Đánh giá hiệu quả của bộ ổn định hệ thống điện (PSS) có cấu trúc theo chuẩn IEEE 421.52005 trong vấn đề ổn định góc rô to máy phát điện Đỗ Thị Phương Nhung.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Đỗ Thị Phương Nhung ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA BỘ ỔN ĐỊ

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Đỗ Thị Phương Nhung

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN (PSS) CÓ CẤU TRÚC THEO CHUẨN IEEE 421.5-2005 TRONG VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH GÓC RÔ TO MÁY PHÁT ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Nguyễn Hiền Trung

Thái Nguyên – 2014

Trang 2

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

Thái Nguyên, ngày tháng 5 năm 2014

Học viên

Đỗ Thị Phương Nhung

Trang 3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Những kết quả đạt được 3

5 Cấu trúc của luận văn 3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 4

1.1 Giới thiệu cấu trúc hệ thống điện 4

1.2 Điều khiển hệ thống điện 6

1.2.1 Nhiệm vụ điều khiển HTĐ 6

1.2.2 Cấu trúc điều khiển HTĐ 8

1.3 Ổn định góc tải (góc rotor) 13

1.3.1 Góc tải (góc rotor) 13

1.3.2 Ổn định các tín hiệu nhỏ 15

1.4 Bộ ổn định HTĐ – PSS 17

1.5 Những phương pháp thiết kế PSS 19

1.6 Kết luận chương 1 23

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 24

2.1 Mô hình máy phát điện đồng bộ 26

2.1.1 Phương trình biểu diễn trên hệ trục toạ độ dq0 27

2.1.2 Phương trình với mạch từ tuyến tính 30

2.2 Mô hình máy phát điện kinh điển 31

2.2 Mô hình kích từ và bộ điều chỉnh điện áp 35

2.4 Mô hình turbine và bộ điều chỉnh tốc độ 38

2.4.1 Mô hình turbine 38

2.4.2 Mô hình bộ điều tốc 40

2.5 Mô hình của hệ máy phát kết nối với HTĐ 41

2.5.1 Phương trình ràng buộc điện áp trong hệ đơn vị tương đối 41

2.5.2 Mô hình multi–time–scale của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 8) 41

Trang 4

2.5.3 Mô hình bỏ qua quá độ stator của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 6) 44

2.5.4 Mô hình two-axis của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 4) 46

2.5.5 Mô hình flux–decay của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 3) 47

2.5.6 Mô men damping 49

Chương 3 PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA PSS 50

3.1 Xây dựng mô hình tín hiệu nhỏ của hệ máy phát kết nối với HTĐ 50

3.2 Phân tích ảnh hưởng của PSS đối với ổn định tín hiệu nhỏ 55

3.3 Phân tích cấu trúc các PSS 60

3.3.1 PSS đầu vào đơn – PSS1A 60

3.3.2 PSS đầu vào kép 61

3.4 Phân tích các thành phần trong PSS2A/2B 64

3.4.1 Tín hiệu tốc độ 64

3.4.2 Tín hiệu công suất điện 65

3.4.3 Tín hiệu công suất cơ 65

3.4.4 Bù pha và lựa chọn tín hiệu ổn định 66

3.4.5 Khâu giới hạn điện áp đầu cực 67

Chương 4 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA PSS ĐỐI VỚI ỔN ĐỊNH GÓC TẢI 68

4.1 Phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink 68

4.2 Xây dựng sơ đồ mô phỏng trong Matlab/Simulink 68

4.2.1 Thông số các phần tử trong mô phỏng (pu) 69

4.2.2 Kết quả mô phỏng 77

4.3 Thí nghiệm trên Card R&D DS1104 thời gian thực 78

4.3.1 Giới thiệu về Card điều khiển R&D DS1104 của hãng dSPACE [7], [8] 78

4.3.2 Xây dựng bàn thiết bị thí nghiệm 79

4.3.3 Thiết lập môi trường làm việc dùng cho thí nghiệm online 81

4.3.5 Kết quả thí nghiệm 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

Trang 5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Regulator

Control

hoạt

Flexible AC Transmission Systems

Trang 6

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các phần tử cơ bản của một HTĐ - 5

Hình 1.2 Các thành phần điều khiển liên quan trong một trạm phát điện [11] - 7

Hình 1.3 Cấu trúc điều khiển HTĐ - 8

Hình 1.4 Mô hình kích từ không chổi than AC - 10

Hình 1.5 Mạch kích từ xoay chiều - 10

Hình 1.6 Mô hình kích từ một chiều DC1A - 11

Hình 1.7 Mô hình kích từ ST1A - 12

Hình 1.8 Điều khiển tần số và phân phối CSTD trong HTĐ - 13

Hình 1.9 Đặc tính công suất của máy phát - 14

Hình 1.10 Phân loại ổn định HTĐ - 15

Hình 1.11 Dao động cục bộ - 16

Hình 1.12 Dao động liên khu vực - 16

Hình 1.13 Sơ đồ khối điều khiển HTKT có PSS - 17

Hình 1.14 Cấu trúc cơ bản của một PSS - 19

Hình 2.1 Sơ đồ khối một máy phát điện đồng bộ trong HTĐ - 25

Hình 2.2 Sơ đồ máy điện đồng bộ hai cực từ - 26

Hình 2.3 Mô hình hệ thống máy phát điện kinh điển nối lưới - 32

Hình 2.4 Sơ đồ khối máy phát điện kinh điển - 34

Hình 2.5 Sơ đồ mạch máy kích từ một chiều độc lập - 35

Hình 2.6 Sơ đồ mạch máy kích từ một chiều tự kích thích - 36

Hình 2.7 Mô hình HTKT IEEE loại 1 - 38

Hình 2.8 Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc cơ khí - thủy lực - 40

Hình 2.9 Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc điện tử - thủy lực - 40

Hình 2.10 Mô hình hệ thống turbine và điều tốc đơn giản - 41

Hình 2.11 Sơ đồ động học siêu quá độ của máy phát [15] - 44

Hình 2.12 Mô hình hai trục (two-axis) của hệ máy phát [15] - 46

Hình 2.13 Mô hình động học flux-decay của máy phát điện [15] - 48

Hình 3.1 Sơ đồ khối điều chỉnh kích từ máy phát nối lưới - 50

Hình 3.2 Mô hình HTKT IEEE loại 1 với tín hiệu nhỏ - 54

Hình 3.3 HTKT thyristor ST1A với AVR - 54

Hình 3.4 Sơ đồ khối đã tuyến tính của máy phát bao gồm kích từ & AVR - 55

Hình 3.5 Đáp ứng tự nhiên của góc tải δ với các nhiễu nhỏ - 56

Trang 7

Hình 3.6 Đồ thị vector các thành phần mô men với AVR - 57

Hình 3.7 Sơ đồ khối đã tuyến tính hệ máy phát nối lưới với kích từ, AVR và PSS - 57

Hình 3.8 Đồ thị vector các thành phần mô men với AVR & PSS - 60

Hình 3.9 Sơ đồ khối của PSS1A – loại đầu vào đơn - 61

Hình 3.10 Sơ đồ khối PSS2A (IEEE 421.5.1995) - 63

Hình 3.11 Sơ đồ khối của PSS2B - 63

Hình 3.12 Sơ đồ khối của PSS3B - 63

Hình 3.13 Sơ đồ khối của PSS4B (Multi-band PSS) - 64

Hình 3.14 Khâu lọc thông cao - 65

Hình 3.15 Khâu lọc thông cao và tích phân đã rút gọn - 65

Hình 3.16 Các cấu hình khâu lọc đối với công suất cơ - 66

Hình 3.17 Khâu khuếch đại và bù pha - 66

Hình 4.1 Hệ thống kích từ ST1A trong sơ đồ mô phỏng - 70

Hình 4.2 Sơ đồ lấy kết quả mô phỏng - 71

Hình 4.3 Sơ đồ khối của PSS1A trong mô phỏng Matlab - 72

Hình 4.4 Sơ đồ khối của PSS2A trong mô phỏng Matlab - 72

Hình 4.5 Sơ đồ mô phỏng hệ thống khi không có PSS - 74

Hình 4.6 Sơ đồ mô phỏng hệ thống với PSS1A - 75

Hình 4.7 Sơ đồ mô phỏng hệ thống với PSS2A - 76

Hình 4.8 Đáp ứng góc tải - 77

Hình 4.9 Đáp ứng sai lệch tốc độ - 77

Hình 4.10 Đáp ứng sai lệch CSTD - 78

Hình 4.11 Hình ảnh mặt trên và mặt dưới của Card điều khiển R&D DS1104 - 79

Hình 4.12 Cổng kết nối và connector của Card điều khiển R&D DS1104 - 79

Hình 4.13 Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển và thiết bị ngoại vi - 80

Hình 4.14 Sơ đồ bàn thiết bị thí nghiệm - 81

Hình 4.15 Màn hình khởi động Matlab và lựa chọn file mô phỏng - 82

Hình 4.16 Thiết lập cho môi trường Solver chạy thời gian thực - 83

Hình 4.17 Thiết lập cho môi trường Optimazation chạy thời gian thực - 83

Hình 4.18 Thiết lập cho môi trường Real–Time Workshop chạy thời gian thực - 84

Hình 4.19 Màn hình hiển thị khi quá trình Build đã thành công - 85

Hình 4.20 Chọn file sdf chạy thời gian thực - 86

Hình 4.21 Các thao tác lấy kết quả thí nghiệm - 87

Hình 4.22 Đáp ứng theo thời gian thực - 88

Trang 8

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm qua, với sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và từng bước công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhu cầu sử dụng điện của nước ta tăng trưởng không ngừng Các nội dung thiết kế vận hành đường dây siêu cao áp 500 kV Bắc Trung Nam đã gắn liền với những tính toán phân tích có tính chất quyết định về phương diện ổn định hệ thống Sự suất hiện trong tương lai những nhà máy điện lớn (Thủy điện Sơn La, Lai Châu, Trung tâm nhiệt điện Phú Mỹ…) nối vào HTĐ bằng đường dây 500 kV, dự án liên kết HTĐ Việt Nam với các nước trong khu vực đang đòi hỏi phải nghiên cứu sâu sắc tỉ mỉ hơn về phương diện ổn định HTĐ trong quá trình vận hành

Theo quan điểm truyền thống, vấn đề ổn định là duy trì sự hoạt động đồng bộ Điều kiện cần thiết để HTĐ hoạt động bình thường là tất cả các máy phát duy trì đồng

bộ với nhau Về khía cạnh này ổn định HTĐ chịu ảnh hưởng của đặc tính động học góc rotor và quan hệ công suất - góc [10], [13]

Mối quan tâm trong việc đánh giá ổn định là phản ứng của HTĐ khi chịu nhiễu loạn tức thời Nhiễu này có thể lớn hoặc nhỏ Các nhiễu nhỏ là dạng tương tác giữa các máy phát hay thay đổi tải diễn ra thường xuyên trong quá trình vận hành, và hệ thống phải tự điều chỉnh để thích ứng với các điều kiện đó Hệ thống phải có khả năng hoạt động dưới các điều kiện này và cung cấp đủ công suất cho tải Đồng thời hệ thống phải

có khả năng chịu được các nhiễu lớn như ngắn mạch trên đường dây tải điện, mất máy phát, mất tải lớn, hoặc mất liên lạc giữa 2 hệ thống Cũng chính vì sự phức tạp này mà nhiều giả thiết thường được sử dụng để làm đơn giản bài toán và chỉ tập trung vào các nhân tố ảnh hưởng đến loại đặc tính của ổn định [10]

Việc sử dụng các bộ kích từ đáp ứng nhanh có ảnh hưởng bất lợi với ổn định các nhiễu nhỏ tương ứng với các dao động cục bộ do tạo ra sự cản âm [10] Một nguồn khác gây nên mất ổn định dạng dao động là hệ quả của kết nối các HTĐ với nhau, của một nhóm lớn các máy phát gần nhau liên kết bằng đường truyền yếu Với công suất truyền tải lớn, hệ thống như vậy sẽ tạo ra các dao động liên khu vực tần số thấp [12]

Để giải quyết các vấn đề này có thể sử dụng bộ ổn định hệ thống điện – PSS

Theo IEEE, PSS chia ra hai loại: Bộ ổn định dựa trên tín hiệu tốc độ và bộ ổn định đầu vào kép (tín hiệu tốc độ và công suất) [9] Trên thế giới PSS đã được rất

Trang 9

nhiều các tác giả quan tâm nghiên cứu, tuy nhiên trong nước thì rất ít tác giả hay có tài liệu viết về PSS [1], [2], [4], [5] 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… Vì nhiều lý do khác nhau trong đó có vấn đề về kỹ thuật mà ở các nhà máy này chức năng PSS tích hợp trong hệ thống kích từ cho máy phát điện đã không được sử dụng

Với những lý do nêu trên, tác giả đã mạnh dạn tìm hiểu nghiên cứu, đánh giá bộ

ổn định PSS theo chuẩn IEEE 421.5-2005 để làm sáng tỏ vấn đề ổn định góc rô to máy phát điện với hy vọng PSS sẽ được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của các trạm phát điện hiện có

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chung:

Đề tài này đặt mục tiêu chính là qua phân tích ổn định của HTĐ và phân tích các cấu trúc của PSS theo chuẩn IEEE 421.5-2005, thấy được sự cần thiết của PSS đối với việc nâng cao ổn định của HTĐ Đồng thời đánh giá được hiệu quả của các loại PSS trong vấn đề ổn định góc rôto máy phát điện

Mục tiêu cụ thể:

1 Tổng quan ổn định của HTĐ, trong đó đi sâu nghiên cứu ổn định góc rô to, tiếp cận theo hướng ổn định các nhiễu nhỏ

2 Lựa chọn hệ thống kích từ AVR dùng trong nghiên cứu và PSS

3 Xây dựng mô hình toán học của trạm phát điện trong HTĐ

4 Phân tích cấu trúc điển hình của PSS, tính chọn các thông số cơ bản của một loại PSS

5 Tiến hành mô phỏng trong Matlab so sánh hiệu quả của các loại PSS sản xuất theo chuẩn IEEE 421.5-2005 Kết quả nghiên cứu còn được kiểm chứng bằng thí nghiệm trên Card R&D DS1104 thời gian thực

3 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

Trang 10

- 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 bằng mô phỏng trong Matlab R2010a & Simulink và thí nghiệm trên Card R&D DS1104 của hãng dSPACE

- Là nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học tập và giảng dạy trong nhà trường; Làm tài liệu tham khảo cho các chuyên gia và cán bộ kỹ thuật ngành Điện lực

5 Cấu trúc của luận văn

Tính cấp thiết của đề tài được trình bày ở phần mở đầu của luận văn Chương I của luận văn trình bày tổng quan vấn đề ổn định của HTĐ, trong đó đi sâu nghiên cứu

ổn định góc rôto, tiếp cận theo hướng ổn định các nhiễu nhỏ Chương II xây dựng mô hình toán học của trạm phát điện trong HTĐ Chương III phân tích cấu trúc điển hình của PSS, xây dựng mô hình toán tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc của HTĐ nghiên cứu Các kết quả mô phỏng ổn định góc rôto với PSS theo chuẩn IEEE 421.5-

2005 được trình bày trong chương IV của luận văn

Trang 11

1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH

CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

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 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

Trang 12

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 sinh vấn đề về ổn định HTĐ [1]

6/10/22kv

0,4 kV

220kV

220kV 500kV

500kV

15,75kV

500kV

220kV GS

380/220V

110kV 110kV

Phô t¶i th-¬ng m¹i

Phô t¶i sinh ho¹t

Hình 1.1 Các phần tử cơ bản của một HTĐ

Trang 13

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 Các hệ thống điều khiển con và điều khiển liên

quan của một trạm phát điện Hình 1.1 Các hệ thống điều khiển con và điều khiển liên

quan của một trạm phát điện

Trang 14

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Điều độ kếhoạch sảnxuất

Tần số công suấtTrao đổi Công suấtmáy phát

Hệ thống điều khiểnmáy phát

Điều tốc và

điều khiển

Khối điềukhiển máykhác và

điều khiểnliên quan

Hệ thốngkích từ và

điều khiển

Dòng điệnkích từ

công suất Công suấtmáy phát

Điều khiển đ-ờng dây tải điện

Hỡnh 1.2 Cỏc thành phần điều khiển liờn quan trong một trạm phỏt điện [11]

Hỡnh 1.2 mụ tả một số khối điều khiển của một trạm phỏt điện trong HTĐ Trong mỗi khối điều khiển mỏy phỏt cú chứa khối điều tốc và khối điều khiển kớch từ Khối điều tốc cú nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ và điều khiển một số biến cung cấp năng lượng như ỏp suất hơi, nhiệt độ và luồng năng lượng Chức năng của khối điều khiển kớch từ

là điều chỉnh điện ỏp và CSPK đầu ra mỏy phỏt

- Mục đớch của hệ thống điều khiển mỏy phỏt là để cõn bằng cụng suất phỏt với cụng suất tải cựng cỏc tổn thất Bởi vậy, tần số và CSTD cú quan hệ mật thiết với nhau

Trang 15

- 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

1.2.2 Cấu trúc điều khiển HTĐ

Hình 1.3 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:

Turbine §iÒu khiÓn tÇn sè t¶i (LFC) (chËm)

KÝch tõ AVR (nhanh)

Hình 1.3 Cấu trúc điều khiển HTĐ

- 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 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 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

Trang 16

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

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 HTĐ là điện áp và tần số

1.2.2.1 Điều khiển điện áp

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 HTKT (bao gồm máy 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

Trang 17

lớn); cần có chế độ kích thích cưỡng bức khi máy làm việc ở chế độ sự cố (như ngắn mạch trong lưới)

Sau đây là một số mô hình theo phân loại của Hiệp hội các kĩ sư điện điện tử (IEEE) [9] Trên cơ sở tham khảo một số mô hình để rút ra những ưu điểm và nhược điểm cũng như vi phạm ứng dụng của chúng trong thực tế

a) Mô hình AVR cho các hệ kích từ xoay chiều

I f

V f

V' ef

Bé kÝch tõ kh«ng chæi than AC

Hình 1.4 Mô hình kích từ không chổi than AC

Trang 18

Ngoài ra có thể có thêm tín hiệu V PSS từ PSS đưa đến Tuy nhiên, hệ thống kích từ

xoay chiều thường có giá thành đắt và cấu tạo khá phức tạp (đặc biệt là hệ thống kích

từ không chổi than)

b Mô hình bộ AVR cho các hệ kích từ một chiều

Hình 1.6 Mô hình kích từ một chiều DC1A

Mô hình này thường áp dụng cho hệ thống kích từ có sử dụng máy phát điện một chiều Bộ điều chỉnh chính là một bộ PID sau đó đuợc khuếch đại và điều khiển máy phát một chiều cung cấp cho mạch kích từ Mô hình này không có các khối bảo vệ thiếu kích thích và quá kích thích nên độ tin cậy không cao và thường chỉ dùng với các máy phát cỡ nhỏ đặc biệt là các máy phát tự dùng trong các nhà máy

c) Mô hình bộ AVR cho các hệ kích từ tĩnh

Mô hình ST1A là một mô hình khá phổ biến được sử dụng rộng rãi trong thực tế Với các giới hạn thiếu kích thích và quá kích thích Có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng khi phân phối công suất giữa các tổ máy Có bổ sung tính năng ổn định hệ thống - PSS Tuy nhiên, ST1A có một số hạn chế về chức năng do thiếu hạn chế khi thiếu kích thích và độ tin cậy có thể không đảm bảo khi máy phát làm việc với phụ tải

có tính chất dung kháng, có thể gây mất ổn định khi làm việc Sơ đồ trên đây là sơ đồ nguyên lý chưa đầy đủ các chi tiết

Trang 19

V ref

V C

V ref

(1 + sT C )(1 + sT C ) (1 + sT B )(1 + sT B )

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) [10]

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

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)

Trang 20

Thay đổi tốc độ HT điều khiển

Bộ điều khiển thứ

cấp AGC

Hỡnh 1.8 Điều khiển tần số và phõn phối CSTD trong HTĐ

Sơ đồ điều khiển tần số và phõn phối CSTD tự động trong HTĐ được mụ tả như hỡnh 1.8 Ngày nay, cỏc thiết bị tự động điều khiển cho phộp duy trỡ tần số hệ thống kết hợp phõn bố kinh tế cụng suất giữa cỏc tổ mỏy nối song song, đồng thời điều khiển dũng cụng suất cũn thiếu hụt giữa HTĐ và nhà mỏy

1.3 Ổn định gúc tải (gúc rotor)

1.3.1 Gúc tải (gúc rotor)

Ổn định gúc rụto khả năng của cỏc MPĐ đồng bộ trong một HTĐ liờn kết vẫn

cũn giữ được sự đồng bộ húa sau khi trải qua cỏc kớch động cú thể xảy ra trong HTĐ

Nú liờn quan đến khả năng duy trỡ/phục hồi sự cõn bằng giữa mụ men điện từ và mụ men cơ khi của mỗi mỏy phỏt điện đồng bộ trong HTĐ Sự mất ổn định cú thể xảy ra khi cú sự tăng lờn của gúc rụto của một số MPĐ dẫn đến sự mất đồng bộ húa so với cỏc MPĐ khỏc trong HTĐ Ổn định gúc cú thể được phõn loại thành 2 loại: ổn định gúc với nhiễu loạn nhỏ (small - signal stability), và ổn định gúc khi quỏ độ (transient stability) [12]

Gúc tải (gúc rotor) δ là gúc giữa vector sức điện động bờn trong E~gdo từ thụng dũng điện kớch từ sinh ra với vector điện ỏp trờn thanh cỏi đầu cực V~t  V t 

Xột một HTĐ đơn giản cho trờn hỡnh 1.9a Bao gồm mỏy phỏt đồng bộ kết nối với HTĐ qua đường dõy tải điện cú điện khỏng là Xe Hỡnh 1.9b là sơ đồ thay thế lý tưởng (đó bỏ qua điện trở và điện dẫn cỏc phần tử) để xỏc định mối quan hệ giữa cụng

Trang 21

suất với góc Hình 1.9c 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 Hình 1.9d

Hình 1.9 Đặc tính công suất của máy phát

Đáp ứng của mối quan hệ công suất và góc δ được biểu diễn như hình 1.9d 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 δ 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 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

Trang 22

đổi trong nội bộ trạm phỏt, hoặc giữa mỏy phỏt với hệ thống qua đường truyền Những tỏc động xen kờnh này khiến cho rotor mỏy phỏt dao động xung quanh điểm làm việc Một nguồn khỏc gõy nờn dao động gúc tải là việc sử dụng cỏc bộ kớch từ đỏp ứng nhanh với AVR hệ số khuếch đại lớn cú tỏc dụng cải thiện giới hạn ổn định tĩnh và ổn định động, nhưng lại làm giảm thành phần mụ men damping, gõy bất lợi với ổn định tớn hiệu nhỏ

- Tỏc hại của dao động:

Khi gúc tải dao động khiến tốc độ rotor khụng cũn là tốc độ đồng bộ nữa, gúc tải

cú thể vượt quỏ 900 điện (hỡnh 1.9d), làm cho hoạt động mỏy phỏt bị mất đồng bộ, trong trường hợp khụng được khống chế kịp thời, nú rất cú thể bị cộng hưởng với những dao động khỏc gõy nờn mất đồng bộ nghiờm trọng giữa cỏc mỏy phỏt và lưới điện thậm chớ gõy tan ró HTĐ Hỡnh 1.10 là sơ đồ tổng quỏt phõn loại ổn định HTĐ [12] Đường nột đậm chỉ hướng nghiờn cứu của đề tài

ổn định hệ thống điện

ổn định góc tải ổn định tần số ổn định điện áp

ổn định tín hiệu nhỏ ( nhiễu nhỏ)

ổn định quá độ (nhiễu lớn)

Hỡnh 1.10 Phõn loại ổn định HTĐ

1.3.3 Ổn định cỏc tớn hiệu nhỏ

Ổn định tớn hiệu nhỏ được định nghĩa như khẳ năng của HTĐ để duy trỡ ổn định

khi cú sự xuất hiện của cỏc tỏc động nhỏ Những tỏc động nhỏ này cú thể thay đổi rất ớt

về phụ tải hay mỏy phỏt trong hệ thống Nếu mụ men hóm khụng đủ, kết quả cú thể làm cho dao động gúc rotor thay đổi với biờn độ lớn hơn Cỏc mỏy phỏt trong mạng sử dụng cỏc bộ điều khiển điện ỏp tự động khuếch đại lớn cú thể tạo nờn việc thiếu hóm đối với cỏc dao động hệ thống

Lý thuyết ổn định tớn hiệu nhỏ được dựng để nhận dạng và phõn tớch cỏc dao động cơ điện (dao động tần số thấp) trong HTĐ Cỏc dao động này làm cho gúc rotor của mỏy phỏt tăng lờn hoặc giảm đi so với điểm làm việc và là nguyờn nhõn của sự

Trang 23

thiếu mô men đồng bộ hoặc mô men damping Dao động tần số thấp gồm có các dạng sau đây [10]

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 ường 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

Hình 1.12 Dao động liên khu vực

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 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 1.13

Trang 24

Máy kích từ

Giới hạn quá

kích từ

Giới hạn thiếu kích từ

Giới hạn và bảo vệ V/Hz

Điện áp

đặt AC

Bộ điều chỉnh AC

Điện áp

đặt DC

Bộ điều chỉnh DC

Hỡnh 1.13 Sơ đồ khối điều khiển HTKT cú PSS

1.4 Bộ ổn định HTĐ – PSS

PSS là một thiết bị tăng momen hóm cỏc dao động điện cơ trong mỏy phỏt, cỏc thiết bị này được dựng cho cỏc mỏy phỏt lớn trong vài thập kỷ qua, cho phộp sử dụng

để cải tiến cỏc hạn chế vận hành cưỡng bức ổn định [10], [2]

Khi bị tỏc động bởi một sự thay đổi đột ngột trong điều kiện vận hành, tốc độ và cụng suất của mỏy phỏt sẽ thay đổi xung quanh điểm vận hành trạng thỏi ổn định Mối quan hệ giữa những đại lượng này cú thể được diễn tả bởi một cụng thức đơn giản sau [10]:

Trang 25

ω - tốc độ góc của rôtor (tốc độ góc ban đầu ω0)

Tm - mômen cơ trong mỗi máy phát

Te - mômen điện từ trong mỗi máy phát

Td - mômen damping (hãm)

H - hằng số quán tính của máy phát

Các mômen cơ và điện gần như bằng nhau về mặt giá trị trong mỗi thiết bị Công thức chỉ ra rằng khi có tác động của lực cân bằng, rôtor tăng tốc theo tỉ lệ mômen tác động trong rôtor chia cho hằng số quán tính của tuabin

Phương trình (1.3) có thể được viết lại khi có sự thay đổi về điểm vận hành :

Tương tự, với giá trị dương của Tc các ộ phận của mômen hãm sẽ tỉ lệ nghịch với góc rôtor so với điểm vận hành ổn định Một máy phát sẽ duy trì sự ổn định miễn là có

đủ sự tác động của các mô men đồrng bộ và mô men hãm hoạt động trong các rôto dưới mọi điều kiện vận hành

Theo chuẩn IEEE 421.5–2005 [9], 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 e; PSS đầu vào kép, thường là sai lệch tốc độ  và công suất điện P e(PSS2A, PSS2B, PSS3B và PSS4B)

sT w

1+sT w

Trang 26

Hình 1.14 Cấu trúc cơ bản của một PSS

Hình 1.14 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 đặt đầu cực máy phát

- Áp dụng bù vượt pha để tạo ra tín hiệu bù chậm pha trong mạch vòng điều khiển điện áp

- Điều chỉnh hệ số khuếch đại của tín hiệu cuối cùng đưa đến đầu vào AVR Cấu trúc của PSS kép với hai đầu vào [6] sẽ được phân tích chi tiết ở chuơng 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 phương pháp thiết kế PSS

Thiết kế PSS được dựa trên khái niệm momen đồng bộ và sự dao động tắt dần của các máy phát tại những thời điểm cụ thể 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 Kỹ thuật tiếp cận giá trị riêng và đáp ứng tần số từ không gian trạng thái đại diện cho một hệ thống tương đương với hệ thống thực Tuy nhiên, với một hệ thống SISO (một đầu vào và một đầu ra) cách tiếp cận đáp ứng tần số cho những phân tích hay hơn, đơn giản hơn là những phân tích theo mômen damping Sau đây là một số kỹ thuật sử dụng kết hợp các phương pháp tiếp cận này

1.5.1.1 Phương pháp tiếp cận mô men damping

Khi sử dụng phương pháp này chúng ta phải tìm các hằng số (K) của các khâu, 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

Trang 27

damping Trong dải tần số rộng, việc 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   ei   

 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 phụ tải giống như ảnh hưởng của sự thay đổi điện áp thông qua mạng   ei   

 ; hai là thông qua tốc độ ở đầu vào PSS,

biểu diễn bởi   ei   

H 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 tiếp cận ma trận 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 ei s 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 Đối với những máy phát quan trọng yêu cầu phải có PSS, hàm truyền

 

H s cung cấp 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 quay 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 điều chỉnh thích hợp hệ số khuếch đại K PSS 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 có thể dao động không chính xác

Trang 28

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 tốc độ và công suất phản hồi cho hệ số khuếch đại, khái niệm

về ma trận nghịch đảo Nyquist được sử dụng để có được khoảng hệ số khuếch đại phản hồi trong mỗi vòng lặp

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 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

Tuy nhiên 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 Việc phân tích, tính toán ổn định tín hiệu nhỏ hay thiết kế bộ điều khiển với hệ số khuếch đại và định lượng tương thích giữa các PSS là rất quan trọng 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 cố định GPSSij(s) = kijHij(s) mà sẽ liên kết đầu ra thứ j với đầu vào thứ i của hệ thống Gij(s) Giả thiết rằng, nhà máy có chế độ điện tới hạn hlà rất quan trọng tới hệ số tắt dần của mômen Độ nhạy của giá trị riêng nghĩa là khi thay đổi giá trị riêng hcho ta một thay đổi nhỏ của hệ số khuếch đại kij, được thể hiện bằng công thức sau:

Trang 29

 

ij ij ij

h

h h

Khi R là phần dư của kiểu dao động thứ h, có nghĩa là kết quả của phương pháp hij

điều khiển và phương thức quan sát được miêu tả trước đó Mở rộng phương trình (1.5) với hệ MIMO có thể được viết như sau:

 và sự thay đổi trong việc cấp thêm số lượng hệ số kij Pha của Hij(s) 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 (1.7) 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:

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

Trang 30

Từ đó đưa ra vấn đề sử dụng bộ ổn định HTĐ - PSS hoạt động thông qua AVR

để dập các dao động góc rotor của máy phát điện

– Phân tích các vấn đề nghiên cứu về PSS, bao gồm các phương pháp tiếp cận

mô men damping, đáp ứng tần số hay giá trị riêng và ma trận trạng thái

Trang 31

TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay rotor n bằng tốc độ quay của từ trường

n1 gọi là máy phát điện đồng bộ Ở chế độ xác lập, máy phát điện đồng bộ có tốc độ quay rotor luôn không đổi khi tải thay đổi

Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của các lưới điện công nghiệp, trong

đó động cơ sơ cấp là các turbine hơi, turbine khí hoặc turbine thủy lực Với công nghệ chế tạo hiện đại, công suất của mỗi tổ máy có thể đạt tới hàng trăm MW hoặc lớn hơn Các máy phát điện thường được sử dụng để làm việc song song với nhau, nhưng cũng

có thể làm việc độc lập trong các lưới điện có công suất nhỏ

Máy phát điện đồng bộ đồng bộ gồm hai bộ phận chính là stato và roto Stator của máy phát điện đồng bộ cũng giống như stator của máy điện không đồng bộ gồm hai bộ phận chính là lõi thép stator và dây quấn ba pha stator Lõi thép stator được ép bằng các lá tôn Silic dày khoảng 0,5mm, hai mặt có phủ lớp sơn cách điện và dọc chiều dài của lõi thép có các rãnh thông gió đặt nằm ngang trục để làm mát Lõi thép stator được đặt cố định trên thân máy Dây quấn stator còn gọi là dây quấn phần ứng

và được đặt trong các rãnh của stator

Rotor máy phát điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ Có thể phân rotor thành hai loại chính: rotor cực ẩn và rotor cực lồi [6]

Cực từ nằm ở phía ngoài của rotor, chúng thường phải chịu lực ly tâm lớn Để hạn chế tổn thất do dòng điện rò trên cực từ, chúng được chế tạo bởi các lá thép với đặc tính từ hoá tốt Tuỳ thuộc vào tốc độ quay của rotor (n) và tần số dòng điện stator (f) mà số cực từ được xác định bởi [10]:

Trang 32

ra mô men khởi động giống cuộn dây của động cơ cảm ứng rotor lồng sóc; ngăn chặn sóng hài bậc cao tạo ra từ phản ứng phần ứng do tải không đối xứng

Hình 2.1 Sơ đồ khối một máy phát điện đồng bộ trong HTĐ

Sơ đồ khối của một máy phát như hình 2.1 Điện năng được tạo ra bởi máy phát đồng bộ bằng cách điều khiển bộ điều tốc sơ cấp, thông thường là turbine hoặc động

cơ diezen Turbine được lắp đặt với bộ điều tốc có nhiệm vụ điều khiển tốc độ hoặc công suất đầu ra dựa trên đặc tính công suất – tần số Công suất máy phát được phát lên lưới điện thông qua MBA tăng áp Dòng điện hoặc điện áp một chiều tạo ra từ thông trong máy phát được cung cấp bởi máy kích từ, dòng điện kích từ được điều khiển bởi bộ tự động điều chỉnh điện áp – AVR Một MBA có thể được thêm vào giữa MBA tăng và máy phát nhằm cung cấp công suất cho các thiết bị của nhà máy như động cơ máy nén, máy bơm, máy kích từ,… Máy phát cũng được lắp đặt với máy cắt chính phía cao áp, máy cắt đầu cực để tăng tính linh hoạt trong vận hành

Trang 33

Trong máy phát điện đồng bộ hai cực từ như hình 2.2, trục dọc d là trục của cực bắc N Trục ngang q vượt trước trục d một góc 900 điện Trong điều kiện không tải, khi

trong máy chỉ có từ trường kích thích, sức từ động của từ trường sẽ hướng theo trục d

và sức điện động của dây quấn stato sẽ hướng dọc trục q Mô hình máy phát được xây

dựng trong phần này dựa trên khái niệm máy điện đồng bộ lý tưởng có hai cực từ, bỏ qua các sóng từ trường bậc cao có ảnh hưởng đến các đặc tính của máy và cho rằng rãnh của stator không ảnh hưởng đến điện kháng của rotor dù vị trí góc của nó như thế nào Mặc dù sự bão hòa mạch từ không được tính đến một cách rõ ràng trong mô hình này nhưng ta có thể hiệu chỉnh điện kháng theo hai trục bằng hệ số bão hòa hay đưa thêm phần tử bù vào từ trường kích thích

Trôc pha b

Trôc pha c

Trôc d

Trôc pha a Trôc q

S

N

Hình 2.2 Sơ đồ máy điện đồng bộ hai cực từ

2.1 Mô hình máy phát điện đồng bộ

Hình 2.2 là sơ đồ đơn giản của máy điện hai cực từ với cuộn dây kích từ, có ba cuộn cản trên rotor (một cuộn dọc trục, hai cuộn ngang trục), các cuộn dây stator có trục lệch nhau 1200 điện, ký hiệu dòng điện đi vào là “×” và đi ra là “●” Mặc dù hình 2.2 biểu diễn sơ đồ máy điện hai cực từ, nhưng tất cả cả phương trình sau này đều được viết cho máy điện có p cực từ với tốc độ p

Trang 34

T m– mô men cơ của trục

T e– mô men điện

T fw– mô men ma sát khe hở không khí (friction windage)

2.1.1 Phương trình biểu diễn trên hệ trục toạ độ dq0

Trong các phương trình biểu diễn động học của máy điện đồng bộ, người ta hay

biểu diễn trên hệ tọa độ dq0 Để chuyển từ các biến pha a, b, c sang các biến dq0 ta

ứng dụng phép chuyển đổi hệ tọa độ của Park [6]

dq T dq abc i dq T dq i abc dq T dq abc

trong đó:

Trang 35

Trang 36

d 1q 1 1q q 1q

r i dt





Trang 37

Thông thường, ta hay sử dụng các phương trình máy điện đồng bộ trong hệ đơn

vị tương đối Bởi vậy, sau khi ký hiệu lại các biến mới trên cơ sở các biến ban đầu, ta

có các phương trình như sau

2.1.2 Phương trình với mạch từ tuyến tính

Trong trường hợp này từ thông của máy điện là hàm tuyến tính của dòng điện:

Trang 38

Trong các phương trình trên mối quan hệ giữa V d , I d, V q , I q , V 0 , I 0.vẫn chưa xác định,

do đó cần giữ lại ba phương trình đại số từ thông có liên quan đến I d , I q , I 0 Thêm vào

đó các biến E fd , T M , T FW cũng chưa xác định Đó là lý do để giả thiết E fd , T M là những tín

hiệu vào hằng số và T FW = 0

Như vậy mô hình động học của máy phát điện đồng bộ biểu diễn theo (2.51) –(2.62), nếu sự bão hoà của mạch từ không xem xét đến

2.2 Mô hình máy phát điện kinh điển

Với máy phát điện đồng bộ để mô phỏng được chúng ta phải mô hình hóa, quá trình đó có thể bỏ qua những đại lượng nhỏ Trong mô hình máy phát điện kinh điển

Trang 39

các điện trở nhỏ hơn rất nhiều so với điện kháng nên bị bỏ qua, mô hình hệ thống như trên hình 2.3

E là điện áp phía trước điện kháng X/

d Giả thiết cường độ E là không đổi, về /

trị số góc δ là góc lệch pha giữa E/

và Es (điện áp thanh cái) Khi góc δ thay đổi thì

sẽ làm cho rôto dao động

Với E/ là điện áp pha ta có:

Bỏ qua điện kháng stato, năng lượng khe hở không khí (P e) bằng năng lượng đầu

ra của máy (P) Trong đơn vị tương đối, mô men khe hở bằng công suất

/sin

s e

Trang 40

Định dạng
Số trang	98
Dung lượng	2,4 MB