Nâng cao ổn định hệ thống điện bằng thiết bị ổn định dao động công suất

Ổn định quá độ transient stability là khả năng của một hệ thống điện có thể duy trì trạng thái đồng bộ dưới tác động của một kích động lớn và có liên quan đến giai đoạn quá độ.Ổn định đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN VĂN TÙNG

NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HTĐ BẰNG THIẾT BỊ

ỔN ĐỊNH DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN – HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

TS NGUYỄN ĐỨC HUY

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu tính toán ra được và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì một công trình nào khác

Tác giả

NGUYỄN VĂN TÙNG

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Giới thiệu về ổn định hệ thống điện 1

1.2 Giới thiệu tóm tắt về dao động hệ thống điện 3

1.3 Kiểm soát dao động hệ thống điện 5

1.4 Mục tiêu của luận văn 6

1.5 Cấu trúc của luận văn 6

CHƯƠNG 2 8

PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT VÀ ĐIỀU CHỈNH PSS NHẰM NÂNG CAO ỔN ĐỊNH DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT 8

2.1 Phân tích dao động công suất trong hệ thống điện 8

2.1.1 Đặc điểm của dao động công suất trong hệ thống điện 8

2.1.2 Phương pháp phân tích của hệ thống điện tuyến tính 9

2.2 Nâng cao ổn định dao động nhỏ với PSS 18

2.2.1 Cơ sở lý thuyết của PSS 18

2.2.2 Đặc điểm và phân loại PSS 20

2.2.3 Các yêu cầu kĩ thuật của PSS 23

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH BỘ PSS 27

3.1 Phương pháp xác định áp dặt vị trí điểm cực 27

3.2 Phương pháp bù pha 29

3.3 Phương pháp khác 38

3.4 Kết luận 39

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÍA BẮC 40

KHU VỰC HẢI PHÒNG 40

4.1 Mô hình lưới điện phía Bắc khu vực Hải phòng 40

4.2 Mô phỏng mô hình lưới dưới dạng MATLAB/Simpowersystem 41

4.2.1 Khi chưa sử dụng PSS có dao động và khả năng đáp ứng của lưới 41

4.2.2 Xác định hàm truyền mạch hở của máy phát và kích từ phục vụ chỉnh

định PSS 42

4.2.3 Xác định tham số tối ưu của PSS dựa trên công cụ SISOTOOL 44

4.3 Mô phỏng hệ thống lưới khi đã thiết kế PSS quan sát tính ổn định 52

4.3.1 Mô phỏng lưới dưới mô hình 8 máy phát 52

4.3.2 Mô phỏng trong trường hợp tách 1 máy phát 56

4.3.3 Mô phỏng trong trường hợp tách 1 đường dây 59

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

PHỤ LỤC 63

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Dao động tự phát xảy ra trong lưới điện bắc mỹ 10/8/1996 3

Hình 2.2 Mô phỏng trong miền thời gian của một chế độ dao động với độ giảm 5% 15

Hình 2.3 Cơ sở lý thuyết cho bộ PSS dưới dạng sơ đồ khối 19

Hình 2.4 Mối quan hệ giữa công suất cơ và công suất điện mô tả ở sơ đồ khối 22

Hình 2.5 Mô tả độ lệch tín hiệu tốc độ và tín hiệu điện 23

Hình 2.6 Cấu trúc điển hình của một bộ PSS 24

Hình 3.1 Hàm truyền của vòng lặp hệ hở 27

Hình 3.2 Đồ thị giá trị nghiệm riêng 28

Hình 3.3 Hệ thống một máy phát và một nút vô cùng lớn 30

Hình 3.4 Mô hình hệ thống kích từ (EXST3) 31

Hình 3.5 Đáp ứng bước nhẩy 5% AVR với mạch hở 32

Hình 3.6 Mô hình PSS (IEEEST) 33

Hình 3.7 Thuộc tính trễ pha của PGE 33

Hình 3.8 Đáp ứng tần của PGE và PSS theo sự thay đổi của hằng số thời gian 34

Hình 3.9 Đáp ứng tần số của PSS khi thay đổi hằng số thời gian Washout 35

Hình 3.10 Quỹ đạo điểm cực của mô hình điều khiển và dao động 36

Hình 3.11 Đáp ứng bước nhẩy 2% AVR – Công xuất tác dụng (MW) 37

Hình 3.12 Đáp ứng máy phát với lỗi 3 pha – Công suất tác dụng máy phát (MW) 38

Hình 4.1 Tốc độ các máy phát trong hệ thống khi chưa cài đặt PSS 41

Hình 4.2 Công suất các tổ máy khi chưa cài đặt PSS 41

Hình 4.3 Cửa sổ làm việc trên sisotool 45

Hình 4.4 Mô hình hệ thống trong matlab workspace 45

Hình 4.5 Đồ thị root-Locus và bode khi làm việc với sisotool 46

Hình 4.6 Lựa chọn hàm bù G trên mô hình hệ thống 46

Hình 4.7 Cài đặt thông số hàm G 47

Hình 4.8 Lựa chọn các thiết lập đã nhập vào 47

Hình 4.9 Đồ thị Root-locus và Bode sau khi nhập hàm G(s) 48

Hình 4.10 Quỹ đạo nghiệm số trước khi bù pha 49

Hình 4.11 Quỹ đạo nghiệm số sau khi bù pha 50

Hình 4.12 Đáp ứng hàm 1(t) của hệ thống sau khi bù pha 51

Hình 4.13 Thông số của Gc(s) sau khi hiệu chỉnh bù pha 51

Hình 4.16 Tốc độ các máy phát khi cài PSS cho 1 tổ máy 54

Hình 4.17 Công suất các tổ máy sau khi cài đặt PSS cho 1 tổ máy 54

Hình 4.18 Tốc độ các máy phát khi cài PSS cho cả 2 máy phát NĐHP 55

Hình 4.19 Công suất các máy khi cài PSS cho 2 máy phát NĐHP 56

Hình 4.20 Tốc độ các máy phát còn lại khi tách M2-NĐHP 57

Hình 4.21 Công suất các máy còn lại khi tách M2-NĐHP 57

Hình 4.22 Tốc độ các máy phát khi tách đường dây Vật Cách – Đồng Hòa 59

Hình 4.23 Công suất các máy phát khi tách đường dây Vật Cách – Đồng Hòa 60

Sơ đồ lưới điện 1 sợi miền Bắc khu vực Hải Phòng

Sơ đồ lưới điện miền Bắc khu vực Hải Phòng dưới dạng matlab simulink

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CĐXL Chế độ xác lập

AVR Mạch tự động điều chỉnh điện áp

(Automatic Voltage Regulator)

PSS Bộ ổn định dao động (Power

System Stablizer)

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

Mục đích của chương giới thiệu này là trình bày một mô tả chung về ổn định hệ thống điện nói chung và các đặc tính cơ bản của hiện tượng dao động công suất trong

hệ thống điện Chương này sẽ nêu ra mục tiêu của luận án và giải quyết vấn đề dao động để hệ thống ổn định trong chế độ xác lập

1.1 Giới thiệu về ổn định hệ thống điện

Vấn đề ổn định hệ thống điện lần đầu tiên được công nhận là một vấn đề quan trọng từ những năm 1920 Ổn định hệ thống điện được định nghĩa là khả năng của HTĐ có thể khôi phục lại chế độ xác lập cũ hoặc đi đến CĐXL mới chấp nhận được sau khi chịu tác động của nhiễu loạn trong hệ thống

Trong thực tế người ta phân loại ổn định hệ thống điện thành hai dạng: ổn định góc rotor và ổn định điện áp Phân loại chi tiết của hệ thống điện ổn định được để xuất trong [1]

Ổn định góc roto là khả năng của các máy phát điện kết nối với hệ thống điện

để duy trì trạng thái đồng bộ.Vấn đề ổn định này liên quan đến việc nghiên cứu các dao động điện vốn có trong hệ thống điện

Ổn định điện áp là khả năng của một hệ thống điện có thể duy trì điện áp ở mức chấp nhận ở tất cả các nút trong hệ thống, trong điều kiện hoạt động bình thường hoặc sau khi phải chịu đựng một sự xáo trộn

Để tiện cho việc phân tích, cũng như dựa trên bản chất của vấn đề ổn định và các giải pháp điều khiển tương ứng, ổn định góc rotor được phân thành hai loại lớn:

ổn định kích động nhỏ và ổn định quá độ [2]

Ổn định kích động nhỏ là khả năng của hệ thống điện có thể duy trì tính đồng

bộ dưới những nhiễu loạn nhỏ Nhiễu loạn như vậy xảy ra liên tục trong hệ thống vì

các biến động nhỏ trong các tải và máy phát Các nhiễu loạn được coi là đủ nhỏ để tính chất tuyến tính của đáp ứng hệ thống được đảm bảo Ổn định dao động nhỏ được đặc trưng bởi các dao động công suất trong hệ thống điện Các hiện tượng dao động này là đáp ứng tự nhiên của hệ thống Chúng luôn xảy ra khi có các kích động nhỏ như đóng cắt tải, thay đổi trào lưu công suất Các dao động này chỉ trở thành vấn đề lớn nếu thời gian tắt dần của chúng quá lâu

Ổn định quá độ (transient stability) là khả năng của một hệ thống điện có thể

duy trì trạng thái đồng bộ dưới tác động của một kích động lớn và có liên quan đến giai đoạn quá độ.Ổn định được xác định bởi cả trạng thái hoạt động ban đầu của hệ thống và mức độ nghiêm trọng của kích động

Cho đến nay, nhiều nỗ lực và quan tâm liên quan đến ổn định góc roto đã được tập trung vào sự ổn định quá độ Hệ thống điện được thiết kế và hoạt động để đáp ứng bộ tiêu chuẩn độ tin cậy liên quan đến sự ổn định quá độ, ví dụ như đảm bảo giá trị thời gian cắt tới hạn không nhỏ hơn thời gian tác động của máy cắt và hệ thống bảo vệ Tuy nhiên, trong những năm gần đây, ổn định kích động nhỏ đã gây ra mối

lo ngại ngày càng tăng đối với nhiều nhà máy thủy điện và nhiệt điện ở Việt Nam

và thế giới, và việc phân tích sự ổn định kích động nhỏ ngày càng trở nên phổ biến rộng rãi

Mất ổn định kích động nhỏ có thể xuất hiện dưới 2 hình thức:[2]

 Gia tăng góc lệch Roto do thiếu mô-men đồng bộ (synchronizing torque)

 Tăng biên độ dao động Roto do thiếu thành phần mô men dập tắt dao động

(damping torque)

Hình 1.1 Dao động tự phát xảy ra trong lưới điện bắc mỹ 10/8/1996

Một ví dụ điển hình của sự cố dao động công suất dẫn đến mất điện diện rộng

là sự cố tại Bắc Mỹ năm 1996 [3]

Bản chất của vấn đề ổn định kích động nhỏ phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm cả điều kiện vận hành ban đầu, khả năng truyền tải của các đường dây, và các loại điều khiển kích từ máy phát điện được sử dụng

1.2 Giới thiệu tóm tắt về dao động hệ thống điện

Các hệ thống điện phát triển đang vận hành hiện nay đang gần hơn đến chế

độ ổn định giới hạn Đặc điểm ổn định hệ thống bị ảnh hưởng nhiều bởi mức độ liên kết của lưới điện truyền tải Việc lưới điện và máy phát điện sử dụng liên tục điều chỉnh điện áp đã đóng góp vào việc cải thiện sự ổn định điện áp, cũng như nâng cao

ổn định quá độ thông qua các bộ kích từ có đáp ứng nhanh Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, người ta đã phát hiện ra hiện tượng dao động công suất, khi hệ thống điện cần truyền tải một lượng công suất lớn qua đường dây dài Các nghiên cứu về vấn đề này đã được bắt đầu từ những năm 60 Cho đến nay, bản chất của hiện tượng dao động công suất và cách thức điều chỉnh nâng cao ổn định dao động đã được hiểu tương đối rõ Tuy vậy, đặc điểm chung của các dao động công suất là chúng trở nên

rõ ràng và kém tắt dần hơn khi hệ thống nặng tải Vấn đề truyền tải công suất cao đã trở nên phổ biến trong nhiều hệ thống, vì vậy việc tính toán phân tích ổn định dao động đang ngày càng được đưa vào trong quy hoạch và nghiên cứu vận hành

Trong hệ thống điện thực tế hiện nay, nhiều bộ điều khiển của hệ thống không

đủ khả năng dập tắt dao động, đây chính là vấn đề của sự ổn định kích động nhỏ Vấn đề dao động hệ thống điện có thể là ở các khu vực nhỏ hoặc toàn hệ thống[2]

Vấn đề ở khu vực liên quan đến một phần nhỏ của hệ thống Chúng có thể liên quan đến dao động góc roto của một máy phát điện duy nhất hoặc một nhà máy duy nhất so với phần còn lại của hệ thống điện Dao động đó được gọi là chế độ dao

động cục bộ (local area oscillation) Các dao động này thường diễn ra giữa một nhà máy với hệ thống, hoặc giữa các tổ máy trong một nhà máy (intra-plant oscillation)

Thông thường, chế độ nhà máy và chế độ liên nhà máy dao động cục bộ có tần số trong khoảng 0,7-3,0 Hz

Vấn đề ổn định kích động nhỏ toàn hệ thống gây ra bởi sự tương tác giữa các nhóm máy phát điện trên diện rộng Chúng liên quan đến dao động của một nhóm máy phát điện trong một khu vực dao động với một nhóm các máy phát điện trong

khu vực khác Những dao động đó được gọi là chế độ dao động liên khu vực

(inter-area oscillation) Hệ thống kết nối lớn thường có hai hình thức khác nhau của các

dao động liên khu vực[2]:

a) Một chế độ tần số rất thấp liên quan đến tất cả các máy phát điện trong hệ thống Các hệ thống về cơ bản được chia thành hai phần, với máy phát điện trong một phần dao động chống lại các máy trong phần khác Tần số của chế

độ dao động trên là từ 0,1 Hz đến 0,3 Hz

b) Chế độ tần số cao hơn liên quan đến phân nhóm của máy phát điện dao động với nhóm máy khác Tần số của các dao động thường là trong khoảng 0,4-0,7

Hz

1.3 Kiểm soát dao động hệ thống điện

Như minh họa ở trên, dao động hệ thống điện có nhiều chế độ của dao động do rotor máy phát điện quay tương đối với nhau Theo lý thuyết ổn định dao động nhỏ, khi có nhiễu loạn, sự thay đổi trong mô-men điện của một máy đồng bộ,T e,mà ảnh hưởng đến dao động máy, có thể được phân chia thành hai thành phần[2]:

Các thiết bị trong hệ thống điện có khả năng đóng góp vào sự dập tắt của các dao động , bao gồm bộ ổn định hệ thống điện (PSS) , điều chỉnh liên kết HVDC, điều chỉnh SVC, Tụ bù có điều khiển (TCSC), các thiết bị FACTS [3],… Trong việc lựa chọn các thiết bị và biện pháp điều khiển được áp dụng để giảm thiểu dao động

hệ thống điện, lúc đầu ta nên xem xét cẩn thận việc sử dụng điều chỉnh PSS trên các đơn vị phát điện chính bị ảnh hưởng do sự dao động Đó là vì tính hiệu quả và chi phí tương đối thấp của PSS Các thiết bị khác như HVDC, SVC và FACTS cũng có khả năng kiểm điều khiển dập tắt dao động, tuy nhiên chúng được cài đặt chủ yếu trên cơ sở cân nhắc chế độ khác như cải thiện chế độ xác lập, không phải là chỉ sử dụng cho giảm dao động hệ thống [3]

1.4 Mục tiêu của luận văn

Trong bản luận văn này, mục tiêu chính là nghiên cứu hiện tượng dao động công suất trong hệ thống và cách thức chỉnh định các bộ PSS nhằm nâng cao ổn định cho các dao động công suất Phương pháp tiếp cận cơ bản là sử dụng các phương pháp

đã được đề xuất Công cụ mô phỏng được sử dụng trong luận văn là MATLAB/Simpowersystem Mặt khác, để thiết kế chỉnh định thông số cho các bộ PSS, các công cụ khác của MATLAB cũng được sử dụng, bao gồm công cụ nhận dạng (Identification toolbox), và công cụ tích hợp hệ thống điều khiển (Control System Toolbox) Đối tượng áp dụng của luận văn là tính toán giảm dao động công suất cho nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng

1.5 Cấu trúc của luận văn

Chương 2 Trình bày các vấn đề về dao động công suất, các dao động thuộc nhánh dao động nhỏ Các biện pháp nâng cao ổn định dao động công suất Ý tưởng

cơ bản của PSS và phương pháp khác nhau để thiết kế/điều chỉnh PSS sẽ được trình bày Chương này cung cấp các công cụ phân tích cơ bản để phân tích sự ổn định kích động nhỏ và phương pháp thiết kế/điều chỉnh PSS.Các chi tiết trên sử dụng các phương pháp thiết kế, điều chỉnh PSS đề xuất được nêu trong Chương 3

Chương 3 Trình bày các phương pháp chỉnh định PSS Trong chương 3 đề cập

2 phương pháp chỉnh định PSS

- Phương pháp góc bù pha

- Phương pháp dựa trên lí thuyết điều khiển tuyến tính

Cách tiếp cận và thiết kế tổng thể quá trình cơ bản làm nền tảng cho chương trình này, chẳng hạn như cân nhắc các loại PSS khác nhau, xác định vị trí PSS, thiết lập các thông số PSS, logic thiết kế/điều chỉnh PSS, và các công cụ thiết kế/điều chỉnh PSS,… được trình bày trong chương 3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế/điều chỉnh PSS cũng được phân tích

Chương 4 Tính toán và áp dụng cho lưới điện phía Bắc và khu vực Hải Phòng Trong chương này đưa ra sơ đồ mô hình 8 máy phát nhiệt điện xung quanh khu vực Hải Phòng kết nối với lưới Thiết kế bộ PSS phù hợp để đáp ứng sao cho khi có dao động và bộ PSS xử lí để dập tắt dao động nhanh nhất để đưa lưới và các máy phát điện về chế độ ổn định xác lập

CHƯƠNG 2

PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT VÀ ĐIỀU CHỈNH PSS

NHẰM NÂNG CAO ỔN ĐỊNH DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT

2.1 Phân tích dao động công suất trong hệ thống điện

Trong chương 1, vấn đề dao động trong hệ thống điện đã được trình bày 1 cách tóm tắt Trong chương này,các đặc điểm và phương pháp phân tích dao động

hệ thống điện sẽ được trình bày cụ thể hơn

2.1.1 Đặc điểm của dao động công suất trong hệ thống điện

Dưới đây là một số loại dao động hệ thống điện đã được quan sát cho đến ngày nay [3]:

1) Dao động cục bộ hoặc dao động 1 hệ thống máy phát (local, intraplant)

Các chế độ có liên quan đến dao động của tổ máy phát tại một nhà máy điện đối với với phần còn lại của hệ thống điện.Thuật ngữ cục bộ được sử dụng bởi vì các dao động xuất hiện tại một trạm hoặc một phần nhỏ của hệ thống điện.Vấn đề chế độ dao động cục bộ thường gặp nhất trong số các chế độ dao động.Một số vấn

đề là do tác động của tự động điều chỉnh điện áp (AVR) của các nhà máy điện đang phát ra một lượng lớn công suất vào các mạng lưới truyền tải yếu.Vấn đề được quan sát rõ hơn với một hệ thống kích từ phản ứng nhanh [2] Một số yếu tố khác có thể ảnh hưởng xấu đến dao động cục bọ có thể do điều chỉnh không chính xác của bộ điều khiển, chẳng hạn như PSS.Các dao động cục bộ thường có tần số tự nhiên trong khoảng 0,7-3,0 Hz

2) Dao động liên khu vực (inter-area)

Các chế độ có liên quan đến dao động của nhiều máy trong một phần của hệ thống chống lại các máy trong các bộ phận khác.Chúng được gây ra bởi hai hay nhiều nhóm máy cùng được kết nối với nhau bởi các “liên kết” yếu [2] Tần số tự nhiên của các dao động thường là trong khoảng 0,1-1,0 Hz Các đặc tính của chế độ dao

động liên khu vực rất phức tạp và trong một số điểm khác biệt đáng so với chế độ cục bộ [3]

3) Dao động điều khiển

Các chế độ này được sinh ra trong các thiết bị điều khiển như điều khiển SVC, PSS, v.v Trong một vài trường hợp, các dao động này sẽ kích động các phần

tử chính của hệ thống, tạo nên các dao động mất ổn định [2]

4) Dao động xoắn

Các chế độ này được kết hợp với hệ thống các thành phần trục quay tuabin - máy phát điện Bất ổn định của chế độ xoắn có thể được gây ra bởi sự tương tác với điều chỉnh kích từ , bộ điều tốc, điều khiển HVDC, và hàng loạt các tụ bù đường dây

Trong số các loại dao động hệ thống điện, thông thường chế độ liên khu vực

là loại thách thức lớn nhất hiện nay Điều khiển ở chế độ liên khu vực là một quá trình phức tạp kết hợp của nhiều yếu tố.Không chỉ là vị trí của đơn vị, mà còn đặc tính của tải, các trường hợp đặc biệt, có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định của chế độ liên khu vực Hệ thống kích từ và hệ thống điều chỉnh tốc độ cũng có tác động đến chế độ liên khu vực

2.1.2 Phương pháp phân tích của hệ thống điện tuyến tính

Phương pháp phân tích tuyến tính là công cụ cơ bản cho phân tích ổn định nhiễu nhỏ Nó liên quan đến việc xác định các phương thức đặc trưng của một mô hình hệ thống tuyến tính xung quanh một điểm hoạt động cụ thể Các công cụ phân tích hiện có của phương thức phân tích có thể cung cấp cho người dùng khả năng đánh giá sự ổn định hệ thống dao động, xác định vị trí các nguồn của bất kì chế độ dao động nào,và hoặc kiểm soát bộ điều khiển hiện hữu hoặc thiết kế kiểm soát bổ sung để ổn định dao động hệ thống điện [9]

2.1.2.1 Các khái niệm cơ bản

Lý thuyết ổn định kích động nhỏ của hệ thống điện được xây dựng dựa trên giả thiết hệ thống có đáp ứng tuyến tính khi các thông số thay đổi với biên độ nhỏ xung quanh giá trị cân bằng Với giả thiết trên, các quy luật của lý thuyết điều khiển tuyến tính có thể được sử dụng để nghiên cứu sự ổn định kích động nhỏ của hệ thống điện

1 Mô hình tuyến tính của hệ thống điện

Trong các phân tích quá trình động học của hệ thống điện, hệ thống được mô

tả bằng một hệ phương trình vi phân-đại số Dạng chung của hệ phương trình này như sau:

 x là một vector của các biến trạng thái

 v là một vector điện áp của mạng điện

 q là một vector của các nhiễu loạn hoặc kiểm soát đầu vào,

 y là một vector của các kết quả đầu ra theo dõi để kiểm soát hoặc thông tin

 f thể hiện cho đặc tính phi tuyến động của thành phần hệ thống động

 g thể hiện cho phương trình phi tuyến mạng điện

 h thể hiện cho phương trình phi tuyến đầu ra

Trong phương thức phân tích, các phương trình phi tuyến được tuyến tính hóa xung quanh một điểm vận hành bằng cách cắt bớt chuỗi khai triển Taylor của f và g bậc nhất Giả thiết rằng hệ thống đang đạt trạng thái ổn định tại các điểm vận hành cụ

thể của x 0 và v 0 , thì f(x 0, v 0 ) và g(x 0 ,v 0 ) đều bằng không Các phương trình tuyến tính

𝑑(∆𝑥)

𝑑𝑡 = 𝐴𝑞∆𝑥 + 𝐵𝑞𝑣∆𝑣 + 𝐵𝑞𝑞∆𝑞

0 = 𝐶𝑞∆𝑥 + 𝑌𝑛∆𝑣 + 𝑍𝑞∆𝑞 (2-3)

∆𝑦 = 𝐶0∆𝑥 + 𝐾0∆𝑣 Phương trình tuyến tính như trên là điểm khởi đầu của tất cả các phương pháp phân tích hệ thống điện Các phương trình đại số có thể được lược bớt đi bằng phương pháp khử biến, để đưa ra được phương trình trạng thái của hệ thống :

2 Giá trị riêng và vectơ riêng

Bằng cách biến đổi Laplace phương trình (2-4), các phương trình trạng thái trong miền tần số ta được:

s∆𝑥(𝑠) − ∆𝑥(0) = A∆𝑥(𝑠)+ B∆𝑞(𝑠) (2-6)

∆𝑦(𝑠) = C∆𝑥(𝑠)+ D∆𝑞(𝑠) Theo định nghĩa, các giá trị riêng của ma trận A là những giá trị mà

det(A-I)=0 (2-7) Phương trình (2-7) được gọi là phương trình đặc trưng của ma trận A

Kết hợp với mỗi giá trị riêng i là một vector riêng bên phải i và một vector riêng bên trái i thỏa mãn:

Ai=ii và iA=i i (2-8) Đặc điểm của véc tơ riêng là nếu giá trị riêng là khác biệt, véc tơ riêng bên trái và vector riêng bên phải tương ứng với eignevalues khác nhau là trực giao, tức là:

liên quan đến gốc vector riêng x , các biến trạng thái có thể được chuyển

∆𝑥 = 𝑧 (2-12) Chuyển động tự do (dao động riêng) của phương trình đặc trưng (2-4) được cho bởi:

𝑑(∆𝑥)

𝑑𝑡 = 𝐴∆𝑥 (2-13) Thay thế phương trình 2-12 vào phương trình 2-13 ta được:

𝜑𝑑𝑧

𝑑𝑡 = 𝐴𝜑𝑧 (2-14) Phương trình đặc trưng mới có thể được viết lại như sau:

𝑑𝑧

𝑑𝑡 = 𝜑−1𝐴𝜑𝑧 (2-15)

   là một ma trận đường chéo (), trong đó có các giá trị riêng của hệ thống,

và vì vậy phương trình trên trở thành:

𝑑𝑧

𝑑𝑡 = ∆𝑧 (2-16)

3 Trị số đặc trưng và ổn định

Từ ∆ là 1 ma trận đường chéo, các phương trình động học được tách riêng và có thể

được giải quyết riêng Cách giải chung của phương trình ith là:

𝑧𝑖(𝑡) = 𝑧𝑖(0)𝑒i𝑡

(2-17) trong đó zi(0) là giá trị ban đầu của zi từ:

∆𝑥(𝑡) = 𝜑𝑧(𝑡) (2-18)

∆𝑥(𝑡) = ∑𝑛 𝜑𝑖𝑧𝑖(0)𝑒i𝑡

𝑖=1 (2-19) Với điều kiện ban đầu của vector trạng thái x(0)

riêng Các giá trị riêng i có thể là giá trị thực hoặc phức.Đặc tính thời gian đáp

ứng của một chế độ tương ứng với một giá trị riêng iđược cho bởi i t

e Vì vậy, sự

ổn định của hệ thống được xác định bởi giá trị riêng như sau:

 Một giá trị riêng thực tương ứng với một chế độ không dao động (phi chu

kỳ) Giá trị riêng thực âm đặc trưng cho một chế độ tắt dần Lớn hơn độ lớn

của nó, là nhanh tắt dần hơn Một giá trị riêng thực dương đại diện cho mất

ổn định phi chu kỳ [1]

 Giá trị riêng phức tương ứng một cặp nghiệm phức liên hợp, và mỗi cặp tương

ứng một chế độ dao động

Giá trị riêng phức có thể được đại diện với một hình thức chung   j.Do đó, các chế độ dao động có hình thức tương ứng là etsin(  t ), mà đại diện cho một dao động hình sin cho một  âm Các thành phần ảo của giá trị riêng ,, xác định

tần số dao động Tần số (trong Hz) có thể tính bằng

2



 Phần thực của các giá trị riêng,  , quyết định sự ổn định của chế độ Nếu  là âm, biên độ của chế độ tắt dần theo thời gian và hệ thống ổn định Nếu  dương, biên độ của chế độ tăng theo thời gian và hệ thống là không ổn định Khi  = 0, chế độ sẽ dao động với biên độ không đổi Vì vậy, trong phân tích giá trị riêng, sự ổn định hệ thống được đánh giá bằng cách xác định xem liệu tất cả các giá trị riêng có phần thực âm hay không? Nếu giá trị riêng có phần thực dương hoặc bằng không, hệ thống không ổn định [6]

Tỷ lệ giảm dao động (damping factor)   của một chế độ dao động được xác định như sau:

√𝜎 2 +𝜔2 100) (2-22)

Do tỷ lệ giảm dao động xác định tỷ lệ tắt dần biên độ của dao động, nó là một chỉ số định lượng mức độ ổn định của hệ thống Ví dụ, một chế độ dao động với giá trị riêng   0,315  j6, 28 và độ giảm dao động là 5% được thể hiện trong Hình 2.1

và Hình 2.2

Hình 2.1.Vị trí trị số đặc trưng của một chế độ dao động với độ giảm 5%

Hình 2.2 Mô phỏng trong miền thời gian của một chế độ dao động với độ giảm

5%

4 Hệ số tham gia (participation factor)

Từ phương trình 2-11 và 2-12, véc tơ trạng thái x và z có mối quan hệ như sau:

∆𝑥(𝑡) = ∅𝑧(𝑡) = [∅1∅2… ∅𝑛]𝑧(𝑡) (2 − 23) 𝑧(𝑡) = 𝜑∆𝑥(𝑡) = [∅1𝑡∅2𝑡… ∅𝑛𝑡]𝑡𝑧(𝑡) (2 − 24)

Từ phương trình (2-23) , chúng ta thấy rằng vector riêng bên phải i mô tả tương đối hoạt động của các biến trạng thái khi một chế độ đặc biệt được kích thích;

nó thường được gọi là chế độ hình dáng Như đã thấy từ phương trình (2-24) , các vector riêng bên trái i nhận dạng mà kết hợp của các biến trạng thái ban đầu chỉ hiển thị chế độ thứ i.Do đó, vector riêng bên phải kết hợp với một chế độ xác định

sự phân bố tương đối của chế độ trong suốt các trạng thái năng động của hệ thống Trong khi vector riêng bên trái có thể được hiểu là cho các đóng góp của các trạng thái trong một chế độ

Tuy nhiên, một vấn đề trong việc sử dụng vector riêng bên phải và trái riêng cho xác định các mối quan hệ giữa các trạng thái và các chế độ là các yếu tố của vector riêng phụ thuộc vào đơn vị Giải pháp cho vấn đề này, một ma trận được gọi

là hệ số tham gia (P) được định nghĩa là một thước đo của mối liên hệ giữa các biến trạng thái và chế độ Cho chế độ thứ i , mỗi phần tử p ki của P là nhân tố của vector riêng bên phải và vector riêng bên trái, được thể hiện như sau:

𝑝𝑘𝑖 = ∅𝑘𝑖𝜑𝑘𝑖 (2 − 25)

∑ 𝑝𝑘𝑖 = 1 𝑛

𝑖=1

(2 − 26)

Kết quả là, p ki là một thước đo của sự tham gia tương đối của bảng thứ biến trạng thái trong chế độ thứ i, và ngược lại p ki cũng bằng sự nhạy cảm của i eigenvalue đến a kkyếu tố đường chéo của ma trận trạng thái A Các yếu tố tham gia thường biểu hiện của sự tham gia tương đối của các trạng thái tương ứng trong chế độ đó

Từ mô tả ở trên, ta thấy rằng việc phân tích phương thức dựa trên giá trị riêng kỹ thuật là rất thích hợp cho việc phân tích các vấn đề liên quan đến giảm dao động giảm Các ưu điểm của phương pháp này là:

1 Tất cả các chế độ được phân chia rõ ràng và xác định bởi các giá trị riêng tương ứng

2 Hình thức và mối quan hệ giữa các chế độ khác nhau và các biến của hệ thống hoặc các thông số có thể dễ dàng xác định được bằng cách sử dụng vector riêng hoặc các hệ số tham gia

3 Đáp ứng tần số, điểm cực và điểm không, và các đặc trưng khác của hệ thống

có thể được xác định, làm cơ sở phân tích các bộ điều khiển nâng cao ổn định

2.1.2.2 Phân tích dao động hệ thống điện bằng mô phỏng phi tuyến

Vấn đề dao động trong hệ thống thường được nghiên cứu sử dụng mô phỏng phi tuyến trong miền thời gian Tuy nhiên, phương pháp này có một số nhược điểm như sau:

1) Việc sử dụng đáp ứng thời gian để phân tích giảm các dao động cho các chế

độ khác nhau của dao động có thể gây ra nhầm lẫn Sự lựa chọn các nhiễu loạn và việc lựa chọn biến để quan sát thời gian đáp ứng là rất quan trọng Các nhiễu loạn có thể không kích thích được chế độ dao động cần quan tâm Nhìn chung, cần mô phỏng HTĐ với nhiều kích động khác nhau để có thể nhận biết được hết các chế độ dao động

2) Để có được một dấu hiệu rõ ràng của các dao động kém ổn định (biên độ không giảm hoặc tăng dần theo thời gian), cần thiết phải thực hiện các mô phỏng với thời gian dài, làm tăng thời gian tính toán

3) Kiểm tra trực tiếp thời gian đáp ứng không đủ cung cấp cho ta cái nhìn sâu sắc về bản chất cấu trúc của vấn đề ổn định dao động: Dao động gồm những máy phát nào tham gia? Tín hiệu điều khiển nào sẽ có thể sử dụng để điều khiển một dao động cần quan tâm?

So với các mô phỏng trong miền thời gian, phương thức phân tích dựa trên nghiệm riêng là phù hợp hơn cho nghiên cứu các vấn đề liên quan đến dao động Với phương pháp này , tất cả các chế độ được xác định rõ ràng và các chế độ kém

ổn định là dễ dạng xác định được, bằng cách vẽ tất cả các nghiệm trên mặt phẳng phức Phương pháp quỹ tích cho phép đánh giá toàn diện ảnh hưởng của việc thay đổi hệ số khuếch đại của một bộ điều khiển lên toàn bộ các chế độ dao động trong

hệ thống Các véc tơ riêng cho phép đánh giá được các máy phát tham gia trong cùng một chế độ dao động …

Tuy nhiên, sau khi thu được một giải pháp nhờ sử dụng phương thức phân tích, tuyến tính, hiệu quả của bộ điều khiển cần được kiểm tra bằng cách mô phỏng trong miền thời gian để xác minh tính hiệu quả của các giải pháp

2.2 Nâng cao ổn định dao động nhỏ với PSS

Bắt đầu từ cuối năm 1950 và đầu những năm 1960, hầu hết các nhà máy điện mới đã bổ sung vào hệ thống điện của mình bộ điều chỉnh điện áp Các nhà máy và người vận hành đã phát hiện ra một thực tế rằng việc sử dụng các bộ AVR có hệ số khuếch đại lớn và đáp ứng nhanh có thể có một tác động bất lợi đến ổn định dao động của hệ thống điện Dao động cường độ nhỏ và tần số thấp thường kéo dài trong một thời gian khá dài và trong một số trường hợp giới hạn khả năng truyền tải công suất Do đó PSS đã được phát triển để hỗ trợ trong việc giảm các dao động thông qua điều chỉnh kích từ của máy phát điện [2]

Như đã được nói đến trong Chương 1, để giảm thiểu dao động hệ thống điện,

có thể sử dụng PSS như một bộ điều khiển giảm dao động là giải pháp kinh tế hơn việc thêm vào một bộ điều khiển điều chế hoặc các thiết bị bổ sung như SVC, HVDC hoặc FACTS Kể từ khi giới thiệu lần đầu tiên, PSS đã chứng tỏ là một giải pháp rất hấp dẫn và thường được chấp nhận đến vấn đề dao động điện

2.2.1 Cơ sở lý thuyết của PSS

Các chức năng cơ bản của PSS là thêm vào hệ thống AVR một kênh điều khiển phụ để giảm các dao động của Roto máy phát điện Để hỗ trợ cho việc giảm dao động, các bộ ổn định phải tạo ra một thành phần của mô-men điện đồng pha với

độ lệch tốc độ rotor [2].Cơ sở lý thuyết cho bộ PSS có thể được minh họa với sự trợ giúp của khối sơ đồ thể hiện trong hình 2.3

Hình 2.3 Cơ sở lý thuyết cho bộ PSS dưới dạng sơ đồ khối

PSS cung cấp một tín hiệu đầu vào bổ sung cho AVR để giảm dao động hệ thống điện Thông thường, PSS sử dụng tín hiệu đầu vào là tốc độ quay rotor, tần số và công suất đầu ra máy phát Vì mục đích của một PSS là để tạo ra một thành phần giảm mô-men dao động, theo phương trình (1-1), và tín hiệu này cần phải đồng pha với , việc sử dụng độ lệch  làm tín hiệu đầu vào là giải pháp thông dụng nhất

Trong trường hợp lý tưởng, PSS sẽ cho hiệu ứng giảm dao động trong toàn

bộ dải tần số [2] Tất nhiên để đạt được đặc tính pha như vậy, hàm truyền của PSS cần có bậc rất cao Vì vậy trên thực tế, PSS thường được chỉnh định để bù pha hiệu quả ở khoảng tần số có xảy ra dao động

Trong hình 2.3, nếu trễ pha của kích từ và máy phát điện được bỏ qua, tín hiệu phản hồi trực tiếp của  sẽ cho kết quả trong một giảm dao động thành phần mô-men xoắn Tuy nhiên, trong thực tế, cả máy phát điện và các kích từ đều tạo ra những trễ pha nhất định Vì vậy, việc hàm truyền PSS cần phải có sự điều chỉnh pha thích hợp để bù đắp cho sự trễ pha giữa các kích thích đầu vào Vref và mô-men xoắn điện T e Độ trễ pha này là thông số đầu vào quan trọng cho việc tính toán chỉnh định PSS Nó có thể thu được bằng cách phân tích các đáp ứng tần số của T e dưới

sự thêm vào của một nhiễu loạn trong đầu vào kích thích Vref

2.2.2 Đặc điểm và phân loại PSS

PSS có thể được phân thành bốn loại sau đây theo các tín hiệu đầu vào khác nhau a) Đầu vào tốc độ

PSS dựa trên tín hiệu tốc độ đầu trục đã được sử dụng thành công trên các thiết bị thủy lực kể từ giữa những năm 1960 Tuy nhiên, tốc độ đầu vào PSS có những hạn chế [6] :

1 Ổn định tốc độ đầu vào, một mặt làm giảm dao động điện cơ, nhưng mặt khác

có thể kích động các dao động xoắn trên trục tuabin (ở tần số trên 10Hz) Như vậy, cần thiết kế PSS sao cho dao động xoắn không thể được kích thích Thông thường, người ta có thể sử dụng thêm các bộ lọc để loại thành phần dao động xoắn khỏi tín hiệu tốc độ, trước khi đưa vào PSS

2 Việc sử dụng các bộ lọc xoắn luôn luôn sinh ra một sự trễ pha trong quỹ đạo

ổn định Điều này có tác dụng giảm giá trị tối đa có thể sử dụng khuếch đại

ổn định

3 Các bộ ổn định phải được tùy chỉnh thiết kế cho từng loại máy phát tùy thuộc vào đặc điểm xoắn của chúng [2]

b) Đầu vào công suất

Bộ PSS sử dụng đầu vào công suất được thiết kế dựa trên đặc điểm của phương trình chuyển động quay rotor, có dạng sau:

 là công suất tăng thêm,

H là hắng số quán tính của máy phát,

m

P là công suất cơ,

e

P là cống suất điện

Như vậy, theo phương trình 2-27 , khi đầu vào của PSS là công suất, P e hoặc

a

P

 , nó cần phải được chuyển đổi thành một tốc độ đầu vào tương đương eq bằng cách sử dụng một phép tích phân Trong một số trường hợp, bộ tích hợp có thể được thay thế bằng một khối lag với hàm truyền như sau:

w w

( )1

c) Đầu vào tần số [8]

Độ lệch tần số nút có thể được sử dụng trực tiếp như là tín hiệu đầu vào của ổn định bởi vì nó gần với độ lệch tốc độ rotor Mặc dù được ứng dụng rộng rãi, ổn định dựa trên tần số vẫn bị một số hạn chế:

1 Tín hiệu tần số đo tại các đầu của các tổ máy nhiệt điện chứa các thành phần xoắn Về mặt này, ổn định dựa trên tần số có những hạn chế tương tự là ổn định tốc độ đầu vào

2 Các tác động đóng cắt trong hệ thống tạo nên các đáp ứng quá độ về tần số,

và sẽ được thể hiện ra trong đáp ứng của bộ PSS

3 Các tín hiệu tần số thường có cả các nhiễu trong hệ thống điện gây ra bởi các phụ tải công nghiệp lớn như lò hồ quang

4 Đầu vào tần số nhìn chung chứa ít thông tin về các dao động cục bộ hơn đầu vào tốc độ Đặc điểm này là do tần số của hệ thống điện thường mang tính toàn hệ thống

Hình 2.4 Mối quan hệ giữa công suất cơ và công suất điện mô tả ở sơ đồ khối

Hoạt động của bộ ổn định này dựa trên việc áp dụng sự biến đổi tín hiệu đo đến một tín hiệu công suất điện và tốc độ đầu vào để chúng có thể kết hợp và lấy được một tín hiệu tỉ lệ với công suất cơ của đơn vị, được thể hiện trong phương trình sau

2Hs P m   2Hs P e

(2-30)

Thông thường, sự thay đổi công suất cơ là khá chậm so với dao động điện Chính vì điều này công suất cơ có nguồn gốc tín hiệu từ phương trình (2-30) có thể được giới hạn trong 1 dải sử dụng một bộ lọc thông thấp qua G (s) mà không ảnh hưởng đến trạng thái của tín hiệu đầu ra của nó cho các biến động bình thường Lọc như vậy để phục vụ việc loại bỏ các tần số cao hơn không mong muốn liên quan đến nhiễu đo lường hoặc tần số dao động xoắn từ tín hiệu tốc độ đầu vào  Do đó, tốc độ trục đầu vào tín hiệu không cần phải được xử lý một cách riêng biệt để loại

bỏ các thành phần xoắn, vì nó đã đi qua một bộ lọc thông thấp G (s), khi tín hiệu

được kết hợp với các tín hiệu điện được tích hợp 1

Các thiết kế điều chỉnh thông số của PSS phải đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau đây:

1 PSS phải hoạt động với một độ tin cậy cao khi cấu trúc của hệ thống và chế

độ làm việc có những thay đổi thường gặp trong quá trình vận hành PSS cần được kiểm tra với nhiều chế độ vận hành có thể xảy ra khác nhau nhằm đảm bảo độ tin cậy

2 PSS cần góp phần vào việc giảm dao động của chế độ dao động điện-cơ, mà không ảnh hưởng xấu đến các quá trình khác của hệ thống (ví dụ quá trình dao động xoắn, hoặc quá trình điều khiển điện áp trong chế độ xác lập của bộ AVR

3 Phối hợp với các thiết bị bảo vệ và điều khiển khác: Việc thiết kế và điều chỉnh của PSS nên được phối hợp với những bộ điều khiển và hệ thống bảo

vệ khác để không có tương tác bất lợi với chúng

Cấu trúc điển hình của một PSS thường được thể hiện trong hình 2.6 Nó chủ yếu bao gồm một khâu “washout”, khâu khuếch đại, khâu giới hạn, và hai hoặc ba giai đoạn của khâu bù, bình thường trong các hình thức đầu tiên là lead/lag PSS sử dụng chức năng lead/lag để cung cấp yêu cầu về bù pha Đầu ra của PSS được thêm vào đầu vào AVR để tổng hợp tín hiệu Khối lọc không phải lúc nào cũng là cần thiết

Hình 2.6 Cấu trúc điển hình của một bộ PSS

Dựa trên cấu trúc của PSS thường, có một số cân nhắc chung để xác định tham số PSS để tăng cường sự ổn định chung của hệ thống điện

a) Bù pha:

Yêu cầu bù sớm pha (phase-lead) của PSS là để bù đắp sự trễ pha giữa đầu vào

kích từ và đáp ứng mô-men điện Đây là khâu quan trọng nhất trong hàm truyền của

bộ PSS, vì góc pha cần bù phải được xác định một cách hợp lý, đảm bảo PSS làm việc tin cậy với nhiều chế độ vận hành khác nhau

PSS thường được yêu cầu để nâng cao việc giảm dao động của một trong hai chế

độ dao động cục bộ hoặc liên khu vực Bù pha làm góp phần giảm dao động của cả hai chế độ dao động

Đặc tính bù pha thu được từ nhận dạng đáp ứng tần số của máy phát, khi có các

kích động từ tín hiệu đặt của điện áp V ref Do cấu trúc và số bậc là hữu hạn, không

thể thực hiện được bù pha một cách tuyệt đối Người thiết kế có thể lựa chọn bù pha thiếu (tạo ra góc sớm pha nhỏ hơn cần thiết) hoặc bù pha thừa Theo tài liệu tham khảo [2], việc bù pha thiếu thường được sử dụng, vì bên cạnh nâng cao ổn định của các dao động, bù pha thiếu còn có tác dụng nâng cao mô men đồng bộ của hệ thống

ở một mức độ nhất định

b) Khối vào “washout”:

Việc thực hiện vật lý của khối “washout” được đặc trưng bởi các chức năng thể hiện trong các hình thức sau đây

w w

( )1

Tw có thể được điều chỉnh trong phạm vi tương đối rộng (từ 2-10s)

Lưu ý rằng một Tw tương đối nhỏ có thể làm tăng góc sớm pha của PSS ở tần

số thấp Việc này dẫn đến “quá bù” ở tần số thấp, kết quả làm giảm mô men đồng

dụng phương pháp quỹ đạo nghiệm số (hoặc thử nghiệm nếu PSS được chỉnh định bằng thực nghiệm), sau khi các thông số về bù pha đã được xác định

bù là

𝐺𝑐(s)= G (s)

1 + G (s)H (s) (3-1) Các điểm không của 1 + G (s)H (s), tức là nghiệm của phương trình đặc trưng,

là điểm cực của hệ kín

Hình 3.1 Hàm truyền của vòng lặp hệ hở

Hình 3.2 Đồ thị giá trị nghiệm riêng

Giả sử rằng một giá trị riêng của hệ hở,, sẽ được chuyển sang một mới vị trí khác trong miền là 0, (xem Hình 3.2), 0 phải thỏa mãn các đặc trưng của phương trình hệ kín Do đó,

|H(0)| = -1

|G(0)| (3-2) Công thức trên có thể được viết lại dưới dạng biên độ và góc pha như sau:

|𝐻(0)| = 1

|𝐺(0)| (3-3) arg(H(0)=180 - arg(G(0) (3-4)

Như vậy, biên độ và góc pha của bộ điều khiển tại 0 có thể được tính từ biên độ và góc pha của hệ thống tại 0, dựa trên đáp ứng tần số phức tạp của hệ thống tại vị trí điểm cực mới Vị trí cực mới được lựa chọn để đáp ứng các yêu cầu

về giảm dao động

Mặc dù phương pháp xác định áp đặt vị trí điểm cực cho phép di chuyển nghiệm riêng đến vị trí mong muốn, về mặt bản chất, nó đòi hỏi bộ điều khiển phải nắm rõ được quá trình động học của hệ thống cần điều khiển (nghiệm ban đầu) Đây

là điều ít khả thi do đặc tính bất định của các tham số hệ thống cũng như các thay