Điều khiển Fuzzy-PID cho hệ thống điện đa kết nối

 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 32-05/2019 
35 
ĐIỀU KHIỂN FUZZY – PID CHO 
 HỆ THỐNG ĐIỆN ĐA KẾT NỐI 
FUZZY- PID CONTROL FOR 
MULTI - AREA INTERCONNECTED POWER SYSTEMS 
Đoàn Diễm Vương 
Khoa Điều khiển & Tự động hóa 
Đại học Điện Lực 
Tóm tắt: Ngày nay, điều khiển tần số tải trong hệ thống điện đa kết nối là một vấn đề vô cùng 
cấp thiết và quan trọng. Tuy nhiên, do được tạo bởi rất nhiều máy móc, thiết bị nên hệ thống luôn tồn 
tại các thành phần phi tuyến như là: GDB (dải chết của máy điều tốc), GRC (giới hạn tốc độ của máy 
phát điện). Nếu điều khiển hệ thống này theo các phương pháp như PID, giải tích thì sẽ rất phức tạp và 
khó khăn. Vì vậy, tác giả bài báo đã thiết kế bộ điều khiển thông minh Fuzzy –PID để các thông số của 
bộ PID trong quá trình điều khiển được chỉnh định bằng hệ mờ nhằm ổn định tần số khi hệ thống ba 
vùng tồn tại những khâu phi tuyến. Kết quả đáp ứng của hệ thống được so sánh với phương pháp điều 
khiển PID. 
Từ khóa: Hệ thống điện đa kết nối, bộ điều khiển Mờ - PID, bộ điều khiển PID. 
Chỉ số phân loại: 2.2 
Abstract: Today, Load Frequency Control in multi-area interconnected power systems is an 
important issue. However, because this system is created by a lot of machines and equipment, it always 
has nonlinear components such as: GDB (Governor DeadBand), GRC (Generation Rate Constraint). If 
this system is controlled by methods such as PID, mathematical analysis, it will be very complicated 
and difficult. Therefore, the author has designed Fuzzy –PID controller that the parameters of the PID 
controller are adjusted by fuzzy system to stabilize the frequency when the system of three area exist 
nonlinear stages. The response results of the system are compared with the PID control method. 
Keywords: Multi – area interconnected power systems, Fuzzy – PID controller, PID controller. 
Classification number: 2.2 
1. Giới thiệu 
Trong hệ thống điện năng lượng điện ở 
nguồn cấp được lấy từ các máy phát điện, 
năng lượng nhập khẩu. Nguồn năng lượng cấp 
này được cấp đến nơi tiêu thụ như: Các hộ tiêu 
dùng, các nhà máy xí nghiệp sản xuất, năng 
lượng đưa đi xuất khẩu hoặc bị tổn hao năng 
lượng trên đường dây. Khi năng lượng điện 
cung cấp lớn hơn năng lượng điện tiêu thụ thì 
tần số hệ thống sẽ tăng. Ngược lại, tần số hệ 
thống sẽ giảm. Khi năng lượng hai bên cân 
bằng nhau tần số sẽ giữ ở giá trị ổn định ở Việt 
Nam là 50Hz, còn ở một số nước châu Âu là 
60Hz. 
Tuy nhiên, trong thực tế năng lượng điện 
tiêu thụ thay đổi liên tục từng giờ, từng phút 
thậm chí là từng giây. Nguyên nhân là do sự 
thay đổi của tải như các hộ tiêu dùng, các nhà 
máy xí nghiệp thường xuyên sử dụng năng 
lượng quá tải hoặc hệ thống gặp sự cố. 
Việc năng lượng tải sử dụng liên tục thay 
đổi dẫn đến rất khó để cân bằng được với năng 
lượng cung cấp. Chính vì vậy, dẫn đến tần số 
làm việc hệ thống luôn thay đổi so với giá trị 
mong muốn và có thể thay đổi liên tục trong 
những khoảng thời gian rất ngắn. 
Độ lệch tần số ảnh hưởng đến hoạt động 
của tất cả các thiết bị trong hệ thống điện như 
các thiết bị tự dùng trong các nhà máy điện tức 
là ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện. Khi 
tần số suy giảm có thể dẫn đến ngừng một số 
bơm tuần hoàn trong nhà máy điện và khi tần 
số giảm quá nhiều có thể dẫn đến ngừng tổ 
máy. Ngoài ra sự thay đổi tần số làm thay đổi 
trào lưu công suất trong hệ thống. Tần số giảm 
dẫn đến tăng tiêu thụ công suất phản kháng 
đồng nghĩa với thay đổi trào lưu công suất tác 
dụng và tăng tổn thất trên các đường dây 
truyền tải. Bên cạnh đó sự thay đổi tần số còn 
gây ra những hậu quả xấu cho các thiết bị điện 
ở các hộ tiêu thụ như tần số giảm dẫn đến việc 
động cơ các thiết bị truyền động bị giảm hiệu 
suất làm việc. 
Ngày nay, với các công nghệ kỹ thuật 
hiện đại việc điều khiển tần số trong hệ thống 
điện đơn lẻ gồm những thành phần cơ bản: 
 36 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 32, May 2019 
Máy điều tốc (Governor), Turbine gồm ba 
loại: Turbin không hồi nhiệt (Non - Reheat 
Turbine), turbin hồi nhiệt (Reheat Turbine), 
turbin Hydro, máy phát (Generator) đã được 
cải thiện tốt. Hình 1 trình bày về cấu trúc của 
một hệ thống điện đơn vùng cơ bản. 
Máy điều 
tốc
Turbine
Máy phát và 
tải tiêu thụ
1/R
 +
-
+
 -
 ∆P
Hình 1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống điện đơn vùng. 
Tuy nhiên đối với hệ thống điện đa liên 
kết được trình bày như hình 2 gồm nhiều vùng 
nối với nhau thông qua các dây dẫn thì việc ổn 
định tần số còn gặp phải nhiều vấn đề. 
Vùng điều 
khiển 1
Vùng điều 
khiển 2
Vùng điều 
khiển 3
Vùng điều 
khiển M
Hình 2. Hệ thống điện đa liên kết M vùng. 
Việc ổn định tần số trong hệ thống điện 
đa máy phát kết nối không chỉ dừng lại là điều 
khiển ổn định tần số mà vì giữa các vùng có 
mối liên hệ với nhau nên ngoài việc cần điều 
khiển độ chênh lệch tần số bằng không thì 
người điều khiển cần quan tâm đến những 
thông số khác như là ∆Ptie (Sai lệch công suất 
trên đường dây nối các vùng) bằng không. Vì 
vậy người ta nghiên cứu điều khiển thông số 
ACE (sai số điều khiển vùng) qua mối quan 
hệ giữa sai lệch tần số và sai lệch của công 
suất đường dây để có thể ổn định tần số trong 
hệ thống này. 
Dựa vào thời gian thay đổi của tải tiêu thụ 
người ta phân bộ điều khiển thành các cấp như 
sau: 
 Bộ điều khiển cấp một: Sự thay đổi 
của tải do các thành phần ngẫu nhiên trong hệ 
thống gây ra với thời gian thay đổi là nhỏ hơn 
10 giây. Lúc này máy điều tốc sẽ tự động điều 
chỉnh tốc độ đầu ra để làm giảm sự thay đổi 
của tần số; 
 Bộ điều khiển cấp hai: Sự thay đổi của 
tải do các thành phần dao động trong hệ thống 
gây ra với khoảng thời gian thay đổi là từ 10 
giây đến 3 phút. Sự thay đổi tần số sẽ được 
điều chỉnh bằng một bộ điều khiển do người 
điều khiển thiết kế ra; 
 Bộ điều khiển cấp ba: Sự thay đổi cuả 
tải do các thành phần bền vững trong hệ thống 
gây ra với khoảng thời gian thay đổi là lớn hơn 
3 phút. Sự thay đổi tần số sẽ được điều chỉnh 
bằng kế hoạch phát điện của nguồn cung cấp 
điện. 
Trên thế giới cũng có rất nhiều bài báo 
được công bố trình bày về việc điều khiển ổn 
định tần số cho hệ thống điện đa liên kết. 
Nghiên cứu [1] thiết kế một bộ điều khiển tần 
số phân cấp PID cho hệ thống điện liên kết 
bốn vùng trong những trường hợp khác nhau 
với điều kiện ∆Ptie,i bằng 0 (i = 1,2,3,4). 
Nghiên cứu [2] tác giả đưa ra phương pháp 
điều khiển trượt được tối ưu H∞ tần số tải 
(SMLFC) cho hệ thống điện liên kết có thời 
gian trễ. Bằng việc xem xét ngẫu nhiên các 
thành phần gây nhiễu sinh ra do sự tích hợp 
năng lượng tái tạo. Tác giả đã xây dựng một 
bề mặt trượt phản ứng nhanh và có nhiệt suất 
cao sau đó xây dựng luật kiểm soát đảm bảo 
khả năng tiếp cận của mặt trượt trong một 
khoảng thời gian hữu hạn. Nghiên cứu [3] đề 
xuất một bộ điều khiển mờ nhằm tìm kiếm 
những thông số tối ưu cho bộ điều khiển PID 
để điều khiển tần số cho ba vùng. Nghiên cứu 
[4] một bộ điều khiển noron được thiết kế để 
tự động liên tục điều chỉnh các thông số của 
bộ điều khiển PID theo sự thay đổi của các lỗi 
kiểm soát khu vực (ACE). Tín hiệu lỗi là đầu 
vào của mạng noron, bộ điều khiển được huấn 
luyện sao cho thu được giá trị đầu ra mong 
muốn với mỗi giá trị đầu vào. Mạng noron độc 
lập với thời gian và ổn định với các loại nhiễu 
có thể xảy ra vào các trường hợp khác nhau. 
Nghiên cứu [5] đã thiết kế một bộ điều khiển 
mờ - PD, mờ kết hợp với bộ SMES cho hệ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 32-05/2019 
37 
thống điện gồm năm vùng trong các trường 
hợp phụ tải thay đổi ở một vùng và phụ tải 
thay đổi ở nhiều vùng. 
Để ổn định tần số trong hệ thống điện đa 
liên kết gặp phải nhiều vấn đề trong hệ thống 
phát sinh làm ảnh hưởng đến chất lượng điều 
khiển của hệ thống như: Các thiết bị có thành 
phần làm hệ thống phi tuyến gồm có: GDB 
(dải chết của máy điều tốc), GRC (giới hạn tốc 
độ của máy phát điện), tính trễ của thời gian 
trong hệ thống, các thông số của thiết bị điện 
bị thay đổi trong quá trình vận hành hệ thống. 
Hơn nữa, do được tạo bởi sự kết hợp rất nhiều 
máy móc thiết bị nên hệ thống gồm hàng 
nghìn thông số nên rất khó và phức tạp trong 
việc ổn định tần số cho hệ thống này. Trong 
quá trình hoạt động các thông số của hệ thống 
bị thay đổi làm hệ thống không tường minh 
tồn tại nhiều yếu tố bất định. Chính vì vậy các 
phương pháp điều khiển kinh điển như sử 
dụng bộ điều khiển PID, các phương pháp 
điều khiển giải tích sẽ khó điều khiển được hệ 
thống khi các thông số hệ thống luôn luôn thay 
đổi và không dễ dàng xác định được sự thay 
đổi đó. 
Vì vậy, trong bài báo này đưa ra phương 
pháp điều khiển thông minh chỉnh định các 
thông số của bộ PID tối ưu bằng việc sử dụng 
bộ mờ cho hệ thống điện đa liên kết ba vùng 
với vùng một là Turbin không hồi nhiệt, vùng 
hai là Turbin hồi nhiệt, vùng ba là Turbin 
Hydro. Bài báo đưa ra các kết quả đáp ứng của 
hệ thống khi hệ thống có thành phần làm hệ 
phi tuyến. Kết quả được so sánh với bộ điều 
khiển kinh điển PID. 
2. Mô hình hệ thống điện đa liên kết ba vùng 
2.1. Các thông số của hệ thống 
Bảng 1. Mô tả các thông số hệ thống [6]. 
0 Tần số khu vực i Hz 
Ri Hằng số điều chỉnh tốc độ Hz/p.u 
Tgi Hằng số thời gian của máy điều tốc s 
M Hằng số quán tính của máy phát p.u.s 
D Hằng số giảm tải p.u/Hz 
Ti Hệ số đồng bộ moomen xoắn của đường dây p.u/rad 
Tch Hằng số thời gian của Turbin không hồi nhiệt s 
Trh Hằng số thời gian của Turbin hồi nhiệt s 
Fhp Hằng số khâu áp suất cao 
Tw Thời gian bắt đầu bơm s 
Tr Thời gian đặt lại s 
Rt Hằng số rơi tạm thời Hz/p.u 
Bi Đặc tính đáp ứng tần số cho khu vực i p.u/Hz 
ACEi Lỗi kiểm soát khu vực i 
∆Ptiei Thay đổi công suất trên đường dây 
∆PLi Thay đổi nhu cầu tải trong khu vực i 
2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống của hệ thống 
Hình 3 mô tả toán học của hệ thống điện đa liên kết ba vùng. 
 38 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 32, May 2019 
Hình 3.Sơ đồ cấu trúc của hệ thống [6]. 
Bảng 2: Giá trị thông số của từng vùng trong hệ thống [6]. 
Vùng Turbin không hồi 
nhiệt 
 Vùng Turbin hồi nhiệt Vùng Turbin Hydro 
M1 10 M2 10 M3 6 
D1 1 D2 1 D3 1 
Tch1 0.3 Tch2 0.3 Tr 5 
Tg1 0.1 Tg2 0.2 Tg3 0.2 
R1 0.05 R2 0.05 R3 0.05 
B1 21 B2 21 B3 21 
T1 22.6 T2 22.6 T3 22.6 
 Fhp 0.3 Rt 0.38 
 Trh 7 Tw 1 
Mục tiêu điều khiển của hệ thống điện đa 
liên kết là điều khiển sai số tần số, ACE, ∆Ptie 
tại các khu vực tiến về không trong khi hệ 
thống tồn tại nhiều thành phần phi tuyến 
3. Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy – PID 
Bộ điều khiển PID được đặc trưng bởi các 
thông số Kp , Kd , Ki. 
Theo [7] giả sử ta có Kp và Kd luôn nằm 
trong khoảng lần lượt là [Kp min, Kp max] và [Kd 
min, Kd max] ta có: 
'
min max min
'
min dmax min
( ) / ( )
( ) / ( )
p p p p p
d d d d
K K K K K
K K K K K
 (1) 
i dT T (2) 
2/ T / ( )i p d p dK K K T (3) 
Bộ điều khiển mờ được thiết kế với đầu 
vào là ACE và ∆ACE có hàm liên thuộc như 
sau: 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 32-05/2019 
39 
Hình 4. Hàm liên thuộc của ACE và ∆ACE. 
Đầu ra của bộ mờ là Kp’, Kd’, α 
Hình 5. Hàm liên thuộc của Kp’, Kd’. 
Hình 6. Hàm liên thuộc của α. 
Hình 7.Luật mờ cho Kp’. 
Hình 8. Luật mờ cho α. 
Từ (1) và (3) ta có 
'
max min min
'
dmax min min
2
( )
( )
/ ( )
p p p p p
d d d d
i p d
K K K K K
K K K K K
K K T 
 (4) 
Nên bộ điều khiển Fuzzy-PID được thiết 
kế như hình 9. 
Hình 9. Cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy-PID. 
4. Mô phỏng hệ thống và kết quả 
Mô phỏng hệ thống khi hệ thống tồn tai 
các thành phần làm hệ phi tuyến như là: GDB 
(dải chết của máy điều tốc), GRC (giới hạn tốc 
độ của máy phát điện). Kết quả đưa ra là các 
đáp ứng của tần số thay đổi, ∆Ptie, sai số ACE 
của các vùng theo thời gian. Các đáp ứng này 
được so sánh với đáp ứng của các thông số 
trên khi sử dụng bộ điều khiển PID. 
Hình 10. Thay đổi tần số khu vực I. 
Hình 11. Thay đổi tần số khu vực II. 
Hình 12. Thay đổi tần số khu vực III. 
 40 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 32, May 2019 
Hình 13. Đáp ứng ∆Ptie1. 
Hình 14. Đáp ứng ∆Ptie2. 
Hình 15. Đáp ứng ∆Ptie3. 
Hình 16. Đáp ứng ACE1. 
Hình 17. Đáp ứng ACE2. 
Hình 18. Đáp ứng ACE3. 
So sánh chất lượng của bộ điều khiển PID 
và Fuzzy – PID được trình bày trong bảng 3: 
Bảng 3. So sánh các đáp ứng của bộ điều khiển 
PID và Fuzzy – PID. 
Vùng 
Các đáp 
ứng 
Độ vọt lố (Hz) 
Thời gian xác 
lập (s) 
PID Fuzzy-
PID 
PID Fuzzy-
PID 
 Vùng I 
Thay 
đổi f1 
0.0035 0.0018 60 8 
∆Ptie1 0.025 0.025 60 40 
ACE1 0.01 0.05 20 10 
Vùng 
II 
Thay 
đổi f2 
0.0039 0.0018 60 10 
∆Ptie2 0.013 0.013 80 35 
ACE2 0.09 0.04 30 20 
Vùng 
III 
Thay 
đổi f3 
0.0038 0.0021 60 10 
∆Ptie3 0.02 0.025 80 35 
ACE3 0.1 0.06 65 35 
5. Kết luận 
Bộ điều khiển Fuzzy – PID được thiết kế 
đã có những đáp ứng tốt như: Độ vọt lố thấp 
hơn, thời gian xác lập ngắn hơn so với bộ điều 
khiển PID thông thường. Tuy nhiên bộ điều 
khiển chưa giải quyết được tính bất định theo 
thời gian của các thông số và độ trễ đáp ứng 
của hệ thống 
Tài liệu tham khảo 
[1] Tan Wen, Zhang H, Yu M. “Decentralized load frequency 
control in deregulated environments.” Electrical Power and 
Energy System (2012). 
[2] Yonghui Sun, Yingxuan Wang, Zhinong Wei, Guoqiang Sun, 
and Xiaopeng Wu. “Robust H1 Load Frequency Control of 
Multi-area Power System With Time Delay: A Sliding Mode 
Control Approach” IEEE/caa journal of automatica sinica, 
Vol. 5, No. 2, March 2018. 
[3] Nour EL Yakine Kouba, Mohamed Menaa, Mourad Hasni and 
Mohamed Boudour, “Load Frequency Control in Multi-Area 
Power System Based on Fuzzy Logic-PID Controller”, IEEE 
International Conference on Smart Energy Grid Engineering 
(SEGE), November 2015. 
[4] V.Shanmuga Sundaram and T.Jayabarathi “ An artificial neural 
network approach of load frequency control in a multi area 
interconnected power system”. Shanmuga Sundaram et al./ 
Elixir Elec. Engg. 38 (2011) 4394-4397. 
[5] 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 sĩ kỹ thuật, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công Nghệ Việt 
Nam (2017) 
[6] Seyed Abbas Taher, Masoud Hajiakbari Fini, Saber Falahati 
Aliabadi “Fractional order PID controller design for LFC in 
electric power systems using imperialist competitive 
algorithm” Ain Shams Engineering Journal (2013) 
[7] Zhen-Yu Zhao, Masayoshi Tomizuka, Satoru Isaka, “Fuzzy 
Gain Scheduling of PID Controllers” IEEE Transactions on 
systems, man, and cybernectics. Vol.23, No.5. September 
1993. 
 Ngày nhận bài: 16/4/2019 
 Ngày chuyển phản biện: 19/4/2019 
 Ngày hoàn thành sửa bài: 10/5/2019 
 Ngày chấp nhận đăng: 17/5/2019