Nâng cao ổn định động cho hệ thống điện ứng dụng bộ ổn định công suất mờ

 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 33 
Hình 10. Màn hình hiển thị lỗi tổ hợp Diesel - máy phát điện 
4. Kết luận 
Hệ thống điều khiển tự động toàn phần trạm phát điện tàu thủy được xây dựng theo cấu trúc 
đã đề xuất, ứng dụng công nghệ khả trình mềm hóa, dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển mà 
không cần thay đổi phần cứng. Hệ thống đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu, tính năng tự động điều 
khiển cho trạm phát điện tàu thủy. Thuật toán điều khiển hệ thống đã được triển khai và kiểm 
nghiệm cho trạm phát điện mô phỏng chủng loại tàu 22500 DWT. Hơn thế nữa, hệ thống được 
giám sát trên màn hình cảm ứng, máy tính đã tạo cho người vận hành khai thác theo dõi được các 
thông số, cũng như trạng thái hoạt động của hệ thống một cách tổng quan và liên tục. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. GS. TSKH Thân Ngọc Hoàn,TS. Nguyễn Tiến Ban, Trạm phát và lưới điện tàu thuỷ, NXB Khoa 
học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2008. 
[2]. Bùi Thanh Sơn, Trạm phát điện tàu thuỷ, NXB Giao thông vận tải, Hà nội, 2000. 
[3]. Mukund R. Patel, Shipboard electrical power systems, CRC Press, 2012. 
[4]. Technical documents of Main switchboard of 22.500 DWT, 53.000DWT, 56.000DWT ship. 
[5]. БарановА.П., Судовыеавтоматизированныеэлектроэнергетическиесистемы, 
Судостроение, Санкт -Петербург, 2005. 
Ngày nhận bài: 20/02/2017 
Ngày phản biện: 17/06/2017 
Ngày duyệt đăng: 20/06/2017 
NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN 
ỨNG DỤNG BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT MỜ 
 DYNAMIC STABILITY IMPROVEMENT OF ELECTRIC POWER SYSTEM 
BASED ON FUZZY LOGIC POWER SYSTEM STABILIZER 
NGUYỄN KHẮC KHIÊM1, HOÀNG ĐỨC TUẤN2, ĐINH ANH TUẤN2 
1Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 
2Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 
Tóm tắt 
Phụ tải điện năng của hệ thống điện có đặc điểm là biến thiên theo thời gian, biến thiên 
ngẫu nhiên và phụ thuộc vào chế độ làm việc, vùng hoạt động và các yếu tố khác. Do 
vậy, trong quá trình hoạt động của hệ thống điện, thường xuyên xảy ra sự thay đổi tải, 
làm cho hệ thống điện liên tục chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. 
Với những sự thay đổi tải lớn, đột ngột, cũng như sự cố xảy ra thì hệ thống điện có thể 
dẫn đến mất ổn định. Để nâng cao ổn định cho hệ thống điện, sử dụng bộ ổn định công 
suất được thiết kế theo phương pháp truyền thống, tạo nên tín hiệu phụ đưa thêm vào 
điều khiển hệ thống kích từ, làm giảm sự dao động tần số thấp của vận tốc góc quay 
rotor máy phát điện. Tuy nhiên, bộ ổn định công suất này, được xây dựng theo phương 
pháp truyền thống và đối tượng được tuyến tính hóa, vì vậy bộ ổn định công suất chỉ làm 
việc tốt trong điều kiện nhất định, quanh điểm làm việc cho phép. Hệ thống điện là hệ 
thống có đặc điểm phi tuyến mạnh, tải điện năng thay đổi ngẫu nhiên, vì vậy bộ ổn định 
công suất truyền thống sẽ làm việc không hiệu quả, khi chế độ làm việc thay đổi và điểm 
làm việc thay đổi trong phạm vi rộng. Để giải quyết vấn đề này, bài báo đề xuất xây dựng 
 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 34 
bộ ổn định công suất ứng dụng logic mờ, nhằm khắc phục nhược điểm của bộ ổn định 
công suất truyền thống, cải thiện ổn định động cho hệ thống điện. 
Từ khóa: Phụ tải điện, hệ thống điện, bộ ổn định công suất mờ, ổn định động. 
Abstract 
The electric loads of the electric power system is characterized by time-varying, random 
variation, and depending on the mode of operation, area of operation, and other factors. 
Therefore, during the operation of the electric power system, the load changes frequently 
occur, causing the system to continuously move from the steady-state mode to another. 
With sudden and large load changes, as well as malfunctioning, the electric power system 
can lead to instability. In order to improve the stability of the electric power system, the 
conventional power system stabilizer used to create an auxiliary stability signal that adds to 
the control of the excitation system to reduce low frequency oscillations of angular velocity 
of rotor generators. However, this power system stabilizer, built on the traditional method 
and the object is linearized, so that the power system stabilizer works just finely under 
specific operating condition around the permitted working point. The electric power system 
is a system with strong nonlinear characteristics, randomly changing load power, so 
conventional power system stabilizer will be ineffective when the operating mode changes 
and the working point changes in wide range. To solve this problem, the paper proposes 
the construction of a fuzzy logic power system stabilizer, to overcome the disadvantages of 
conventional power system stabilizer, and to improve the dynamic stability of the electric 
power system. 
Keywords: Electric loads, electric power system, fuzzy logic powersystemstabilizer, dynamic 
stability. 
1. Giới thiệu 
Hệ thống điện đang tồn tại và phát triển không ngừng về quy mô và chất lượng. Trong quá 
trình làm việc của hệ thống, thường xuyên dẫn đến sự thay đổi điểm làm việc của hệ không theo 
quy luật, tạo nên những dao động tần số thấp, do đó có thể dẫn đến trạng thái mất đồng bộ của 
các tổ máy phát điện, thậm chí suy sụp hệ thống. Vì vậy, đòi hỏi cần phải nâng cao ổn định động 
cho hệ thống điện. 
Nhằm mục đích nâng cao ổn định động cho hệ thống điện, bộ ổn định công suất được sử 
dụng để đưa thêm tín hiệu điều khiển cấp cho hệ thống kích từ của máy phát điện, huy động 
nhanh năng lượng điện từ làm giảm dao động tần số thấp cho rotor [1, 2, 3, 5]. Bộ ổn định công 
suất này, sử dụng khá phổ biến và được thiết kế theo kỹ thuật điều khiển thông thường. Vì vậy, 
các hệ số của bộ điều khiển ổn định công suất được thiết kế, cài đặt cho điều kiện làm việc cụ thể, 
do đó, bộ điều khiển ổn định công suất sẽ làm việc kém hiệu quả và thiếu chính xác, khi điều kiện 
làm việc thay đổi trong phạm vi rộng. 
Để giải quyết vấn đề này, thì cần ứng dụng lý thuyết điều khiển mới để tổng hợp bộ điều 
khiển ổn định công suất. Bộ điều khiển ổn định công suất mờ được đề xuất, để giải quyết vấn đề 
không rõ về mô hình toán, tính phi tuyến mạnh và dải thay đổi lớn điều kiện làm việc của hệ thống 
điện. 
Bài báo đề cập đến việc xây dựng bộ ổn định công suất ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ, 
nhằm nâng cao ổn định động cho hệ thống điện. Kết quả nghiên cứu được trình bày trong các 
phần sau. 
2. Mô hình hệ thống điện 
Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống điện với máy phát điện 
Bộ điều 
khiển 
Hệ thống 
Kích từ 
Máy 
phát điện 
Bộ chuyển đổi điện áp 
và bù tải 
Bộ ổn định công 
suất mờ 
L
ư
ớ
i 
đ
iệ
n
P
h
ụ
tả
i Tín hiệu 
đặt 
Mạch giới hạn 
và bảo vệ 
 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 35 
Mô hình máy phát điện nối với lưới cứng hệ thống điện, bao gồm các phần tử cơ bản như 
máy phát điện đồng bộ, hệ thống kích từ, bộ điều khiển, bộ chuyển đổi điện áp và bù tải, bộ ổn 
định công suất mờ, mạch giới hạn và bảo vệ, hệ thống thanh cái, lưới điện. Sơ đồ khối của hệ 
thống được trình bày như hình 1 [2, 3, 4]. 
Cấu hình hệ thống điện, được thay thế tương đương theo định lý Thevenin [2, 3], thể hiện 
như hình 2. 
Hình 2. Sơ đồ tương đương của hệ thống điện với máy phát điện 
Mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ [1, 2, 3] mô tả trên hệ tọa độ d-q như sau: 
Phương trình cân bằng điện áp stator ở đơn vị tương đối 
d d q r a d
q q d r a q
e p R i
e p R i
y y w
y y w
= - -
= - -
Phương trình cân bằng điện áp rotor ở đơn vị tương đối 
fd fd fd fde p R iy= - (3)
 1 1 10 d d dp R iy= - (4)
1 1 10 q q qp R iy= - 
Phương trình cân bằng từ thông stator ở đơn vị tương đối 
1 1( )d ad d ad fd ad dL L i L i L iy = - + + + 
1 1 2( )q aq q aq q aq qL L i L i L iy = - + + + 
Phương trình cân bằng từ thông rotor ở đơn vị tương đối 
1 1fd fd fd f d d ad dL i L i L iy = + - (7) 
1 11 1 2q q q aq q aq qL i L i L iy = + - (8)
Phương trình cân bằng mô men 
e d q q dT i iy y= - (9)
Phương trình chuyển động 
( )
2
b
b
m e
d
dt
d
T T
dt H
d
w w
ww
= -
= -
Trong đó: e, i, R, L, ψ, ω là điện áp, dòng điện, điện trở, điện cảm, từ thông, tốc độ góc với 
chỉ số phụ d, q đại điện cho trục dọc, ngang, fd cho cuộn dây kích từ; 1 đại diện cho cuộn cản của 
máy phát điện; H là hằng số quán tính; δ là góc rotor; Tm, Te là mô men cơ và mô men điện từ. 
3. Thiết kế bộ ổn định công suất mờ 
Chức năng cơ bản của bộ ổn định công suất là làm giảm dao động rotor ở tần số thấp bằng 
cách thêm vào hệ thống kích từ một tín hiệu phụ để huy động nhanh năng lượng điện từ. 
Để xây dựng cấu trúc bộ điều khiển ổn định công suất mờ, sẽ sử dụng hai tín hiệu đầu vào 
là tín hiệu sai lệch tốc độ góc của rotor(e) và đạo hàm của nó. Đầu ra của bộ điều khiển mờ là tín 
hiệu điện áp (U) để cộng thêm vào tín hiệu điều khiển kích từ của máy phát điện được thể hiện 
trên hình 3. 
Máy 
phát 
điện 
Et Eb 
Zeq=Re + jXe 
Lưới hệ thống 
(1) 
(2) 
(5) 
(6) 
(10) 
(11) 
 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 36 
Hình 3. Sơ đồ cấu trúc của bộ ổn định công suất mờ 
Mờ hóa tín hiệu đầu vào và ra 
Dải thay đổi tín hiệu đầu vào sai lệch tốc độ góc của rotor biến đổi từ [-1, 1] và đạo hàm của 
nó biến đổi từ [-3, 3]. Dải thay đổi tín hiệu đầu ra điện áp biến đổi từ [-1, 1]. 
Tập mờ đầu vào, ra được chọn tương ứng là {AL, AV, AN, Z, DN, DV, DL}. Dạng hàm liên 
thuộc của tập mờ đầu vào, ra được chọn là hàm tam giác và số lượng là 7, được thể hiện trên 
hình 4, 5, 6. 
Hình 4. Mờ hóa sai lệch tín hiệu đầu vào (e) 
Hình 5. Mờ hóa đạo hàm sai lệch tín hiệu đầu vào (de) 
Hình 6. Mờ hóa tín hiệu đầu ra (U) 
Xây dựng luật hợp thành cho bộ ổn định công suất mờ 
Mỗi tín hiệu đầu vào gồm 7 hàm liên thuộc và 7 hàm liên thuộc cho tín hiệu đầu ra. Hai tín 
hiệu đầu vào chọn toán tử phép nhân “AND”, chọn phương pháp giải mờ là phương pháp trọng 
tâm, có thể tạo nên 49 luật hợp thành như bảng 1. 
Bảng 1. Luật hợp thành của bộ ổn định công suất mờ 
Sai lệch 
tốc độ 
góc rotor 
Đạo hàm sai lệch tốc độ góc rotor 
AL AV AN Z DL DV 
DN 
AL DL DL DL DL DV Z Z 
AV DL DL DL DL DV Z Z 
AN DV DV DV DV Z AN AN 
Z DV DV DN Z AN AV AV 
DN DN DN Z AV AV AV AV 
DV Z Z AV AN DL DV DN 
DL AN AV AN Z DL DV DN 
 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 37 
Hình 7. Luật hợp thành cho bộ ổn định công 
suất mờ 
Hình 8. Quan hệ vào ra của bộ ổn định công 
suất mờ 
4. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống 
Để mô phỏng hệ thống sử dụng các thông số chính của máy phát điện đồng bộ: S=555MVA; 
U=24KV; F=50Hz; Et=1; H=4; Lad=1.66; Laq=1.61; L1q=0.7252; L1d=0.1713 ; Ra=0.003. 
Thông số của bộ ổn định công suất truyền thống: Tw=5(s); T1=0.08; T2=0.02; KST=0.001. 
Giá trị thông số ban đầu của máy phát điện đồng bộ được tính toán trong M-file và nhập vào 
mô hình mô phỏng. Mô hình nghiên cứu hệ thống với bộ ổn định công suất truyền thống và bộ ổn 
định công suất mờ được thể hiện trên hình 9. 
Hình 9. Mô hình hệ thống điện với bộ ổn định công suất mờ và 
bộ ổn định công suất truyền thống 
Sau khi mô phỏng hệ thống điện sử dụng bộ ổn định công suất truyền thống PSS và bộ ổn 
định công suất mờ FPSS, với sự thay đổi giá trị khác nhau của tải hệ thống, ta nhận được các kết 
quả như sau: 
Khi tải của hệ thống điện bằng 25% tải định mức: 
 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 38 
Hình 10. Đặc tính sai lệch tốc độ góc rotor 
1: Là đường đặc tính sử dụng bộ ổn định công suất thông thường 
2: Là đường đặc tính sử dụng bộ ổn định công suất mờ 
Khi tải của hệ thống điện bằng 75% tải định mức: 
 Hình 11. Đặc tính sai lệch tốc độ góc rotor 
1: Là đường đặc tính sử dụng bộ ổn định công suất thông thường 
2: Là đường đặc tính sử dụng bộ ổn định công suất mờ 
Dựa trên đặc tính sai lệch tốc độ góc rotor thu được, ta thấy rằng khi có sự tham gia của bộ 
ổn định công suất mờ vào hệ thống điện, đã làm cho độ quá điều chỉnh và số lần dao động giảm đi 
rất nhiều, so với khi hệ thống chỉ sử dụng bộ ổn định công suất thông thường. 
5. Kết luận 
Bộ ổn định công suất mờ đã làm giảm biên độ và số lần dao động của sai lệch tốc độ góc 
quay rotor, do vậy, sẽ nhanh chóng đưa hệ thống điện về trạng thái ổn định mới, vì vậy sẽ nâng 
cao tính ổn định của hệ thống điện. Việc nghiên cứu mô hình hệ thống điện với sự tham gia của bộ 
ổn định công suất mờ, có ý nghĩa rất lớn trong việc phát triển nghiên cứu để chế tạo bộ điều khiển 
thực áp dụng cho hệ thống điện, nhằm mục đích nâng cao ổn định cho hệ thống. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Lã Văn Út, Phân tích và điều khiển ổn định hệ thống điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 
2000. 
[2]. Prabha Kundur, Power system stability and control, Mc Greew-Hill, 1994. 
[3]. Jan Machowski, Janusz Bialek, Dr Jim Bumby, Power System Dynamics: Stability and Control, 
Wiley Press, 2008. 
[4]. A.Al-Hinai, “Dynamic stability enhancement using genetic algorithm power system stabilizer”, 
Power System Technology, 2010 International Conference, oct.2010, pp.1-7. 
[5]. A.Roosta, H.Khorsand, M.Nayeripour, “Design and analysis of fuzzy power system stabilizer”, 
in Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe, 2010 IEEE PES, oct.2010, pp.1-7. 
Ngày nhận bài: 05/6/2017 
Ngày phản biện: 23/6/2017 
Ngày duyệt đăng: 19/7/2017 
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
t
S
a
i 
le
c
h
 t
o
c
 d
o
 g
o
c
 R
o
to
r
1
2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
t
S
a
i 
le
c
h
 t
o
c
 d
o
 g
o
c
 R
o
to
r
1
2