Luận văn Nghiên cứu giải thuật huấn luyện online ứng dụng trong điều khiển SVC (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu giải thuật huấn luyện online ứng dụng trong điều khiển SVC (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ MINH CHÁNH NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT HUẤN LUYỆN ONLINE ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN SVC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520202 S K C0 0 5 1 9 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2017
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUÂT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ MINH CHÁNH NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT HUẤN LUYỆN ONLINE ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN SVC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THỊ MI SA Tp, Hồ chí Minh, tháng 4/2017 i
3. TRƢỜNG ĐH SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng4 năm 2017 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và Tên học viên: VÕ MINH CHÁNH Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 23-05-1992 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV:1580605 Khóa: 2015-2017 Mã ngành: 60520202 I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT HUẤN LUYỆN ONLINE ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN SVC II. NHIỆM VỤ: Tìm hiểu thiết bị bù tĩnh SVC . Ứng dụng SVC để nâng cao độ ổn định động của hệ thống điện. Tìm hiểu mạng nơron mờ (ANFIS). Ứng dụng bộ điều khiển mạng nơron mờhuấn luyện online trong điều khiển SVC để nâng cao độ ổn định động của hệ thống lƣới điện. III. NGÀY GIAO ĐỀ TÀI: IV. NGÀY HOÀN THÀNH ĐỀ TÀI: V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. NGUYỄN THỊ MI SA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM KHOA BỘ MÔN QUẢN LÝ Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được hội đồng chuyên ngành thông qua. Ngày 16 tháng 4 năm 2017 iii
4. CÔNG TRÌNH ĐÃ HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THỊ MI SA Cán bộ chấm nhận xét 1: Cán bộ chấm nhận xét 2: Luận văn đƣợc bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT Ngày 16tháng 4 năm 2017 iv
5. LỜI CẢM ƠN Qua quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, học trò kính gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến:  TS. NGUYỄN THỊ MI SA vàcác thầy đã tận tình chỉ dạy, tạo điều kiện và động viên học trò trong suốt quá trình thực hiện.  Quý thầy, cô giáo đã tham gia công tác giảng dạy, hƣớng dẫn học tròvà các thành viên trong lớp Cao học chuyên ngành Kỹ Thuật Điện 2015B trong toàn bộ khoá học.  Quý thầy, cô giảng dạy tại khoa Điện-Điện Tử, phòng Đào tạo – bộ phận sau đại học – Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ ngƣời thực hiện trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng.  Kính gửi lời cảm tạ tớiBGH Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho cho các học viên tại trƣờng đƣợc học tập và nghiên cứu. Kính chúc Quý thầy, cô thật nhiều sức khỏe. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 16tháng 4 năm 2017 Học viên VÕ MINH CHÁNH v
6. TÓM TẮT Đề tài “NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT HUẤN LUYỆN ONLINE ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN SVC” đƣợc tiến hành trong khoảng thời gian 1 năm tại trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM. Sau thời gian nghiên cứu đề tài đƣợc triển khai và tập trung giải quyết các vấn đề sau: Tìm hiểu thiết bị bù tĩnh SVC . Ứng dụng SVC để nâng cao độ ổn định động của hệ thống điện. Tìm hiểu mạng nơron mờ (ANFIS). Ứng dụng bộ điều khiển mạng nơron mờhuấn luyện online trong điều khiển SVC để nâng cao độ ổn định động của hệ thống lƣới điện. Học viên thực hiện VÕ MINH CHÁNH Phạm Văn Nghĩa vi
7. ABSTRACT Thesis “STUDYING ONLINE TRAINING ALGORITHM TO APPLICATION IN THE CONTROL OF SVC” has been done for a year at Ho Chi Minh University Of Technology And Education. The thesis‟s content focused on: Learning SVC (Static var compensator) Application of SVC to enhance stability of electric system Learningadaptive neuro fuzzy inference system. Applicationadaptive neuro fuzzy inference systemcontroller for SVC to enhance stability of power grid. Author VÕ MINH CHÁNH vii
8. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 4 năm 2017 Học viên (Ký tên và ghi rõ họ tên) VÕ MINH CHÁNH viii
9. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: VÕ MINH CHÁNH Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 23-05-1992 Nơi sinh: Phú Yên Quê quán: Hòa Tân Đông, Đông Hòa, Phú Yên Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 39A,Đƣờng 34,Khu Phố 8,Phƣờng Linh Đông, Quận Thủ Đức, TP HCM E-mail: minhchanhpy2010@gmail.com SĐT: 0911 118 046 II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học phổ thông: Hệ đào tạo: chính qui Thời gian đào tạo từ 9/2007 đến 6/2010 Nơi học (trƣờng, thành phố): THPT Lê Hồng Phong, Tỉnh Phú Yên 2. Đại học: Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2010 đến 4/ 2015 Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM Ngành học: Điện Công Nghiệp Tên đồ án tốt nghiệp: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MÁY CUỐN GIẤY TỰ ĐỘNG Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 4/2015, ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM Ngƣời hƣớng dẫn: Ts. Trƣơng Đình Nhơn III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm ix
10. Công ty cổ phẩn công nghệ cao 4/2016- nay Nhân viên kinh doanh Lê Gia x
11. MỤC LỤC Contents NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ iii LỜI CẢM ƠN v TÓM TẮT vi ABSTRACT vii LỜI CAM ĐOAN viii LÝ LỊCH KHOA HỌC ix MỤC LỤC xi DANH SÁCH CÁC BẢNG xiv DANH SÁCH CÁC HÌNH xv Chƣơng 1 1 TỔNG QUAN 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1 1.3 Các vấn đề nghiên cứu của đề tài 3 1.3.1. Tính cấp thiết của đề tài 3 1.3.2. Ý nghĩa luận văn 3 1.3.3. Tính thực tiễn của đề tài 4 1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ 4 1.5 Phƣơng pháp giải quyết 4 1.6 Giới hạn đề tài 4 1.7 Điểm mới của luận văn 5 xi
12. 1.8 Phạm vi ứng dụng 5 1.9 Bố cục của luận văn 5 Chƣơng 2 6 2.1. Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor SVC (Static Var compensator). 6 2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý củaSVC. 6 2.1.2. Nguyên nhân của lõm điêṇ áp 11 2.1.3 MộtsốứngdụngcủaSVC 15 2.1.4. CácđặctínhcủaSVC 15 2.1.4.2. Đặc tính làm việccủaSVC 17 2.1.4.3. Điều chỉnh điện ápcủaSVC 18 Chƣơng 3 21 TỔNG QUAN VỀ HỆ NƠRON MỜ(ANFIS) 21 3.1. Đặt vấn đề. 21 3.2. Tổng quan về điều khiển mờ. 21 3.2.1. Giới thiệu. 21 3.2.2. Cấu trúc của hệ điều khiển mờ. 24 3.3. Tổng quan về mạng nơron. 28 3.3.1. Giới thiệu. 28 3.3.2 Lịch sử phát triển của mạng nơron nhân tạo 29 3.3.3 Cấu trúc mạng nơron nhân tạo 30 3.3.4 Mô hình nơron 32 3.3.5 Cấu trúc mạng 34 3.3.6 Huấn luyện mạng 36 3.4. Sự kết hợp giữa mạng nơron và logic mờ. 38 xii
13. 3.4.1. Vài nét về lịch sử phát triển. 38 3.4.2. Logic mờ 38 3.4.3. Mạng nơron. 39 3.4.4. Sự kết hợp giữa mạng nơron và logic mờ. 39 3.4.5. Cấu trúc chung của hệ nơron mờ. 41 3.5. Nơron mờ. 41 3.6 Huấn luyện mạng Nơron-mờ 44 Chƣơng 4 49 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ANFIS TRỰC TUYẾN 49 4.1. Giới thiệu về mô hình nghiên cứu. 49 4.2. Thiết kế bộ điều khiển ANFIS trực tuyến ứng dụng cho điều khiển SVC. . 50 4.3. kết quả mô phỏng. 55  Mô hình bộ điều khiển PI và bộ điều khiển ANFIS cho thiết bị SVC. 55  Nhận xét. 63 Chƣơng 5 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 5.1. Kết luận. 64 5.2. Kiến nghị. 64 PHỤC LỤC 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 xiii
14. DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3.1: So sánh mạng nơron và logic mờ 39 xiv
15. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1:Cấu tạo SVC 6 Hình 2.2: Nguyên lý của bộ Thyristor mắc song song ngƣợc 7 Hình 2.3: Đồ thị dòng điện tải. 8 Hình 2.4: Hình ảnh Van Thiristor điều khiển 2 chiều (Bi-Directional Control Thyristors-BCT) 10 Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của TCR. 11 Hình 2. 6: Hình ảnh bộ tụ TSC 12 Hình 2. 7: Hình ảnh Van TSC và thiết bị giải nhiệt 12 Hình 2. 8: Nguyên lý hoạt động của TSC 13 Hình 2. 9: Hệ thống điều khiển cơ bản của SVC 13 Hình 2. 10: Biểu đồ hoạt động của SVC 14 Hình 2. 11: Mô Hình SVC đƣợc lắp đặt thực tế 15 Hình 2. 12: Đặc tính V-I của SVC 17 Hình 2.13: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp 18 Hình 2. 14: Điều chỉnh điện áp tại nút phụ tải bằng SVC 19 Hình 2. 15: Sự thay đổi điện áp tại thanh cái phụ tải khi có và không có SVC 20 Hình 3. 1: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ 24 Hình 3. 2: Các hàm liên thuộc của một biến ngôn ngữ 25 Hình 3. 3: So sánh các phƣơng pháp giải mờ 28 Hình 3.4: Mô hình 2 nơ ron sinh học 30 Hình 3. 5: Mô hình nơron đơn giản 32 Hình 3.6: Mạng nơron 3 lớp 32 Hình 3. 7:Mô hình nơron đơn giản 33 Hình 3. 8: Nơron với R đầu vào 33 Hình 3. 9: Ký hiệu nơron với R đầu vào 34 xv
16. Hình 3. 10: Cấu trúc mạng nơron 1 lớp 34 Hình 3. 11: Ký hiệu mạng R đầu vào và S 35 Hình 3.12: Ký hiệu một lớp mạng 36 Hình 3. 13: Cấu trúc mạng nơron 3 lớp 36 Hình 3. 14: Ký hiệu tắt của mạng nơron 3 lớp 36 Hình 3. 15: Cấu trúc huấn luyện mạng 37 Hình 3. 16: Mô hình hệ nơron mờ 41 Hình 3. 17: Cấu trúc chung hệ nơron mờ 41 Hình 3. 18: Mạng nơron 2 ngõ vào 42 Hình 3. 19: Nơron mờ AND 43 Hình 3.23: Cấu trúc mạng nơron mờ 48 Hình 4.1: Mô hình SVC và PSS trong Matlab 49 Hình 4. 2: Cấu trúc mạng ANFIS 51 Hình 4. 3: Khối điều khiển ANFIS trong simulink 53 Hình 4. 4: Cấu tạo bên trong bộ điều khiển SVC 56 Hình 4. 5: Bộ điều khiển ban đầu PI 56 Hình 4.6: Bộ điều khiển mới ANFIS 57 Hình 4. 7: Công suất đƣờng dây P line. 57 Hình 4. 8: Điện áp Bus B1. 58 Hình 4. 9: Điện áp Bus B2. 58 Hình 4.10: Điện áp Bus B3. 59 Hình 4. 11: Điện áp định mức Vm. 59 Hình 4. 12: Hệ số bù B. 60 Hình 4. 13: Công suất đƣờng dây P line. 60 Hình 4.14: Điện áp Bus B1. 60 Hình 4. 15: Điện áp Bus B2. 61 Hình 4. 16 : Điện áp Bus B3. 61 Hình 4. 17: Điện áp định mức Vm. 62 Hình 4.18: Hệ số bù B. 62 xvi
17. Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Ổn định điện áp là một vấn đề đã và đang đƣợc nghiên cứu nhiều ở các nƣớc phát triển trên thế giới, nhất là trong cơ chế thị trƣờng điện do tác hại của hiện tƣợng mất ổn định điện áp là rất lớn, có thể đƣa hệ thống điện đến tình trạng sụp đo điện áp từng phần hoặc hoàntoàn. Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ thống nằm trong một phạm vi cho phép ở điều kiện vận hành bình thƣờng hoặc sau các kích động. Hệ thống sẽ đi vào trạng thái không ổn định khi xuất hiện các kích động nhƣ tăng tải đột ngột hay thay đổi các điều kiện vận hành trong hệ thống. Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng nhất là có thể rơi vào tình trạng không thể điều khiển điện áp, gây ra sụp đo điện áp. Để ổn định điện áp ngày nay có rất nhiều phƣơng pháp. Luận văn bƣớc đầu tìm hiểu về bù công suất phản kháng, nghiên cứu các thiết bị FACTS, đặc biệt là thiết bị bù tĩnh có điều khiển SVC, Đi sâu nghiên cứu điều khiển SVC với phƣơng pháp ANFIS bằng cách mô phỏng và mô hình hóa sử dụng phần mềm Matlab Simulink. Hiện nay trong nƣớc và trên thế giới đã có một số nghiên cứu ứng dụng hệ nơron mờ trong các bài toán bù công suất liên quan tới SVC . Tuy nhiên, lĩnh vực này còn khá mới mẻ và đang rất đƣợc quan tâm nhƣng chƣa đƣợc ứng dụng rộng rãi. Chính vì lý do trên tác giả quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu giải thuật huấn luyện online ứng dụng trong điều khiển SVC”. 1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Việc nghiên cứu bộ điều khiển của bộ bù SVC để làm tăng khả năng đáp ứng của nó là hết sức cần thiết và có ý nghĩa. Một trong những hƣớng nghiên cứu để làm tăng khả năng đáp ứng này là ứng dụng mạng nơron mờ trong việc xây dựng bộ 1
18. điều khiển Hiện nay, nhà nƣớc ta có một vài công nghiên cứu ứng dụng nơron mờ để điều khiển SVC nhƣng chƣa đi vào huấn luyện online, cụ thể là: “Ứng dụng mạng Nơron- mờ để điều khiển SVC giữ điện áp tại nút có tải thay đổi”, Nguyễn Thanh Quảng,Hội nghị khoa học kỷ niệm 35 năm viện khoa học và công nghệ Việt Nam –Hà Nội 2010[1]. Luận văn thạc sĩ “ Nghiên cứu xây dựng mô hình sử dụng thiết bị SVC để điều khiển nâng cao ổn định điện áp cho hệ thống điện”,Phan Thành Việt, Đại Học Đà Nẵng 2011[2]. Luận văn thạc sĩ “ Áp dụng fuzzy logic trong điều khiển SVC trên lƣới điện”,Lê Xuân Kha, Đại Học Thái Nguyên 2011[3]. Luận văn thạc sĩ “Điều Khiển Thiết Bị Bù Tĩnh (SVC) Và Ứng Dụng Trong Việc Nâng Cao Cho Ổn Định Chất Lƣợng Điện Năng”,Nguyễn Thế Vĩnh,Đại Học Thái Nguyên 2007[4]. Hiện tại, tại các quốc gia phát triển và các trƣờng Đại học lớn trên thế giới đã nghiên cứu và áp dụng nhiều phƣơng pháp để huấn luyện cho SVC một cách hiệu quả nhất. Cụ thể là: Novel methods with Fuzzy Logic and ANFIS controller based SVC for damping Sub-Synchronous Resonance and low-frequency power oscillation,Akbar Lak, Daryoush Nazarpour, Hasan Ghahramani, 20th Iranian Conference on Electrical Engineering, (ICEE2012), May 15-17,2012, Tehran, Iran[5]. Power System Stability Enhancement by Neuro Fuzzy Logic Based SVC for Multi Machine System,S. Sabna, D. Prasad, R. Shivakumar,International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT) ISSN: 2249 – 8958, Volume-1, Issue-4, April 2012.[6]. Using ANFIS as Indicator in the Networks Containing SVC and STATCOM for Voltage Collapse Phenomena,Nemat Talebi,Mansoor Sheykhan, Journal of Electrical Engineering Science., 1 (7), 2010 ISSN: 2008-9864[7]. 2
19. Ngày càng có nhiều nghiên cứa mới cho ra nhiều kết quả tốt hơn với sự hỗ trợ càng ngày càng phát triển của khoa học công nghê, máy tính Phát triển hơn nữa, để đáp ứng nhu cầu xử lý các lỗi trực tuyến trên hệ thống dần dần có nhiều nghiên cứu đang tập trung nghiên cứu vào nó. 1.3 Các vấn đề nghiên cứu của đề tài 1.3.1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện tại các hệ thống điện thực tế đang gặp một số vấn đề làm thế nào để huấn luyện trực tuyến khi xảy ra sự cố trên hệ thống điện, thông thƣờng các hệ thống trƣớc đây khi gặp phải sự cố chúng ta phải tìm hiểu nguyên nhân, thu tập dữ liệu đầu vào, dữ liệu đầu ra Sau đó huấn luyện hệ thống để hệ thống có thể hoạt động bình thƣờng. Để đáp ứng nhu cầu phải huấn luyện trực tuyến cho hệ thống dù xảy ra sự cố trên hệ thống vẫn giữ đƣợc trạng thái ổn định và có hiệu quả kinh tế nhất cho hệ thống điện. Vì vậy đây là một đề tài rất đáng chú ý hiện nay. 1.3.2.Ý nghĩa luận văn Việc sử dụng các phƣơng pháp trƣớc đây để điều khiển thiết bị SVC chƣa mang lại hiệu quả cao cho việc nâng cao ổn định hệ thống khi xảy ra các sự cố của hệ thống điện. Khi hệ thống có những dao động, hoặc khi sự cố xảy ra thì chúng ta cần có những biện pháp để khắc phục trực tuyến mà không cần phải thu thập các dữ liệu của hệ thống, mà có thể giúp hệ thống trở lại hoạt động bình thƣờng. Đề tài đƣa ra giải pháp nâng cao độ ổn định động của hệ thống bằng cách sử dụng phƣơng pháp điều khiển ANFIS trực tuyến ứng dụng cho thiết bị SVC (Static Var Compensator) để vửa đảm bảo sự hoạt động bình thƣờng của hệ thống và đảm bảo chất lƣợng điện năng cũng nhƣ hiệu quả kinh tế. 3
20. S K L 0 0 2 1 5 4