Luận án nghiên cứu ổn định và tối ưu hệ thống phức hợp nhiều thành phần - Ứng dụng cho hệ thống điện

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. 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. 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. 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.