1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết, ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài
Khi phải thiết kế, xây dựng một hệ thống điều khiển bất kỳ nào đó, các nhà
thiết kế thường gặp phải bài toán là bộ điều khiển được thiết kế cần đảm bảo cho hệ
thống có được chất lượng làm việc mong muốn như tính ổn định, mức tiêu hao
năng lượng thấp, tính bền vững cao, trong dải công suất làm việc lớn. Có thể thấy
ngay được rằng các yêu cầu này khó có thể được đáp ứng chỉ với các công cụ điều
khiển có cấu trúc đơn giản đang được sử dụng nhiều trong công nghiệp như bộ điều
khiển PI, PID,…
PSS (Power System Stabilizer) là một trong các bộ điều khiển hiện đang được
sử dụng trong các nhà máy điện. Ở Việt Nam, nó được lắp đặt trong các nhà máy
nhiệt điện Phả Lại, Phú Mỹ; nhà máy thủy điện Thác Bà, Yaly và Sơn La,… PSS
có nhiệm vụ tăng cường giảm các dao động tần số thấp trong hệ thống điện (HTĐ),
mở rộng giới hạn truyền tải công suất và duy trì hoạt động an toàn của mạng lưới
điện. Tuy nhiên, nó vẫn có hạn chế là mỗi bộ tham số điều khiển chỉ đảm bảo được
tính ổn định cho hệ thống trong một dải công suất làm việc nhất định, ngoài dải
công suất đó kỹ sư vận hành bắt buộc phải tự chỉnh định lại các tham số làm việc
của PSS. Hơn thế nữa, những tham số chuẩn được giới thiệu cũng chỉ đảm bảo
được tính ổn định khi hệ thống làm việc độc lập và không bị các tương tác khác của
những hệ thống xung quanh tác động dưới vai trò như các tín hiệu nhiễu ngoại sinh.
Để nâng cao được khả năng làm việc bền vững cho các bộ điều khiển, hiện
người ta vẫn sử dụng nguyên tắc thủ cựu là xây dựng thêm nhiều mạch vòng điều
khiển bổ sung, bằng cách sử dụng bộ điều khiển PID và các bộ lọc lead–lag. Song
đáng tiếc tài liệu [Glover K. và Doyle J. C. (1998)] chỉ rõ, nguyên lý điều khiển bảo
thủ này vẫn chứa đựng các khiếm khuyết của nó và vẫn có thể dẫn tới sự phá vỡ chỉ
tiêu chất lượng đặt ra của hệ thống, trong một số trường hợp các bộ điều khiển trên
không đảm bảo được sự dập tắt đối với những dao động trong hệ thống.
Gần đây, lý thuyết tối ưu RH


– Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu cấu trúc các PSS đang lắp đặt trong các
nhà máy điện hiện nay ở Việt Nam, rồi phân tích lý giải so sánh. Kiểm chứng bộ
điều khiển PSS thiết kế mới bằng mô phỏng trong Matlab R2010a & Simulink, sau
đó là mô phỏng thời gian thực trên Card R&D DS1104. Đánh giá khả năng ứng
dụng của bộ PSS mới.
– Lấy ý kiến chuyên gia: Tham khảo ý kiến của các nhà khoa học, ý kiến của
các kỹ sư vận hành nhà máy điện và nhà sản xuất thiết bị PSS của hãng ABB.
5. Những đóng góp của luận án
– Luận án đã nghiên cứu một cách hệ thống về PSS. Ứng dụng lý thuyết điều
khiển tối ưu RH

thiết kế thành công bộ PSS tối ưu về cấu trúc và tham số để nâng
cao chất lượng ổn định HTĐ. Bộ điều khiển cho thấy làm việc bền vững với sai
lệch mô hình và nhiễu. Ngoài ra chất lượng ổn định lại ít nhạy cảm nhất với sai
lệch mô hình và nhiễu.
– Luận án đã dùng chuẩn Hankel để giảm bậc bộ điều khiển từ bậc 28 xuống
bậc 6, giúp cho việc thực hiện bộ điều khiển RH

có tính khả thi trong thực tế.
– Luận án đã đánh giá được hiệu quả của các loại PSS theo chuẩn IEEE
421.5.2005 trong vấn đề giảm các dao động góc tải của máy phát điện trong HTĐ.
– Kết quả nghiên cứu của luận án mở ra khả năng ứng dụng RH

– PSS trong
HTĐ thực tế.
6. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị luận án gồm các chương sau đây:
3

Chương 1 giới thiệu cấu trúc chung về HTĐ; vấn đề điều khiển HTĐ như điều

1.1. Giới thiệu cấu trúc HTĐ
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.
4

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.
1.2. Điều khiển HTĐ
1.2.1. Nhiệm vụ điều khiển HTĐ
Chức năng của một HTĐ là biến đổi năng lượng từ một dạng tự nhiên sang
dạng điện và truyền tải đến các điểm tiêu thụ. Sự tiện lợi của năng lượng điện là dễ
truyền tải và điều khiển với hiệu suất và độ tin cậy cao. Trong quá trình vận hành
HTĐ cần đảm bảo các yêu cầu sau đây:
 Hệ thống phải có khả năng đáp ứng một cách liên tục với sự thay đổi nhu cầu
tải CSTD và công suất phản kháng.
 Chất lượng điện năng phải đảm bảo tiêu chuẩn: tần số hệ thống không đổi;
điện áp nút không đổi.
1.2.2. Cấu trúc điều khiển HTĐ

Phía nhà máy điện
Các bộ điều điều khiển HTĐ
Phía tryền tải điện
Turbine
Điều khiển tần số tải (LFC)

có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho cuộn dây kích từ của máy phát điện
đồng bộ.
1.2.2.2. Điều khiển tần số
Quá trình điều khiển tần số gắn liền với điều khiển tốc độ của máy phát điện
đồng bộ. Tần số của hệ thống được đảm bảo dựa trên sự cân bằng công suất tác
dụng (CSTD). Trong hệ thống có nhiều tổ máy, nhiều nhà máy điện nên cần có sự
phân phối công suất giữa các tổ máy với nhau. Bộ điều chỉnh tốc độ turbine của
mỗi máy phát làm chức năng điều chỉnh tốc độ sơ cấp, trong khi bộ điều khiển thứ
cấp làm nhiệm vụ phân phối công suất (AGC).
Trong hệ thống liên kết có hai hay nhiều khu vực điều khiển độc lập nhau,
ngoài bộ điều khiển tần số nguồn phát
trong mỗi khu vực còn phải điều khiển
để duy trì lượng công suất trao đổi giữa
các khu vực theo kế hoạch định trước.
Điều khiển nguồn phát và tần số thông
thường được biết đến với thiết bị điều
khiển tần số–tải (LFC).
Ngày nay, các thiết bị tự động điều
khiển cho phép duy trì tần số hệ thống
kết hợp phân bố kinh tế công suất giữa
các tổ máy nối song song đồng thời điều
khiển luồng công suất còn thiếu hụt giữa HTĐ và nhà máy.
1.3. Vấn đề dao động góc tải trong HTĐ
1.3.1. Định nghĩa góc tải (góc rotor)
Góc tải (góc rotor)

là góc giữa vector sức điện động bên trong
g
E
do từ

IX
e

c) Sơ đồ vector
V
S

IX
g



P
P
max

90
0

180
0

δ
0

P
m

I
a

vào và mô men điện đầu ra của mỗi máy phát
()
Me
TT
và góc tải, tốc độ rotor duy
trì là hằng số. Nếu hệ thống bị nhiễu loạn, điểm cân bằng sẽ bị thay đổi, kết quả
làm cho rotor bị tăng tốc hay giảm tốc so với tần số hệ thống, khiến hoạt động của
máy phát có thể không ổn định.
1.3.3. Nguyên nhân gây ra dao động góc tải
Khi có tải yêu cầu đến một trạm có nhiều tổ máy, bộ phận AGC sẽ làm nhiệm
vụ phân công suất cho các tổ máy để hướng tới sự cân bằng. Tuy nhiên do động
học của mỗi máy phát là khác nhau, gây nên các luồng công suất trao đổi trong nội
bộ trạm phát, hoặc giữa máy phát với hệ thống qua đường truyền. Những tác động
xen kênh này khiến cho rotor máy phát dao động xung quanh điểm làm việc.
Một nguồn khác gây nên dao động góc tải là việc sử dụng các bộ kích từ đáp
ứng nhanh với AVR hệ số khuếch đại lớn có tác dụng cải thiện giới hạn ổn định
tĩnh và ổn định động, nhưng lại làm giảm thành phần mô men damping, gây bất lợi
với ổn định tín hiệu nhỏ.
 Tác hại của dao động:
Khi góc tải dao động khiến tốc độ rotor không còn là tốc độ đồng bộ nữa, góc
tải có thể vượt quá 90
0
(hình 1.7d), làm cho hoạt động máy phát bị mất đồng bộ,
trong trường hợp không được khống chế kịp thời, nó rất có thể bị cộng hưởng với
những dao động khác gây nên mất đồng bộ nghiêm trọng giữa các máy phát và lưới
thậm chí gây tan rã HTĐ.
 Cách tiếp cận nghiên cứu ổn định:
Trong cách phân loại ổn định HTĐ, thì ổn định góc tải chia ra làm hai loại và
ở đây ta chỉ xem xét bài toán ổn định tín hiệu nhỏ (nhiễu loạn nhỏ). Các nhiễu loạn
này được coi là đủ nhỏ cho phép ta có thể sử dụng phương trình tuyến tính của hệ




và/hoặc công suất điện máy phát
()
e
Pt
đẳng trị với
()t


rồi lấy hai tín hiệu đó để
làm đầu vào cho PSS.

w
w
1
sT
sT

Khâu lọc
()FILT s

Khâu lọc xoắn
Khâu giới hạn
()Ts

Khâu bù
lead-lag
Hình 1.12. Cấu trúc cơ bản của PSS

cách cụ thể khi thiết kế PSS, điều này được biết đến giống như việc phối hợp điều
chỉnh của PSS trong hệ thống có nhiều máy phát. Sau đây là một số phương pháp
tiếp cận thiết kế PSS [Bikash Pal, Balarko Chaudhuri (2005)].
1.5.1.1. Phương pháp tiếp cận mô men damping
Khi sử dụng phương pháp này chúng ta phải tìm các hệ số
16
KK
của mô
hình Heffron – Phillips (1952), cũng như sự ảnh hưởng của các máy phát khác tác
động lên một máy cụ thể, việc tính toán bằng cách bổ sung thêm mô men làm giảm
sự dao động được gọi là mô men damping. Trong dải tần số rộng, lý thuyết phân
tích tín hiệu nhỏ được sử dụng để kiểm tra dao động tắt dần của mỗi máy phát.
Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, vì hệ số khuếch đại K
PSS
được
chọn, các tham số khác của PSS như: khâu lọc thông cao, khâu bù pha,…tính toán
dễ dàng.
Nhưng có nhược điểm là khi phân tích giá trị riêng đối với các dao động cục
bộ và dao động liên khu vực ở mạch vòng kín sẽ không đầy đủ, nên khi điều chỉnh
hệ số khuếch đại gặp nhiều khó khăn khiến góc tải vẫn có thể dao động.
1.5.1.2. Phương pháp tiếp cận đáp ứng tần số
Ưu điểm của phương pháp này là có thể bù pha một cách chính xác, hệ số
khuếch đại được xem xét trong trường hợp có nhiễu thực tế.
Nhược điểm của phương pháp là việc giải phương trình phi tuyến sẽ gặp khó
khăn, vì phải lập đồ thị quỹ đạo nghiệm để xét xem hệ có ổn định hay không, khiến
cho việc tìm các hệ số cũng gặp những khó khăn nhất định.
1.5.1.3. Phương pháp tiếp cận giá trị riêng và biến trạng thái
Phân tích giá trị riêng là phần chính của các nghiên cứu liên quan đến ổn định
tín hiệu nhỏ. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong việc điều chỉnh và phân
tích sự làm việc của PSS trong hệ thống có nhiều máy phát. Độ nhạy giá trị riêng là

Gần đây, với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển thông minh và khả trình, như
thuật toán di truyền [Zhang P. and Coonick A. H. (2000)], mạng neural [Zhang Y.,
Chen G. P., Malik O. P. and Hope G. S. (1993)] và logic mờ [Hosseinzadeh N. and
Kalam A. (1999)] đã giải quyết được một số các bài toán về chọn tham số cho PSS.
1.6. Hướng nghiên cứu của luận án
Các phân tích ở trên cho thấy rằng, có khá nhiều các luận điểm riêng rẽ cho
việc lựa chọn tham số của PSS với cấu trúc định trước và các tham số PSS hiện
đang sử dụng chưa phải là tốt nhất. Cũng như vậy, cấu trúc các PSS đang dùng
chưa phải là tối ưu và sách lược thiết kế PSS tối ưu cấu trúc chưa có một nghiên
cứu nào. Vì vậy, luận án đã đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu thiết kế cấu trúc PSS tối ưu
trên cơ sở lý thuyết RH

rồi từ đó thử nghiệm đánh giá, so sánh chất lượng với PSS
có cấu trúc chuẩn đang sử dụng hiện nay.
Bộ điều khiển RH


đề xuất trong luận án này không thay thế bất cứ một bộ
điều khiển nào đã có trong HTĐ ngoại trừ PSS. Cụ thể, nó không thay thế bộ
turbine & điều tốc, bộ kích từ & AVR, Nó chỉ được bổ sung thêm vào HTĐ như
một PSS tối ưu về tham số và cấu trúc để dập tắt các dao động góc rotor của máy
phát điện. Các dao động này có tần số khoảng 0,1–2 Hz và là hệ quả của sự tương
tác giữa các máy phát, giữa máy phát với hệ thống hoặc do thiếu thành phần mô men
damping bởi phản ứng quá nhanh của HTKT. Tính tối ưu của bộ điều khiển RH


này nằm ở chỗ sự ảnh hưởng của nó tới những bộ điều khiển khác, cũng như chất
lượng động học đã có của hệ thống là nhỏ nhất.
1.7. Kết luận chương 1
– Phân tích nguyên nhân gây ra dao động, tác hại của dao động và biện pháp

R I V
dt



  
(2.51)
00
1
q
s q d q
d
R I V
dt




  
(2.52)
0
00
0
1
s
d
R I V
dt



T E X X I
dt


  
    
(2.55)
02
2
( )[ ( ( ) )]
()
qq
d
q d q q q q q ls q d
q ls
XX
dE
T E X X I X X I E
dt
XX

 


    
       


(2.56)
2


   
(2.59)

1
d ls d d
d d d q d
d ls d ls
X X X X
X I E
X X X X

  

 
   


(2.60)

2
q ls q q
q q q d q
q ls q ls
X X X X
X I E
X X X X

  


(2.78)
()
R
AF
A R A f fd A ref t
F
dV
KK
T V K R E K V V
dt T
     
(2.79)
2.3. Mô hình turbine và bộ điều chỉnh tốc độ [Sauer Peter W. and Pai M. A.
(1998)]
M
CH M SV
dT
T T P
dt
  
(2.92)
0
1
1
SV
SV SV C
D
dP
T P P
dt R


vào (2.148 – luận án) ta được
( ) 0
d q q q
E X X I

   
(2.163)
Khử
d
E

trong (2.158 – luận án), phương trình I
d
và I
q
trở thành
12

( ) ( ) sin( ) 0
s e d q e q s vs
R R I X X I V

     
(2.164)
( ) ( ) cos( ) 0
s e q d e d q s vs
R R I X X I E V





( /2)
()
j
dq
I jI e




( /2)
()
j
dq
V jV e




Hình 2.11. Mô hình động học flux-decay của máy phát điện

Dạng cuối cùng của mô hình flux–decay, mà đã bỏ qua động học của tất cả
các cuộn cản, bằng cách thay (2.163) vào (2.147)–(2.161) để khử đi
d
E

như sau:

0

fd
E E E fd fd R
dE
T K S E E V
dt
   
(2.170)
f
F
F f fd
F
dR
K
T R E
dt T
  
(2.171)
()
R
AF
A R A f fd A ref t
F
dV
KK
T V K R E K V V
dt T
     
(2.172)
M
CH M SV

sin( )
d e d e q s vs
V R I X I V

   
(2.177)
cos( )
q e q e d s vs
V R I X I V

   
(2.178)
13

2.4.6. Mô men damping (luận án)
2.5. Kết luận chương 2
Trong chương này ta đã xây dựng được mô hình toán học tổng quát của máy
phát điện đồng bộ, kích từ và AVR, turbine và điều tốc.
Mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ trong nghiên cứu ổn định là khá
phức tạp từ bậc 8, bậc 6, bậc 4, bậc 3 việc chọn mô hình nào là còn tùy thuộc vào
chủng loại máy phát, quan điểm trong vấn đề phân tích ổn định. Vì chế độ hệ thống
mà ta đang xét ở đây là chế độ bình thường nên tất cả các thông số đều có trị số
định mức hoặc gần định mức, ta chỉ xét đến ảnh hưởng của các nhiễu nhỏ. Bởi vậy,
ta sử dụng mô hình toán học tổng quát trong nghiên cứu là mô hình bậc 3.

Chương 3. PHÂN TÍCH BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS
3.1. Xây dựng mô hình tín hiệu nhỏ của hệ máy phát kết nối với HTĐ
Sơ đồ nguyên lý của một máy
phát điện đơn nối với thanh cái hệ
thống công suất vô cùng lớn như

M
q
q
ref
d d d
fd
AA
fd
AA
A A A
K K K
H H H
T
H
K
E
E
V
T K T T
E
KT
E
K K K K
T T T










  













  


(3.42)
3.2. Phân tích ảnh hưởng của PSS đối với ổn định tín hiệu nhỏ
Sự thay đổi mô men điện từ của mỗi máy phát đồng bộ trong giai đoạn có sự
thay đổi nhỏ có thể chia ra làm hai thành phần [Kundur P. (1994)]:

e S D
    T T T
(3.43)

Hình 3.1. Máy phát điện đơn kết nối HTĐ

d
K
sT K

Σ
Σ
Σ
∆T
e

Σ
1
2Hs

0
s


K
1

∆


+
+
V
t

∆T

K
5


∆T
D

∆T
S

G
PSS
(s)
∆V
PSS


()
exc
Gs

K
6

K
4

Hình 3.7. Sơ đồ khối đã tuyến tính hệ máy phát nối lưới với kích từ,
AVR và PSS
–

T
S(AVR)
, T
D
và T
D(AVR)
.

Δ


Δ


Vector mô men tổng với kích từ,
AVR và PSS
Vector mô men tổng với kích từ & AVR
Vector mô men của HTKT
Vector mô
men của PSS
ΔT
S

ΔT
S(AVR)

ΔT
S(PSS)

ΔT

ar

ΔT
S(ar)

ΔT
D

ΔT
D
+ΔT
D(ar)

ΔT
S
+ΔT
S(ar)
+ΔT
S(AVR)

Vector mô men tổng với phản ứng phần ứng
ΔT
D
+ ΔT
D(ar)
+ΔT
D(AVR)
+ΔT
D(PSS)


Δf hoặc P
e
. Trong đó:
6
T
là hằng số thời gian
của bộ chuyển đổi điện
áp; K
PSS
là hệ số khuếch
đại của PSS;
w
T
là hằng số thời gian khâu lọc thông cao;
1
A
và
2
A
là các hệ số của
khâu lọc xoắn;
1
T
đến
4
T
là hằng số thời gian khâu lọc lead–lag.
Trong các nghiên cứu ổn định tín hiệu nhỏ người ta thường quan tâm tới cấu
trúc của bộ ổn định HTĐ thông thường (CPSS) có tín hiệu đầu vào là



1
2
1
1
sT
sT



3
4
1
1
sT
sT



V
PSSmax

V
PSSmin

V
PSS

V
S

(global), dải tần trung tương ứng với các dao động liên khu vực (inter–area) và dải
tần số cao tương ứng với dao động cục bộ (local). Mỗi dải tần được cài đặt với
khâu lọc, hệ số khuếch đại và khâu giới hạn khác nhau. Tín hiệu đầu ra của chúng
được tổng hợp rồi đưa qua khâu giới hạn V
PSSmax
/V
PSSmin

trước khi đưa đến AVR.
PSS4B đo sai lệch tốc độ theo hai kênh: Kênh
LI



là kênh dùng cho dải tần thấp
và trung, kênh
H


dùng cho dải tần cao.
3.4. Phân tích các thành phần trong PSS2A/2B (luận án)
3.5. Đánh giá hiệu quả của PSS đối với ổn định góc tải
3.5.1. Trường hợp không sử dụng CPSS và có sử dụng PSS
Thông số các phần tử lấy theo [Chee Mun Ong (1998)]. Các kết quả mô phỏng
trong Matlab: Hình 3.19 cho thấy khi có nhiễu loạn tác động, trường hợp sử dụng
CPSS thì biên độ góc tải tăng cao nhất là 40,5
0
, sau 4s thì góc tải ổn định ở 39,2
0
.

1.0008
Thoi gian (sec)
Toc do (p.u.)without PSS
CPSS
without PSS
CPSS

Hình 3.20. Đáp ứng tốc độ rotor ω
17

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
-6
-4
-2
0
2
4
6
x 10
-4
Thoi gian (sec)
Sai lech toc do (p.u.)without PSS
CPSS
without PSS

38
38.5
39
39.5
40
40.5
Thoi gian (sec)
Goc tai (degree)PSS1A
PSS2A
PSS1A
PSS2A

Hình 3.27. Đáp ứng góc tải δ
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
0.9994
0.9996
0.9998
1
1.0002
1.0004
1.0006
1.0008
Thoi gian (sec)
Toc do (p.u.)PSS1A

PSS1A
PSS2A
PSS1A
PSS2A

Hình 3.29. Đáp ứng CSTD máy phát P
e

3.6. Kết luận chương 3
– Xây dựng mô hình toán học tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc của hệ
máy phát kết nối với HTĐ khi bị nhiễu loạn nhỏ tác động, đưa ra hệ phương trình
trạng thái của HTĐ dùng cho việc thiết kế bộ điều khiển PSS sau này.
– Trên đồ thị vector đã giải thích bản chất vật lý các thành phần mô men khi
chưa xét đến AVR và khi xét đến AVR. Kết quả phân tích cho thấy nhược điểm của
việc sử dụng AVR độ nhạy cao vì đã tạo nên thành phần mô men damping tăng
theo chiều âm, khiến hoạt động của máy phát không ổn định. Bằng việc bổ sung
18

thêm một thành phần vector mô men cùng pha với sai lệch tốc độ Δω sẽ khắc phục
được nhược điểm của AVR, thành phần mô men này có được nếu dùng thêm PSS.
– Giới thiệu các cấu trúc của PSS theo chuẩn IEEE 421.5.2005, phân tích các
thành phần trong cấu trúc của PSS2A/2B.
– Đánh giá hiệu quả của PSS đối với ổn định góc tải. Kết quả mô phỏng trong
Matlab cho thấy hiệu quả khá tốt của việc sử dụng PSS đối với ổn định góc tải, đặc
biệt là PSS2A, dẫn đến ổn định tốc độ rotor và CSTD đầu ra máy phát. Tuy nhiên,
biên độ và chu kỳ dao động vẫn còn khá lớn.

Chương 4. ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU RH

ĐỂ THIẾT KẾ PSS

x E E



    

; tín hiệu chủ
đạo w; tín hiệu điều khiển
ref PSS
u V V   
, với giả thiết ở đây là
ef
0
r
V
; đầu
ra đo được
y


; đầu ra (không mong muốn)
z


; đầu vào (nhiễu)
M
pT
;
, , , A B C D
là các ma trận hệ số (luận án).

 
1
11 11 12 22 21
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )G s S s S s R s I S s R s S s

  
(4.19)

y

p

Kích từ, AVR và
máy phát
S(s)
Bộ điều khiển
bền vững
R(s)
w

z

u



×

Hình 4.2. Bài toán điều khiển tối ưu RH∞
19

Q
s R s Q
QS


  



(4.28)
b) Trường hợp đối tượng
()Ss
là không ổn định
Tập (s) gồm tất cả các bộ điều khiển làm hệ kín ổn định có cấu trúc:
(s) =
( ) , , , , RH và 1
X MQ
R s X Y Q M N NX MY
Y NQ



   



(4.35)
4.2.2.2. Tìm
()Rs
trong (s) để hệ có độ nhạy nhỏ nhất

MY NQM
F s T HQ T YM H NM
R s S s MY NX

     


Khi đó bài toán tối ưu (4.38) trở thành:

*
RH
arg min
Q
R T HQ




với
, RHTH


là đã biết (4.39)
Tìm nghiệm bài toán tối ưu (4.39) cho hệ SISO (luận án)
4.2.3. Thiết kế PSS tối ưu RH


4.2.3.1. Trình tự thiết kế
20


11 11 12 22 21
1G S S R S R S

  
(4.46)
Mục tiêu là tìm bộ điều khiển
R
phụ thuộc tham số
Q
, với
RHQ


để (4.45)
ổn định và (4.46) đưa được về dạng
T HQ
. Đơn giản nhất là chọn

22 22
11
RQ
QR
S R S Q

  



(4.47)
thay (4.47) vào (4.45) ta được

cũng ổn định vì có tất cả các điểm cực nằm
bên trái trục ảo. Vì hệ là SISO và
, RHTH


,
()Hs
không có một điểm không nào
0
s
nằm bên phải trục ảo. Bởi vậy, theo [Nguyễn Doãn Phước (2007)] ta có:

*
0
( ) ( )
()
( ) ( )
T s T s
Es
Q
H s F s


(4.52)
trong đó
()Es
là đa thức bậc 12, còn
()Fs
là đa thức bậc 7. Vì vậy,
Q

điểm cực đều nằm bên trái trục ảo. Thay
22
S
, (4.53) vào (4.47) ta được bộ điều
khiển bậc 28 (luận án). Dạng tổng quát là
( ) ( ) / ( )R s N s D s
(4.54)
4.2.3.2. Giảm bậc mô hình bộ điều khiển
Vì bậc của bộ điều khiển khá cao, nên ta tìm cách giảm bậc của bộ điều khiển
để thực hiện thuận tiện trong thực tế bằng công cụ trong Robust Control Toolbox
của Matlab 7.10.0 (R2010a).
21

-20
0
20
40
60
80
Magnitude (dB)
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1


i
)
6 dominant states.

Hình 4.4. Đồ thị giá trị suy biến Hankel
Hình 4.3 là đồ thị Bode của bộ điều khiển ban đầu. Động học đáng quan tâm
của bộ điều khiển này nằm ở dải tần số từ 1 đến 20 rad/s, trị số quan tâm nhất ở
tần số 9 rad/s tương đương với tần số
1Hz
. Mục tiêu của chúng ta là tìm ra một bộ
điều khiển bậc thấp nhưng vẫn bảo tồn các nội dung thông tin trong dải tần số này.

-20
0
20
40
Magnitude (dB)
10
-2
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3

Step Response
Time (sec)
Amplitude
R: 28-state original
Rr_add: 6-state (balancmr)
Rr_mult: 6-state (bstmr)
R:28
Rr mult (bstmr)
Rr add (balancmr)

Hình 4.8. Đáp ứng bước của ba mô hình

Hình 4.4 là đồ thị giá trị suy biến Hankel, ta thấy rằng có 5 trạng thái chủ đạo.
Tuy nhiên, sự đóng góp của các trạng thái còn lại vẫn còn đáng kể. Bởi vậy, ta lấy 6
trạng thái để tìm bộ điều khiển xấp xỉ với bộ điều khiển ban đầu. Hình 4.7 là đáp
ứng tần số của bộ điều khiển ban đầu và bộ điều khiển sau khi giảm bậc theo hai
cách. Vì động học của bộ điều khiển sau khi giảm bậc theo „add‟ của hankelsv có
sự khác nhau nhiều, nên ta tìm cách giảm bậc bộ điều khiển theo cách dùng tùy
chọn „mult‟ của hankelsv. Động học của bộ điều khiển sau khi giảm bậc theo cách
này khá tương đồng với bộ điều khiển ban đầu. Hơn nữa, khi quan sát đáp ứng
bước của ba mô hình trên hình 4.8 ta thấy rằng đáp ứng của bộ điều khiển theo tùy
chọn „mult‟ phù hợp hơn cả. Vậy, thuật toán giảm bậc đối với bài toán cụ thể này
là bstmr. Từ đó, tính được bộ điều khiển (bậc 6) là:
22 4.3. Mô phỏng bộ điều khiển
4.3.1. Mô phỏng trong Matlab
Kiểm chứng sự làm việc của bộ điều khiển RH


4
6
8
10
12
14
16
x 10
-7
Thoi gian (s)
Sai lech toc do (p.u)without PSS
CPSS
PSS Hinfi
without PSS
CPSS
PSS Hinfi

Hình 4.11. Đáp ứng sai lệch tốc độ 


0 2 4 6 8 10
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5

Sai lech dien ap dau cuc (p.u)without PSS
CPSS
PSS Hinfi
CPSS
PSS Hinfi
without PSS

Hình 4.13. Đáp ứng sai lệch điện áp đầu cực
V
t

Hình 4.10–4.13 là kết quả mô phỏng với điện áp trên thanh cái
1.
s
V p u
, công
suất
0,8 0,6 .S j p u
, trở kháng đường dây
0; 0,1 .
ee
R X p u
. Ta thấy, khi không
sử dụng PSS, góc tải, tốc độ và CSTD đầu ra máy phát dao động nhiều. Trường
hợp sử dụng PSS
Hinfi
thì góc tải dao động nhỏ xung quanh điểm làm việc, chỉ sau

CPSS
Without PSS

Hình 4.19. Đáp ứng sai lệch góc tải Δ


PSS
Hinfi
CPSS
Without PSS

Hình 4.20. Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω
PSS
Hinfi
CPSS
Without PSS

Hình 4.21. Đáp ứng sai lệch CSTD ΔP
e

CPSS
Without PSS
PSS
Hinfi

Hình 4.22. Đáp ứng sai lệch điện áp đầu cực
máy phát ΔV
t

4.4. Kết luận chương 4


– PSS trong
HTĐ thực tế.
2. Kiến nghị
Luận án sẽ giúp cho các nhà thiết kế và kỹ sư vận hành HTĐ hiểu rõ hơn về
PSS hiện đang sử dụng, đồng thời cung cấp, giới thiệu thêm một bộ PSS mới được
thiết kế trên nền lý thuyết tối ưu RH

. Tiến tới cài đặt cho PSS mới này, thay thế
các bộ PSS hiện có để nâng cao chất lượng ổn định HTĐ.
Để nâng cao chất lượng hơn nữa cho hệ thống cần phải cải tiến PSS. Việc cải
tiến này phải được dựa trên nguyên tắc tổng hợp và thiết kế trực tiếp từ mô hình phi
tuyến của máy phát, cũng như lý thuyết điều khiển tối ưu H

phi tuyến. Đây là một
bài toán lớn cần sự hỗ trợ của nhiều lý thuyết điều khiển khác nhau.