Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ban giám hiệu nhà trường, các thầy cô củatrường, các thầy cô của khoa Điện – Điện tử, và đặc biệt là quý thầy cô của bộ môn Hệthống điện của trường đại học Bách Khoa TP. HCM đã tận tình chỉ dạy, đã truyền đạtcho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian em được học tập tại trường.Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ban giám hiệu nhà trường, các thầy cô củatrường, các thầy cô của khoa Điện – Điện tử, và đặc biệt là quý thầy cô của bộ môn Hệthống điện của trường đại học Bách Khoa TP. HCM đã tận tình chỉ dạy, đã truyền đạtcho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian em được học tập tại trường.
Trang 1LỜI CẢM ƠNĐược sự phân công của bộ môn Hệ thống điện, Khoa Điện – Điện tử trường đạihọc Bách Khoa TP HCM và sự đồng ý của thầy Đặng Tuấn Khanh, em thực hiện đềtài luận văn tốt nghiệp: “Phân tích ổn định hệ thống điện mạng IEEE 9 nút bằng phầnmềm ETAP”.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ban giám hiệu nhà trường, các thầy cô củatrường, các thầy cô của khoa Điện – Điện tử, và đặc biệt là quý thầy cô của bộ môn Hệthống điện của trường đại học Bách Khoa TP HCM đã tận tình chỉ dạy, đã truyền đạtcho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian em được học tập tại trường
Em đặc biệt gửi lời cảm ơn đến thầy Đặng Tuấn Khanh đã tận tình chỉ dạy,hướng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất cho em để hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp.Thầy đã tổng hợp những kiến thức cơ bản cũng như những kiến thức nâng cao, bổsung vào những khuyết điểm và cung cấp những tài liệu quý báu cho em Thầy đãdành rất nhiều thời gian và động viên em trong suốt thời gian qua Sự hỗ trợ của thầy
đã giúp em rất nhiều để có thể hoàn thành bài tốt nghiệp
Khi thực hiện bài tốt nghiệp, em đã cố gắng tham khảo các tài liệu nước ngoàilẫn trong nước, phân tích các kết quả đạt được để đưa ra những kết luận tốt nhất.Nhưng do tài liệu và thời gian có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, do đó
em kính mong quý thầy cô có những góp ý cho đề tài tốt nghiệp lần này của em.Những góp ý của quý thầy cô sẽ là kiến thức cần thiết cho việc học tập cũng như côngviệc sau này của em
Tp HCM ngày tháng năm 2016
Sinh viên thực hiện: HOÀNG MINH TRIẾT
Trang 2TÓM TẮT NỘI DUNG CÁC CHƯƠNG
- CHƯƠNG 1: Lịch sử phát triển của hệ thống điện, giới thiệu về tình hình hiện tạicủa hệ thống và các khái niệm về ổn định hệ thống điện
- CHƯƠNG 2: Tìm hiểu mô hình, các phương trình mô tả các phần tử của hệthống dùng để giải và phân tích ổn định, bao gồm: mô hình máy phát, bộ điềuchỉnh kích từ, bộ điều tốc, bộ ổn định Power system stabilizers
- CHƯƠNG 3: Các tiêu chuẩn, phương pháp dùng để đánh giá tính ổn định của hệthống Gồm có tiêu chuẩn diện tích, và phương pháp tích phân số
- CHƯƠNG 4: Giới thiệu tổng quan về phần mềm ETAP, giao diện, các chức năng
và cụ thể là chức năng mô phỏng ổn định động
- CHƯƠNG 5: Sử dụng mạng IEEE 9 nút để thực hiện mô phỏng và đánh giá cácđáp ứng của hệ thống Các số liệu của hệ thống gồm đường dây, máy biến áp,phụ tải, và đặc biệt là số liệu của máy phát, bộ điều chỉnh kích từ, bộ điều tốc và
bộ ổn định PSS khi thực hiện mô phỏng động hệ thống
- CHƯƠNG 6: Các kịch bản sẽ thực hiện mô phỏng bằng phần mềm ETAP đối vớimạng IEEE 9 nút
- CHƯƠNG 7: Kết quả của quá trình mô phỏng, đánh giá các đáp ứng của hệthống, cụ thể là đáp ứng của góc lệch rotor máy phát để đánh giá tính ổn định của
hệ thống, từ đó đưa ra những kết luận nhằm để duy trình tính ổn định đồng bộcủa hệ thống điện
Trang 3MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
TÓM TẮT NỘI DUNG CÁC CHƯƠNG ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH viii
DANH MỤC BẢNG xiii
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 1
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống điện 1
1.2 Các chế độ của hệ thống điện 1
1.3 Khái niệm về ổn định 2
1.3.1 Ổn định tĩnh 2
1.3.2 Ổn định động 3
1.4 Hậu quả của mất ổn định đồng bộ 3
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN MÔ TẢ CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 5
2.1 Khái niệm chung 5
2.2 Mô hình máy phát điện đồng bộ 5
2.2.1 Lí thuyết về mô hình máy phát điện đồng bộ 5
2.2.2 Phép biến đổi dq0 9
2.2.3 Xây dựng phương trình mô tả máy phát từ phương trình điện áp máy phát 11
2.2.4 Phương trình chuyển động của rotor 14
2.2.5 Tổng kết về mô hình máy phát điện đồng bộ 15
2.3 Bộ kích từ 16
2.3.1 Tổng quan và phân loại 16
Trang 42.3.2 Hệ thống kích từ một chiều 17
2.3.3 Hệ thống kích từ xoay chiều 18
2.3.4 Hệ thống kích từ tĩnh 20
2.3.5 Mô hình toán học của hệ thống kích từ 20
2.3.6 Một số hệ thống kích từ khác 25
2.4 Bộ điều tốc 26
2.4.1 Giới thiệu và chức năng của bộ điều tốc (Governor) 26
2.4.2 Mô hình toán học của bộ điều tốc 26
2.4.3 Tìm hiểu hệ số R của bộ điều tốc 29
2.5 Bộ ổn định PSS (Power system stabilizers) 31
2.5.1 Khái niệm bộ ổn định PSS (Power system stabilizers) 31
2.5.2 Mô hình bộ ổn định PSS1A 31
2.6 Phụ tải 33
2.6.1 Khái niệm phụ tải trong hệ thống điện 33
2.6.2 Mô hình tải tĩnh 34
2.6.3 Mô hình tải động 36
2.7 Máy biến áp 37
2.8 Đường dây truyền tải 40
2.8.1 Đường dây ngắn và trung bình 40
2.8.2 Đường dây dài 44
CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG 46
3.1 Khái niệm chung 46
3.2 Trạng thái của hệ thống khi xảy ra kích động 46
3.3 Tiêu chuẩn diện tích 49
3.4 Phương pháp tích phân số 51
Trang 53.4.1 Phương pháp Euler 51
3.4.2 Phương pháp Euler cải tiến 53
3.4.3 Phương pháp Runge – Kutta 54
3.5 Nhược điểm của các phương pháp tích phân số 54
CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ETAP 56
4.1 Tổng quan về phần mềm ETAP 56
4.2 Giao diện của phần mềm ETAP 57
4.3 Thanh công cụ của ETAP 57
4.4 Phân tích ổn định động bằng ETAP 61
4.4.1 Thanh công cụ phân tích ổn định động 61
4.4.2 Tạo các sự kiện trong phân tích ổn định động 61
4.4.3 Thực hiện mô phỏng và xem kết quả 66
CHƯƠNG 5: SỬ DỤNG MẠNG IEEE 9 NÚT THỰC HIỆN MÔ PHỎNG ĐỘNG 68
5.1 Giới thiệu mạng IEEE 9 nút 68
5.2 Thông số tiêu chuẩn của mạng IEEE 9 nút 69
5.2.1 Thông số đường dây 69
5.2.2 Thông số máy biến áp 70
5.2.3 Thông số phụ tải 70
5.3 Mô hình và thông số của mô hình phân tích ổn định động trong ETAP 71
5.3.1 Mô hình các phần tử được sử dụng phân tích ổn định 71
5.3.2 Thông số các phần tử được sử dụng để phân tích ổn định 75
CHƯƠNG 6: TẠO CÁC KỊCH BẢN KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH ĐỘNG 81
6.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của các bộ kích từ, bộ điều tốc, bộ ổn định PSS 81
6.2 Khảo sát một số kịch bản các sự cố đối xứng 83
Trang 66.2.1 Kịch bản 1: Sự cố thoáng qua thanh cái số 8 83
6.2.2 Kịch bản 2: Sự cố thoáng qua thanh cái số 8 có bộ PSS 84
6.2.3 Kịch bản 3: Cô lập thanh cái số 8 sau sự cố 3 pha 84
6.2.4 Kịch bản 4: Cô lập thanh cái số 8 sau sự cố 3 pha có bộ PSS 84
6.2.5 Kịch bản 5 : Sự cố thoáng qua đường dây số 6 84
6.2.6 Kịch bản 6: Sự cố thoáng qua đường dây số 6 có bộ ổn định PSS 85
6.2.7 Kịch bản 7: Sự cố 3 pha và cắt đường dây số 6 85
6.2.8 Kịch bản 8: Sự cố 3 pha và cắt đường dây số 6 có bộ PSS 85
6.2.9 Kịch bản 9: Sự cố 3 pha và cắt đường dây số 6 sau đóng tự đóng lại 86
6.2.10 Kịch bản 10: Sự cố 3 pha và cắt đường dây số 6, tìm thời gian tới hạn 86
6.2.11 Kịch bản 11: Sự cố 3 pha và cắt đường dây số 6, tìm thời gian tới hạn, cô lập máy phát bị mất ổn định đồng bộ 86
6.3 Khảo sát kịch bản sự cố không đối xứng 86
CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG BẰNG ETAP 87
7.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của các bộ kích từ, bộ điều tốc, bộ ổn định PSS 87
7.1.1 Đáp ứng góc lệch rotor của hệ thống đối với sự cố 88
7.1.2 Điện áp đầu cực của máy phát đồng bộ đối với sự cố 92
7.1.3 Công suất cơ đầu vào của máy phát đối với sự cố 94
7.1.4 Công suất điện từ của máy phát đối với sự cố 95
7.1.5 Tác động của các bộ kích từ, bộ điều tốc, bộ ổn định PSS tới thời gian tới hạn của hệ thống 97
7.2 Khảo sát đáp ứng của hệ thống với các sự cố đối xứng 101
7.2.1 Sự cố ba pha thanh cái số 8 101
7.2.2 Sự cố ba pha đường dây số 6 106
Trang 77.3 Khảo sát đáp ứng của hệ thống với các sự cố không đối xứng – sự cố một phachạm đất thanh cái số 1 118KẾT LUẬN 122TÀI LIỆU THAM KHẢO 124
Trang 8DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Các loại ổn định trong hệ thống điện 2
Hình 2.1 Cấu trúc của máy điện đồng bộ 5
Hình 2.2 Mạch thay thế stator và rotor máy phát điện đồng bộ 6
Hình 2.3 Mạch thay thế stator và rotor máy phát 11
Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống kích từ hoàn chỉnh 16
Hình 2.5 Hệ thống kích từ một chiều 18
Hình 2.6 Hệ thống chỉnh lưu cố định 19
Hình 2.7 Hệ thống chỉnh lưu động 19
Hình 2.8 Hệ thống kích từ tĩnh 20
Hình 2.9 Mô hình tổng quát của hệ thống kích từ 20
Hình 2.10 Hệ thống kích từ tĩnh 21
Hình 2.11 Đặc tính bão hòa của dòng điện và điện áp 22
Hình 2.12 Quá trình tạo điện áp trên cuộn dây kích từ 23
Hình 2.13 Khối hiệu chỉnh và khuếch đại hệ thống 23
Hình 2.14 Khối tín hiệu hồi tiếp (Washout) 24
Hình 2.15 Hệ thống kích từ DC1A 25
Hình 2.16 Hệ thống kích từ AC1A 25
Hình 2.17 Hệ thống kích từ ST1A 26
Hình 2.18 Bộ điều tốc hơi nước 27
Hình 2.19 Khối điều khiển ngõ ra từ sự thay đổi của công suất cơ và tần số 28
Hình 2.20 Khối turbine của bộ điều tốc 29
Hình 2.21 Mô hình toán học của bộ điều tốc hơi nước đơn giản 29
Hình 2.22 Đường đặc tính bộ điều tốc 29
Trang 9Hình 2.23 Đường đặc tính mối quan hệ giữa tải và tốc độ 30
Hình 2.24 Bộ ổn định PSS1A 31
Hình 2.25 Bộ PSS1A nếu không có khối Washout 32
Hình 2.26 Mô hình tải tổng hợp 37
Hình 2.27 Mô hình máy biến áp lí tưởng 37
Hình 2.28 Mô hình máy biến áp có nấc phân áp 39
Hình 2.29 Mô hình máy biến áp khi quy đổi từ sơ cấp sang thứ cấp 39
Hình 2.30 Mô hình hình của máy biến áp 40
Hình 2.31 Mô hình hình của máy biến áp dựa theo thông số Y e 40
Hình 2.32 Mô hình mạng hai cửa của đường dây 41
Hình 2.33 Mô hình hình đối với đường dây trung bình 42
Hình 2.34 Mạch tương đương của đường dây trung bình – ngắn và thông số 44
Hình 2.35 Mô hình hình của đường dây dài 44
Hình 3.1 Sơ đồ một sợi xét ổn định hệ thống 46
Hình 3.2 Tương quan thay đổi góc rotor và công suất máy phát 47
Hình 3.3 Tiêu chuẩn diện tích ổn định 50
Hình 3.4 Biểu diễn đường cong phi tuyến bằng phương pháp tích phân số 51
Hình 3.5 Nhược điểm của phương pháp Euler 52
Hình 3.6 Phương pháp Euler cải tiến 53
Hình 4.1 Giao diện của phần mềm ETAP 57
Hình 4.2 Thanh Project Toolbar 57
Hình 4.3 Thanh Select ETAP System 58
Hình 4.4 Project View 58
Hình 4.5 Thanh Base and Revision Toolbar 59
Trang 10Hình 4.6 Thanh công cụ các chế độ phân tích 59
Hình 4.7 a) Phân bố công suất b) Phân tích ổn định quá độ c)Phân tích ngắn mạch hệ thống d) Phân tích sóng hài 60
Hình 4.8 Các phần tử hệ thống 60
Hình 4.9 Thanh công cụ phân tích ổn định động 61
Hình 4.10 Thanh công cụ Study Case 62
Hình 4.11 Cửa sổ Edit Study Case 62
Hình 4.12 Mục Events của Edit Study Case 63
Hình 4.13 Thêm các sự kiện trong mô phỏng hệ thống 64
Hình 4.14 Cửa sổ tùy chỉnh sự cố 64
Hình 4.15 Cửa sổ Plot trong Edit Study Case 65
Hình 4.16 Cửa sổ hiển thị thời gian và sự kiện các mô phỏng động 66
Hình 4.17 Cửa sổ tùy chỉnh vẽ đồ thị mô phỏng động 66
Hình 4.18 Đồ thị góc công suất của máy phát 67
Hình 5.1 Sơ đồ một sợi của mạng IEEE 9 nút 68
Hình 5.2 Mô hình mô phỏng máy phát đồng bộ cực lồi 71
Hình 5.3 Mô hình mô phỏng máy phát đồng bộ cực ẩn 72
Hình 5.4 Mô hình bộ kích từ tĩnh 73
Hình 5.5 Mô hình bộ điều tốc máy phát 73
Hình 5.6 Mô hình bộ ổn định PSS1A 74
Hình 5.7 Thông số của máy phát đồng bộ cực lồi 75
Hình 5.8 Thông số của máy phát đồng bộ cực ẩn 76
Hình 5.9 Thông số của bộ kích từ tĩnh máy phát đồng bộ 77
Hình 5.10 Thông số bộ điều tốc máy phát 78
Hình 5.11 Thông số bộ ổn định PSS1A 79
Trang 11Hình 6.1 Sự cố 3 pha thoáng qua xảy ra ở nút số 1 81
Hình 6.2 Sự cố 3 pha ở thanh cái số 8 83
Hình 6.3 Sự cố 3 pha trên đường dây số 6 85
Hình 7.1 Hệ thống mất ổn định 88
Hình 7.2 Đáp ứng của hệ thống không có kích từ, điều tốc, PSS 88
Hình 7.3 Đáp ứng của hệ thống khi có một bộ kích từ ST1 89
Hình 7.4 Đáp ứng của hệ thống khi có bộ điều tốc ST 89
Hình 7.5 Đáp ứng của hệ thống khi có bộ kích từ và bộ điều tốc 90
Hình 7.6 Đáp ứng của hệ thống khi có bộ kích từ, bộ điều tốc, bộ ổn định PSS 90
Hình 7.7 So sánh đáp ứng hệ thống khi có và không có bộ kích từ 91
Hình 7.8 Đáp ứng hệ thống khi có và không có bộ điều tốc 91
Hình 7.9 Đáp ứng của hệ thống khi có và không có bộ ổn định PSS 92
Hình 7.10 Điện áp đầu cực của máy phát số 2 khi có và không có bộ kích từ 92
Hình 7.11 Điện áp đầu cực của máy phát số 2 khi có và không có bộ điều tốc 93
Hình 7.12 Điện áp đầu cực máy phát 2 khi có và không có bộ điều tốc, bộ kích từ 93
Hình 7.13 Điện áp đầu cực máy phát số 2 khi có và không có bộ ổn định PSS 94
Hình 7.14 Công suất cơ đầu vào của máy phát số 2 đối với sự cố 94
Hình 7.15 Công suất cơ đầu vào của máy phát số 2 khi có thêm bộ kích từ 95
Hình 7.16 Công suất điện từ của máy phát số 2 khi có và không có bộ kích từ 95
Hình 7.17 Công suất điện từ của máy phát số 2 khi có và không có bộ điều tốc 96
Hình 7.18 Công suất điện từ của máy phát số 2 khi có bộ kích từ và bộ điều tốc 96
Hình 7.19 Đáp ứng của hệ thống sự cố thoáng qua thanh cái số 8 101
Hình 7.20 Đáp ứng của hệ thống đối với sự cố 3 pha thoáng qua khi có bộ PSS 102
Hình 7.21 So sánh đáp ứng của hệ thống khi có và không có bộ PSS 102
Hình 7.22 Đáp ứng tần số của hệ thống khi có và không có bộ ổn định PSS 103
Trang 12Hình 7.23 Đáp ứng của hệ thống khi cô lập thanh cái số 8 gặp sự cố 3 pha 104
Hình 7.24 Đáp ứng hệ thống khi cô lập thanh cái số 8 gặp sự cố 3 pha có bộ PSS 105
Hình 7.25 So sánh đáp ứng hệ thống cô lập thanh cái 8 khi có và không có PSS 105
Hình 7.26 Đáp ứng của hệ thống khi sự cố thoáng qua ở đường dây số 6 107
Hình 7.27 Đáp ứng hệ thống khi sự cố thoáng qua ở đường dây số 6 có bộ PSS 107
Hình 7.28 So sánh đáp ứng hệ thống có và không có PSS sự cố thoáng qua đường dây số 6 108
Hình 7.29 Đáp ứng hệ thống khi cô lập đường dây số 6 không có bộ PSS 109
Hình 7.30 Đáp ứng của hệ thống khi cô lập đường dây số 6 có bộ PSS 109
Hình 7.31 So sánh đáp ứng của hệ thống khi cô lập đường dây số 6 có và không có bộ PSS 110
Hình 7.32 Đáp ứng tần số của hệ thống khi có và không có bộ ổn định PSS 110
Hình 7.33 Đáp ứng hệ thống vẫn duy trì được ổn định đồng bộ 112
Hình 7.34 Đáp ứng hệ thống khi bị mất ổn định đồng bộ 113
Hình 7.35 Tương quan công suất truyền tải và thời gian tồn tại ngắn mạch 114
Hình 7.36 Đáp ứng hệ thống khi máy phát số 2 mất đồng bộ và bị cô lập 114
Hình 7.37 Đáp ứng tần số của hai máy phát số 2 và số 3 115
Hình 7.38 Đáp ứng hệ thống tự đóng lại sau khi cô lập đường dây 1s 116
Hình 7.39 Đáp ứng hệ thống tự đóng lại sau khi cô lập đường dây 2s 116
Hình 7.40 Đáp ứng tần số máy phát khi hệ thống tự đóng lại 117
Hình 7.41 Đáp ứng hệ thống tự đóng lại sau khi đã cô lập máy phát số 2 117
Hình 7.42 Đáp ứng của hệ thống khi có sự cố một pha chạm đất thoáng qua 118
Hình 7.43 Đáp ứng hệ thống sự cố thoáng qua một pha chạm đất có PSS 119
Hình 7.44 So sánh đáp ứng của hệ thống khi có và không có bộ PSS đối với sự cố một pha chạm đất ở thanh cái số 1 119
Trang 13Hình 7.45 Đáp ứng hệ thống khi xảy ra sự cố một pha chạm đất (sự cố vĩnh viễn) 120
DANH MỤC BẢNG Bảng 4.1 Các sự cố để mô phỏng ổn định động bằng ETAP 64
Bảng 5.1 Thông số đường dây mạng IEEE 9 nút 69
Bảng 5.2 Thông số đường dây thứ tự không 70
Bảng 5.3 Thông số thứ tự thuận máy biến áp 3 pha 70
Bảng 5.4 Thông số thự tự không của máy biến áp 3 pha 70
Bảng 5.5 Thông số phụ tải 70
Bảng 5.6 Thông số mô phỏng động của máy phát đồng bộ cực lồi 75
Bảng 5.7 Thông số mô phỏng động của máy phát đồng bộ cực ẩn 77
Bảng 5.8 Thông số mô phỏng động của bộ kích từ tĩnh máy phát 78
Bảng 5.9 Thông số mô phỏng động bộ điều tốc máy phát đồng bộ 79
Bảng 5.10 Thông số mô phỏng động bộ ổn định PSS1A 80
Bảng 7.1 Thời gian tới hạn để hệ thống duy trì ổn định đồng bộ 97
Trang 14DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮTCĐQĐ: Chế độ quá độ
Trang 15Chương 1
KHÁI NIỆM ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
1 Khái niệm ổn định hệ thống điện
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống điện
Lịch sử điện năng đã có những phát minh vượt bậc và nổi trội trong thế kỉ XIX:phát minh ra hệ thống điện xoay chiều ba pha (1883), tải điện năng đi xa bằng dòngđiện xoay chiều (1884) hay đường dây tải điện ba pha được vận hành thử nghiệm ởkhoảng cách 175 km (1891) Kể từ đó, hệ thống điện xoay chiều ba pha ngày càngphát triển, khoảng cách truyền tải ngày càng tăng, công suất truyền tải ngày càng lớn.Lúc này đã xuất hiện các vấn đề cần được giải quyết Đối với các đường dây truyền tải
sẽ tồn tại các giới hạn công suất truyền tải theo điều kiện ổn định hệ thống, hoặc khi cócác thay đổi trong hệ thống như thay đổi chế độ làm việc của máy phát, xảy ra sự cốlàm thay đổi cấu trúc của hệ thống hay sự cố dẫn đến phân bố lại công suất,… Khi đó
hệ thống sẽ rơi vào trạng thái không giữ được cân bằng dẫn tới các máy phát quay vớicác tốc độ khác nhau, hay còn nói cách khác là hệ thống bị mất ổn định đồng bộ Vìnhững lí do này mà dẫn đến yêu cầu phát triển lí thuyết ổn định hệ thống điện
CĐQĐ là chế độ trung gian chuyển từ CĐXL này sang CĐXL khác sau khi xảy
ra các tác động CĐQĐ sau tác động bị biến thiên nhưng sau một thời gian trở về vị tríban đầu hoặc có trị số gần định mức được gọi là CĐQĐ bình thường Ngược lại,CĐQĐ với thông số biến thiên mạnh nhưng sau đó tăng trưởng vô hạn hay bị giảm dần
về giá trị 0, CĐQĐ đó được gọi là CĐQĐ sự cố
Trang 161.3 Khái niệm về ổn định
Ổn định hệ thống điện có thể được định nghĩa một cách tổng quát là đặc tính của
hệ thống điện cho phép nó duy trì trạng thái cân bằng trong chế độ vận hành bìnhthường và đạt đến trạng thái cân bằng với sai số chấp nhận được sau khi chịu các tácđộng của nhiễu
CĐQĐ có thể được gây ra bởi các nhiễu bé hoặc lớn Nhiễu bé xảy ra thườngxuyên trong hệ thống điện dưới dạng thay đổi công suất của phụ tải, nhiễu lớn là các
sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải, sự cố dẫn đến cắt tổ máy phát hoặc tải lớn,mất đường dây kết nối của hệ thống,…
Ổn định hệ thống có thể chia làm các loại như sau:
Hình 1.1 Các loại ổn định trong hệ thống điện
NGẮN HẠN
Trang 17Bản chất của đáp ứng hệ thống đối với nhiễu bé còn phụ thuộc vào nhiều yếu tốbao gồm chế độ làm việc ban đầu, mức tải của đường dây và hệ thống kích thích được
sử dụng cho máy phát
Nhiễu được xem là bé nếu phương trình mô tả đáp ứng của hệ thống có thể tuyếntính hóa xung quanh điểm làm việc Các tín hiệu nhiễu bé là những thay đổi của phụtải hay máy phát, cụ thể là đóng hoặc cắt phụ tải một cách đột ngột…
Các nguyên nhân gây ra mất ổn định tín hiệu bé có thể được chia làm hai loại:
Góc rotor máy phát tăng dần do thiếu momen đồng bộ
Góc rotor dao động với biên độ tăng dần do thiếu momen cản
Ổn định động thể hiện đặc tính của quá trình quá độ bằng việc chuyển trạng thái
từ điểm cân bằng này sang điểm cân bằng khác Hệ thống ổn định quá độ nếu có:
Tồn tại điểm cân bằng ổn định sau sự cố (ứng với chế độ xác lập sau sự cố)
Thông số biến thiên của quá trình quá độ hữu hạn và tắt dần về chế độ xáclập mới
Nhiễu quá độ nghiêm trọng thường là các sự cố ngắn mạch xảy ra trên đường dâytruyền tải, thanh góp, máy biến áp, hoặc cắt đột ngột máy phát điện, đóng – cắt phụ tảilớn… Trong các nhiễu nói trên thì ngắn mạch là nhiễu quá độ nghiêm trọng nhất
1.4 Hậu quả của mất ổn định đồng bộ
Các máy phát làm việc ở trạng thái không đồng bộ, cần phải cắt ra, mấtnhững lượng công suất lớn
Tần số hệ thống bị thay đổi, ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ
Trang 18 Điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các nút phụtải.
Khiến cho bảo vệ relay tác động nhầm, cắt thêm nhiều phần tử đang làmviệc
Cắt nối tiếp các nguồn, các phụ tải lớn có thể dẫn đến làm tan rã hệ thống
Trang 19Chương 2
MÔ HÌNH ĐỘNG CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
2 Các phương trình vi phân mô tả các phần tử của hệ thống điện
2.1 Khái niệm chung
Do trong CĐQĐ có sự mất cân bằng công suất momen quay rotor của các máyphát, dẫn đến sự biến thiên thông số trạng thái của hệ thống Góc pha và biên độ cácsuất điện động thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào quy luật chuyển động cơ học củacác máy điện quay
Vì vậy để phân tích ổn định, người ta đều dưa trên cơ sở các phương trình viphân mô tả sự thay đổi của hệ thống khi xảy ra sự biến thiên của thông số hệ thống,hay cụ thể hơn là phương trình vi phân mô tả các phần tử quan trọng của hệ thống điệngồm máy phát, máy biến áp, đường dây,…
2.2 Mô hình máy phát điện đồng bộ
2.2.1 Lí thuyết về mô hình máy phát điện đồng bộ
Máy điện đồng bộ bao gồm 2 phần: phần cảm và phần ứng Phần cảm đặt ở rotor
và phần ứng đặt ở stator Cuộn dây ở phần cảm (cuộn kích từ) được cung cấp dòng DC
để tạo ra từ trường quay Phần ứng gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120 độ trong khônggian
Hình 2.2Hình 2.3 Cấu trúc của máy điện đồng bộ
Trang 20Ngoài cuộn dây kích từ, trên rotor còn có cuộn dây cản có tác dụng làm tắt dầncác dao động của máy phát
Mạch thay thế của rotor và stator với giả thiết:
Cuộn dây stator phân bố theo quy luật hình sin dọc theo khe hở giữa stator
và rotor
Rãnh stator không ảnh hưởng đến sự thay đổi của điện cảm rotor theo vị trícủa rotor
Bỏ qua từ trễ
Bỏ qua hiện tượng bão hòa
Hình 2.4 Mạch thay thế stator và rotor máy phát điện đồng bộ
Trang 21 : Vận tốc góc rotor, tính bằng rad điện/s
Trong đó: Trục d là thành phần cùng trục với dây quấn kích từ của rotor và đượcgọi là trục dọc, trục q là thành phần vượt trước trục d một góc 90° theo chiều quay củarotor và được gọi là trục ngang Vị trí tương đối của rotor so với rotor được xác địnhbởi góc θ hợp bởi trục d và trục từ trường của pha a
Từ mô hình trên, ta viết được phương trình từ thông móc vòng pha a của stator:
a l i aa a l i ab b l i ac c l i afd fd l i akd kd l i akq kq
l l : Hỗ cảm giữa cuộn dây pha a và các cuộn dây cản trục d,q
Dấu trừ là do quy ước chiều dòng điện, chiều dương của dòng điện stator là chiều
đi ra khỏi cuộn dây, trong khi đó chiều dương của các dòng điện rotor là chiều đi vàocuộn dây
Điện cảm tự thân stator:
Trang 22Vì hỗ cảm giữa dây quấn stator và dây quấn rotor thay đổi theo vị trí của rotor(có nghĩa là thay đổi theo thời gian), nên việc phân tích các hoạt động của máy điện ở
Trang 23trạng thái quá độ bằng cách giải các phương trình vi phân phần ứng với các mạch cómối quan hệ hỗ cảm sẽ vô cùng phức tạp Do đó để dễ dàng cho việc tính toán, người
ta quy đổi các đại lượng stator như điện áp, từ thông của phần ứng thay thế bằng cácđại lượng quay với tốc độ rotor Ví dụ các dòng điện phần ứng i a,i b,i c được biến đổithành các thành phần dọc trục i d và ngang trục i q và thành phần thứ tự không i0 Nhưvậy sau khi biến đổi, các đại lượng stator sẽ trở nên cố định nếu ta xét hệ trục của máyđiện đồng bộ là hệ trục gắn chặt với rotor, do đó hỗ cảm sẽ không thay đổi theo thờigian
Trang 24Trong bài này chúng ta sẽ sử dụng phép biến đổi có hệ số
2
3 vì mục đích biên độdòng điện trước và sau biến đổi là bằng nhau
Từ phương trình trên có thể nhận thấy nếu máy làm việc ở trạng thái đối xứng thìcác thành phần thứ tự không sẽ bị triệt tiêu
Thực hiện phép biến đổi đối với từ thông móc vòng của các cuộn dây stator:
về hệ trục dq0 dưới dạng ma trận:
Li
Trang 252.2.3 Xây dựng phương trình mô tả máy phát từ phương trình điện áp máy phát
Hình 2.5 Mạch thay thế stator và rotor máy phát
Ta viết được phương trình điện áp pha a:
Trang 260 3
Với P là ma trận của phép biến đổi từ các pha a, b, c sang các đại lượng dq0, U3
là ma trận đơn vị bậc 3 do chỉ biến đổi các đại lượng điện áp ở stator
Tương tự thực biến đổi cho vế phải của phương trình điện áp
Đối với sụt áp trên thành phần điện trở:
00
r
v Li G i Ri ( với Li Li )
Trang 27Trong đó các ma trận điện cảm đã được trình bày ở phía trên bao gồm:
L
L L L
R R
00
d ss
q
L L
L L
q ss
d
L G
a s
Trang 28Thay biểu thức từ thông vào phương trình điện áp (2.19) ta có:
Khi bỏ qua s ta có thể viết gọn lại phương trình điện áp stator dưới dạng:
2.2.4 Phương trình chuyển động của rotor
Phương trình mô tả chuyển động của máy phát đồng bộ là phương trình mô tảmomen quán tính của rotor máy phát:
a
Trong đó:
J : Momen quán tính của rotor máy phát và tuabin, đơn vị kg m2
θ: Góc lệch của trục d rotor và trục pha a của stator
T a : Momen tăng tốc, đơn vị là N.m
Bởi vì máy điện đồng bộ là máy phát nên momen tăng tốc T a sẽ bằng momen cơtrừ cho momen điện từ
Ta có phương trình mô tả vị trí của rotor như sau :
Trang 29 : Tốc độ đồng bộ và 0 là vị trí góc rotor ban đầu khi thời gian t = 0
Lấy đạo hàm bậc nhất của phương trình (2.24) ta được :
2.2.5 Tổng kết về mô hình máy phát điện đồng bộ
Như vậy mô hình máy phát điện đồng bộ được mô tả qua 5 phương trình vi phânbao gồm:
r A m r F i m s V r
Trang 30Phương trình này bao gồm 3 phương trình từ thông của rotor fkd,kd,kq
Và 2 phương trình chuyển động quay của rotor là:
2.3.1 Tổng quan và phân loại
Chức năng cơ bản của hệ thống kích từ là cung cấp dòng điện một chiều chocuộn cảm của máy phát đồng bộ Một yêu cầu cơ bản là hệ thống kích từ có thể tự điềuchỉnh được dòng kích từ để ổn định điện áp đầu cực của máy phát ở một giá trị có thểchấp nhận được, và có thể điều chỉnh được công suất phản kháng phát ra của máyphát
Một hệ thống kích từ phải thỏa mãn những yêu cầu cụ thể như sau:
Có tiêu chí đáp ứng cụ thể
Có chức năng giới hạn và bảo vệ để ngăn chặn những hư hại cho chính hệthống kích từ cũng như máy phát và các thiết bị khác
Thỏa mãn các yêu cầu hoạt động linh hoạt
Có độ tin cậy và luôn luôn hoạt động tốt
Trang 31Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống kích từ hoàn chỉnh
Khối Exciter: sẽ cung cấp dòng điện 1 chiều cho cuộn cảm của máy phát đồngbộ
Khối Regulator: sẽ xử lí và khuếch đại các tín hiệu đầu vào cho phù hợp với với
quá trình điều khiển cho khối exciter
Khối Terminal voltage transducer and load compensator: có chức năng chuyểnđổi điện áp đầu cực của máy phát trở thành đại lượng 1 chiều và tiến hành bù điện áp
do sụt áp qua các thiết bị hay các sụt áp trên tải ngõ ra của khối Terminal voltagetransducer and load compensator sẽ được dung để so sánh với điện áp tham chiếu, làgiá trị điện áp mà ta mong muốn máy phát duy trì ổn định
Khối Power system stabilizer: là khối ổn định hệ thống thông qua các tín hiệu tốc
độ, tần số đầu cực và công suất Chức năng của khối là tăng momen hãm các dao động
cơ điện trong máy phát
Khối Limiters and protective circuits: là khối bao gồm chức năng giới hạn trongđiều khiển và chức năng bảo vệ Thông thường giới hạn sẽ được điều khiển bằng cáchgiới hạn dòng điện ở cuộn cảm
Có ba loại kích từ chính thường được sử dụng đó là:
Trang 32Hình 2.7 Hệ thống kích từ một chiều
Hình 2.5 mô tả hệ thống kích từ cho máy phát bằng động cơ một chiều có bộ ổn
định điện áp và khuếch đại Dòng điện một chiều sẽ được cấp cho rotor máy phát
thông qua một vành trượt và từ thông kích từ của động cơ điện DC sẽ được điều chỉnhthông qua bộ khuếch đại Nếu bộ điều chỉnh khuếch đại bị hỏng thì ta có thể điềuchỉnh bằng tay từ thông kích từ của máy phát được thông qua một biến trở
2.3.3 Hệ thống kích từ xoay chiều
Máy phát đồng bộ dùng để kích thích gọi là máy kích thích xoay chiều, bao gồmmột máy phát điện đồng bộ có phần cảm là phần tĩnh và phần ứng là phần quay và hệthống chỉnh lưu để chuyển đổi dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều cung cấp cho rotorcủa máy phát chính
Trang 33Có 2 loại chỉnh lưu được dùng trong hệ thống kích từ xoay chiều là: bộ chỉnhlưu quay và bộ chỉnh lưu cố định.
2.3.3.1 Hệ thống chỉnh lưu cố định
Hình 2.8 Hệ thống chỉnh lưu cố định
Dòng phần ứng của hệ thống kích từ là dòng xoay chiều sẽ đi qua hệ thống chỉnhlưu cố định để chuyển từ dòng xoay chiều sang dòng điện một chiều, dòng điện này sẽđược chuyển sang rotor của máy phát chính thông qua một bộ phận tiếp xúc là vànhtrượt để đi vào rotor của máy phát chính
Hệ thống sẽ lấy điện áp đầu cực của máy phát, thông qua bộ điều chỉnh AC đểchuyển từ điện áp thực sang tín hiệu và qua một bộ chỉnh lưu điều khiển được để tạonên dòng điện và từ thông kích từ của máy phát kích từ
Ngoài ra, đề phòng trường hợp bộ điều chỉnh AC bị hư hỏng thì người ta sẽ sửdụng thay thế một bộ điều chỉnh DC lấy tín hiệu phía sau của bộ chỉnh lưu tĩnh diode
Trang 342.3.3.2 Hệ thống chỉnh lưu quay
Hình 2.9 Hệ thống chỉnh lưu động
Đối với hế thống kích từ sử dụng bộ chỉnh lưu động thì việc sử dụng chổi than và
cổ góp không còn cần thiết nữa, dòng điện một chiều sẽ được cung cấp trực tiếp chorotor của máy phát thông qua một bộ chỉnh lưu điều khiển được gắn trên trục của rotormáy phát kích từ Hệ thống này còn được gọi là hệ thống kích thích không chổi than
2.3.4 Hệ thống kích từ tĩnh
Hình 2.10 Hệ thống kích từ tĩnh
Hệ thống này sử dụng kết hợp biến áp kích thích và hệ thống chỉnh lưu Hệ thống
sẽ lấy nguồn từ lưới hoặc lấy trực tiếp từ điện áp đầu cực, qua một máy biến áp kíchthích, bộ chỉnh lưu điều khiển được, một vành trượt và đưa trực tiếp vào rotor máyphát chính
Trang 352.3.5 Mô hình toán học của hệ thống kích từ
Hình 2.11 Mô hình tổng quát của hệ thống kích từ
Ban đầu ta sẽ đặt một điện áp kích thích V R lên hệ thống kích từ để sinh ra dòngkích từ một chiều đi vào trong rotor máy phát, tại cuộn kích thích của rotor máy phát
sẽ sinh ra điện áp kích từ E fd và máy phát sẽ tạo ra điện áp đầu cực E t Để duy trì ổnđịnh cho máy phát, hệ thống sẽ lấy phản hồi từ điền áp đầu cực và so sánh với giá trịđiện áp tham chiếu V r , sai số ngõ ra sẽ đi qua bộ điều chỉnh ổn định để có thể tiếp tụcduy trì điện áp đầu cực máy phát ở một khoảng giá trị ổn định
Đối với một số máy phát có sử dụng thêm bộ ổn định PSS (Power systemstabilizers), bộ PSS có chức năng tăng momen hãm các dao động cơ điện của máy phátkhi xảy ra các sự cố nhằm cải thiện các giới hạn ổn định ngắn hạn và ổn định trạng tháitĩnh
2.3.5.1 Các khối chức năng của hệ thống kích từ
Khối tạo điện áp trên cuộn dây kích từ
Hình 2.12 Hệ thống kích từ tĩnh
Trang 36Ta viết được phương trình điện áp của mô hình hệ thống kích từ tĩnh như sau:
Trong đó L I ef ef và K x phụ thuộc vào cấu tạo của máy kích từ
Dòng điện I ef là đường cong phi tuyến
Hình 2.13 Đặc tính bão hòa của dòng điện và điện áp
Dòng điện I ef được tính bằng công thức:
Và I ef được biểu thị bằng công thức: I ef E S E x e( )x (2.30)Thay vào phương trình điện áp (2.28) ta có được biểu thức:
1( )
Trang 37fu E g
ef
g
R K R L T R
Trang 38 Khối hiệu chỉnh và khuếch đại
Hình 2.15 Khối hiệu chỉnh và khuếch đại hệ thống
Chức năng của khối là khuếch đại tín hiệu điện áp so lệch ngõ ra thành tín hiệuđiện áp E ef , khối có các giới hạn ngõ ra để giữ cho mức điện áp của hệ thống đặt vàocuộn dây kích từ ở được giữ ở một trạng thái ổn định, từ đó mà điện áp đầu cực củamáy phát cũng được duy trì ở một vùng giới hạn nhất định
Khối tín hiệu hồi tiếp (khối Washout)
Hình 2.16 Khối tín hiệu hồi tiếp (Washout)
Khối này có tác dụng giúp ổn định mạch kích từ, nó đóng vai trò giống như mộtmáy biến áp Do điện áp ngõ ra E X là điện áp một chiều đặt vào cuộn dây kích từ nênkhi mạch ở trạng thái ổn định và E X duy trì ở một giá trị nhất định thì sẽ không có tín
Trang 39hiệu ở ngõ ra của khối Nhưng khi hệ thống có sự thay đổi, có những dao động về mặtbiên độ cũng như tần số thì sẽ xuất hiện tín hiệu ngõ ra ở khối Washout và tín hiệu này
L M
Hệ thống sẽ lấy tín hiệu đầu cực V t so sánh với điện áp tham chiếu V ref , kết quả
so sánh là sai số để hệ thống tiến hành điều chỉnh
Trong trường hợp hệ thống hoạt động ở chế độ ổn định thì sẽ không có tín hiệu,
V V do tác dụng của khối washout, nhưng khi có nhiễu xảy ra thì sẽ xuất hiện tínhiệu hồi tiếp V F , và tín hiệu V PSS sẽ có nhiệm vụ hãm các dao động phát sinh, kết quảcủa bốn tín hiệu điện áp V V t, ref,V V F, PSS sẽ có giá trị rất nhỏ, tín hiệu này sẽ đi qua bộkhuếch đại và điều chỉnh để cho ra tín hiệu đầu vào V R thích hợp và từ đó tạo ra điện
áp kích từ trên cuộn dây kích từ của máy phát Quá trình trên sẽ được lặp lại liên tụcnhằm duy trì ổn định cho điện áp đầu ra V t của máy phát
Trang 402.3.6 Một số hệ thống kích từ khác
Hình 2.17 Hệ thống kích từ DC1A
Hình 2.18 Hệ thống kích từ AC1A
Hình 2.19 Hệ thống kích từ ST1A