tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của hệ THỐNG KÍCH từ có PSS (POWER SYSTEM STABILIZ ER)ĐẾN ổn ĐỊNH của hệ THỐNG điện

Vì vậy tôi chọn luận văn với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của Hệ thống kích từ có xét đến bộ ổn định công suất – PSS đến ổn định của Hệ thống điện” Trong phạm vi đề tài này sẽ đi giải qu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-ĐÀO DUY YÊN

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG KÍCH

TỪ CÓ PSS (POWER SYSTEM STABILIZ ER)ĐẾN ỔN

ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành : Thiết bị, mạng & Nhà máy điện

Mã số : 605250

THÁI NGUYÊN - 2011

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuậtCông nghiệp Thái Nguyên.

Cán bộ HDKH : PGS.TS Nguyễn Như Hiển

Phản biện 1 : TS Phan Đăng Khải

Phản biện 2 : TS Trần Xuân Minh

Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họptại: Phòng cao học số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp TháiNguyên

Vào 14 giờ 30 phút ngày 12 tháng 01 năm 2012

Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại họcThái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp TháiNguyên

MỞ ĐẦU

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 sửdụng điện của nước ta tăng trưởng không ngừng.Vì vậy sự phát triểnnhảy vọt về công suất của hệ thống điện Việt Nam đã làm tăng yêucầu cấp thiết phải đi sâu nghiên cứu đặc tính ổn định

Sự mất ổn định của HTĐ thường do phụ tải của hệ thống thayđổi, công suất làm việc của máy phát cần thay đổi theo Do có sụt áptrên điện kháng trong, điện áp đầu cực máy phát bị biến thiên, lệchkhỏi trị số định mức.Nếu không có biện pháp điều chỉnh, độ lệch sẽ rấtđáng kể ảnh hưởng đến chất lượng điện năng

Để đảm bảo cho hệ thống làm việc tốt thì cần phải loại bỏđược hoặc làm suy giảm tới mức tối thiểu những nhiễu loạn trên hệthống, bộ ổn định công suất (PSS) đã được sử dụng cho mục đích

này Vì vậy tôi chọn luận văn với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của

Hệ thống kích từ có xét đến bộ ổn định công suất – PSS đến ổn định của Hệ thống điện”

Trong phạm vi đề tài này sẽ đi giải quyết 2 vấn đề đó là:

- Khảo sát, đánh giá khả năng, phạm vi ứng dụng của cácloại hệ thống kích từ ảnh hưởng đến chất lượng điện áp, công suấtcủa máy phát Dựa trên cơ sở phân tích kinh tế, kỹ thuật của cácphương án để lựa chọn loại hệ thống kích từ tối ưu nhất

- Nghiên cứu cấu trúc, mô hình PSS trong HTĐ Các hiệuquả và khả năng ứng dụng của chúng

Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương:

3

Chương I:TỔNG QUAN HỆ THỐNG KÍCH TỪ VÀ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Chương II: MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ MÔ HÌNH

TOÁN HỌC MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Chương III: CẤU CHÚC HỆ THỐNG KÍCH TỪ VÀ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT

Các kết luận và kiến nghị.

Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn đã hoàn thành.Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đối với sự giúp đỡ

tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như Hiển Xin chân thành

cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Hệ thống điện - Trường Đạihọc Bách Khoa Hà Nội và các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuậtCông nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ trongsuốt quá trình tham gia khóa học Xin chân thành cảm ơn Khoa sauđại học, bạn bè đồng nghiệp và người thân đã tạo điều kiện giúp đỡtôi hoàn thành luận văn này

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 12 năm 2011

Đào Duy Yên

Chương I TỔNG QUAN HỆ THỐNG KÍCH TỪ VÀ ỔN ĐỊNH CÔNG

SUẤT MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Các phần tử của HTĐ được chia thành hai nhóm:

- Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải,phân phối và sử dụng điện năng như MF, đường dây tải điện và cácthiết bị dùng điện

- Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổitrạng thái HTĐ như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần

số, bảo vệ rơle, máy cắt điện…

1.1.2 Chế độ của HTĐ.

Tập hợp các quá trình xảy ra trong HTĐ và xác định trạng tháilàm việc của HTĐ trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào

đó gọi là chế độ của HTĐ

Các chế độ của HTĐ được chia thành hai loại:

a Chế độ xác lập (CĐXL) là chế độ các thông số của nó daođộng rất nhỏ xung quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế

có thể xem như các thông số này là hằng số

CĐXL được chia thành:

+ CĐXL lập bình thường là chế độ vận hành bình thường củaHTĐ

5

+ CĐXL sau sự cố xảy ra sau khi đã loại trừ sự cố.

+ Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá

+ Chế độ quá độ sự cố xảy ra sau sự cố

1.1.3 Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ.

a CĐXL bình thường, các yêu cầu là:

- Đảm bảo chất lượng điện năng

- Đảm bảo độ tin cậy

- Có hiệu qủa kinh tế cao

- Đảm bảo an toàn điện

b CĐXL sau sự cố, yêu cầu là:

Các yêu cầu mục a được giảm đi nhưng chỉ cho phép kéo dàitrong một thời gian ngắn, sau đó phải có biện pháp hoặc là thay đổithông số của chế độ hoặc là thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa chế độnày để về CĐXL bình thường

c Chế độ quá độ (CĐQĐ), yêu cầu là:

- Chấm dứt một cách nhanh chóng bằng CĐXL bình thường hayCĐXL sau sự cố

- Trong thời gian quá độ các thông số biến đổi trong giới hạncho phép như: giá trị của dòng điện ngắn mạch, điện áp tại các nútcủa phụ tải khi ngắn mạch…

1.2.1 Cân bằng công suất.

c Ổn định tổng quát.

Ổn định tổng quát là khả năng của HTĐ lập lại chế độ đồng

bộ sau khi đã rơi vào chế độ không đồng bộ do mất ổn định tĩnh hoặc mất ổn định động.

1.3.1 Khái niệm chung

Hệ thống kích từ là một trong các hệ thống thiết bị quan trọngnhất quyết định đến sự làm việc an toàn của máy phát điện Nó có

7

nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho các quận dây kích thíchcủa máy phát điện đồng bộ Dòng kích từ phải có khả năng điềuchỉnh bằng tay hoặc tự động để đảm bảo chế độ làm việc luôn ổnđịnh, kinh tế của máy phát điện với chất lượng điện năng cao trongmọi tình huống.

1.3.3 Bộ tự động điều chỉnh điện áp 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 phậnđiều khiển chính là thiết bị tự động điều chỉnh điện áp (AVR –Automatic Voltage Regulator) Thiết bị này có nhiệm vụ giữ chođiện áp đầu cực máy phát là không đổi (với độ chính xác nào đó) khiphụ tải thay đổi và nâng cao giới hạn công suất truyền tải của máyphát vào hệ thống lưới điện Đặc biệt khi máy phát được nối với hệthống qua đường dây dài Những yêu cầu chung với hệ thống tự độngđiều chỉnh kích từ:

- Hệ thống phải đảm bảo ổn định tĩnh và nâng cao tính ổn địnhđộng

- Hệ thống còn có chế độ kích thích cưỡng bức, khi máy làmviệc ở chế độ sự cố (như ngắn mạch trong lưới) …thì chỉ có bộ phận

trì điện áp của lưới thông qua đó tạo điều kiện giải quyết sự cố và giữ

ổn định cho hệ thống

1.3.4 Bộ chỉnh lưu kích từ thyristor

Sử dụng cho hệ thống kích từ tĩnh, bộ chỉnh lưu sử dụng ở đây

là kiểu chỉnh lưu 3 pha, gồm hai cầu như nhau nối song song Trongchế độ vận hành bình thường, cả hai cầu đều ở vị trí làm việc nhưngchỉ một cầu có xung kích từ để mở cổng thyristor, cầu còn lại ở trạngthái đóng

1.4 Hệ thống ổn định công suất

1.4.1 Trạng thái ổn định

Trong trạng thái hoạt động ổn định, công suất điện đầu ra cânbằng với công suất cơ đầu vào (bỏ qua tổn hao) Khi hệ thống bị tácđộng bởi sự cố, hoặc phụ tải thay đổi nhanh, công suất điện phát ra sẽthay đổi Công suất điện từ đầu ra có thể thay đổi nhanh chóng, nhưngcông suất cơ trong máy phát đồng bộ thay đổi tương đối chậm

Máy phát đồng bộ được xây dựng với một nguồn áp lý tưởng,

Eg, nối tiếp với trở kháng, Xg Điện áp đầu cự máy phát, ET được giacường để truyền tới máy biến áp tăng thế được nối vào lưới quađường truyền đặc trưng bởi điện kháng, XS Công suất phát từ máyphát trong trạng thái ổn định được tính bằng công thức:

Hình 1.1 Máy phát đồng bộ kết nối với lưới 1.4.2 Trạng thái ổn định tức thời

Công suất phát ra của máy phát điện đồng bộ có thể chuyểnsang dạng mômen điện từ, Me nhân với vận tốc góc,  Sự thay đổicủa mômen điện có thể biến đổi thành 2 thành phần:

Hình 1.2 Đồ thị véc tơ máy phát nối lưới

Cong suat tua bin

May phat mat dong bo

P E B A

Hình 1.4 Ảnh hưởng của tác động nhanh đến hệ thống kích từ 1.4.4 Ổn định các tín hiệu nhỏ

11

ổn định tín hiệu nhỏ được định nghĩa như khả năng của hệthống điện để duy trì ổn định khi có sự xuất hiện của các tác độngnhỏ Những tác động nhỏ này có thể thay đổi rất ít về phụ tải haymáy phát trong hệ thống Nếu mômen hãm không đủ, kết quả có thể

là làm cho các dao động góc rôtor thay đổi với biên độ lớn hơn Cácmáy phát trong mạng sử dụng các điều khiển điện áp tự động khuếchđại lớn có thể tạo nên việc thiếu hãm đối với các dao động hệ thống.Như chúng ta đã nói đến trong phần trước về sự thay đổi cácmômen điện từ, Me chia thành hai thành phần là mômen đồng bộ vàmômen hãm Mômen đồng bộ tăng sức hút giữa rôtor và từ thôngstator, giảm góc , và hạn chế nguy cơ sự cố Mặt khác, mômen hãm

có được do trễ pha hay sớm pha của các dòng kích từ

Có ba loại dao động được thử nghiệm với các máy phát và lưới điện,bao gồm:

Dao động máy phát làm việc song song: Những dao động liên

quan đến hai hoặc nhiều hơn các máy đồng bộ trong một nhà máyđiện hoặc các nhà máy gần nhau Các máy quay với nhau, với tần sốdao động trong khoảng 1,5 đến 3 Hz

Hình 1.5 Dao động máy phát điện làm việc song song

Các dao động cục bộ: Những dao động này thường liên quan

đến một hoặc nhiều hơn các máy đồng bộ taih một trạm điện cùngquay với nhau khi so với một hệ thống điện lớn hay trung tâm tải.Tần số dao động trong khoảng 0,7 đến 2 Hz

Hình 1.6 Dao động cục bộ

Các dao động liên khu vực: Những dao động này thường liên

quan đến việc kết hợp rất nhiều máy tại một phần của một hệ thốngđiện đối với các máy tại các phần khác của hệ thống điện Tần sốnhững dao động liên khu vực thường trong dải nhỏ hơn 0,5 Hz

Hình 1.7 Dao động liên khu vực 1.4.5 Bộ ổn định công suất (PSS)

PSS là một thiết bị tăng mômen hãm các dao động cơ điệntrong máy phát Các thiết bị này được dùng cho các máy lớn trong

13

vài thập kỷ qua, cho phép sử dụng để cải tiến các hạn chế vận hànhcưỡng bức ổn định.

Khi bị tác động bởi một sự thay đổi đột ngột trong điều kiện vận hành, tốc độ và công suất của mát phát sẽ thay đổi xung quanh điểm vận hành trạng thái ổn định Mối quan hệ giữa những đại lượngnày có thể được diễn tả bởi một công thức đơn giản sau:

 : Tốc độ góc của rôtor (tốc độ góc ban đầu 0 = 377 rad/s)

Mm: Mômen cơ trong mỗi máy phát

Me: Mômen điện từ trong mỗi máy phát

Mc: Mômen hãm

H : Hằng số quán tính của máy phát đồng bộ

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

Với hệ số hãm có các giá trị dương, và công suất đầu vào làhằng số, sự thay đổi của góc quay rôtor theo các nhiễu nhỏ sẽ códạng một hãm hình sin.

Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số hãm của một máy phát đồng bộbao gồm: kiểu thiết kế mày phát, công suất của máy so với lưới điện

mà nó tham gia và hệ thống kích từ Khi nhiều máy phát có hệ sốhãm hợp lý trong các điều kiện vận hành bình thường, chúng vẫn cóthể dẫn đến các hệ số hãm thấp dưới mức cho phép Trong cáctrường hợp đặc biệt, hệ số hãm có thể mạng giá trị âm, gây ra các daođộng điện cơ tăng dần, thậm chí còn gây ra mất đồng bộ Dạng mất

ổn định này thường gọi là mất ổn định tín hiệu nhỏ hay mất ổn địnhdao động

Bằng cách bổ sung bộ ổn định công suất vào hệ thống có đápứng kích từ ban đầu lớn, thì sẽ đạt được mômen đồng bộ cao hợn vàkhắc phục được hiện tượng giảm mômen hãm Chức năng của hệthống ổn định công suất là ngăn chặn bất cứ dao động nào bằng cáchgửi tín hiệu để thay đổi kích từ vào đúng thời điểm ngăn cản hìnhthành dao động Nguyên nhân làm giảm hệ số hãm là chậm pha docác hằng số thời gian và các trễ trong vòng điều chỉnh điện áp bìnhthường Vì vậy, PSS (bộ ổn định công suất) sử dụng bù pha để điềuchỉnh thời điểm gửi tín hiệu để ngăn chặn các dao động tạo ra từrôtor máy phát

Hệ thống ổn định công suất có thể làm tăng hệ số hãm của máyphát, do đó cho phép máy phát có thể vận hành trong mọi điều kiện

mà việc triệt tiêu dao động một cách tự nhiên là không đủ

1.4.7 Nguyên lý hoạt động của bộ ổn định công suất (PSS)

15

Có thể làm thay đổi ngắn hạn công suất điện phát ra của máyphát Các bộ kích thích có tốc độ phản ứng nhanh đi kèm với bộ tựđộng điều chỉnh điện áp (AVR) có hệ số khuếch đại cao và cưỡngbức để tăng hệ số đồng bộ mômen máy phát (MS), kết quả là cải thiệncác giới hạn ổn định ngắn hạn và ổn định trạng thái tĩnh Có điềukhông tốt là khi cải thiện mômen đồng bộ thường xuyên tổn haomômen hãm, kết quả làm giảm mức độ ổn định của các dao động nhỏhoặc tín hiệu nhỏ Để chống lại hiệu ứng này, nhiều máy phát sửdụng AVR có hệ số khuếch đại cao thường được trưng bị thêm các

bộ ổn định công suất để tăng hệ số hãm (Mc) và cải thiện ổn định daođộng

1.4.8 Kết luận chương I

Chương này đã trình bày khái quát về hệ thống tự động điềuchỉnh kích từ, ổn định công suất của hệ thống điện, các loại dao độngthường khảo sát với hệ thống điện Trong chương tiếp theo sẽ trìnhbày chi tiết mô hình toán học máy phát điện đồng bộ, chương III sẽtìm hiểu cấu trúc, ưu nhược điểm của từng loại hệ thống kích từ, bộ

ổn định công suất

Chương II MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC

MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2.1 Máy phát điện đồng bộ

2.1.1 Giới thiệu chung

Máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay rôtor n bằng tốc độ

máy phát điện đồng bộ có tốc độ quay rôtor luôn không đổi khi tảithay đổi.

2.1.2 Nguyên lý làm việc của máy phát đồng bộ

Theo tài liệu [9] cho dòng điện kích từ một chiều vào dây quấnkích từ sẽ tạo nên từ trường rôto Khi quay rôto bằng động cơ sơ cấp,

từ trường của rôto sẽ cắt qua dây quấn phần ứng stato và cảm ứngmột điện động xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng là:

2.1.3 Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ

Khi máy phát điện làm việc, từ trường của cực từ rôto 0 cắtdây quấn Cảm ứng ra sức điện động E0 chậm pha so với từ thông 0

một góc 900 Dây quấn nối với tải sẽ tạo nên dòng điện I cung cấpcho tải Dòng điện I trong dây quấn stato sẽ sinh ra từ trường quaygọi là từ trường phần ứng  Tùy theo tính chất của tải mà trục từtrường phần ứng sẽ làm thành một góc nhất định với từ trường cực từ

2.1.4 Phương trình cân bằng điện áp của máy phát điện đồng bộ

ở tải đối xứng ta có thể xét riêng rẽ từng pha và có thể rút raphương trình cân bằng điện áp tổng quát của một pha máy điện đồng

bộ có dạng sau:

U = E - I(rư + jxư) (2.4)

17

E uq -Iru-jx

Hình 2.1 Đồ thị sức điện động của máy phát điện cực lồi ở tải

có tính cảm (a) và ở tải có tính dung (b)

Hình 2.2 Đồ thị sức điện động của máy phát điện cực ẩn ở tải

có tính cảm (a) và ở tải có tính dung (b)

2.1.5 Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ

a Công suất tác dụng

Công suất tác dụng của máy phát cung cấp cho tải là:

Hình 2.3 Đồ thị đặc tính góc công suất tác dụng P =f() của máy

phát cực ẩn (a), máy phát cực lồi (b)

b Điều chỉnh công suất phản kháng

Trong trường hợp máy phát điện đồng bộ làm việc trong lướiđiện vô cùng lớn, ta xem xét việc điều chỉnh công suất phản khángcủa máy phát cực ẩn khi công suất tác dụng của máy được giữ khôngđổi Để đơn giản, ta bỏ qua điện trở phần ứng

Từ biểu thức công suất phản kháng (2.19)

a Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ

b Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ

c Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ

d Đặc tính tải của máy phát điện đồng bộ

19

e Đặc tính ngắn mạch của máy phát điện đồng bộ

2.2 Mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ

2.2.1 Phương trình máy điện ở hệ trục ba pha

A BA CA

L M M

M L M

AC BC C

M M L

M sr, M rs - ma trận độ cảm ứng tương hỗ giữa mạch stato

với rôto và ngược lại

Ard Brd Crd

M M M