Tài liệu Nghiên cứu ổn định và tối ưu hệ thống phức hợp nhiều thành phần ứng dụng cho hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- VŨ DUY THUẬN Nghiên cứu ổn định và tối ưu hệ thống phức hợp nhiều thành phần ứng dụng cho hệ thống điện LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2017 1 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ……..….***………… VŨ DUY THUẬN Nghiên cứu ổn định và tối ưu hệ thống phức hợp nhiều thành phần ứng dụng cho hệ thống điện LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 62 52 02 16 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Thái Quang Vinh 2. TS Hoàng Ngọc Nhân Hà Nội – 2017 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi và không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các số liệu trình bày trong luận án đã được kiểm tra kỹ và phản ánh hoàn toàn trung thực. Các kết quả nghiên cứu do tác giả đề xuất chưa từng được công bố trên bất kỳ tạp chí nào đến thời điểm này ngoài những công trình của tác giả. Tác giả luận án NCS VŨ DUY THUẬN 3 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn và lòng kính trọng đối với hai người thầy hướng dẫn: PGS. TS Thái Quang Vinh và TS Hoàng Ngọc Nhân bởi những chỉ dẫn quý báu về định hướng nghiên cứu và phương pháp luận để luận án này được hoàn thành. Tác giả cũng cảm ơn Viện Công nghệ thông tin, Học viện Khoa học và công nghệ, Viện Hàn lâm và khoa học công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất và thời gian để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các đồng nghiệp đã phản biện, đóng góp các ý kiến lý luận để xây dựng và trao đổi về các vấn đề lý thuyết cũng như thực tiễn cho luận án được hoàn thiện. Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình đã luôn chia sẻ, gánh đỡ những khó khăn và là nguồn cổ vũ, động viên tinh thần không thể thiếu đối với tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án này. 4 MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................. 5 DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................... 8 DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................ 10 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ...................................................... 11 MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 13 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 13 2. Mục tiêu, phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu ........................... 13 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................ 15 4. Cấu trúc luận án .............................................................................................. 15 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 17 1.1 Đặc điểm của hệ thống phức hợp nhiều thành phần ....................................... 17 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước về tối ưu hóa các mô hình của hệ tương tác ............................................................................................................................... 18 1.1.1. Các nghiên cứu trong nước ..................................................................... 18 1.1.2. Nghiên cứu nước ngoài về sự ổn định và hệ thống phức hợp nhiều thành phần ................................................................................................................... 20 1.3. Kết luận sơ bộ về tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài ......................... 26 1.4. Kết luận chương I .......................................................................................... 28 CHƯƠNG 2: HỆ PHÂN TÁN VÀ ĐIỀU KHIỂN PHI TẬP TRUNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN LỚN......................................................................................................... 29 2.1. Giới thiệu ....................................................................................................... 29 2.2. Mô hình tổng quát hệ thống điện đa máy phát .............................................. 31 2.2.2. Phân tích các hệ thống con ...................................................................... 35 2.2.3. Vùng ổn định ........................................................................................... 39 5 2.3. Các chiến lược điều khiển ổn định chất lượng hệ thống điện lớn ................. 45 2.3.1. Giới thiệu................................................................................................. 45 2.3.2. Bài toán ổn định quá trình quá độ ........................................................... 46 2.3.3. Điều khiển mờ áp dụng cho bài toán kiểm soát tần số - phụ tải ............. 47 2.3.4. Các bộ điều khiển mờ ............................................................................. 55 2.4. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 58 CHƯƠNG 3: CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN PHI TẬP TRUNG ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN................................................................................................................... 60 3.1. Giới thiệu ....................................................................................................... 60 3.2. Cấu trúc chung của các hệ thống điện đa máy phát ....................................... 61 3.3. Mô hình toán học của hệ thống điện đa máy ................................................. 62 3.4. Giải pháp điều khiển ổn định hệ thống điện đa máy phát ............................. 66 3.5. Mô phỏng và đánh giá ................................................................................... 68 3.6. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 75 CHƯƠNG 4: KIỂM SOÁT TẦN SỐ - PHỤ TẢI LƯỚI ĐIỆN LỚN ....................... 77 4.1. Giới thiệu ....................................................................................................... 77 4.2. Mô hình hóa hệ thống điện diện rộng trong bài toán kiểm soát tần số - phụ tải ............................................................................................................................... 79 4.2.1. Khái quát về hệ thống điện diện rộng ..................................................... 79 4.2.2. Mô hình toán học của hệ thống điện diện rộng ....................................... 80 4.2.3. Mô hình thiết bị lưu trữ từ trường siêu dẫn - SMES ............................... 81 4.3. Các bộ điều khiển kiểm soát tần số - phụ tải ................................................. 85 4.3.1 Các bộ điều khiển kinh điển ..................................................................... 85 4.3.2. Các bộ điều khiển logic mờ kiểu PD ...................................................... 86 4.4. Mô phỏng và kết quả ..................................................................................... 90 4.4.1. Hiệu quả của các bộ điều khiển mờ kiểu PD .......................................... 91 4.4.2. Tác dụng của các bộ SMES .................................................................... 95 6 4.5. Kết luận chương 4 .......................................................................................... 96 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 97 1. Đánh giá kết quả nghiên cứu ............................................................................ 97 2. Hướng phát triển của nghiên cứu ...................................................................... 97 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ.................................. 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 101 7 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1: Một hệ thống lớn gồm N hệ thống con liên kết chặt chẽ với nhau ..................... 30 Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc ba máy phát đồng bộ liên kết từng đôi một ................................ 33 Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ba máy phát .................................................................. 34 (a) Sơ đồ phân tích (b) Sơ đồ thu gọn ................................................................................ 34 Hình 2.4. Cấu trúc điều khiển điển hình cho một vùng điều khiển của hệ thống điện lớn . 34 Hình 2.5. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ .................................................................... 48 Hình 2.6. Sơ đồ khối tổng quát hệ thống điều khiển mờ logic ........................................... 52 Hình 2.7. Sơ đồ hiểu biết của con người và đối tượng ....................................................... 53 Hình 2.8. Quan hệ truyền đạt bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ ........................................... 56 Hình 2.9. Bộ điều khiển mờ theo luật PID dùng thuật toán chỉnh định PID mờ ................ 57 Hình 2.10. Bộ điều khiển mờ theo luật PID dùng thuật toán PID tốc độ ........................... 57 Hình 2.11. Hệ thống điều khiển mờ theo luật PD ............................................................... 58 Hình 2.12. Hệ thống điều khiển theo luật PI....................................................................... 58 Hình 3.1. Cấu trúc của một hệ thống điện đa máy phát kết nối .......................................... 62 (a) Hệ thống điện với N vùng kết nối .................................................................................. 62 (b) Ba thành phần cơ bản của một vùng phát điện .............................................................. 62 Hình 3.2. Mô hình hệ thống điện ba máy phát kết nối ....................................................... 64 Hình 3.3. Mô hình điều khiển phản hồi trạng thái áp dụng cho hệ thống điện thứ i .......... 67 Hình 3.4. Đáp ứng động học của các máy phát thứ nhất và thứ hai trong trường hợp mô phỏng thứ nhất ..................................................................................................................... 72 Hình 3.5. Đáp ứng động học của các máy phát thứ nhất và thứ hai trong trường hợp mô phỏng thứ hai ....................................................................................................................... 72 Hình 3.6. So sánh thời gian xác lập cho cả hai trường hợp mô phỏng ............................... 73 Hình 3.7: Đáp ứng động học của các máy phát thứ nhất và thứ hai trong trường hợp mô phỏng thứ ba ........................................................................................................................ 74 8 Hình 3.8: Thời gian xác lập cho các thông số của hai máy phát với sai số 2% ở trường hợp mô phỏng thứ ba .................................................................................................................. 75 Hình 4.1: Một số mô hình hệ thống điện diện rộng gồm 5 vùng ........................................ 79 Hình 4.2: Cấu trúc chung của một vùng điều khiển (vùng phát điện) ................................ 80 Hình 4.3: Mô hình nguyên lý thiết bị SMES ...................................................................... 82 Hình 4.4: Mô hình một thiết bị SMES sử dụng các bộ biến đổi Thyristor ......................... 83 Hình 4.5: Mô hình bộ SMES trong bài toán kiểm soát tần số - phụ tải .............................. 84 (a) Mô hình SMES xây dựng trên MATLAB/Simulink ...................................................... 84 (b) (c) Mô hình SMES trong hệ thống điện có kiểm soát tần số - phụ tải ........................... 84 Hình 4.6. Cấu trúc điều khiển kiểm soát tần số - phụ tải một vùng sử dụng bộ điều khiển mờ PD .................................................................................................................................. 87 Hình 4.7. Các hàm liên thuộc cho các đầu vào và đầu ra của mô hình điều khiển mờ đã đề xuất ...................................................................................................................................... 88 Hình 4.8. Mô hình mô phỏng xây dựng trên nền Simulink sử dụng các bộ điều khiển LFC khác nhau ............................................................................................................................. 92 (a) Mô hình mô phỏng dạng khối con ................................................................................. 92 (b) Cấu trúc chi tiết bộ điều khiển “PD-FL controller” ....................................................... 92 Hình 4.9. Hai trường hợp thay đổi của phụ tải được sử dụng cho mô phỏng ..................... 93 Hình 4.10. Đáp ứng sai lệch tần số trong các vùng điều khiển #1, #4 và #5 trong trường hợp mô phỏng thứ nhất ........................................................................................................ 93 Hình 4.11. So sánh độ quá điều chỉnh (giá trị tuyệt đối) và thời gian xác lập cho tất cả các vùng trong trường hợp mô phỏng thứ nhất .......................................................................... 94 Hình 4.12. So sánh độ quá điều chỉnh (giá trị tuyệt đối) và thời gian xác lập cho tất cả các vùng trong trường hợp mô phỏng thứ hai ............................................................................ 94 Hình 4.13. Đáp ứng tần số thay đổi cho các vùng điều khiển 2, 3 và 5 trong trường hợp mô phỏng thứ hai ....................................................................................................................... 95 9 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Bộ thông số mô phỏng sử dụng cho mô hình hệ thống điện ba máy phát kết nối [41] ...................................................................................................................................... 68 Bảng 3.2. Điều kiện đầu cho ba trường hợp mô phỏng ...................................................... 71 Bảng 4.1. Luật mờ sử dụng cho bộ điều khiển mờ kiểu PD ............................................... 89 Bảng 4.2. So sánh độ vọt lố của đáp ứng thay đổi công suất đường dây cho các vùng điều khiển .................................................................................................................................... 95 10 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT i chỉ số của máy phát thứ i hay vùng phát điện thứ i δi góc công suất của máy phát thứ i, rad ωi tốc độ của máy phát thứ i, rad/s Pmi công suất cơ đầu vào tương ứng với máy phát thứ i, p.u. Pei công suất điện, p.u. ω0 tốc độ góc của máy phát điện, rad/s Di hệ số tắt dần trong đơn vị tương đối Hi hằng số quán tính, s E’qi sức điện động tức thời ngang trục trong hệ tọa độ dq, p.u. Eqi sức điện động ngang trục trong hệ tọa độ dq, p.u. Efi sức điện động tương đương trong cuộn kích từ, p.u. T’doi hằng số thời gian ngắn mạch tức thời theo trục d (dọc trục), s xdi điện kháng dọc trục, p.u. x’di điện kháng tức thời dọc trục, p.u. Iqi dòng điện ngang trục, p.u. kci hệ số khuếch đại kích từ, p.u. ufi đầu vào của bộ khuếch đại SCR, p.u. xadi điện kháng tương hỗ giữa cuộn dây kích từ và cuộn dây stator, p.u. xTi điện kháng của máy biến áp, p.u. xij điện kháng đường dây truyền tải giữa máy phát thứ i và máy phát thứ j, p.u. Vti điện áp đầu ra của máy phát thứ i, p.u. Xei độ mở van hơi nước (tua-bin) ứng với máy phát thứ i, p.u. Pci đầu vào điều khiển công suất của máy phát thứ i, p.u. Tmi hằng số thời gian của tua-bin máy phát thứ i, s Kmi hệ số khuếch đại của tua-bin máy phát thứ i Tei hằng số thời gian của bộ điều tốc cho máy phát thứ i, s Kei hệ số khuếch đại của bộ điều tốc cho máy phát thứ i Ri hệ số điều chỉnh của máy phát thứ i, p.u. Bij phần tử thuộc hàng thứ i và cột thứ j của ma trận điện thế nút tại các nút sau khi loại bỏ các bus vật lý, p.u. Qei công suất phản kháng, p.u. Ifi dòng kích từ, p.u. Idi dòng điện dọc trục, p.u. fi tần số thực của lưới điện, Hz fn tần số danh định của lưới điện, fn = 50Hz 11 ∆fi biến thiên của tần số lưới điện, p.u. ∆PD,i lượng biến thiên công suất tải, p.u. TG,i hằng số thời gian của bộ điều tốc, sec TT,i hằng số thời gian của tua bin không hồi nhiệt, sec Mi mô men quán tính máy phát, p.u. Di hệ số tắt dần dao động của phụ tải, p.u. MW/Hz Tij hằng số thời gian qui đổi của đường dây, sec Ptie,i công suất đường dây, p.u. ∆ Ptie,i sai lệch của công suất đường dây, p.u. Bi hệ số qui đổi tuyến tính, MW/p.u. Hz GG,i hàm truyền đạt của bộ điều tốc GT,i hàm truyền đạt của tua-bin không hồi nhiệt GP,i hàm truyền đạt của máy phát – phụ tải s toán tử Laplace ACEi sai lệch điều khiển vùng SMESi thiết bị lưu trữ năng lượng từ trường siêu dẫn của vùng thứ i 12 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Một trong những thách thức đầu tiên của lý thuyết hệ thống phải đối mặt khi nghiên cứu các hệ thống lớn (large-scale system) là các hệ thống này có mô hình toán học ngày càng phức tạp và cồng kềnh. Điều này được lý giải là do bản thân các hệ thống lớn ngày nay luôn chịu sự ảnh hưởng tương hỗ của nhiều quá trình công nghệ, môi trường và xã hội phức tạp. Có thể lấy một vài ví dụ về các hệ thống lớn chịu tác động của nhiều quá trình phức tạp như mạng lưới sinh thái, hệ thống giao thông, mạng máy tính toàn cầu, hệ thống điện diện rộng…Ngoài ra, khối lượng tính toán cho mỗi hệ thống lớn này lại thường phát triển nhanh hơn nhiều so với sự gia tăng về kích thước của bản thân hệ thống nên các vấn đề phát sinh của mỗi hệ thống lớn phức tạp như vậy hoặc là không thể giải quyết được, hoặc là không kinh tế, cho dù khoa học tính toán ngày nay đã tương đối phát triển. Một hướng giải quyết khả thi cho các bài toán điều khiển, ổn định, tối ưu của hệ thống lớn trong trường hợp này là ta tiến hành phân rã hệ thống lớn phức tạp đó thành nhiều hệ thống con đơn giản hơn được kết nối một cách chặt chẽ (simple interconnected subsystems). Những hệ thống con này có thể được nghiên cứu một cách độc lập, sau đó các giải pháp hay chiến lược điều khiển được áp dụng cho mỗi hệ con có thể kết hợp được với các điều kiện tương tác ràng buộc (interconnection constraints) để tiến gần hơn đến giải pháp cho bài toán điều khiển của toàn hệ thống (overall system). Theo hướng này, ta có thể tận dụng được đặc điểm cấu trúc đặc trưng của mỗi hệ thống con để xây dựng các thuật toán từng phần hiệu quả và khả thi (feasible “piece-by-piece algorithms) cho các bài toán điều khiển hay ổn định đang xét cho một hệ thống lớn, một nhiệm vụ mà có vẻ phi thực tế khi muốn áp dụng phương pháp thực hiện trực tiếp (“one shot” method). Ý tưởng của giải pháp là sẽ phân rã (decomposition) một hệ thống lớn thành n hệ thống con liên kết với nhau. Người ta chỉ cần phân tích và tìm hiểu các chiến lược điều khiển áp dụng cho một hệ con, trong sự độc lập tương đối với các hệ con còn lại. Sau đó, áp dụng tương tự cho các hệ con khác và có giải pháp điều khiển tổng thể. 2. Mục tiêu, phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu a, Mục tiêu của đề tài 13 Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu về một phương pháp phân tích hệ thống phức hợp nhiều thành phần thành các hệ thống con có tính độc lập tương đối. Sau đó, luận án sẽ tập trung xây dựng thuật toán điều khiển phi tập trung cho hệ thống đa phức hợp đã được phân rã thành các hệ con nói trên. Phương pháp điều khiển đề xuất trong luận án được áp dụng cho một đối tượng điển hình là các hệ thống điện lớn. Tác giả đã xây dựng hai chiến lược điều khiển áp dụng cho hệ thống điện diện rộng: bài toán điều khiển đảm bảo tính ổn định cho từng vùng điều khiển dựa trên phương pháp giải tích, cụ thể là ứng dụng phương trình Riccati mở rộng; bài toán kiểm soát tần số cho toàn hệ thống điện lớn được xét khi phụ tải thay đổi về công suất dựa trên phương pháp điều khiển mờ kiểu PD kết hợp với bộ lưu trữ năng lượng từ trường siêu dẫn SMES. Với mục tiêu trên, nhiệm vụ của luận án sẽ bao gồm: - Nghiên cứu về hệ thống phức hợp nhiều thành phần với mối quan hệ tương tác bất định để từ đó xây dựng cơ sở toán học cho việc phân rã hệ thống điện lớn thành các vùng con có tính độc lập tương đối. - Xây dựng 2 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 để kiểm soát tần số cho hệ thống điện lớn. - Xây dựng và mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink để kiểm tra lại tính đúng đắn của các luật đã đề ra. b, Phạm vi và đối tượng nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu trước của các tác giả về ứng dụng thực tiễn bài toán tối ưu hóa mô hình mẫu, bài toán con lắc ngược, mạng Neuron, hệ thống điện... bài toán môi trường và các yếu tố, ứng dụng logic mờ vào robot song song đã được kiểm chứng; tác giả sử dụng phương pháp khái quát hóa và chọn một phương án tính toán bao quát chung nhất, ứng dụng vào xây dựng hướng giải pháp cho bài toán Ổn định tần số hệ thống lưới điện diện rộng. Phạm vi nghiên cứu của bài toán này là xây dựng mô hình toán cho hệ thống lưới điện có từ 3 đến 5 đối tượng (máy phát, phụ tải, SMES...) có mối liên hệ bất định. Từ các biến động về máy phát, truyền tải và phụ tải, kết hợp với bộ SMES, tác giả xây dựng luật điều khiển và phương pháp tính mới (sử dụng giải tích và logic mờ), áp dụng một trong các giải pháp mà các công trình đã công bố và được kiểm nghiệm bằng MATLAB, từ đó xác định được mức độ sai lệch của phương pháp 14 đề xuất cho áp dụng vào tính toán ổn định và tối ưu các luật mờ - Hệ tương tác bất định của mô hình tính toán đề xuất. c, Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích lý thuyết, xây dựng cơ sở lý thuyết cho bài toán tương tác bất định với một số luật và điều kiện cho trước. Nhiệm vụ là ổn định về tần số cho lưới điện diện rộng. - Công cụ: Lý thuyết ôn định Lyapunov, Phương trình Riccati, sử dụng các phương pháp của Đại số tuyến tính, lý thuyết điều khiển mờ... các phương pháp nghiên cứu mà các nhà nghiên cứu khác đã tiên phong như: Siljak, Mohammad Jamshidi,,.. Vũ Ngọc Phát, Phan Xuân Minh, Thái Quang Vinh... - Luận án sử dụng lý thuyết điều khiển mờ, giải tích với phương trình Riccati, lý thuyết ổn định Lyapunov... Tổng hợp bộ điều khiển dựa trên phương trình đại số Riccati cải tiến để tìm ra luật điều khiển tối ưu phản hồi trạng thái có khả năng kiểm soát và dập tắt các dao động của hệ thống do ảnh hưởng nhiễu, đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Tiếp theo, sẽ sử dụng thuật toán điểu khiển thông minh dựa trên logic mờ loại PD, kết hợp với bộ SMES để kiểm soát tần số - phụ tải. Sau đó mô phỏng trên phần mềm MATLAB-Simulink để kiểm chứng tính đúng đắn cũng như sự ưu việt của các luật và phương pháp đề ra đối với đối tượng đã xem xét. Tác giả cho rằng kết quả nghiên cứu này sẽ là nền tảng cho những nghiên cứu sâu hơn về tính ổn định cho hệ thống bất định cũng như tối ưu hóa và điều khiển ứng dụng vào thực tiễn. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Khẳng định lại tính đúng đắn của một số lí thuyết được xem xét và áp dụng vào nghiên cứu tính toán trong điều khiển tối ưu và điều khiển mờ. - Khái quát hóa một phương thức tính toán, tốt nhất, đơn giản nhất có thể để thu được kết quả với các phép sai số cho phép. Áp dụng cho xây dựng hướng giải pháp cho bài toán kiểm soát tần số - phụ tải của hệ thống điện diện rộng. - Ý nghĩa thực tiễn: do hệ thống điện được coi là mạch máu lưu thông nguồn năng lượng của đất nước nên việc ổn định hệ thống truyền tải là cực kỳ quan trọng. Việc xây dựng bộ điều khiển mờ lai kết hợp với bộ SMES giải quyết được bài toán về ổn định tần số khi phụ tải thay đổi (gọi tắt là ổn định tần số - phụ tải), tăng hiệu suất và nâng cao chất lượng điện năng, đảm bảo được an ninh về năng lượng quốc gia. 4. Cấu trúc luận án 15 Nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong bốn chương: Chương I. Tổng quan: phân tích chung về hệ thống lớn. Đánh giá tóm tắt các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, những vấn đề còn tồn tại và hướng giải quyết của luận án. Chương II. Lý thuyết về hệ phân tán và điều khiển phi tập trung. Nội dung chủ yếu của chương này là trình bày về xây dựng mô hình tổng quát cho đối tượng Hệ thống điện lớn, xét vùng ổn định của hệ. Xây dựng bài toán điều khiển 2 lớp: điều khiển ổn định quá trình quá độ cho vùng con và điều khiển mờ lai để ổn định tần số phụ tải cho toàn hệ thống. Chương III. Nghiên cứu chiến lược điều khiển phi tập trung hiệu quả để ổn định chất lượng hệ thống điện quy mô lớn. Trình bày về cấu trúc chung và mô hình toán học của hệ thống điện đa máy phát. Sau đó, phân tích và đề xuất giải pháp điều khiển ổn định chất lượng của hệ thống điện đa máy phát. Áp dụng cho một hệ điển hình 3 phần tử với các chế độ vận hành khác nhau. Phân tích, đánh giá chất lượng điều khiển thông qua việc mô phỏng trên phần mềm MATLAB – Simulink. Chương IV. Nghiên cứu và giải pháp điều khiển hệ thống điện diện rộng. Ở chương này, luận án giới thiệu về mô hình hóa và mô hình toán hệ thống điện diện rộng. Giới thiệu về mô hình thiết bị lưu trữ từ trường SMES. Từ đó, đề xuất giải pháp điều khiển thông minh sử dụng bộ điều khiển mờ lai với SMES để ổn định và kiểm soát tần số - phụ tải của hệ thống điện diện rộng. Phân tích, đánh giá và so sánh chất lượng của bộ điều khiển mờ lai SMES với các bộ điều khiển khác. Kết luận và kiến nghị. Trình bày tóm tắt các kết quả trong quá trình nghiên cứu. Đánh giá, so sánh và bàn luận về kết quả đạt được và đưa ra các hướng nghiên cứu trong tương lai. 16 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặc điểm của hệ thống phức hợp nhiều thành phần Các hệ thống phức hợp nhiều thành phần, còn gọi là hệ thống có quy mô lớn (large-scale system), ví dụ như các mạng lưới sinh thái (hoặc hệ sinh thái), hệ thống cấp nước, mạng máy tính toàn cầu và mạng lưới giao thông…, thông thường chứa nhiều hệ con đặc trưng bởi các thành phần phi tuyến và bất định. Ta nhận thấy rằng tính phi tuyến và bất định của những hệ thống này là không thể tránh khỏi. Chúng được lý giải là do những hệ thống như vậy có kích thước lớn, bậc cao, chứa nhiều tham số chưa biết, thông tin về trạng thái hệ thống bị hạn chế… Vì vậy, việc mô hình hóa và điều khiển một hệ thống quy mô lớn để đảm bảo chất lượng, sự ổn định cũng như độ tin cậy của nó là một công việc hết sức khó khăn, đòi hỏi phải có một giải pháp điều khiển đồng bộ và hiệu quả. Mặt khác, điều khiển các hệ thống quy mô lớn chứa các mối quan hệ nhiều thành phần là một vấn đề thường không có lời giải tối ưu, hướng giải quyết là không dễ dàng. Các nghiên cứu chính tập trung vào đó là tính ổn định, độ dao động của biên độ và tối ưu hóa kết quả theo hướng có lợi. Khó khăn nảy sinh trong các bài toán nghiên cứu ổn định và tối ưu hóa không chỉ có trong quá trình tìm kiếm các thuật toán điển hình tối ưu, mà còn có cả trong quá trình xây dựng mô hình đối tượng xem xét, chứa các yếu tố bất định. Đôi khi mô hình đối tượng điều khiển được xây dựng chính xác lại là một thách thức lớn khó có thể vượt qua được đối với lí thuyết điều khiển khi xét trong mối quan hệ bất định. Do đó, có hai vấn đề cần giải quyết: thứ nhất là mô tả mô hình nghiên cứu ổn định chứa các mối quan hệ tương tác bất định; thứ hai là đưa ra luật điều khiển - tìm kiếm các thuật toán tối ưu và thông minh đảm bảo các điều kiện của hệ thống. Nghiên cứu trong luận án này sẽ sử dụng những thuật toán và các phương pháp toán học để đạt được tối ưu hóa thông qua việc xem xét các bài toán đã được giải quyết của các tác giả trước. Đồng thời đề xuất thêm một số thuật toán điều khiển để chất lượng đáp ứng đầu ra tốt hơn đối với yêu cầu đặt ra. 17 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước về tối ưu hóa các mô hình của hệ tương tác 1.1.1. Các nghiên cứu trong nước Nghiên cứu về hệ bất định và tính ổn định của nó cũng như tối ưu hóa ở Việt Nam xuất hiện chưa lâu, nhưng công trình có tính phân tích sâu sắc và đầy đủ thường khoảng từ cuối những năm 90 thế kỷ trước trở lại [1-18]; tức là lĩnh vực này chúng ta mới chính thức nghiên cứu khoảng 20 năm gần đây. Đề tài nghiên cứu về tính ổn định đặc biệt sử dụng phương pháp Lyapunov là hướng nghiên cứu không chỉ ở Việt Nam mà cả ở các nước trên thế giới. Còn trước đó cũng có những nghiên cứu nhưng không nhiều và thường là mang tính nhỏ lẻ, ta điểm qua một số mốc như sau: Theo [2], tác giả giới thiệu một số phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi tham chiếu theo mô hình mẫu (MRAS). Luật điều khiển thích nghi được xây dựng trên cơ sở lý thuyết ổn định của Lyapunov với đối tượng là thiết bị MeDe5 có bậc tương đối là 6, đây là một đối tượng có những thành phần độc lập nhưng có mối liên kết bất định bởi các yếu tố vật lý và kết cấu cơ khí. Kiểm chứng cho thấy, kết quả lý thuyết và thực nghiệm là tương đương nhau đã chứng minh tính đúng đắn của nghiên cứu với cả 3 dạng thể hiện khác nhau của MRAS: Trực tiếp, gián tiếp, học phản hồi (learning feed forward). Lý thuyết ổn định Lyapunov được sử dụng trong việc thiết kế bộ điều khiển, do đó tiêu chí ổn định luôn được đảm bảo. Mặc dù điều kiện biên đều dựa trên thông số của đối tượng được tuyến tính hoá trong khi thực tiễn là tính phi tuyến, bất định. Kết quả mô phỏng gần với kết quả thực tế nên phương pháp nghiên cứu, luật đưa ra có tính hợp lí trong điều khiển. Ở [3], tác giả đã nêu được phương pháp xây dựng bộ điều khiển PID bền vững và áp dụng để điều khiển một hệ phi tuyến MIMO như tay máy công nghiệp. Các kết quả mô phỏng tay máy 2 bậc tự do cho thấy độ chính xác của quỹ đạo có thể khống chế được theo yêu cầu cho trước. Các hệ số của bộ điều khiển PID được xác định bằng các công thức tường minh, phụ thuộc vào các thông số Kconsti, Ii, φi, Ci. Sự ổn định của hệ thống kín đã được chứng minh dựa vào tiêu chuẩn ổn định Lyapunov. Ảnh hưởng của sự thay đổi các thông số Kconsti, di, Ci đến chất lượng đầu ra của hệ thống cũng được phân tích và trình bày. Các kết quả mô phỏng cho thấy tín hiệu điều khiển không còn sự thay đổi nhanh và sai lệch bám của hệ thống đảm bảo tiến về không. Những kết quả 18 này một lần nữa chứng minh lý thuyết và thể hiện tính khả thi của bộ điều khiển phi tuyến và tối ưu hóa. Một dạng đối tượng có các mối liên kết bất định khác được nghiên cứu trong bài báo [16]. Bài báo này đã trình bày về hệ thống cần cẩu xoay là một hệ thống phi tuyến, bao gồm một xe con và một vật nặng treo trên sợi dây mềm. Xe di chuyển dọc theo phương ngang của thanh ray và bản thân thanh ray có thể xoay quay một khớp bản lề. Chiều dài của dây treo được điều khiển một cách độc lập nhờ một động cơ riêng. Khó khăn ở đây là hàm phi tuyến f(x) không biết. Do đó cần xấp xỉ luật điều khiển trên. Để giải được bài toán mang tính tối ưu này, tác giả thực hiện được bằng cách Điều khiển mờ thích nghi gián tiếp, dùng mô hình mờ hay mạng neural để xấp xỉ hàm phi tuyến f(x) sử dụng cho tín hiệu điều khiển dựa trên nguyên lý chắc chắn tương đương, và kết quả mô phỏng trên MATLAB Realtime của công trình cho thấy đã đạt được tối ưu trong điều khiển. Gần đây nhất là [8] với nghiên cứu về điều khiển dự báo thích nghi cho đối tượng bất định. Nội dung của nghiên cứu trình bày rằng: điều khiển các đối tượng có tính bất định (tham số không biết trước) là cực kỳ khó khăn. Tác giả đã nói rõ rằng tính bất định của mô hình đối tượng không cho phép sử dụng trực tiếp mô hình đối tượng làm mô hình dự báo. Cho nên, việc xây dựng mô hình dự báo là đặc biệt quan trọng trong điều khiển đối tượng bất định. Tuy nhiên, trong nghiên cứu của tác giả, điều kiện để đưa ra mô hình dự báo có điều kiện: mô hình đối tượng chứa tham số bất định là hằng số chưa biết và không thay đổi theo thời gian. Từ điều kiện mà tác giả đưa ra, có thể thấy vẫn chưa giải quyết thỏa đáng yêu cầu của bài toán điều khiển đối tượng bất định: đó là tham số bất định thay đổi ngẫu nhiên và liên tục. Đồng thời cũng không áp dụng được phương pháp điều khiển mờ - một phương pháp điều khiển thông minh ngày càng được ứng dụng nhiều. Đây là hướng đi cần phải giải quyết để đảm bảo có thể ứng dụng cho các hệ thống lớn có mối liên hệ bất định. Đối với nghiên cứu sâu về lý thuyết hệ bất định nhiều thành phần trình bày trong [6], [38], [39], [46], [47], các tác giả đã trình bày khá chi tiết về một số khía cạnh điều khiển và tối ưu hệ phức hợp nhiều thành phần. Trong [38], tác giả đã mô hình hóa hệ phức hợp nhiều thành phần theo mô hình trạng thái, và đã đưa ra tiêu chuẩn tối ưu cho hệ thống theo phương trình Riccati, đưa ra luật điều khiển tối ưu phân lớp cho từng 19 thành phần của hệ thống. Ở [47], tác giả đã so sánh giữa bộ điều khiển PID và điều khiển mờ trượt, ứng dụng vào con lắc đôi ngược để chứng minh tính đúng đắn và tốt hơn của bộ điều khiển mờ trượt đã đề xuất. Tuy nhiên, trong nghiên cứu của tác giả cũng đã chỉ ra các điều kiện ràng buộc để hệ thống nằm trong vùng ổn định cho phép. Trong tất cả các nghiên cứu trong nước cùng chủ đề mà tác giả có thể tiếp cận được, vấn đề nghiên cứu hệ thống lớn vẫn còn đang được xem xét dưới nhiều dạng khác nhau. Đặc biệt trong mô hình hệ thống điện lớn, là một mô hình quan trọng trong vấn đề an ninh năng lượng vẫn còn đang bị bỏ ngỏ. 1.1.2. Nghiên cứu nước ngoài về sự ổn định và hệ thống phức hợp nhiều thành phần A. M. Lyapunov là người đặt nền móng cho nghiên cứu tính ổn định và điều khiển của khoa học hiện đại ngày nay. Ông đã định nghĩa và đưa ra một cách chặt chẽ về mặt toán học bài toán nghiên cứu ổn định vi phân thường. Nghiên cứu đã phát triển 2 phương pháp nghiên cứu tính ổn định của phương trình vi phân thường là phương pháp số mũ và phương pháp sử dụng hàm số. Những ý tưởng của ông đều được các nhà nghiên cứu sau này phát triển chuyên sâu và thu được nhiều kết quả về học thuật và ứng dụng trong thực tiễn. Tuy nhiên đối với phương trình vi phân ngẫu nhiên Ito các nhà nghiên cứu lí thuyết khi nghiên cứu vẫn còn một số hạn chế và đặt ra nhiều bài toán cho các nhà lí thuyết toán học đương đại khi mà có nhiều lĩnh vực ứng dụng cần đến như các bài toán về ổn định và tối ưu trong điều khiển hay ứng dụng trong môi trường và công nghiệp... Từ khi chính thức ra đời bởi những người đặt nền móng như Lotfi A. Zadeh [69] điều khiển lôgic mờ là một công cụ đắc lực trong việc tìm kiếm các thuật toán điều khiển gần đúng và hợp lí đối với các đối tượng điều khiển chứa tính bất định cùng các dạng phức tạp khác nhau. Đặc trưng quan trọng của lí thuyết mờ là cung cấp cách biểu diễn phù hợp tính không chắc chắn hay bất định trong tri thức của con người. Sự phát triển của lí thuyết điều khiển dựa vào mô hình toán học của các hệ vật lí thực tại mà các mô hình này cũng là một loại tri thức. Năm 1973, tiếp nối những công trình nghiên cứu trước đó, Lofi A.Zedeh đã công bố tài liệu cơ bản để thiết lập nền tảng cho điều khiển mờ, ông đã giới thiệu khái niệm về các sự biến đổi ngôn ngữ và đề ra cách sử dụng các quy luật IF- THEN mờ để trình bày rõ ràng, chính xác về kiến thức của con nguời. Các ứng dụng ban đầu của điều khiển mờ với các hệ thống thực, như bộ điều 20