Điều này dẫn đến nếu hệ thống điều khiển điện áp của máy phát quá nhạy, có thể dẫn đến sự thay đổi rất lớn công suất vô công của máy phát khi điện áp lưới dao động. Do đó, bộ điều khiển điện áp tự động, ngoài việc theo dõi và điều khiển điện áp, còn phải theo dõi và điều khiển dòng điện vô công. Thực chất của việc điều khiển này là điều khiển dòng kích thích khi công suất vô công và điện áp lưới có sự thay đổi, sao cho mối liên hệ giữa điện áp máy phát, điện áp lưới và công suất vô công phải là mối liên hệ hợp lý.

Lê Hùng Lân HVTH. Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học 12 Tự động hóa 1.4 Bù trừ điện áp suy giảm trên đường dây Khi máy phát điện vận hành độc lập hoặc nối vào lưới bằng một trở kháng lớn, khi tăng tải sẽ gây ra sụt áp trên đường dây. Sụt áp này làm cho điện áp tại hộ tiêu thụ bị giảm theo độ tăng tải, làm giảm chất lượng điện năng. Muốn giảm bớt tác hại này của hệ thống, bộ điều áp phải dự đoán được khả năng sụt giảm của đường dây và tạo ra điện áp bù trừ cho độ sụt giảm đó.

Tác dụng bù này giúp cho điện áp tại một điểm nào đó giữa máy phát và hộ tiêu thụ sẽ được ổn định theo tải. Điện áp tại hộ tiêu thụ sẽ giảm đôi chút so với tải, trong khi điện áp tại đầu cực máy phát sẽ tăng đôi chút so với tải. Để có được tác động này, người ta đưa thêm một tín hiệu dòng điện vào trong mạch đo lường. Dòng điện của một pha từ thứ cấp của biến dòng đo lường sẽ được chảy qua một mạch điện R và L, tạo ra các sụt áp tương ứng với sụt áp trên R và L của đường dây từ máy phát đến điểm mà ta muốn giữ ổn định điện áp.

Điện áp này được cộng thêm vào (hoặc trừ bớt đi) với điện áp đầu cực máy phát đã đo lường được. Bộ điều áp tự động sẽ căn cứ vào điện áp tổng hợp này mà điều chỉnh dòng kích từ sao cho điện áp tổng hợp nói trên là không đổi. Nếu các cực tính của biến dòng đo lường và biến điện áp đo lường được nối sao cho chúng trừ bớt lẫn nhau, sẽ có: Ump – Imp(r + jx) = const. Như vậy, chiều đấu nối này làm cho điện áp máy phát sẽ tăng nhẹ khi tăng tải.

Độ tăng tương đối được tính trên tỷ số giữa độ tăng phần trăm của điện áp máy phát khi dòng điện tăng từ 0 đến dòng định mức. Ví dụ, khi dòng điện máy phát bằng không, thì điện áp máy phát là 100%. Khi dòng điện máy phát bằng dòng điện định mức, thì điện áp máy phát là 104% điện áp định mức. Vậy độ tăng tương đối là +4%, độ tăng này còn gọi là độ bù (compensation).

Độ bù của bộ điều áp càng cao thì điểm ổn định điện áp càng xa máy phát và càng gần tải hơn. Trong các nhà máy điện nói chung và nhà máy thủy điện nói riêng, vấn đề duy trì điện áp đầu cực máy phát ổn định GVHD: PGS. Lê Hùng Lân HVTH. Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học 13 Tự động hóa (liên quan đến tần số phát) và bằng với giá trị điện áp định sẵn là rất quan trọng.

Hệ thống kích từ máy phát phải đảm bảo điều này bằng cách thay đổi giá trị của bộ bù tổng trở khi máy phát vận hành hoặc cách ly với hệ thống và các máy cắt đường dây truyền tải đóng hoặc mở. Thành phần quan trọng nhất trong hệ thống là các cầu chỉnh lưu thyristor và bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR-Automatic Voltage Regulator).2 Nguyên lý hoạt động của AVR 1.1: Sơ đồ nnguyên lý của AVR Cuộn dây 1-2 là cuộn dây cấp nguồn AC cho mạch kích từ. Cuộn dây 3-4 là cuộn dây hồi tiếp, đo lường điện áp ra của máy phát để điều chỉnh kích từ cho phù hợp. F+, F- là cuộn dây kích từ trong rotor của máy phát.

Lê Hùng Lân HVTH. Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học 14 Tự động hóa 1.2 Nguyên lý làm việc Nguồn kích từ được chỉnh lưu qua cầu diode PB1004 thành một chiều. Điện áp một chiều này được cấp điện cho cuộn dây kích từ qua sự điều chỉnh của cặp transistor darlington D718 và H1061. Cặp Darlington này được phân cực bằng hai điện trở 27kΩ, 5w song song.

Như vậy, nếu không có gì thay đổi và điều chỉnh, transistor D718 sẽ bão hòa. Gần như toàn bộ điện áp đặt lên cuộn kích từ. Cuộn dây 3-4 sẽ hồi tiếp điện áp ra của máy phát về mạch điều thế. Nếu máy phát có đủ điện áp định mức, điện áp hồi tiếp xấp xỉ 26VAC.

Sau khi chỉnh lưu sẽ ra 24VDC. Điện áp này được đưa qua bộ lọc 470Ω và 47µF, sau đó qua cầu phân áp thành 8,6V. Nếu điện áp ra máy phát lớn hơn 220V, điện áp hồi tiếp sẽ lớn hơn 8,6V, làm zenner 8V dẫn, và transistor H1061 dẫn, làm giảm bớt dòng phân cực cho cặp darlington, nhờ đó giảm bớt dòng kích từ lại. Tóm lại: khi áp thấp, cặp Darlington dẫn tự do, dòng kích từ tăng cao.

Khi áp xấp xỉ định mức, trasistor 1061 sẽ điều chỉnh để giảm bớt dòng kích từ lại. Mạch sẽ hoạt động ổn định khi đầu ra của mạch đo lường xấp xỉ 8,6V.3 Các phương pháp tự động điều chỉnh điện áp Mỗi hệ thống kích từ của máy phát được trang bị một bộ tự động điều chỉnh điện áp (Automatic Voltage Regulator – AVR). Bộ AVR được đấu nối với các biến điện áp một pha 110V riêng biệt nhau nằm trong tủ thiết bị đóng cắt máy phát. Bộ AVR đáp ứng được thành phần pha thứ tự thuận của điện áp máy phát và không phụ thuộc vào tần số.

Bộ AVR là loại điện tử kỹ thuật số, nhận tín hiệu đầu vào là điện áp 3 pha tại đầu cực máy phát, sử dụng nguyên lý điều chỉnh PID theo độ lệch điện áp đầu cực máy phát, nó cũng có chức năng điều chỉnh hằng số hệ số công suất và hằng số dòng điện trường. Một bộ cài đặt điện áp được sử dụng, thiết bị này thích hợp với việc vận hành bằng tay tại tủ điều chỉnh điện áp và tại tủ điều khiển tại chỗ tổ máy. Bộ cài đặt này có khả năng đặt dải điện áp đầu cực máy trong khoảng ± 50% giá trị điện áp định mức. Tất cả các bộ cài đặt giá trị vận hành đều là điều GVHD: PGS.

Lê Hùng Lân HVTH. Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học 15 Tự động hóa khiển điện tử kỹ thuật số. Bộ cài đặt giá trị điện áp vận hành bằng tay và bộ cài đặt giá trị điện áp mẫu phải tự động đặt về giá trị nhỏ nhất khi tổ máy dừng.