Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống kích từ có PSS (power system stabilizer) đến ổn định của hệ thống điện

Đào Duy Yên Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 67 - 72 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG KÍCH TỪ CĨ PSS (POWER SYSTEM STABILIZER) ĐẾN ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN Đào Duy Yên*, Trương Tuấn Anh, Trần Đức Quỳnh Lâm Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp - ĐH Thái Ngun TĨM TẮT Sự ổn định Hệ thống điện thường phụ tải hệ thống thay đổi, cơng suất làm việc máy phát điện cần phải thay đổi theo Khi có sụt áp điện kháng trong, điện áp đầu cực máy phát điện bị biến thiên lệch khỏi trị số định mức Nếu biện pháp điều chỉnh, độ lệch đáng kể làm ảnh hưởng đến chất lượng điện Để đảm bảo cho hệ thống điện làm việc tốt cần phải loại bỏ làm suy giảm tới mức tối thiểu nhiễu loạn hệ thống Bài báo tác giả đề xuất phương án nghiên cứu sử dụng hai loại hệ thống kích từ hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều hệ thống kích từ tĩnh có xét đến ổn định công suất PSS2A để nâng cao chất lượng điện áp, cơng suất máy phát nâng cao tính ổn định hệ thống điện Các kết mô cho thấy hệ thống đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đặt có tính khả thi áp dụng thực tế Từ khoá: Ổn định, Hệ thống điện,Hệ thống kích từ, PSS ĐẶT VẤN ĐỀ* Chế độ q độ xảy q trình khởi động nối máy phát điện vào làm việc với lưới điện Khi máy phát điện làm việc chế độ độ làm chất lượng điện giảm Nếu khơng khống chế kịp thời gây nên phá hủy máy phát Thông thường thời gian độ máy phát điện đòi hỏi phải tắt nhanh biên độ dao động trình độ phải nằm phạm vi cho phép Đặc biệt trường hợp cố (ngắn mạch), cần có phận để cưỡng dòng kích thích đảm bảo điện áp lưới ổn định Do vấn đề điều chỉnh tự động dòng kích từ có vai trò quan trọng Thiết bị kích từ ban đầu cung cấp dòng kích từ định mức thích hợp, đảm bảo chắn ổn định phát xung mở cấu chỉnh lưu thyristor Thiết bị cho phép kích hoạt thiết bị kích thích từ nguồn tạm thời bên ngồi với cơng suất dòng kích từ liên tục tới 1,2 lần cơng suất định mức điều chỉnh liên tục với bước điều chỉnh 10% đến 100% điện áp đầu cực máy phát, để kiểm sốt bão hòa máy phát thử nghiệm đặc tính trở kháng thời gian vận hành Để tự động điều chỉnh dòng kích từ máy phát * Tel: 0983214112; Email: duyyen_ktcn@yahoo.com điện đồng bộ, người ta sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh kích từ có phận điều khiển thiết bị tự động điều chỉnh điện áp (AVR - Automatic Voltage Regulator) Thiết bị có nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu cực máy phát khơng đổi (với độ xác đó) phụ tải thay đổi nâng cao giới hạn công suất truyền tải máy phát vào hệ thống lưới điện Đặc biệt máy phát nối với hệ thống qua đường dây dài Trong báo tác giả đề xuất sử dụng hai loại hệ thống kích từ hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều hệ thống kích từ tĩnh có xét đến ổn định cơng suất PSS2A để nâng cao tính ổn định hệ thống ỔN ĐỊNH CÁC TÍN HIỆU NHỎ VÀ BỘ ỔN ĐỊNH CƠNG SUẤT PSS Các loại dao động tín hiệu nhỏ Có ba loại dao động thử nghiệm với máy phát lưới điện, bao gồm: - Dao động máy phát làm việc song song: Những dao động liên quan đến hai nhiều máy đồng nhà máy điện nhà máy điện gần Các máy quay với nhau, với tần số dao động khoảng 1,5 đến Hz - Các dao động cục bộ: Những dao động thường liên quan đến nhiều 67 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Đào Duy Yên Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ máy đồng trạm điện quay với so với hệ thống điện lớn hay trung tâm tải Tần số dao động khoảng 0,7 đến Hz Những dao động gây khó khăn nhà máy tải cao với hệ thống đường truyền điện kháng cao - Các dao động liên khu vực: Những dao động thường liên quan đến việc kết hợp nhiều máy phần hệ thống điện máy phần khác hệ thống điện Tần số dao động liên khu vực thường dải nhỏ 0,5 Hz Các hệ thống kích từ cài đặt để hỗ trợ việc nâng cao ổn định tức thời tạo loại dao động Những hệ thống phát thay đổi điện áp thay đổi tải lên đến 10 lần nhanh so với hệ thống trước Do vậy, dao động nhỏ máy phát điện làm cho hệ thống kích từ khắc phục Tuy nhiên, độ tự cảm cao máy phát, tỉ lệ dòng điện thay đổi hạn chế Điều coi tượng “trễ” chức điều khiển Do đó, từ phát thay đổi mong muốn tới phận thiết bị, trễ thời gian điều khơng thể tránh khỏi Trong q trình trễ này, tình trạng hệ thống dao động thay đổi, tạo nên điều chỉnh kích từ Kết hệ thống kích từ có xu hướng chậm sau nhu cầu thay đổi, trợ giúp đặc trưng dao động cố hữu máy phát kết nối với lưới điện Một giải pháp để nâng cao chất lượng hệ thống hệ thống lớn nói chung phải thêm đường truyền song song để giảm điện kháng máy phát trung tâm phụ tải Giải pháp tiếng thường khơng thể chấp nhận chi phí cao xây dựng đường truyền tải Một giải pháp thay ổn định cơng suất (PSS) hoạt động thông qua điều chỉnh điện áp Đầu kích từ điều chỉnh để cung cấp mômen hãm cho hệ thống Bộ ổn định công suất (PSS) PSS thiết bị tăng mômen hãm dao động điện máy phát 106(06): 67 - 72 Khi bị tác động thay đổi đột ngột điều kiện vận hành, tốc độ công suất mát phát thay đổi xung quanh điểm vận hành trạng thái ổn định Mối quan hệ đại lượng diễn tả công thức đơn giản sau: 2H d δ =M m -M e -M c ωo dt Trong đó: + ω: Tốc độ góc rơtor (tốc độ góc ban đầu ω0 = 377 rad/s) + Mm: Mômen máy phát + Me: Mômen điện từ máy phát + Mc: Mômen hãm + H: Hằng số quán tính máy phát đồng PSS thiết bị làm thay đổi ngắn hạn công suất điện phát máy phát Các kích thích có tốc độ phản ứng nhanh kèm với tự động điều chỉnh điện áp (AVR) có hệ số khuếch đại cao cưỡng để tăng hệ số đồng mômen máy phát (MS), kết cải thiện giới hạn ổn định ngắn hạn ổn định trạng thái tĩnh MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ, MƠ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Máy phát điện đồng Máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay rơtor n tốc độ quay từ trường n1 gọi máy phát điện đồng Máy phát điện đồng nguồn điện lưới điện cơng nghiệp, động sơ cấp tuabin hơi, tuabin khí tuabin nước Theo tài liệu [9] cho dòng điện kích từ chiều vào dây quấn kích từ tạo nên từ trường rôto Khi quay rôto động sơ cấp, từ trường rôto cắt qua dây quấn phần ứng stato cảm ứng điện động xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng là: E0 = 4,44.f.W1.Kdq.Φ0 Trong đó: + E0: Sức điện động pha + W1: Số vòng dây quấn pha + Kdq: Hệ số dây quấn + Φ0: Từ thông cực từ rơto 68 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Đào Duy Yên Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Mơ hình tốn học máy phát điện đồng - Phương trình máy điện hệ trục ba pha: [ Lss ]  LA  = M BA   M CA M AB LB M CB M AC  M BC  LC  ma trận tự cảm pha stato [ Lrr ] Lf  =  M rdf 0  M frd Lrd 0    Lrq  106(06): 67 - 72 CẤU TRÚC HỆ THỐNG KÍCH TỪ CĨ XÉT ĐẾN BỘ ỔN ĐỊNH CƠNG SUẤT PSS2A Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao Hệ thống gọi AC - Exciter loại static diod Trong máy phát điện xoay chiều tần số cao chế tạo theo kiểu cảm ứng, cuộn dây kích từ đặt phần tĩnh rơto khơng có cuộn dây Do kết cấu rãnh rơto mà quay làm cho từ thông thay đổi ma trận độ tự cảm pha rôto [ M sr ] , [ M rs ] : ma trận độ cảm ứng tương hỗ mạch stato với rôto ngược lại  M Af  [ M rs ] = [ M sr ] =  M Bf M  Cf M Ard M Brd M Crd M Arq   M Brq  M Crq  - Phương trình máy điện đồng viết hệ trục vng góc, phương trình stato: d d   U d = -U s d = -R I d + d t ψ d + ψ q d t γ  d d  ψ q +ψ d γ  U q = -U s q = -R I q + dt dt  d   U = -U s o = -R I o - d t ψ o  Phương trình rôto: d   U f = R fIf + dt ψ f  d  ψ rd  = R rd I rd + d t  d   = R rq I rq + d t ψ rq  Hình Hệ thống kích từ máy phát điện xoay chiều tần số Hệ thống kích từ tĩnh (Static Exciter) Các hệ thống kích từ trình bày có điểm chung thời gian tác động lớn (hằng số thời gian kích từ Te lớn quán tính điện từ máy phát kích thích) Đây nhược điểm khiến cho yêu cầu kĩ thuật chất lượng điện tính ổn định hệ thống khó đảm bảo Giải pháp cho vấn đề phải làm cho tín hiệu điều chỉnh tự động tác động trực tiếp vào điện áp kích từ, nhờ số thời gian Te giảm xuống: - Phương trình máy điện đồng hệ đơn vị tương đối:  p ψ d + ψ d p γ - r i d = u d = - u sd  ψ p γ + p ψ - ri = u = - u q q q sq  d  T d0 p ψ f + i f = T d0 p ψ f + e af = u f  T pψ rd + i rd = T d p ψ f + e rd =  rd  T rq p ψ rq + i rq = T rq p ψ rq + e rq =   T j p γ + ( ψ d i q + ψ q i d ) = m m Hình Hệ thống kích từ tĩnh 69 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Đào Duy Yên Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Ramp-tracking Filter D E n + St High-pass Filters speed s t w1 + s t w1 1 + st s t w2 + s t w2 C 106(06): 67 - 72 Stabilizer Gain&Phase Lead G k s1 m I output + St + St + St 1 + St ( + St 9) Limits v s t max v s t k s3 High-pass Filters power s t w3 + s t w3 k s2 + st s t w4 + s t w4 Hình Bộ ổn định cơng suất dựa vào tín hiệu tốc độ PSS2A Phân tích thành phần mơ hình PSS2A Tín hiệu tốc độ Tốc độ trục đo trực tiếp, thu tần số tín hiệu điện áp bù xuất phát từ cực máy VT CT điện áp dòng điện thứ cấp Nếu đo trực tiếp, tốc độ trục thường lấy từ cực từ bố trí bánh Trên máy phát turbo cực ngang, hoạt động 1800 vòng/phút 3600 vòng/phút, thơng thường có sẵn nhiều bánh cấp sẵn với mục đích đo tốc độ điều khiển s t w1 s t w2 + s t w1 + s t w2 Tín hiệu cơng suất điện phát High-pass Filters &Intergrator power s t w3 s t w4 + s t w3 + s t w4 k s2 + st Hình Khâu lọc cao tần qn tính bậc Tín hiệu cơng suất Hình Khâu lọc cao tần Ramp-tracking Filter + St n m ( + St 9) Hình Bộ lọc thành phần xoắn KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Cấu hình hệ thống mơ Hình Sơ đồ mô hệ thống Matlab - Simulink 70 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Đào Duy Yên Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 106(06): 67 - 72 Kết mơ với hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều Hình 12 Đáp ứng điện áp kích từ có PSS khơng có PSS Hình Điện áp đầu cực máy phát Hình 13 Sai lệch góc delta Hình Đáp ứng điện áp kích từ có PSS khơng có PSS Hình 10 Sai lệch góc delta Kết mơ với hệ thống kích từ tĩnh Hình 11 Điện áp đầu cực máy phát NHẬN XÉT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG - Điện áp đầu cực máy phát: So sánh điện áp đầu cực máy phát dùng hai loại kích từ kích từ tĩnh kích từ dùng máy phát điện xoay chiều (có PSS) ta thấy mức độ dao động thời gian ổn định điện áp dùng kích từ tĩnh nhỏ nhanh dùng kích từ dùng máy phát điện xoay chiều - Đáp ứng điện áp kích từ có PSS khơng có PSS: Đáp ứng điện áp kích từ có PSS khơng có PSS ta thấy kích từ tĩnh biên độ dao động thời gian dao động nhỏ ngắn so với kích từ dùng máy phát điện xoay chiều - Sai lệch góc delta: Sai lệch góc delta thời gian sai lệch trường hợp dùng kích từ tĩnh nhỏ so với kích từ dùng máy phát điện xoay chiều KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Lựa chọn tối ưu hệ thống kích từ cho máy phát việc quan trọng, xét thêm ổn định công suất PSS2A Các kết mô hệ thống phần mềm Simulink cho thấy tính đắn thiết kế nhằm nâng cao tính ổn định HTĐ Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp nâng cao ổn định HTĐ có xét đến ổn định cơng suất PSS4B 71 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Đào Duy Yên Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Công Hiền, Hệ thống cung cấp điện, Nxb Khoa học Kỹ thuật [2] Trần Quang Khánh (2004), Vận hành hệ thống điện, Nxb Khoa học Kỹ thuật [3] Lã Văn Út (2001), Phân tích điều khiển ổn định hệ thống điện, Nxb Khoa học Kỹ thuật [4] Phạm Văn Bình, Máy điện tông quát, Nxb Giáo dục [5] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink, Nxb Khoa học Kỹ thuật [6] Quách Đình Dũng (2008), Nghiên cứu ứng dụng DPS cho hệ điều khiển điện áp nhà máy điện, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, ĐH Bách Khoa Hà Nội 106(06): 67 - 72 [7] E.V Larsen, and D.A Swann, “Applying power system stabilizers, part I; general concepts” vol PAS-100, 1981 [8] P.Kundur, G.J.Rogers, “Application of power system stabilizers for enhancement of overall system stabilyti” vol.4,pp.614-626 [9] R.A Lawson, D.A Swann, and G.F Wright, “Minimization of Power System Stabilizer Torsional Interaction on Large Turbine Generators” IEEE Trans PAS, Vol.97, Feb 1978, pp 183 - 190 [10] IEEE Std.421.5-1992, IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies SUMMARY A STUDY TO THE INFLUENCE OF EXCITATION SYSTEM USING POWER SYSTEM STABILIZER TO THE STABLITY OF POWER SYSTEM Dao Duy Yen*, Truong Tuan Anh, Tran Duc Quynh Lam College of Technology - TNU Instability of a power system can be caused by the variation of loads, this leads to changes of generator’s power Due to impedance drops, terminal voltages of generator are varied which, in some cases, are out of the rated value If no effective regulation is applied, the this variation can affect to the power quality In order to maintain the power system to work well, then system disturbance must be eliminated or minimized This paper proposes a method to use two different excitation systems which are AC generator based and static based excitation systems with the utilization of power system stabilizer PSS2A This proposed method can improve voltage quality, generator capacity and stability of power system Simulation results show that the power system can meet the technical requirements and the designed method can be feasible in reality Key words: Stability, power system, excitation system, PSS Ngày nhận bài: 20/3/2013; Ngày phản biện: 31/5/2013; Ngày duyệt đăng: 26/7/2013 * Tel: 0983214112; Email: duyyen_ktcn@yahoo.com 72 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... Đáp ứng điện áp kích từ có PSS khơng có PSS: Đáp ứng điện áp kích từ có PSS khơng có PSS ta thấy kích từ tĩnh biên độ dao động thời gian dao động nhỏ ngắn so với kích từ dùng máy phát điện xoay... với hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều Hình 12 Đáp ứng điện áp kích từ có PSS khơng có PSS Hình Điện áp đầu cực máy phát Hình 13 Sai lệch góc delta Hình Đáp ứng điện áp kích từ có PSS. .. hai loại kích từ kích từ tĩnh kích từ dùng máy phát điện xoay chiều (có PSS) ta thấy mức độ dao động thời gian ổn định điện áp dùng kích từ tĩnh nhỏ nhanh dùng kích từ dùng máy phát điện xoay