LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƯU ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS

Luận án đã nghiên cứu một cách hệ thống về PSS. Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu RH thiết kế PSS để nâng cao chất lượng ổn định HTĐ. Bộ điều khiển cho thấy làm việc bền vững với nhiễu so với các PSS thông thường. Luận án đã dùng chuẩn Hankel để giảm bậc mô hình bộ điều khiển, giúp cho việc thực hiện bộ điều khiển RH có tính khả thi trong thực tế.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Nguyễn Hiền Trung

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƢU RH

ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hướng

dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn Kết quả

nghiên cứu là trung thực và chưa công bố trên bất cứ một công trình nào khác

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hiền Trung

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ các

thầy giáo, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS Nguyễn Doãn Phước và PGS.TS

Nguyễn Như Hiển đã dành tâm huyết hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo ở bộ môn Tự động hóa –

Khoa điện – Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp, các đồng nghiệp ở bộ môn Hệ

thống điện – Khoa điện – Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp và gia đình đã có

những ý kiến đóng góp quí báu và tạo các điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình

hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng quản lý đào tạo sau đại học – Trường Đại

học Kỹ thuật công nghiệp; chân thành cảm ơn bộ môn Điều khiển tự động – Viện

Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trung tâm nghiên cứu triển khai công

nghệ cao trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo những điều kiện thuận lợi để tôi

hoàn thành luận án này

Tác giả luận án

Nguyễn Hiền Trung

MỤC LỤC

1 Tính cấp thiết, ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài 1

Chương 2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ

2.1.1 Phương trình biểu diễn trên hệ trục toạ độ dq0 31

2.4.1 Phương trình ràng buộc điện áp trong hệ đơn vị tương đối 42

2.4.2 Mô hình multi–time–scale của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình

2.4.3 Mô hình bỏ qua quá độ stator của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô

2.4.4 Mô hình two-axis của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 4) 47

2.4.5 Mô hình flux–decay của hệ máy phát kết nối với HTĐ (bậc 3) 48

3.1 Xây dựng mô hình tín hiệu nhỏ của hệ máy phát kết nối với HTĐ 52

3.2 Phân tích ảnh hưởng của PSS đối với ổn định tín hiệu nhỏ 58

3.5.1 Trường hợp không sử dụng PSS và có sử dụng PSS 71

Chương 4 ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU RH ĐỂ THIẾT KẾ PSS

4.1 Chuyển bài toán điều khiển ổn định tín hiệu nhỏ thành bài toán điều

4.2.1 Khái niệm cơ bản về lý thuyết điều khiển tối ưu RH 80

4.2.2 Các bước thực hiện bài toán điều khiển tối ưu RH 81

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

v a , v b , v c Điện áp pha tức thời stator

i a , i b , i c Dòng điện tức thời stator các pha a, b, c

i fd , i kd , i kq Các dòng điện mạch kích từ, cuộn cản dọc trục và

ngang trục

r fd , r kd , r kq Các điện trở mạch rotor, cuộn cản

l aa , l bb , l cc Tự cảm các cuộn dây stator

l ab , l bc , l ca Hỗ cảm giữa các cuộn dây stator

l afd , l akd , l akq Hỗ cảm giữa các cuộn dây rotor và stator

l ffd , l kkd , l kkq Tự cảm của mạch rotor

R s Điện trở pha phần ứng (stator)

δ Góc rotor (góc tải) của máy phát (rad)

θ Góc xác định bởi trục pha a và trục d (rad)

vs

 Góc pha đầu của điện áp trên thanh cái hệ thống

T D Mô men dammping – mô men dập (damping torque)

T S Mô men đồng bộ (synchronizing torque)

E’ d Điện áp quá độ dọc trục

kd Từ thông móc vòng cuộn cản dọc trục

kq Từ thông móc vòng cuộn cản ngang trục

máy phát

của máy phát

X ls Điện kháng khe hở (stator leakage inductance)

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AVR Tự động điều chỉnh điện áp Automatic Voltage

Regulator LMI Bất đẳng thức ma trận tuyến tính Linear Matrix Inequalities

Oscillation LFC Điều khiển tần số–tải Load–frequency Control

Control

FACTS Hệ thống truyền tải điện xoay chiều

linh hoạt

Flexible AC Transmission Systems

HVDC Truyền tải điện một chiều cao áp High Voltage Direct

Current SVC Thiết bị bù công suất phản kháng

tĩnh

Static Var Compensator

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.2 Các hệ thống điều khiển con và điều khiển liên quan của một trạm phát

Hình 1.5 Sơ đồ khối điều khiển và bảo vệ HTKT máy phát điện đồng bộ 13

Hình 1.6 Điều khiển tần số và phân phối CSTD trong HTĐ 16

Hình 1.8 Phân loại ổn định HTĐ (nét đậm chỉ phạm vi nghiên cứu của luận án) 19

Hình 2.3 Sơ đồ mạch máy kích từ một chiều độc lập 36

Hình 2.6 Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc cơ khí - thủy lực 41

Hình 2.7 Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc điện tử - thủy lực 41

Hình 2.8 Mô hình hệ thống turbine và điều tốc đơn giản 42

Hình 2.9 Sơ đồ động học siêu quá độ của máy phát [46] 45

Hình 2.10 Mô hình hai trục (two-axis) của hệ máy phát [46] 47

Hình 2.11 Mô hình động học flux-decay của máy phát điện [46] 49

Hình 3.1 Sơ đồ khối điều chỉnh kích từ máy phát nối lưới 52

Hình 3.2 Mô hình HTKT IEEE loại 1 với tín hiệu nhỏ 56

Hình 3.4 Sơ đồ khối đã tuyến tính của máy phát bao gồm kích từ & AVR 57

Hình 3.5 Đáp ứng tự nhiên của góc tải δ với các nhiễu nhỏ 59

Hình 3.6 Đồ thị vector các thành phần mô men với AVR 60

Hình 3.7 Sơ đồ khối đã tuyến tính hệ máy phát nối lưới với kích từ, AVR và PSS 60

Hình 3.8 Đồ thị vector các thành phần mô men với AVR & PSS 63

Hình 3.14 Mô hình bộ chuyển đổi sai lệch tốc độ của PSS4B 68

Hình 3.16 Khâu lọc thông cao và tích phân đã rút gọn 69

Hình 3.17 Các cấu hình khâu lọc đối với công suất cơ 69

Hình 4.1 Sơ đồ khối rút gọn dùng trong nghiên cứu 75

Hình 4.3 Đồ thị Bode của bộ điều khiển thiết kế (bậc 28) 89

Hình 4.5 So sánh đồ thị Bode của bộ điều khiển ban đầu và bộ điều khiển giảm bậc

90

Hình 4.6 Giá trị suy biến đa lỗi của mô hình R ban đầu 90

Hình 4.7 So sánh đồ thị Bode của mô hình bộ điều khiển ban đầu và bộ điều khiển

Hình 4.14 Hình ảnh của Card điều khiển R&D DS1104 93

Hình 4.15 Thiết lập cho môi trường Solver chạy thời gian thực 94

Hình 4.16 Thiết lập cho môi trường Real–time workshop chạy thời gian thực 94

Hình 4.17 Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển 94

Hình 4.22 Đáp ứng sai lệch điện áp đầu cực máy phát ΔV t 96

Hình 4.23 Đáp ứng sai lệch góc tải Δδ có CPSS và PSSHinfi 97

Hình 4.24 Đáp ứng sai lệch góc tải Δδ có CPSS và không có PSS 97

Hình 4.25 Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω có CPSS và PSSHinfi 97

Hình 4.26 Đáp ứng sai lệch tốc độ Δω có CPSS và không có PSS 97

Hình PLI.1 Sơ đồ mô phỏng trong Matlab (CPSS và không PSS) 106

Hình PLI.2 Sơ đồ mô phỏng trong Matlab (PSS1A và PSS2A) 107

Hình PLI.5 Sơ đồ mô phỏng trong Matlab của máy phát điện đồng bộ nối lưới 109

MỞ ĐẦU

Kỹ thuật điều khiển bền vững (robust) đã được ứng dụng cho thiết kế hệ điều

khiển HTĐ từ cuối những năm 1980 Sự tiện lợi chính của kỹ thuật này mang lại là

một công cụ tự nhiên để mô phỏng thành công những trạng thái không ổn định của

nhà máy điện Một số các nỗ lực đó đã góp phần vào việc thiết kế cho bộ ổn định

HTĐ (PSS) và/hoặc các thiết bị FACTS sử dụng khái niệm Hnhư trong việc đưa

ra công thức thiết kế độ nhạy hoà lẫn [34], [51], tổng hợp  [16], [44] và khái niệm

H2 trong LQG [23], [48] Trong các nghiên cứu này rất nhiều các mục đích điều

khiển kinh điển như sự suy giảm nhiễu loạn, tính ổn định bền vững của hệ thống có

nhiễu đã được thực hiện và giải quyết bằng kỹ thuật tổng hợp H

Gần đây xuất hiện thêm nhiều kết quả nghiên cứu có liên quan đến vấn đề này

Điển hình là của G N Taranto, J H Chow [49] đưa ra bộ điều khiển cân bằng mô

hình (model–matching), công trình của Hardiansyah, Seizo Furuya, Juichi Irisawa

[23] đưa ra bộ điều khiển H, hay công trình của J H Chow, J.J Sanchez–Gasca áp

dụng phương pháp gán điểm cực để thiết kế PSS [17],… Tuy nhiên các tác giả lại

chưa đưa ra thiết kế các bộ điều khiển áp dụng được rộng trong các điều kiện vận

hành, cũng như chỉ hạn chế được sự ảnh hưởng các tín hiệu ngoại sinh nhờ trọng số

chọn trước dưới điều kiện chúng phải là đo được Rõ ràng giả thiết này không phải

lúc nào cũng được thỏa mãn trong thực tế Chính vì thế cần thiết phải nghiên cứu

phát triển các hệ thống điều khiển này dưới giả thiết tín hiệu ngoại sinh là không đo

được hoặc không quan sát được

1 Tính cấp thiết, ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài

Khi phải thiết kế, xây dựng một hệ thống điều khiển bất kỳ nào đó, các nhà thiết

kế thường gặp phải bài toán là bộ điều khiển được thiết kế phải đảm bảo cho hệ thống

có được chất lượng làm việc mong muốn như ổn định, tiêu hao năng lượng thấp, tính

bền vững cao, trong dải công suất làm việc lớn Có thể thấy ngay được rằng yêu cầu

này khó có thể được đáp ứng chỉ với các công cụ điều khiển có cấu trúc đơn giản

đang được sử dụng nhiều trong công nghiệp như bộ điều khiển PI, PID,…

PSS là một trong các bộ điều khiển hiện đang được sử dụng trong các nhà máy

điện Ở Việt Nam, nó được lắp đặt trong các nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Phú Mỹ;

nhà máy thủy điện Thác Bà, Yaly và Sơn La… PSS có nhiệm vụ tăng cường việc

giảm các dao động tần số thấp trong HTĐ [42], [45] mở rộng giới hạn truyền tải

công suất và duy trì hoạt động an toàn của mạng lưới điện Tuy vậy, nó vẫn có một

hạn chế là mỗi bộ tham số điều khiển chỉ đảm bảo được tính ổn định cho hệ thống

trong một dải công suất làm việc nhất định (nominal conditions), ngoài dải công

suất đó kỹ sư vận hành bắt buộc phải tự chỉnh định lại các tham số làm việc của

PSS Hơn thế nữa, những tham số chuẩn được giới thiệu cũng chỉ đảm bảo được

tính ổn định khi hệ thống làm việc độc lập và không bị các tương tác khác của

những hệ thống xung quanh tác động dưới vai trò như các tín hiệu nhiễu ngoại sinh

Để nâng cao được khả năng làm việc bền vững cho các bộ điều khiển, hiện

người ta vẫn sử dụng nguyên tắc thủ cựu là xây dựng thêm nhiều mạch vòng điều

khiển bổ sung (cascade), bằng cách sử dụng thêm bộ điều khiển PID công nghiệp

[18], [50] và các bộ lọc lead–lag [32] Song đáng tiếc, như tài liệu [22] chỉ rõ,

nguyên lý điều khiển bảo thủ này vẫn chứa đựng các khiếm khuyết của nó và vẫn có

thể dẫn tới sự phá vỡ chỉ tiêu chất lượng đặt ra của hệ thống, chẳng hạn như với sự

gia tăng của các đường dây truyền tải điện dài công suất lớn, các máy phát lắp đặt

HTKT độ nhạy cao thì trong một số trường hợp, các bộ điều khiển trên không đảm

bảo được sự tắt dần đối với những dao động trong hệ thống

Gần đây, lý thuyết tối ưu RH [2], [41], [55] được phát triển đã mở rộng kho

công cụ cho các kỹ sư điều khiển để thiết kế điều khiển bền vững, cho phép tạo ra

được các bộ biều khiển bổ sung có khả năng mở rộng dải công suất làm việc định

mức cho hệ thống mà vẫn đảm bảo được việc loại bỏ các tác động ngoại sinh bên

ngoài Vì vậy, trong luận án này đã đề xuất xây dựng cấu trúc bộ điều khiển mới

trên cơ sở lý thuyết tối ưu RHđể nâng cao chất lượng điều khiển ổn định HTĐ

Điều này mang tính cấp thiết và có ý nghĩa lớn trong thực tế

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu RH để nâng cao chất lượng điều khiển

ổn định HTĐ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

– Đối tượng nghiên cứu của luận án là Hệ thống điện

– Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong việc nghiên cứu ổn

định góc tải (góc rotor) với các nhiễu nhỏ, các nhiễu nhỏ này sinh ra bởi thiếu mô

men damping hoặc thay đổi về phụ tải hay máy phát trong quá trình làm việc Kỹ

thuật thiết kế bộ điều khiển ở đây là lý thuyết điều khiển tối ưu RH

4 Phương pháp nghiên cứu

– Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình

nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên

ngành; nghiên cứu cấu trúc và phương pháp lựa chọn thông số PSS Đánh giá ưu

nhược điểm các bộ PSS đó

– Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu cấu trúc các PSS đang lắp đặt trong các

nhà máy điện hiện nay ở Việt Nam, rồi phân tích lý giải so sánh Kiểm chứng bộ

điều khiển PSS thiết kế mới bằng mô phỏng trong Matlab R2010a & Simulink, sau

đó là mô phỏng thời gian thực trên Card R&D DS1104 Đánh giá khả năng ứng

dụng của bộ PSS mới

– Lấy ý kiến chuyên gia: Tham khảo ý kiến của các nhà khoa học ở Viện Điện

– trường Đại học Bách khoa Hà Nội, trung tâm nghiên cứu triển khai công nghệ cao

trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; ý kiến của các Kỹ sư vận hành nhà máy nhiệt

điện Phả Lại, thủy điện Sơn La và nhà sản xuất thiết bị PSS của hãng ABB

5 Những đóng góp mới của luận án

– Luận án đã nghiên cứu một cách hệ thống về PSS Ứng dụng lý thuyết điều

khiển tối ưu RH thiết kế PSS để nâng cao chất lượng ổn định HTĐ Bộ điều khiển

cho thấy làm việc bền vững với nhiễu so với các PSS thông thường Luận án đã

dùng chuẩn Hankel để giảm bậc mô hình bộ điều khiển, giúp cho việc thực hiện bộ

điều khiển RHcó tính khả thi trong thực tế

– Luận án đã đánh giá được hiệu quả của các loại PSS trong vấn đề giảm các

dao động góc rotor (dao động cơ điện tần số thấp) của máy phát điện Kết quả này

sẽ giúp cho các kỹ sư vận hành HTĐ hiểu rõ hơn về thiết kế PSS theo lý thuyết điều

khiển tối ưu RH cũng như cách cài đặt PSS theo các cấu trúc khác

– Kết quả nghiên cứu của luận án mở ra khả năng ứng dụng RH– PSS trong

HTĐ thực tế

6 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị luận án gồm các chương sau đây:

Chương 1 giới thiệu cấu trúc chung về HTĐ; vấn đề điều khiển HTĐ như điều

khiển điện áp, điều khiển tần số HTĐ; phân tích nguyên nhân gây nên dao động góc

tải (góc rotor), tác hại của dao động và cách khắc phục Biện pháp khắc phục ở đây

là sử dụng PSS hoạt động thông qua AVR để dập tắt các dao động cơ điện của máy

phát điện Cuối chương 1 trình bày các vấn đề nghiên cứu về PSS, bao gồm các

phương pháp thiết kế PSS như mô men damping, đáp ứng tần số hay giá trị riêng và

ma trận trạng thái; cũng như phân tích các tồn tại và nghiên cứu còn bỏ ngỏ Đặc

biệt trên nền lý thuyết tối ưu RH tác giả đã đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều

khiển PSS bền vững, có tính tối ưu cả về cấu trúc và tham số, để thay thế cho các bộ

PSS hiện có

Chương 2 của luận án được dành để xây dựng mô hình toán tổng quát của

trạm phát điện trong HTĐ Cụ thể là xây dựng mô hình toán của máy phát điện trên

hệ tọa độ dq0 Sau đó là xây dựng mô hình toán của các khối điều khiển liên quan

trong trạm phát điện như hệ thống kích từ, hệ thống turbine và điều tốc Phần tiếp

theo là xây dựng mô hình toán của hệ máy phát điện khi kết nối với HTĐ qua

đường dây tải điện Với giả thiết là HTĐ làm việc ở chế độ xác lập nên tính phi

tuyến của mạch từ không phải xét đển, HTKT sử dụng là kích từ IEEE loại 1 Từ

đó, để phù hợp với phạm vi và thực tế nghiên cứu tác giả đã lựa chọn mô hình toán

dùng trong nghiên cứu là mô hình flux–decay (mô hình bậc 3)

Chương 3 tác giả đi sâu phân tích bộ ổn định HTĐ PSS, từ đó so sánh đánh

giá hiệu quả các bộ PSS hiện có với nhau Phần đầu của chương được dành để xây

dựng mô hình toán đã tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc của hệ máy phát

kết nối với HTĐ khi bị nhiễu loạn nhỏ tác động, từ đó đưa ra được hệ phương trình

trạng thái của HTĐ Dựa trên hệ phương trình trạng thái và sơ đồ khối xây dựng

được, tác giả đã giải thích bản chất vật lý các thành phần mô men khi chưa có AVR

và khi có AVR Kết quả phân tích cho thấy nhược điểm của việc sử dụng AVR độ

nhạy cao do tạo ra thành phần mô men damping tăng theo chiều âm, khiến hoạt

động của máy phát không ổn định Bằng việc bổ sung thêm một thành phần vector

mô men cùng pha với sai lệch tốc độ Δω sẽ khắc phục được nhược điểm của AVR,

thành phần mô men này chính là do PSS tạo nên Phần tiếp theo của chương 3 giới

thiệu các cấu trúc của PSS theo chuẩn IEEE 421.5.2005, phân tích các thành phần

trong cấu trúc của PSS2A/2B Cuối chương 3 thực hiện đánh giá hiệu quả của PSS

đối với ổn định góc tải trong hai trường hợp: i) hệ thống không sử dụng PSS và có

sử dụng CPSS; ii) hệ thống sử dụng PSS1A và PSS2A Kết quả mô phỏng trong

Matlab và thời gian thực cho thấy hiệu quả khá tốt của việc sử dụng PSS đối với ổn

định góc tải, dẫn đến ổn định tốc độ rotor và CSTD đầu ra máy phát Tuy nhiên,

chất lượng ổn định chưa cao Do đó, tác giả mới đề xuất thiết kế bộ điều khiển PSS

bền vững theo lý thuyết tối ưu RH Phát hiện này và những kết quả nghiên cứu

trong chương 3 là một đóng góp của luận án

Chương 4 là chương trọng tâm của luận án Công việc đầu tiên được dành cho

việc chuyển bài toán điều khiển ổn định tín hiệu nhỏ thành bài toán điều khiển bền

vững Từ đó, thấy được nhiệm vụ cần phải thực hiện khi thiết kế bộ điều khiển PSS

Phần tiếp theo trình bày tổng quan về lý thuyết điều khiển tối ưu và các bước thiết

kế bộ điều khiển bền vững PSS: bước một, xác định tập tất cả các bộ điều khiển

(s) làm hệ kín ổn định; bước hai, tìm một phần tử R(s) trong tập (s) sao cho với

nó có được độ nhạy cảm với sai lệch mô hình S và với nhiễu p cũng như quan hệ

║G pz (s)║ là nhỏ nhất Với công cụ hỗ trợ là phần mềm Matlab, tác giả đã tìm ra

bộ điều khiển bậc 28 Để bộ điều khiển có tính khả thi trong thực tế, tác giả đã dùng

chuẩn Hankel để giảm bậc Kết quả thu được là bộ điều khiển bậc 6 Phần cuối của

chương 4 dành cho việc mô phỏng bộ điều khiển trong hai trường hợp Mô phỏng

trong Matlab và mô phỏng theo thời gian thực Tác giả đã dành một thời lượng đáng

kể cho việc kiểm chứng bộ điều khiển bằng mô phỏng thời gian thực tại trung tâm

nghiên cứu triển khai công nghệ cao trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các kết

quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển bền vững PSS có tác dụng rõ rệt đối với việc

rút ngắn thời gian dao động góc tải và hạ thấp được biên độ dao động góc tải so với

các bộ PSS truyền thống Kết quả nghiên cứu trong chương này là một đóng góp

mới và quan trọng của luận án

Phần cuối cùng của luận án là các công trình đã công bố liên quan đến luận án,

các tài liệu tham khảo và phần phụ lục

1 Chương 1 TỔNG QUAN

Equation Section 1

1.1 Giới thiệu cấu trúc hệ thống điện

Hình 1.1 minh họa các phần tử cơ bản của một HTĐ hiện đại Điện năng được

tạo ra ở trạm phát điện (GS) và được truyền tải đến hộ tiêu thụ thông qua mạng lưới

điện phức tạp bao gồm các đường dây truyền tải, các MBA, các thiết bị đóng

cắt…Ta có thể phân mạng lưới điện thành các hệ thống như sau:

 Hệ thống truyền tải

 Hệ thống truyền tải trung gian

 Hệ thống phân phối

Hệ thống truyền tải liên kết tất cả các trạm phát điện chính với các trung tâm

phụ tải trong hệ thống Nó tạo ra xương sống của HTĐ hợp nhất và hoạt động ở các

cấp điện áp cao nhất (điển hình là 220kV và cao hơn) Vì điện áp đầu ra của máy phát

thường trong khoảng từ 10,5 đến 35kV, nên những điện áp này sẽ được nâng lên cao

bởi MBA trước khi truyền tải đi xa đến các trạm truyền tải trung gian, tại đây điện áp

được hạ xuống cấp điện áp truyền tải trung gian (thường là 69kV đến 138kV)

Hệ thống truyền tải trung gian truyền năng lượng điện với công suất nhỏ hơn

từ các trạm truyền tải đến các trạm phân phối Các hộ tiêu thụ điện lớn công nghiệp

được cung cấp điện trực tiếp từ hệ thống truyền tải Ở một số hệ thống, không có

ranh giới rõ ràng giữa mạng điện truyền tải và mạng truyền tải trung gian

Hệ thống phân phối tượng trưng cho giai đoạn cuối trong việc truyền tải điện

năng tới các hộ tiêu thụ riêng lẻ Điện áp phân phối sơ cấp thường nằm trong

khoảng 6kV đến 35kV Các hộ tiêu thụ điện công nghiệp nhỏ được cung cấp điện

trực tiếp từ các đường dây ở cấp điện áp này Các hộ tiêu thụ điện sinh hoạt và

thương mại thì tiêu thụ ở phía thứ cấp MBA với điện áp 380/220V

Các trạm phát điện nhỏ đặt gần phụ tải thường được kết nối trực tiếp tới hệ

thống truyền tải phụ hoặc hệ thống phân phối Còn sự liên kết giữa các HTĐ gần

nhau thường được thực hiện ở cấp hệ thống truyền tải

HTĐ như mô tả ở trên đây tạo nên sự phức tạp về cấu trúc cũng như độ tin

cậy, Một mặt, HTĐ này cho phép khai thác tối đa các ưu điểm vận hành kinh tế

(phối hợp với các nguồn thuỷ – nhiệt điện, tối ưu hoá công suất nguồn…); cho phép

hệ thống chống lại được các sự cố bất thường mà không làm gián đoạn việc cung

cấp điện cho các hộ tiêu thụ Mặt khác, là tiền đề thuận lợi cho việc phát triển các

nguồn điện công suất lớn và việc đấu nối vào hệ thống Tuy nhiên, cũng làm nảy

Phụ tải thương mại Phụ tải sinh hoạt

1.2 Điều khiển hệ thống điện

1.2.1 Nhiệm vụ điều khiển HTĐ

Chức năng của một HTĐ là biến đổi năng lượng từ một dạng tự nhiên sang

dạng điện và truyền tải đến các điểm tiêu thụ Sự tiện lợi của năng lượng điện là dễ

truyền tải và điều khiển với hiệu suất và độ tin cậy cao Trong quá trình vận hành

HTĐ cần đảm bảo các yêu cầu sau đây:

1 Hệ thống phải có khả năng đáp ứng một cách liên tục với sự thay đổi nhu cầu tải

CSTD và CSPK Không giống như các dạng năng lượng khác, điện năng không

thể tích trữ với dung lượng lớn được Bởi vậy, rất nhiều thiết bị và bộ điều khiển

được sử dụng để duy trì cân bằng công suất tiêu thụ và công suất phát

2 Chất lượng điện năng phải đảm bảo các tiêu chuẩn sau đây:

 Tần số hệ thống không đổi

 Điện áp nút không đổi

Hình 1.2 mô tả một số khối điều khiển của một trạm phát điện trong HTĐ

Trong mỗi khối điều khiển máy phát có chứa khối điều tốc và khối điều khiển kích

từ Khối điều tốc có nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ và điều khiển một số biến cung cấp

năng lượng như áp suất hơi, nhiệt độ và luồng năng lượng Chức năng của khối điều

khiển kích từ là điều chỉnh điện áp và CSPK đầu ra máy phát

 Mục đích của hệ thống điều khiển máy phát là để cân bằng công suất phát với

công suất tải cùng các tổn thất Bởi vậy, tần số và CSTD có quan hệ mật thiết

với nhau

 Hệ thống điều khiển đường dây truyền tải bao gồm các thiết bị điều khiển

công suất và điện áp, như thiết bị bù tĩnh SVC, máy bù đồng bộ, tụ điện,

kháng điện đóng cắt, bộ điều áp MBA, MBA dịch pha và các thiết bị điều

khiển đường dây HVDC Mục đích là để duy trì điện áp, tần số cũng như các

thông số khác của hệ thống nằm trong giới hạn cho phép

Các hệ thống điều khiển mô tả trên đây góp phần thoả mãn sự làm việc của

HTĐ Chúng có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính động học của hệ thống và khả

năng đối phó với các nhiễu loạn

Các mục đích điều khiển được dựa trên chế độ làm việc của HTĐ Trong các

điều kiện bình thường, mục đích điều khiển là để đảm bảo điện áp và tần số gần với

giá trị định mức Khi phát sinh điều kiện khác thường, mục đích điều khiển là đưa

hệ thống về chế độ bình thường

Dựa vào [30], [31], có thể phân loại chế độ của HTĐ ra các loại sau đây: bình

thường, cảnh báo, nguy hiểm, sự cố và phục hồi sau sự cố Hình 1.3 mô tả các chế

độ này và phương thức tác động giữa chúng

Trong chế độ bình thường, tất cả các thông số chế độ hệ thống nằm trong

phạm vi định mức và không có thiết bị nào bị quá tải Hệ thống làm việc an toàn và

có khả năng trụ vững với những biến cố ngẫu nhiên mà không vi phạm bất cứ ràng

buộc nào

Điều độ

-Kế hoạch sản xuất

Hệ thống kích từ và

Khối điều khiển

Nếu mức độ an toàn ở dưới

giới hạn chắc chắn, hoặc khi hệ

thống chịu một nhiễu loạn gia tăng

do điều kiện thời tiết (bão), thì hệ

thống rơi vào chế độ cảnh báo Ở

chế độ này, tất cả các biến của hệ

thống vẫn còn nằm trong giới hạn

cho phép và các ràng buộc vẫn còn

được thỏa mãn

Khi hệ thống ở chế độ cảnh

báo, nếu xảy ra nhiễu lớn thì hệ

thống rơi vào chế độ nguy hiểm Ở chế độ này, điện áp ở nhiều thanh cái giảm thấp

và/hoặc thiết bị bị quá tải Hệ thống vẫn có thể duy trì và có thể quay trở về chế độ

cảnh báo bằng các biện pháp điều khiển khẩn cấp như: loại trừ sự cố, điều khiển

kích từ, đóng mở van nhanh, …

Nếu các biện pháp ở trên không được sử dụng hoặc không có hiệu quả, thì hệ

thống sẽ bị sự cố, hậu quả là làm sự cố lan rộng và có thể sập hệ thống Các hoạt

động điều khiển như xa thải phụ tải và điều khiển hệ thống bị phân tách hoàn toàn

Chế độ phục hồi sau sự cố được thể hiện bằng hoạt động điều khiển tái kết nối

lại tất cả các điều kiện thuận lợi và khôi phục lại tải hệ thống Hệ thống có chuyển

từ chế độ này sang chế độ cảnh báo, chế độ bình thường được hay không là còn tùy

thuộc vào điều kiện làm việc thực tế của hệ thống

Các chế độ hệ thống phân loại như trên cung cấp khuôn khổ cho các chiến

lược điều khiển để giúp cho công tác vận hành HTĐ có hiệu quả

1.2.2 Cấu trúc điều khiển HTĐ

Hình 1.4 là sơ đồ cấu trúc điều khiển HTĐ, phân chia làm hai khối: các bộ

điều khiển lắp đặt phía nhà máy điện và các bộ điều khiển lắp đặt phía đường dây

truyền tải điện:

 Khối điều khiển phía nhà máy có hai bộ phận cơ bản: một là điều khiển tần số

tải (LFC) hay điều tốc turbine, dùng để giữ tần số của máy phát ở giá trị định

mức (50Hz), một bộ phận quan trọng khác là hệ thống điều khiển kích từ Bộ

phận LFC không đủ nhanh để cải thiện ổn định của hệ thống, vì hằng số thời

Cảnh báo Phục hồi

Bình thường

Hình 1.3 Phân loại các chế độ của HTĐ

gian của nó lớn; còn điều khiển kích từ có thể hoạt động rất nhanh vì hằng số

thời gian của nó rất nhỏ

 Trong khi HTKT dùng để cải thiện ổn định cho máy phát đồng bộ, thì các thiết

bị FACTS [9] dùng để ổn định các dao động trên các đường dây truyền tải

điện FACTS được định nghĩa là việc sử dụng kỹ thuật điện tử công suất lớn

điện áp cao, với các bộ vi xử lý, các thiết bị vi điện tử để điều khiển HTĐ

FACTS được thiết kế đã vượt qua các giới hạn về mặt cơ khí của đường dây

truyền tải điện xoay chiều FACTS đã góp phần gia tăng khả năng truyền tải,

khả năng điều khiển công suất và dập tắt các dao động trong HTĐ [9], [40]

Ngoài các khối điều khiển nêu trên, trong HTĐ Việt Nam còn có trung tâm

điều độ HTĐ quốc gia (A0), dưới đó là các điều độ miền Bắc, miền Nam và miền

Trung để chỉ huy vận hành HTĐ đáp ứng yêu cầu sản xuất và tiêu thụ điện năng

Sau đây ta sẽ phân tích phương pháp điều khiển hai thông số quan trọng của

chế độ hệ thống điện là điện áp và tần số

1.2.2.1 Điều khiển điện áp

a) Giới thiệu chung

Để điều khiển điện áp người ta thực hiện điều khiển việc sản xuất, tiêu thụ

CSPK ở tất cả các cấp trong HTĐ Các máy phát là phương tiện cơ bản để điều

khiển điện áp, trong đó việc điều khiển dòng điện kích từ thông qua AVR sẽ duy trì

được điện áp ở đầu cực các máy phát điện Các phương tiện thêm vào để điều khiển

điện áp có thể phân loại như sau:

 Nguồn CSPK, như tụ bù ngang, kháng bù ngang, máy bù đồng bộ và SVC

 Bù kháng đường dây, như tụ bù dọc

 MBA điều chỉnh, như MBA có điều chỉnh điện áp dưới tải và MBA tăng áp

Phía nhà máy điện

Hình 1.4 Cấu trúc điều khiển HTĐ

Các bộ điều điều khiển HTĐ

Phía tryền tải điện

Turbine Điều khiển tần số tải (LFC)

(chậm)

Kích từ, AVR (nhanh)

HTKT (bao gồm kích từ và AVR) là một trong các hệ thống thiết bị quan

trọng nhất quyết định đến sự làm việc an toàn của máy phát điện Nó có nhiệm vụ

cung cấp dòng điện một chiều cho cuộn dây kích từ của máy phát điện đồng bộ

Khi máy phát chưa nối vào lưới điện, việc thay đổi dòng điện kích từ chỉ thay

đổi điện áp đầu cực máy phát Tuy nhiên khi máy phát điện được nối vào lưới điện có

công suất rất lớn so với máy phát, việc tăng giảm dòng kích từ hầu như không làm

thay đổi điện áp lưới Tác dụng của HTKT khi đó là điều khiển CSPK của máy phát

Để tự động điều chỉnh dòng kích từ của máy phát điện đồng bộ, người ta sử

dụng hệ thống tự động điều chỉnh kích từ có bộ phận điều khiển chính là thiết bị tự

động điều chỉnh điện áp – AVR Thiết bị này có nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu cực

máy phát là không đổi (với độ chính xác nào đó) khi phụ tải thay đổi và nâng cao

giới hạn truyền tải công suất của máy phát vào HTĐ, đặc biệt khi máy phát được

nối với hệ thống qua đường dây dài Những yêu cầu chung với hệ thống tự động

điều chỉnh kích từ là: đảm bảo ổn định tĩnh (với nhiễu nhỏ) và nâng cao tính ổn định

động (với nhiễu lớn); cần có chế độ kích thích cưỡng bức khi máy làm việc ở chế độ

c) Chức năng điều khiển và bảo vệ của HTKT

Một HTKT hiện đại có nhiều chức năng hơn bộ điều chỉnh điện áp thông

thường Bao gồm điều khiển, giới hạn và bảo vệ mà đã được đề cập trong các yêu

cầu của HTKT Sơ đồ khối giao tiếp các bộ phận chức năng này được trình bày ở

hình 1.5 Một HTKT có thể chỉ bao gồm một vài hoặc tất cả những chức năng này,

tuỳ thuộc vào yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể và loại máy kích từ

Về lý thuyết, mỗi chức năng điều khiển điều chỉnh một đại lượng tùy theo yêu

cầu cụ thể, chức năng giới hạn đảm bảo chắc chắn các đại lượng không vượt quá trị

số đặt Nếu bất cứ bộ giới hạn nào bị sự cố, chức năng bảo vệ sẽ loại bỏ chính xác

phần tử đó hoặc các bộ phận có liên quan ra khỏi hệ thống Sau đây ta sẽ làm rõ các

chức năng điều khiển và bảo vệ ấy

Bộ điều chỉnh AC và DC

Chức năng cơ bản của bộ điều chỉnh AC là duy trì điện áp stator máy phát

Ngoài ra còn có chức năng bảo vệ và điều khiển phụ khác để điều khiển điện áp

kích từ máy phát

Chức năng bộ điều chỉnh DC là giữ cho điện áp kích từ máy phát không đổi và

thường thực hiện bằng tay Trong một vài HTKT, điểm đặt được hiệu chỉnh tự

động, vì vậy làm cực tiểu độ lệch điện áp

Bộ bù tải (bộ tạo đặc tuyến)

Bình thường, chức năng của AVR là điều khiển điện áp đầu cực máy phát

Trường hợp này, đặc tính điều chỉnh điện áp máy phát là đường không phụ thuộc

vào tải máy phát và được gọi là đặc tính độc lập Đôi khi, bộ bù tải được sử dụng để

điều khiển điện áp tại một điểm ở bên trong hoặc bên ngoài máy phát Để thực hiện

Bộ điều chỉnh AC

Máy kích từ

Giới hạn quá kích từ

Giới hạn thiếu kích từ

Bộ giới hạn

và bảo vệ V/Hz

Mạch diệt từ Máy phát

Bộ điều chỉnh DC

Cảm biến điện áp

bù tải (tạo đặc tuyến)

điều này người ta sử dụng thêm một mạch ở đầu vào AVR như hình 3.15 Trường

hợp này, đặc tính điều chỉnh điện áp là đường thẳng dốc lên hoặc dốc xuống, gọi là

đặc tính phụ thuộc dương hoặc âm [6], [30] Bộ bù được điều chỉnh nhờ điện trở R C

và điện cảm kháng X C Sử dụng trở kháng này và dòng điện phần ứng sẽ thay đổi

được điện áp giáng để thêm vào hoặc bớt đi điện áp đầu cực máy phát Giá trị điện

áp bù đưa đến AVR được tính như sau: V C V t (R c jX I c) t , rõ ràng với giá trị

dương của R C và X C điện áp giáng sẽ được thêm vào điện áp đầu cực máy phát,…

Bộ giới hạn thiếu kích từ (UEL-under excitation limiters)

Bộ giới hạn thiếu kích từ dùng để ngăn chặn sự giảm kích từ của máy phát tới

mức mà ở đó giới hạn ổn định tín hiệu nhỏ hoặc giới hạn nhiệt lõi stator bị vượt quá

Tín hiệu điều khiển của bộ giới hạn thiếu kích từ được lấy từ sự kết hợp hoặc

là điện áp và dòng điện, hoặc là CSTD và CSPK của máy phát Có nhiều cách để bổ

sung chức năng thực hiện của bộ giới hạn thiếu kích từ Một số hoạt động theo tín

hiệu sai lệch điện áp của bộ AVR, khi bộ giới hạn khởi động, một phần tử không

tuyến tính (diod) bắt đầu cho ra tín hiệu, và kết hợp với các tín hiệu điều khiển khác

của HTKT

Sự cài đặt đặc tính của bộ giới hạn thiếu kích từ sẽ đặt nền tảng cho bảo vệ

như bảo vệ hệ thống mất ổn định hoặc là cuộn dây stator phát nóng Ngoài ra đặc

tính của bộ giới hạn còn được phối hợp với bộ bảo vệ mất kích từ máy phát Đặc

tính của bộ giới hạn còn thường sử dụng kết hợp với tính toán ổn định tín hiệu nhỏ

và đặc tính rơle chống mất kích từ

Bộ giới hạn quá kích từ (OEL- over excitation limiters)

Mục đích của bộ giới hạn quá kích từ là bảo vệ máy phát không bị quá nhiệt do

quá dòng kích từ

Hiện nay, việc bổ sung chức năng giới hạn quá kích từ thay đổi tuỳ thuộc vào

hãng sản xuất và chức năng cụ thể Chức năng đặc trưng của bộ giới hạn quá kích từ

là phát hiện ra dòng kích từ cao, sau thời gian trễ nó tác động thông qua bộ điều

chỉnh AC nhằm làm giảm độ dốc kích từ đến giá trị đặt trước (khoảng 100  110%

dòng kích từ định mức) Nếu không được nó sẽ cắt bộ điều chỉnh AC, chuyển điều

khiển đến bộ điều chỉnh DC và xác định lại điểm đặt ở một giá trị đáp ứng tương

ứng với trị số định mức Nếu điều này cũng không làm giảm kích từ đến một giá trị

an toàn thì bộ giới hạn sẽ tác động cắt máy cắt kích từ và cắt máy phát

Bộ giới hạn V/Hz và bảo vệ

Những mạch này được sử dụng để bảo vệ máy phát và MBA tăng áp không bị

hư hại do vượt quá dòng từ hoá là kết quả của tần số thấp và quá điện áp Dòng từ

hoá vượt quá liên tục là nguyên nhân dẫn đến sự quá nhiệt Hậu quả, có thể làm hư

hại MBA và cuộn dây máy phát Tỷ số của điện áp tương đối và tần số tương đối

được xem như volts chia cho hertz (V/Hz) có thể đo lường được bằng đại lượng tỷ

lệ với dòng từ hoá Giá trị V/Hz thường nằm trong khoảng (1,05-1,25) [30]

Mạch diệt từ

Bình thường, bộ chỉnh lưu không dẫn theo chiều ngược lại, nên dòng điện của

bộ kích từ không thể âm như trường hợp của kích từ AC và kích từ tĩnh Trong

trường hợp đầu cực máy phát bị hư hỏng và hệ thống bị ngắn mạch, dòng cảm ứng

trong cuộn kích từ có thể âm Nếu dòng điện này không có đường thoát thì điện áp

tăng rất cao có thể tạo ra ở mạch từ mắc song song Vì vậy, một mạch điện riêng

biệt được cung cấp để làm nhánh rẽ cho phép dòng kích từ âm thoát qua Đây là một

hình thức nối tắt từ trường, nên thường được biết đến qua bộ “dập từ trường” hoặc

“điện trở biến đổi” [30]

1.2.2.2 Điều khiển tần số

Quá trình điều khiển tần số gắn liền với điều khiển tốc độ của máy phát điện

đồng bộ Tần số của hệ thống được đảm bảo dựa trên sự cân bằng CSTD Trong hệ

thống có nhiều tổ máy, nhiều nhà máy điện nên cần có sự phân phối công suất giữa

các tổ máy với nhau Bộ điều chỉnh tốc độ turbine (governor) của mỗi máy phát làm

chức năng điều chỉnh tốc độ sơ cấp, trong khi bộ điều khiển thứ cấp làm nhiệm vụ

phân phối công suất (AGC) [6], [30]

Tần số là một trong những tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điện năng Độ lệch

tần số khác với độ lệch điện áp ở chỗ là tất cả các điểm đang làm việc đồng bộ của

hệ thống là giống nhau Sự thay đổi tần số xảy ra do sự mất cân bằng công suất tổng

của turbine và phụ tải của máy phát, điều này được mô tả bởi phương trình (1.2)

Rõ ràng khi tăng hoặc giảm phụ tải hay khi sự cố tổ máy sẽ xuất hiện mất cân

bằng công suất dẫn đến thay đổi tần số trong hệ thống Tần số được điều chỉnh bằng

cách thay đổi lượng hơi nước (nước) đưa vào turbine máy phát Như vậy việc điều

chỉnh tần số trong HTĐ liên quan mật thiết với điều chỉnh CSTD giữa các tổ máy

và nhà máy điện

Trong hệ thống liên kết có hai hay nhiều khu vực điều khiển độc lập nhau, ngoài

bộ điều khiển tần số nguồn phát trong mỗi khu vực còn phải điều khiển để duy trì

lượng công suất giữa các khu vực theo kế hoạch định trước Điều khiển nguồn phát

và tần số thông thường được biết đến với thiết bị điều khiển tần số–tải (LFC)

Sơ đồ điều khiển tần số và phân phối CSTD tự động trong HTĐ được mô tả

như hình 1.6 Ngày nay, các thiết bị tự động điều khiển cho phép duy trì tần số hệ

thống kết hợp phân bố kinh tế công suất giữa các tổ máy nối song song, đồng thời

điều khiển dòng công suất còn thiếu hụt giữa HTĐ và nhà máy

1.3 Vấn đề dao động góc tải trong HTĐ

1.3.1 Định nghĩa góc tải (góc rotor)

Đặc tính quan trọng của HTĐ là mối quan hệ giữa công suất và vị trí góc của

rotor Để minh họa điều này chúng ta hãy xét một HTĐ đơn giản cho trên hình 1.7a

Bao gồm máy phát đồng bộ kết nối với HTĐ qua đường dây tải điện có điện kháng

là X e

Góc tải (góc rotor)  là góc giữa vector sức điện động bên trong Egdo từ

thông dòng điện kích từ sinh ra với vector điện áp trên thanh cái đầu cực

Công suất truyền tải trên đường dây

Hình 1.6 Điều khiển tần số và phân phối CSTD trong HTĐ

Turbine

Tốc độ

Hình 1.7b là sơ đồ thay thế lý tưởng (đã bỏ qua điện trở và điện dẫn các phần

tử) để xác định mối quan hệ giữa công suất với góc Hình 1.7c biểu diễn đồ thị

vector pha giữa máy phát và hệ thống Ở chế độ xác lập công suất đầu ra của máy

phát cho bởi [30], [39]

sin

g t e

Đáp ứng của mối quan hệ công suất và góc  được biểu diễn như hình 1.7d

Với các mô hình được lý tưởng hoá sử dụng để biểu diễn máy phát đồng bộ (như đã

giả thiết), thì sự thay đổi công suất theo góc  có dạng hình sin Còn với các mô

hình máy phát đòi hỏi sự chính xác cao như xét đến ảnh hưởng của quá trình điện

từ, thì mối quan hệ công suất góc có thể lệch khỏi dạng sin, tuy nhiên dạng chung là

giống nhau Khi góc bằng không, công suất bằng không Nếu góc tăng, công suất

truyền tải sẽ tăng tới giá trị cực đại thường được đảm bảo bằng 900, sau đó nếu góc

tiếp tục tăng công suất sẽ giảm Còn tiếp tục tăng góc nữa sẽ dẫn tới mất ổn định

1.3.2 Cân bằng công suất trong HTĐ

Trong quá trình vận hành, khi bị nhiễu loạn bởi sự thay đổi đột ngột, tốc độ và

công suất của máy phát sẽ biến đổi xung quanh điểm vận hành Mối quan hệ này có thể

được biểu diễn bởi phương trình chuyển động sau đây (trong hệ đơn vị tương đối) [30]:

2

2 0

 – tốc độ góc của rotor, giá trị cơ sở hoặc giá trị định mức bằng 2 f 0rad/s

T M – mô men cơ (p.u)

H – hằng số quán tính của máy phát (MW–s/MVA)

Theo (1.2), ở chế độ xác lập của HTĐ, có sự cân bằng giữa mô men cơ đầu

vào và mô men điện đầu ra của mỗi máy phát (T M T e) và góc tải, tốc độ rotor duy

trì là hằng số Nếu hệ thống bị xáo trộn, điểm cân bằng sẽ bị thay đổi, kết quả làm

cho rotor bị tăng tốc hay giảm tốc so với tần số hệ thống, khiến hoạt động của máy

phát có thể không ổn định

1.3.3 Nguyên nhân gây ra dao động góc tải

Khi có tải yêu cầu đến một trạm có nhiều tổ máy, bộ phận phân phối công suất

(AGC) sẽ làm nhiệm vụ phân công suất cho các tổ máy để hướng tới sự cân bằng

Tuy nhiên do động học của mỗi máy phát là khác nhau, gây nên các luồng công suất

trao đổi trong nội bộ trạm phát, hoặc giữa máy phát với hệ thống qua đường truyền

Những tác động xen kênh này khiến cho rotor máy phát dao động xung quanh điểm

làm việc

Một nguồn khác gây nên dao động góc tải là việc sử dụng các bộ kích từ đáp

ứng nhanh với AVR hệ số khuếch đại lớn có tác dụng cải thiện giới hạn ổn định tĩnh

và ổn định động, nhưng lại làm giảm thành phần mô men damping, gây bất lợi với

ổn định tín hiệu nhỏ [11]

 Tác hại của dao động:

Khi góc tải dao động khiến tốc độ rotor không còn là tốc độ đồng bộ nữa, góc

tải có thể vượt quá 900 điện

 Cách tiếp cận nghiên cứu ổn định:

Trong cách phân loại ổn định HTĐ như hình 1.8 [30], [31], thì ổn định góc tải

chia ra làm hai loại và ở đây ta chỉ xem xét bài toán ổn định tín hiệu nhỏ (nhiễu loạn

nhỏ) Các nhiễu loạn này được coi là đủ nhỏ cho phép ta có thể sử dụng phương

trình tuyến tính của hệ thống để phân tích ổn định

cho góc rotor của máy phát tăng

lên hoặc giảm đi so với điểm

làm việc và là nguyên nhân của sự thiếu mô men đồng bộ hoặc mô men damping

[7] Dao động tần số thấp gồm có các dạng sau đây [42], [45]:

 Các dao động cục bộ: Những dao động này thường liên quan đến một hoặc nhiều

máy phát đồng bộ quay với nhau tại một nhà máy điện so với một HTĐ lớn hay

trung tâm phụ tải Tần số dao động trong khoảng 0,7–2Hz Những dao động này

gây phiền toái khi nhà máy ở tải cao với hệ thống đường truyền có điện kháng lớn

 Các dao động liên khu vực: Những dao động này thường liên quan đến việc kết

hợp rất nhiều máy phát tại một phần của HTĐ đối với phần khác của HTĐ thông

qua đường truyền yếu Tần số các dao động liên khu vực thường nhỏ hơn 0,5 Hz

Ổn định Hệ thống điện

Ổn định quá độ (nhiễu lớn)

Hình 1.8 Phân loại ổn định HTĐ (nét đậm chỉ phạm vi nghiên cứu của luận án)

Ổn định tần số

Ổn định tín hiệu nhỏ (nhiễu nhỏ)

 Các dao động toàn cầu: Những dao động này liên quan đến nhiều HTĐ lớn kết

nối với nhau trên diện rộng Tần số dao động nhỏ hơn 0,2Hz

Việc điều khiển dập dao động được thực hiện thông qua HTKT Trong máy

phát điện đồng bộ người ta cũng đã bố trí các vòng dây ngắn mạch trên rotor (cuộn

cản), để tiêu tán năng lượng dao động và làm cho các dao động của máy phát tắt

nhanh hơn Tuy nhiên việc làm này không thể triệt tiêu hết các dao động Giải pháp

Bộ điều chỉnh

AC

Máy kích từ

Giới hạn quá kích từ

Giới hạn thiếu kích từ

Bộ giới hạn

và bảo vệ V/Hz

Mạch diệt từ Máy phát

Bộ điều chỉnh

DC

Cảm biến điện áp

Hình 1.10 Dao động liên khu vực

cho vấn đề này là sử dụng thiết bị ổn định HTĐ PSS hoạt động thông qua các bộ

điều chỉnh điện áp AVR, có sơ đồ nối vào hệ thống điều khiển như hình 1.11

1.4 Bộ ổn định HTĐ - PSS

Nhiệm vụ của PSS là ước lượng dao động ( )t gửi tín hiệu điện áp V PSS tác

động lên mạch kích từ để tạo ra một thành phần mô men điện từ dập dao động đó

Thay vì phải đo trực tiếp góc tải, người ta thường đo biến thiên tốc độ rotor ( )t

và/hoặc công suất điện máy phát ( )P t đẳng trị với e ( )t rồi lấy hai tín hiệu đó để

làm đầu vào cho PSS

Để cải thiện sự tắt dần các dao động, PSS phải tạo ra thành phần mô men điện

cùng pha với sai lệch tốc độ rotor  Hơn nữa, PSS phải có mạch bù pha thích

hợp để bù vào sự trễ pha giữa đầu vào kích từ và đầu ra mô men điện từ

Theo chuẩn IEEE 421.5–2005 [27], PSS chia ra: PSS1A đây là loại có một

đầu vào như sai lệch tốc độ , sai lệch tần số f , công suất điện P ; PSS đầu e

vào kép, thường là sai lệch tốc độ  và công suất điện P (PSS2A, PSS2B, e

PSS3B và PSS4B)

Hình 1.12 là sơ đồ khối cơ bản của một PSS sử dụng trong HTĐ Nó bao gồm

khâu lọc washout, khâu bù lead-lag, khâu lọc xoắn và khâu giới hạn Cấu trúc cơ

bản của một loại PSS dựa trên tín hiệu tốc độ thường gồm có:

 Đo tốc độ đầu trục bằng cách dùng một cực từ và cách bố trí bánh răng

 Chuyển đổi tốc độ đo được sang dạng điện áp một chiều tỉ lệ với tốc độ

 Khâu lọc thông cao để loại bỏ mức tốc độ trung bình, điều này đảm bảo rằng

PSS chỉ phản ứng với những thay đổi trong tốc độ mà không thay đổi điện áp

sT sT



Khâu lọc

( )

FILT s

Khâu lọc xoắn Khâu giới hạn

Hình 1.12 Cấu trúc cơ bản của PSS

Cấu trúc của PSS kép với hai đầu phản hồi [8], [27], [32] sẽ được phân tích chi

tiết ở chương 3 Tựu chung của tất cả các PSS hiện đang sử dụng là có cấu trúc

cứng với những tham số được chọn tự do và thường không nhất quán Mỗi hãng sản

xuất có một luận điểm riêng khá phức tạp về việc chọn những tham số này

1.5 Những vấn đề nghiên cứu về PSS

1.5.1 Một số phương pháp thiết kế PSS

Trong thực tế các máy phát điện tác động với nhau thông qua điện áp và dòng

điện, ảnh hưởng động học của các máy là khác nhau Do đó phải xem xét một cách

cụ thể khi thiết kế PSS, điều này được biết đến giống như việc phối hợp điều chỉnh

của PSS trong hệ thống có nhiều máy phát Một cách tổng quát chúng đều tập trung

vào các phương pháp như: mô men damping, đáp ứng tần số hay giá trị riêng và ma

trận trạng thái Sau đây là một số kỹ thuật sử dụng kết hợp các phương pháp tiếp

cận này [12]

1.5.1.1 Phương pháp tiếp cận mô men damping

Khi sử dụng phương pháp này chúng ta phải tìm các hệ sốK1K6 của mô

hình Heffron – Phillips [25], cũng như sự ảnh hưởng của các máy phát khác tác

động lên một máy cụ thể, việc tính toán bằng cách bổ sung thêm mô men làm giảm

sự dao động được gọi là mô men damping Trong dải tần số rộng, lý thuyết phân

tích tín hiệu nhỏ được sử dụng để kiểm tra dao động tắt dần của mỗi máy phát Để

thực hiện được, trước tiên chúng ta phải tìm hàm truyền H s vi  T s ei /V ssi s

giữa điện áp đầu vào và mô men điện đầu ra của từng máy phát Ảnh hưởng của

thay đổi tốc độ tới mô men điện được mô hình hóa thông qua hai hàm truyền: một

là thông qua góc tải giống như ảnh hưởng của sự thay đổi điện áp thông qua mạng

H s  T s  s ; hai là thông qua tốc độ ở đầu vào PSS, biểu diễn

bởiHi s  T s ei /i s

Với ba hàm truyền trên, biến góc quay và tốc độ của H vi s phải được giữ

không đổi, điều này có thể thực hiện bằng cách tạo ra hằng số quán tính của máy

phát lớn Trong việc lập ma trạng thái, cần quan tâm đến sai lệch tốc độ icủa tất

cả các máy phát giống như đầu vào, bằng cách bỏ đi một hàng của ma trận trạng

thái A tương ứng với phương trình vi phân tuyến tính di chuyển đi cột tương ứng

với biến trạng thái tốc độ ở vector đầu vào Khi đó chúng ta có thể kiểm tra ảnh

hưởng của mô men điện T s ei  của máy phát thứ i, coi như nhiễu trong tốc độ của

các máy phát khác j Điều đó cũng mang lại khá nhiều thông tin của sự tác động

lẫn nhau giữa hai máy phát ở những dải tần số khác nhau Khi không có PSS, hàm

truyền Hi s thông qua góc quay của rotor cung cấp một mô men làm giảm sự dao

động, nhưng giá trị mô men này rất nhỏ nên không thể dập tắt dao động được

Đối với những máy phát quan trọng yêu cầu phải có PSS, hàm truyền

 

i

H s mang thông tin của PSS khi kết nối nó trong hệ thống sẽ cung cấp mô men

ngược với mô men dao động, thông qua góc rotor trong hàm truyền Hi s Phần

thực dương của Hij s tức là mô men tạo ra ở máy phát thứ i cho dao động ở máy

phát thứ j

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, vì hệ số khuếch đại được chọn, các

tham số khác của PSS như: khâu lọc thông cao, khâu bù pha,…tính toán dễ dàng, đồng

thời hệ số khuếch đại K PSS có thể được điều chỉnh thích hợp thông qua dải tần số

Nhưng có nhược điểm là khi phân tích giá trị riêng của dao động cục bộ và

dao động liên khu vực ở mạch vòng kín thì sẽ không đầy đủ, nên khi điều chỉnh hệ

số khuếch đại gặp nhiều khó khăn khiến góc tải vẫn có thể dao động

1.5.1.2 Phương pháp tiếp cận đáp ứng tần số

Phương pháp tiếp cận đáp ứng tần số đã được biết đến, bởi nhiều tác giả đã

nghiên cứu để thiết lập các tham số của PSS Trong đó kỹ thuật Nyquist được áp

dụng để thiết kế bộ điều khiển phản hồi tốc độ và công suất cho hệ số khuếch đại

Nội dung của phương pháp là lặp đi lặp lại các điều kiện hoạt động khác nhau

và hệ số khuếch đại được chọn từ khoảng trên Mục đích chính là xem xét đặc tính

pha của một PSS, mô hình hóa sự trễ pha của hàm truyền G PSS( )s , phản hồi một

cách chính xác các pha trễ trong hàm truyền của HTKT Với hệ thống nhiều máy

phát, các tham số của khối trễ pha và hệ số khuếch đại có được bằng cách thiết lập

các phương trình phi tuyến Để tính được các tham số đó ta phải thiết lập đủ ba

phương trình phi tuyến, được giải bằng phương pháp Newton

Ưu điểm của phương pháp này là có thể bù pha một cách chính xác, hệ số

khuếch đại được xem xét trong trường hợp có nhiễu trong thực tế

Nhược điểm của phương pháp là việc giải phương trình phi tuyến sẽ gặp khó

khăn, vì phải lập đồ thị quỹ đạo nghiệm để xét xem hệ có ổn định hay không, từ đó

tìm các hệ số cũng gặp những khó khăn nhất định Để giải quyết khó khăn này ta sử

dụng phương pháp giá trị riêng và biến trạng thái

1.5.1.3 Phương pháp tiếp cận giá trị riêng và biến trạng thái

Phân tích giá trị riêng là phần chính của các nghiên cứu liên quan đến ổn định

tín hiệu nhỏ Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong việc điều chỉnh và phân

tích sự làm việc của PSS trong hệ thống có nhiều máy phát Tính năng của giá trị

riêng được kết luận chung chung, nhưng nó không bị giới hạn bởi sự phức tạp của

mô hình

Để có PSS, ta sẽ tạo ra một cấu trúc điều khiển G PSSij s k H sij ij  mà sẽ

liên kết đầu ra thứ j với đầu vào thứ i của hệ thống G s Giả thiết rằng, nhà máy ij 

bị tác động với kiểu dao động cơ điện h Độ nhạy của giá trị riêng nghĩa là khi

thay đổi giá trị riêng h cho ta một thay đổi nhỏ của hệ số khuếch đại k , được thể ij

hiện bằng công thức sau:

 

ij ij ij

R là phần dư của kiểu dao động thứ h, có nghĩa là kết quả của

phương pháp điều khiển và phương thức quan sát được miêu tả trước đó Mở rộng

phương trình (1.3) với hệ MIMO có thể được viết như sau:

Từ biểu thức (1.5) chúng ta thấy pha của H điều khiển hướng thay đổi của ij

giá trị riêng h và cải thiện hệ số k Pha của ij H sij  được chọn để định hướng tới

phần âm của mặt phẳng phức, giá trị riêng có thể dịch chuyển về bên trái bằng cách

tăng hệ số khuếch đại để đạt được mô men damping trong vòng lặp kín mong muốn

Khi giải phương trình (1.5) sẽ cho cấu trúc điều khiển phân cấp, ví dụ khi ma trận

điều khiển là ma trận đường chéo Mặc dù đầu ra của một bộ điều khiển (gọi là i)

điều khiển một biến đầu vào vật lý nào đó, nhưng điều này ảnh hưởng tới các đầu ra

khác (bên cạnh i) bởi vì các mối liên kết trong máy phát điện thông qua lưới điện

Sự thay đổi giá trị riêng tổng thể liên quan đến hệ số khuếch đại của bộ điều khiển

được lựa chọn cung cấp cho tất cả các vòng lặp Hoạt động của sự thay đổi hệ số

khuếch đại kii thể hiện như sau:

 

ij

ii ii 1

Nghiên cứu phương trình (1.6) ta thấy pha của H sii  được chọn để tạo ra mô

men damping với chế độ h thông qua G sii  phù hợp với hệ số khuếch đại kii Pha

và hệ số khuếch đại của thành phần Rii giúp ta lựa chọn đặc tính pha và hệ số

khuếch đại của bộ điều khiển một cách tốt nhất Hệ số của ma trận ij

h

R , ngay cả trong cấu trúc điều khiển phân cấp, cũng cho biết các vòng lặp khác nhau Một số

hệ số có thể làm giá trị riêng dịch sang bên phải, kết quả cho thấy mô men damping

quan sát được khác nhau đáng kể từ các giá trị thay đổi này

1.5.2 Các công trình nghiên cứu về PSS

Đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về PSS, nhưng đa số đều tập trung

vào phương pháp lựa chọn tham số cho PSS theo cấu trúc cứng đã có (chuẩn IEEE)

Chẳng hạn như chọn tham số tối ưu H cho PSS [15], [28], [36]; áp dụng chuẩn H2

để chọn tham số cho PSS [20], [23] Ngoài ra một số tác giả còn nghiên cứu để thiết

kế PSS có tính tích hợp các yêu cầu như thay đổi các thông số, hoặc thay đổi điều

kiện làm việc để có được mô hình giống như miền tần số thông qua hàm hiệu chỉnh

bù phù hợp, mục tiêu là thu được đáp ứng mong muốn của hệ thống Phương pháp

thiết kế PSS bền vững sử dụng cấu trúc phân tích  để chọn tham số cho PSS đã

được thông báo [16], [44] Hàm truyền vòng hở giữa đầu ra ngoại sinh đối với nhiễu

đã được định dạng bằng các bộ lọc trọng số để điều khiển Điều này được biết đến

như điều khiển “loop–shaping” [37] bài toán tối ưu này được giải bởi kỹ thuật DK

interaction [47] trong Matlab Sự thành công của các phương pháp trên dựa nhiều

vào việc lựa chọn các trọng số, tuy nhiên không đưa ra một luật rõ ràng nào để áp

dụng cho sau này

Nếu như việc giải các bài toán điều khiển tối ưu gặp những giới hạn thì cách

tiếp cận chuẩn H để giải bất đẳng thức ma trận tuyến tính (LMI) có thể được áp

dụng Sự tiện lợi của kỹ thuật này là nó có thể sử dụng cho nhiều mục đích điều

khiển khác nhau, chẳng hạn như nhiễu được lọc bằng điều khiển tối ưu cưỡng bức

H thông qua H2 và gán điểm cực thông qua LMI Ngoài ra có thể kết hợp với nhau

bằng kỹ thuật điều khiển cận tối ưu Điều khiển cận tối ưu thông qua cách tiếp cận

LMI đã được ứng dụng cho thiết kế PSS bền vững bằng cả trạng thái làm việc và

phản hồi đầu ra, đã được thông báo trong các tài liệu [18], [21], [50]

Gần đây, với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển thông minh và khả trình,

như thuật toán di truyền, mạng neural và logic mờ đã giải quyết được một số các bài

toán đặt ra trong kỹ thuật Thuật toán di truyền được sử dụng để thiết kế PSS dập tắt

các dao động góc rotor đã được thông báo trong tài liệu [53] Kỹ thuật mạng neural

nhân tạo được sử dụng để thiết kế điều chỉnh tham số cho PSS [54] Phương pháp

thiết kế PSS theo lý thuyết hệ mờ cũng đã được ứng dụng bởi công trình của Hariri

và Malik năm 1996 [24], hay công trình của Hosseinzadeh, N [26] năm 1999

1.6 Hướng nghiên cứu của luận án

Các phân tích ở trên cho thấy rằng, có khá nhiều các luận điểm riêng rẽ cho

việc chọn tham số của PSS với cấu trúc định trước và các tham số PSS hiện đang sử

dụng chưa phải là tốt nhất Cũng như vậy, cấu trúc các PSS đang dùng chưa phải là

tối ưu và sách lược thiết kế PSS tối ưu cấu trúc chưa có một nghiên cứu nào Vì

vậy, luận án đã đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu thiết kế cấu trúc PSS tối ưu trên cơ sở lý

thuyết RHrồi từ đó thử nghiệm đánh giá, so sánh chất lượng với PSS có cấu trúc

chuẩn đang sử dụng hiện nay

Lý thuyết điều khiển tối ưu RH(điều khiển bền vững) liên quan tới bài toán

điều khiển mà đối tượng có chứa những thành phần bất định không xác định được,

chẳng hạn như sai lệch mô hình đối tượng và nhiễu Khác với điều khiển thích nghi,

các thành phần bất định đó của điều khiển bền vững phải thỏa mãn giả thiết là bị

chặn và bộ điều khiển bền vững không cần phải tự chỉnh định lại chính mình Đã có

những phương pháp điều khiển bền vững không sử dụng lý thuyết tối ưu, ví dụ như

điều khiển bền vững loop shaping, điều khiển bền vững theo nguyên lý Kharitonov

Nhưng cũng có những phương pháp điều khiển bền vững có sử dụng lý thuyết tối ưu

với mục đích nâng cao chất lượng bền vững của hệ thống tới mức độ tốt nhất Điều