Nghiên cứu nâng cao khả năng điều khiển của bộ điều khiển mờ thích nghi cho thiết bị bù nối tiếp vector

50 Trương Đình Nhơn, Tạ Hoàng Quỳnh NGHIÊN CỨU NÂNG CAO KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO THIẾT BỊ BÙ NỐI TIẾP VECTOR IMPROVING CONTROLBILITY OF ANFIS CONTROLLER FOR SVEC Trương Đình Nhơn1, Tạ Hoàng Quỳnh2 1Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh; nhontd@hcmute.edu.vn 2Trường Cao đẳng Công Nghệ Quốc Tế Lilama 2; tahoangquynh@gmail.com Tóm tắt - Bài báo trình bày về một giải pháp nâng cao khả năng ổn định động của thiết bị bù nối tiếp vector (SVeC). Bộ điều khiển giảm dao động (ODC) của thiết bị SVeC được thiết kế theo phương pháp mờ thích nghi (ANFIS). Để làm rõ vấn đề này, thiết bị SVeC được đề xuất kết nối với mô hình hệ thống một máy phát điện đồng bộ (SG) kết nối với thanh cái vô hạn (OMIB) và một trang trại gió (WF), mô phỏng hệ thống phi tuyến theo miền thời gian với các điều kiện vận hành và một nhiễu loạn do sự cố nghiêm trọng xảy ra được trình bày. Từ kết quả mô phỏng đạt được có thể kết luận rằng thiết bị SVeC sử dụng bộ điều khiển ANFIS cải tiến có khả năng ổn định động tốt hơn bộ điều khiển ANFIS được thiết kế trong bài báo [1] cho cùng hệ thống điện nghiên cứu khi có sự cố nghiêm trọng xảy ra. Abstract - This paper presents a solution to dynamic stability enhancement for the Series Vectorial Compensator (SVeC). An proposed oscillation damping controller (ODC) of the SVeC is designed by means of the Adaptive network-based Fuzzy Inference System (ANFIS) method. To clearly see this controller’s capability, the proposed SVeC is connected to a one-machine power system model connected to an Infinite Bus (OMIB) and a wind farm (WF); a time-domain approach based on nonlinear model simulation under operating conditions and a disturbance condition caused by a severe fault is presented. The obtained results show that the SVeC using the improved ANFIS controller can give better dynamic stability than the present ANFIS controller in [1] for the same studied system under a severe fault. Từ khóa - Thiết bị bù nối tiếp vector (SVeC); Bộ điều khiển giảm dao động (ODC); Máy phát nối với nút có công suất vô cùng lớn (OMIB); Trang trại gió (WF); Ổn định. Key words - Series Vectorial Compensator (SveC); Oscillation Damping Controller (ODC); One Machine connected to Infinite Bus (OMIB); Wind Farm (WF); Stability. 1. Giới thiệu Hiện nay, các nước tiên tiến đã đi tiên phong trong ứng dụng kỹ thuật công nghệ hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) trong lưới điện truyền tải. Tuy nhiên, các thiết bị FACTS sử dụng các tụ điện DC dễ bị hư hỏng khi nhiệt độ cao. Khắc phục nhược điểm đó, các nghiên cứu công nghệ FACTS gần đây đã đề xuất ứng dụng một thiết bị bù mới là thiết bị bù nối tiếp vector (SVeC). Thiết bị này khác với các thiết bị FACTS trước đây là nó sử dụng nguyên lý chuyển đổi nguồn AC/AC trực tiếp mà không cần các thành phần lưu trữ năng lượng liên kết DC lớn, có bộ điều chế độ rộng xung (PWM) đơn giản hơn điều khiển công suất tác dụng trên đường dây truyền tải [2-4]. Hiệu quả đáp ứng động của SVeC đã được chứng minh khi so sánh với TCSC thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC) và SSSC thiết bị bù nối tiếp đồng bộ tĩnh (SSSC) ở [4] và [5]. Ở bài báo [1] các tác giả đề xuất thiết kế bộ điều khiển giảm dao động (ODC) của SVeC bằng thuật toán điều khiển mờ thích nghi (ANFIS) để giảm dao động của hệ thống khi có một sự cố nghiêm trọng xảy ra trong hệ thống. Tuy nhiên, các kết quả đạt được từ bộ điều khiển này vẫn còn có độ vọt lố cao và thời gian xác lập lớn. Nguyên nhân là do trong quá trình huấn luyện cho ANFIS nhóm tác giả chỉ đưa dữ liệu vào huấn luyện mà chưa có dữ liệu để kiểm tra, dẫn đến các kết quả huấn luyện mặc dù có sai số thấp nhưng chưa loại trừ được các nhiễu bất thường. Để nâng cao khả năng học của bộ điều khiển ANFIS nhằm tối ưu khả năng điều khiển trong các trường hợp sự có khác nhau, bộ điều khiển ANFIS có thể được huấn luyện dựa vào các thuật toán tối ưu như tối ưu hóa đàn gà (Chicken Swarm Optimization) [6], hay kết hợp với giải thuật di truyền (GA) để dò thông số cho bộ điều khiển PID trong điều khiển động cơ DC không chổi than [7]. Trong bài báo này, nhóm tác giả sẽ tập trung vào việc cải tiến quá trình huấn luyện cho bộ điều khiển ANFIS bằng cách sử dụng tập dữ liệu kiểm tra. Đối tượng áp dụng là bộ điều khiển giảm dao động cho thiết bị SVeC. Cấu trúc của bài báo này như sau: Phần 2 giới thiệu mô hình hệ thống điện nghiên cứu và SVeC. Phần 3 trình bày phương pháp thiết kế bộ điều khiển giảm dao động ANFIS cho SVeC. Phần 4 chỉ ra kết quả giảm dao động của bộ điều khiển ANFIS cải tiến cho hệ thống điện với một sự cố nghiêm trọng xảy ra, sau đó so sánh với kết quả mô phỏng của bộ điều khiển ANFIS trong bài báo [1] (gọi tắt là ANFIS [1]). Cuối cùng, phần 5 rút ra các kết luận quan trọng cho bài báo này. 2. Hệ thống nghiên cứu Hình 1. Sơ đồ đơn tuyến hệ thống nghiên cứu Hình 1 trình bày sơ đồ đơn tuyến hệ thống nghiên cứu. Một hệ thống OMIB sử dụng một máy phát điện đồng bộ (SG) công suất 160 MVA và một trang trị gió được thay thế tương đương bằng một máy phát điện gió nguồn kép (DFIG) công suất 20 MW, cả hai kết nối với nhau thông qua một máy biến áp tăng áp và kết nối với nhau tại điểm kết nối chung (PCC). SVeC được đề xuất đặt gần điểm ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 2 51 PCC và mắc nối tiếp với đường dây truyền tải 2 (TL2). Cuối TL2 cung cấp điện áp lưới Vinf cho lưới điện. Sơ đồ đơn tuyến của SVeC được nghiên cứu thể hiện ở Hình 3. Cấu tạo thiết bị này gồm một máy biến áp bù nối tiếp kết nối với một bộ điều khiển PWM điều chỉnh hệ số làm việc D và một bộ tụ bù AC. Nguyên tắc hoạt động, mô tả toán học của SVeC có thể tham khảo chi tiết trong bài báo [1]. Hình 3. Sơ đồ đơn tuyến của SVeC Để giảm dao động của hệ thống nghiên cứu bằng cách điều khiển trào lưu công suất tác dụng của đường dây truyền tải, tín hiệu giảm dao động công suất tác dụng VODC là ngõ ra của bộ điều khiển ODC thiết kế theo phương pháp ANFIS (gọi tắt là bộ điều khiển ANFIS) được thêm vào cho SVeC. Hình 4 trình bày sơ đồ khối điều khiển cải tiến của SVeC được đề xuất trong hệ thống điện nghiên cứu, trong đó Pref được xác định bằng mức bù phần trăm của SVeC với công suất tác dụng đã được truyền tải trong đường dây. Ở bài báo này, bộ điều khiển ANFIS cải tiến được thiết kế sử dụng sai số tốc độ rotor của SG (Δωr) và tích phân của nó (∫ Δωr) là tín hiệu ngõ vào, tạo ra VODC là tín hiệu ngõ ra. Tín hiệu VODC này điều chỉnh giá trị XSVeC, kết quả làm cải thiện đáp ứng ổn định động của SVeC trong hệ thống điện nghiên cứu. Hình 4. Sơ đồ khối điều khiển cải tiến của SVeC được đề xuất Khi sai số quá nhỏ và ổn định, đáp ứng ngõ ra sẽ không đáng kể và ổn định với sai số đó. Nhờ khâu tích phân mang tính chất cộng dồn diện tích, sai số quá nhỏ tăng giá trị theo chu kỳ lấy mẫu đủ lớn đến ngưỡng mà bộ điều khiển có thể phát hiện được. Nhờ vậy, bộ điều khiển có thể phát hiện được sai số quá nhỏ đưa ra phản ứng tốt hơn, giúp cho hệ thống chính xác hơn. Vì vậy, bộ điều khiển trong bài báo này đưa ra giải pháp dùng tín hiệu tích phân ∫ 𝚫𝛚𝐫 thay vì sử dụng tín hiệu đạo hàm (𝚫𝛚𝐫) ′giống bộ điều khiển trong bài báo [1] nhằm tối ưu hơn. 3. Thiết kế bộ điều khiển giảm dao động ANFIS cải tiến của thiết bị SVeC ANFIS là sự kết hợp ưu điểm của mạng nơron và logic mờ. Mạng nơron có khả năng học thông qua huấn luyện bằng một tập dữ liệu vào/ra cho trước có được từ kinh nghiệm chuyên gia hay thực nghiệm. Hệ thống suy luận logic mờ (FIS) bằng các luật Nếu – thì (If – then) điều chỉnh các thông số cấu trúc mạng phù hợp trong quá trình huấn luyện. Hình 5. Lưu đồ thiết kế bộ điều khiển ANFIS cải tiến Để thiết kế bộ điều khiển ANFIS cải tiến, trình tự các bước thực hiện theo lưu đồ ở Hình 5 sử dụng ngôn ngữ lập trình MATLAB. Việc nâng cao khả năng điều khiển của ANFIS cho thiết bị SVeC phụ thuộc vào tập dữ liệu huấn luyện có đưa ra kết quả đáp ứng cho hệ thống tốt hay không? Từ dữ liệu huấn luyện điều khiển của ANFIS [1], tác giả dựa vào kinh nghiệm điều khiển và một số bước gia công để điều chỉnh và chọn ra tập dữ liệu phù hợp nhất đối với mục tiêu ổn định dao động công suất làm dữ liệu phục vụ cho huấn luyện. Trong bài báo này, việc cải tiến còn chú trọng thêm đến việc cần đảm bảo bộ điều khiển ANFIS không bị hiện tượng quá khớp (overfitting) [8], tức là đảm bảo ANFIS sau khi huấn luyện có khả năng tổng hợp hóa nhằm đưa ra kết quả ngõ ra đúng khi gặp tình huống dữ liệu mới ở ngõ vào mà trước đây chưa được huấn luyện. Việc này được thực hiện bằng cách kiểm chứng mô hình, tức là sử dụng thêm tập dữ liệu kiểm tra trong quá trình huấn luyện ANFIS. Dữ liệu kiểm tra giúp nhận ra điểm dừng sớm quá trình học trước khi ANFIS bị quá khớp. Bước 1: Tạo ra chương trình MATLAB mô phỏng điều khiển ANFIS cải tiến bằng cách mở chương trình mô phỏng điều khiển ANFIS [1] và hiệu chỉnh thay thế mô hình. Bước 2: Ở chương trình mô phỏng ANFIS [1], thêm khối lấy tích phân ∫ Δωr và các khối lấy dữ liệu của chương trình mô phỏng ANFIS [1]. Sau đó, chạy mô phỏng để lấy dữ liệu Δωr , ∫ Δωr và VODC . Đồng thời lấy các kết quả đáp ứng quá 52 Trương Đình Nhơn, Tạ Hoàng Quỳnh độ của hệ thống nghiên cứu đối với ANFIS [1]. Bước 3: Lưu dữ liệu ngõ vào Δωr , ∫ Δωr và ngõ ra VODC thành một tập tin đuôi *.xls. Sử dụng lệnh vẽ đồ thị trong chương trình excel, tác giả quan sát đồ thị VODC của ANFIS [1] làm cơ sở để điều chỉnh dữ liệu VODC bằng cách tăng hay giảm dữ liệu ban đầu một giá trị nhất định để thay đổi dạng đồ thị. Mục đích nhằm tìm ra quy luật khi VODC thay đổi thì kết quả dao động công suất của hệ thống nghiên cứu thay đổi tương ứng như thế nào sau khi thực hiện xong bước 14. Bước 4: Chia dữ liệu đã điều chỉnh ở bước 2 thành hai tập tin đuôi *.xls. Một tập tin dùng để làm dữ liệu huấn luyện ANFIS cải tiến và một tập tin dùng để kiểm tra ANFIS tránh bị tình trạng quá khớp theo tỉ lệ 80:20. Bước 5: Tải dữ liệu huấn luyện và kiểm tra vào công cụ ANFIS Editor vào trong MATLAB. Bước 6: Chọn phương pháp xử lý dữ liệu của FIS theo phương pháp phân cụm trên lưới (Grid Partition). Bước 7a, 7b: Cài đặt số lượng tín hiệu ngõ vào cho ANFIS cải tiến là 2, chọn 5 hàm liên thuộc loại Gauss ứng với mỗi tín hiệu ngõ vào và chọn hàm liên thuộc tuyến tính cho tín hiệu ngõ ra. Trong chương trình MALAB chỉ áp dụng ANFIS loại Sugeno. Cấu trúc mạng được trình bày trong Hình 6. Các quy luật FIS được đưa ra như sau: Nếu (x = Ai) và (y = Bi) thì (fi = pix+ qiy + ri) (1) trong đó x và y là các ngõ vào, i là số hàm liên thuộc của mỗi ngõ vào, Ai và Bi là các tập mờ, fi là hàm tuyến tính ngõ ra được xác định bởi các luật FIS có các thông số của hàm đó pi, qi, ri được xác định trong quá trình huấn luyện [8]. (a) Theo lý thuyết (b) Trong mô phỏng MATLAB Hình 6. Cấu trúc của mô hình ANFIS cải tiến Thông qua cặp dữ liệu huấn luyện, bộ điều khiển ANFIS cải tiến áp dụng loại Sugeno trong MATLAB ứng với ngõ ra là hằng số hoặc tuyến tính sẽ tự tính toán và rút ra được quy luật điều khiển phù hợp với dữ liệu đó theo công thức (1) với sai số cho phép. Tuy nhiên để biết rõ hơn, nhóm tác giả dựa vào kinh nghiệm điều khiển để trình bày tham khảo quy luật điều khiển ANFIS cải tiến như trong Bảng 1. Năm biến ngôn ngữ cho mỗi biến ngõ vào được sử dụng: NB (âm lớn), NS (âm nhỏ), ZR (bằng 0), PS (dương nhỏ), và PB (dương lớn). Đồng thời cũng có năm biến ngôn ngữ cho biến ngõ ra: IB (tăng nhiều), IS (tăng ít), KV (giữ nguyên), DS (giảm ít) và DB (giảm nhiều). Kết quả ngõ ra dựa vào suy luận xu hướng thay đổi sao cho đảm bảo mục tiêu ổn định dao động của nó. Chẳng hạn đối với trường hợp ∫ Δωr là PB và Δωr là ZR sẽ cho ra trạng thái ngõ ra là PB. Như vậy, để ngõ ra đảm bảo mục tiêu ổn định dao động, nó phải có xu hướng về giá trị tham chiếu của nó, tức là phải có xu hướng DB. Bảng 1. Tập luật điều khiển của ANFIS cải tiến Δωr ∫ Δωr NB NS ZR PS PB PB KV DS DB DB DB PS IS KV DS DB DB ZR IB IS KV DS DB NS IB IB IS KV DS NB IB IB IB IS KV Bước 8: Chọn thuật toán học lai (Hybrid) để huấn luyện mạng nơron. Bước 9: Chọn sai số cho phép theo mặc định của chương trình là 0 và nhập số kỳ huấn luyện là 30. Bước 10: Thực hiện huấn luyện ANFIS cải tiến và kiểm tra. Kết quả cho biết sai số huấn luyện và sai số kiểm tra của mỗi kỳ. ANFIS Editor GUI sẽ chọn các thông số của các hàm liên thuộc của bộ điều khiển FIS tại kỳ huấn luyện có giá trị sai số kiểm tra là nhỏ nhất. Bước 11: Xuất dữ liệu bộ điều khiển ANFIS cải tiến ra một tập tin *.fis . Bước 12: Tải tập tin *.fis ở bước 11 vào bộ điều khiển ANFIS cải tiến trong mô hình đã tạo ở bước 1. Bước 13: Kiểm tra lại các cài đặt thông số để đảm bảo cùng mô phỏng sự cố với bài báo [1] rồi tiến hành chạy mô phỏng. Bước 14: Lấy kết quả đáp ứng quá độ của hệ thống nghiên cứu khi sử dụng bộ điều khiển ANFIS cải tiến. Bước 15: So sánh kết quả đáp ứng quá độ của hệ thống nghiên cứu khi sử dụng bộ điều khiển ANFIS cải tiến ở bước 14 với bộ điều khiển ANFIS [1]. Dựa vào kết quả, tác giả rút ra kinh nghiệm điều chỉnh lại tập dữ liệu huấn luyện sao cho đạt được mục tiêu ổn định dao động công suất của hệ thống. Quá trình được lặp lại từ bước 3 đến bước 15 cho đến khi tìm ra được tập dữ liệu huấn luyện phù hợp cho bộ điều khiển ANFIS cải tiến nhằm đưa ra kết quả giảm dao động tốt nhất cho hệ thống. Bước 16: Lưu lại kết quả dữ liệu bộ điều khiển ANFIS cải tiến có kết quả giảm dao động tốt nhất cho hệ thống. ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 2 53 4. Kết quả mô phỏng Để so sánh rõ ràng khả năng giảm dao động của bộ điều khiển ANFIS cải tiến với bộ điều khiển ANFIS [1], tác giả sử dụng cùng dữ liệu và cùng mô phỏng sự cố mô men cơ học đột nhiên thay đổi tại SG với tốc độ gió định mức là 12m/s như trong bài báo [1]. Hình 7 trình bày kết quả so sánh các đáp ứng quá độ của hệ thống nghiên cứu trong ba trường hợp: SVeC không sử dụng bộ điều khiển, SVeC sử dụng bộ điều khiển ANFIS [1] và SVeC sử dụng bộ điều khiển ANFIS cải tiến. (a) Điện áp tại PCC (b) Tốc độ rotor của SG (c) Công suất tác dụng của SG Hình 7. So sánh các đáp ứng quá độ của hệ thống nghiên cứu Có thể quan sát rõ ràng từ Hình 7, SVeC được đề xuất sử dụng bộ điều khiển ANFIS cải tiến và bộ điều khiển ANFIS [1] cho kết quả thời gian quá độ gần như nhau, nhưng độ vọt lố ở trường hợp ANFIS cải tiến thấp hơn so với trường hợp ANFIS [1]. Chi tiết so sánh điểm vọt lố được tính tại đỉnh đầu tiên của VPCC , ωr , PSG trong Hình 7a, 7b, 7c được thể hiện ở Bảng 2. Bảng 2. Kết quả so sánh độ vọt lố ANFIS [1] ANFIS cải tiến Kết quả cải thiện giảm (%) Tín hiệu Khoảng vọt lố (p.u) Thời gian (s) Khoảng vọt lố (p.u) Thời gian (s) VPCC 0,0198 2,35 0,0111 2,3 43,9 ωr 0,002 2,2 0,002 2,15 0 PSG 0,0805 2,3 0,0485 2,25 39,8 Như vậy, SVeC được đề xuất sử dụng bộ điều khiển ANFIS cải tiến có khả năng giảm dao động tốt hơn bộ điều khiển ANFIS [1] cho hệ thống điện nghiên cứu. 5. Kết luận Bài báo đã trình bày một giải pháp nâng cao khả năng điều khiển của bộ điều khiển ANFIS cho SVeC. Các kết quả mô phỏng đã được trình bày và thực hiện với một sự cố nghiêm trọng xảy ra giống như bài báo [1]. Có thể kết luận từ các kết quả nghiên cứu rằng bộ ANFIS cải tiến có khả năng ổn định dao động cho hệ thống điện có kết nối nguồn điện gió tốt hơn bộ ANFIS [1]. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huỳnh Hoàng Huynh và Trương Đình Nhơn, “Nâng cao ổn định động của hệ thống gió nối lưới sử dụng thiết bị bù SVeC”, tạp chí Khoa Học và Công Nghệ đại học Đà Nẵng, tập 108, số 2, 12- 2016, trang.133–138. [2] L. A. C. Lopes and G. Joós, “Pulse width modulated capacitor for series compensation”, IEEE Trans. Power Electronics, vol. 16, no. 2, Mar. 2001, pp. 167–174. [3] G. Venkataramanan and B. K. Johnson, “Pulse width modulated series compensator”, IEE Proc.-Gen., Trans. and Dist., vol. 149, no. 1, Jan. 2002, pp. 71–75. [4] J. M. González, C. A. Cañizares, and J. M. Ramírez, “Stability modeling and comparative study of series vectorial compensators,” IEEE Trans Power Delivery, vol. 25, no. 2, April 2010. [5] F. Mancilla-David, S. Bhattacharya, and G. Venkataramanan, “A comparative evaluation of series power-flow controllers using DC and AC-link converters”, IEEE Trans. Power Delivery, vol. 23, no. 2, Apr. 2008, pp. 985–996. [6] M. Das and D. Giribabu, "ANFIS controller based STATCOM regulator for self excited induction generator", 2016 IEEE 6th International Conference on Power Systems (ICPS), New Delhi, 2016, pp. 1-6. [7] M. Dasari, A. S. Reddy and M. V. Kumar, "Modeling of a commercial BLDC motor and control using GA-ANFIS tuned PID controller", 2017 International Conference on Innovative Research In Electrical Sciences (IICIRES), Nagapattinam, 2017, pp. 1-6. [8] I. Bilbao and J. Bilbao, “Overfitting problem and the over-training in the era of data: Particularly for Artificial Neural Networks”, International Conference on ICICIS, Dec. 2017, pp. 173–177. (BBT nhận bài: 19/9/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 02/10/2018)