“Phân tích ổn định hệ thống điện mạng 5 nút bằng phần mềm PSSE”.

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu nhà trường, các thầy cô trong trường, đặc biệt là quý thầy cô thuộc khoa Điện – Điện tử trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã tận tình chỉ dạy và truyền đạt cho em những kiến thức cơ bản và nâng cao trong suốt những năm em ngồi trên ghế giảng đường. Em xin chân thành cảm ơn thầy ThS. Đặng Tuấn Khanh đã tận tình chỉ dạy, hướng dẫn cho em trong thời gian qua. Thầy đã cung cấp nhiều tài liệu quý, tổng hợp những kiến thức cơ bản, bổ sung những kiến thức chuyên sâu và dành nhiều thời gian quan tâm theo dõi, chia sẻ những khó khăn, vướng

và nâng cao trong suốt những năm em ngồi trên ghế giảng đường

Em xin chân thành cảm ơn thầy ThS Đặng Tuấn Khanh đã tận tình chỉ dạy, hướng dẫn cho em trong thời gian qua Thầy đã cung cấp nhiều tài liệu quý, tổng hợp những kiến thức cơ bản, bổ sung những kiến thức chuyên sâu và dành nhiều thời gian quan tâm theo dõi, chia sẻ những khó khăn, vướng mắc, động viên và hỗ trợ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Em cũng xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè luôn ở bên cạnh ủng hộ và tạo điều kiện tốt nhất giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Khi thực hiện luận văn tốt nghiệp, em đã cố gắng tìm đọc, phân tích tổng hợp và tham khảo một số tài liệu chuyên môn cả trong và ngoài nước nhằm đạt kết quả nghiên cứu tốt nhất Tuy nhiên, do thời gian và tài liệu tham khảo có hạn nên những thiếu sót

là không thể tránh khỏi, kính mong quý thầy cô đóng góp những ý kiến quý báu để luận văn được hoàn thiện hơn

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 12 năm 2016

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trọng Tuấn

hệ thống điện và nghiên cứu về tính ổn định của nó là một yêu cầu hết sức cần thiết đối với một kỹ sư điện Những kết quả có được trong quá trình phân tích, tính toán hệ thống điện giúp người kỹ sư rất nhiều trong công tác qui hoạch, thiết kế, quản lý vận hành cũng như đảm bảo được tính ổn định của hệ thống điện Việc tính toán, phân tích hệ thống điện là mảng rất lớn, luận văn này chỉ tập trung đề cập đến vấn đề phân tích tính

ổn định động của hệ thống lưới điện truyền tải, ví dụ cụ thể là mạng 5 nút

Với khả năng mô phỏng mạnh mẽ, kết quả trực quan và dễ hiểu, phần mềm PSS/E hết sức phù hợp và có đầy đủ khả năng cũng như công cụ để giúp chúng ta phân tích tính ổn định của lưới truyền tải một cách thuận tiện Vì vậy, trong luận văn này, em xin phép được dùng phần mềm PSS/E để mô phỏng và làm rõ hơn các kết quả phân tích và nghiên cứu của mình

Luận văn “Phân tích ổn định hệ thống điện mạng 5 nút bằng phần mềm

PSS/E” đã trình bày được các vấn đề sau đây:

- Chương I: Giới thiệu chung về ổn định hệ thống điện

- Chương II: Mô hình động các phần tử trong hệ thống điện

- Chương III: Các phương pháp phân tích ổn định động trong hệ thống điện

- Chương IV: Giới thiệu về phần mềm PSS/E

- Chương V: Mô phỏng động mạng 5 nút bằng phần mềm PSS/E

- Chương VI: Các kịch bản mô phỏng phân tích ổn định

- Chương VII: Kết quả mô phỏng và nhận xét

- Chương IV: Giới thiệu tổng quan về phần mềm PSS/E

- Chương V: Thông số mạng 5 nút, cách khai báo và nhập thông số trên phần mềm, khảo sát các kịch bản ổn định

- Chương VI: Ứng dụng phần mềm PSS/E phân tích tính ổn định động mạng 5 nút với các kịch bản cụ thể

- Chương VII: Phân tích kết quả mô phỏng và nhận xét Qua việc ứng dụng phần mềm này, ta nhận thấy với sự hỗ trợ của máy tính và phần mềm thì việc phân tích, mô phỏng lưới điện được thực hiện rất đơn giản, nhanh chóng và chính xác

iv

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ĐỀ TÀI ii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH ix

DANH MỤC BẢNG xv

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xvi

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 1

Lịch sử phát triển của hệ thống điện 1

Các chế độ làm việc của hệ thống điện 1

Khái niệm và phân loại về ổn định hệ thống điện 2

GIỚI THIỆU VỀ ỔN ĐỊNH TĨNH VÀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG 6

Ổn định tĩnh 6

Ổn định động 6

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH ĐỘNG CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 8

GIỚI THIỆU 8

MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN 8

Lý thuyết về mô hình máy phát điện đồng bộ 8

Phép biến đổi dq0 12

Xây dựng phương trình mô tả máy phát từ phương trình điện áp máy phát 14

v

Tổng kết về mô hình máy phát 18

HỆ THỐNG KÍCH TỪ MÁY PHÁT 19

Tổng quan và phân loại 19

Hệ thống kích từ một chiều 21

Hệ thống kích từ xoay chiều 21

Hệ thống kích từ tĩnh 23

Mô hình tổng quát của hệ thống kích từ 24

Các khối chức năng của hệ thống kích từ 24

Một số mô hình hệ thống kích từ khác 29

BỘ ĐIỀU TỐC (GOVERNOR) 31

Giới thiệu chung về bộ điều tốc 31

Mô hình toán của bộ điều tốc (bộ điều tốc hơi nước) 32

Đường đặc tính của bộ điều tốc 34

BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG PSS (POWER SYSTEM STABILIZER) 36

Giới thiệu bổ ổn định PSS 36

Mô hình bộ ổn định PSS1A 37

Mô hình bộ ổn định PSS2B 39

Mô hình bộ ổn định PSS3B 40

MÁY BIẾN ÁP 40

Mạch tương đương của một máy biến áp 40

Mô hình hình  của máy biến áp 42

MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY 45

Mô hình đường dây có chiều dài trung bình và đường dây ngắn 45

vi

MÔ HÌNH PHỤ TẢI 51

Khái niệm 51

Mô hình tải tĩnh 51

Mô hình tải động 53

CHƯƠNG III: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 55

TỔNG QUÁT 55

CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍCH PHÂN SỐ 55

Phương pháp Euler 57

Phương pháp Euler cải tiến 58

Phương pháp Runge – Kutta (R-K) 59

TIÊU CHUẨN CÂN BẰNG DIỆN TÍCH 60

CHƯƠNG IV: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PSS/E 63

TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM PSS/E 63

GIAO DIỆN CỦA PHẦN MỀM PSS/E 64

CÁC THANH CÔNG CỤ CHÍNH 65

Menu bar 66

Diagram bar 66

Dynamics Simulation bar 67

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG BẰNG PSS/E 67

Tạo hệ thống điện cần khảo sát 67

Khảo sát phân bố công suất 69

Chuyển thông số máy phát và tải để khảo sát ổn định động 69

Chuẩn bị thông số động của các máy phát 72

vii

Khảo sát ổn định động 75

Xem kết quả mô phỏng 76

CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG ĐỘNG MẠNG 5 NÚT BẰNG PHẦN MỀM PSS/E 77

GIỚI THIỆU MẠNG 5 NÚT 77

THÔNG SỐ MẠNG 5 NÚT 78

Thông số đường dây 78

Thông số thanh cái 78

Thông số máy phát 79

Thông số máy biến áp 79

MÔ HÌNH VÀ CÁC THÔNG SỐ CỤ THỂ CỦA MÔ HÌNH TRONG MÔ PHỎNG ỔN ĐỊNH ĐỘNG 80

Mô hình cụ thể của các phần tử trong mô phỏng ổn định động 80

Thông số các phần tử được sử dụng để mô phỏng 85

CHƯƠNG VI: CÁC KỊCH BẢN MÔ PHỎNG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG 96

KHẢO SÁT SỰ TÁC ĐỘNG CỦA BỘ KÍCH TỪ, BỘ ĐIỀU TỐC, BỘ ỔN ĐỊNH 96

KHẢO SÁT MỘT SỐ KỊCH BẢN SỰ CỐ ĐỐI XỨNG 99

Kịch bản 1: Sự cố 3 pha và cắt đường dây 100-200 99

Kịch bản 2: Sự cố 3 pha và cắt đường dây 100-200 có bộ PSS 99

Kịch bản 3: Sự cố 3 pha và cắt đường dây 100-200 sau đó tự đóng lại 99

Kịch bản 4: Sự cố 3 pha và cắt đường dây 100-200 sau đó tự đóng lại, có bộ PSS 99

Kịch bản 5: Sự cố 3 pha và cắt đường dây 100-200, tìm thời gian tới hạn

100

viii

Kịch bản 7: Sự cố thoáng qua thanh cái 151, có bộ PSS 100

Kịch bản 8: Cô lập thanh cái 151 sau sự cố thoáng qua 100

Kịch bản 9: Cô lập thanh cái 151 sau sự cố thoáng qua, có bộ PSS 100

KHẢO SÁT KỊCH BẢN SỰ CỐ KHÔNG ĐỐI XỨNG 101

CHƯƠNG VII: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 102

KHẢO SÁT SỰ TÁC ĐỘNG CỦA BỘ KÍCH TỪ, BỘ ĐIỀU TỐC, BỘ ỔN ĐỊNH 102

Đáp ứng góc lệch rotor của hệ thống 103

Điện áp đầu cực của máy phát 106

Công suất cơ đầu vào của máy phát 108

Công suất điện từ của máy phát 109

Tác động của bộ kích từ, bộ điều tốc, bộ ổn định 111

KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG ĐỐI VỚI SỰ CỐ ĐỐI XỨNG 116 Sự cố 3 pha đường dây 100-200 116

Sự cố 3 pha thanh cái 151 121

KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG ĐỐI VỚI SỰ CỐ BẤT ĐỐI XỨNG 126

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 127

TÀI LIỆU THAM KHẢO 129

THÔNG TIN LIÊN HỆ 130

ix

Hình 1.1 Phân loại ổn định HTĐ 4

Hình 1.2 Phân loại ổn định HTĐ theo ổn định tĩnh và ổn định động 5

Hình 2.1 Cấu trúc của máy điện đồng bộ 8

Hình 2.2 Mạch thay thế stator và rotor của máy phát điện đồng bộ 9

Hình 2.3 Mạch thay thế stator và rotor máy phát 14

Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống kích từ hoàn chỉnh 20

Hình 2.5 Hệ thống kích từ một chiều 21

Hình 2.6 Hệ thống chỉnh lưu cố định 22

Hình 2.7 Hệ thống chỉnh lưu quay 23

Hình 2.8 Hệ thống kích từ tĩnh 23

Hình 2.9 Mô hình tổng quát của hệ thống kích từ 24

Hình 2.10 Hệ thống kích từ tĩnh 25

Hình 2.11 Đặc tính bão hòa của dòng điện và điện áp 25

Hình 2.12 Quá trình tạo điện áp trên cuộn dây kích từ 27

Hình 2.13 Khối hiệu chỉnh và khuếch đại hệ thống 27

Hình 2.14 Khối tín hiệu hồi tiếp (Washout) 28

Hình 2.15 Hệ thống kích từ một chiều IEEE loại 1 29

Hình 2.16 Hệ thống kích từ DC1A 29

Hình 2.17 Hệ thống kích từ DC2A 30

Hình 2.18 Hệ thống kích từ AC1A 30

Hình 2.19 Hệ thống kích từ AC2A 30

Hình 2.20 Hệ thống kích từ ST1A 31

Hình 2.21 Hệ thống kích từ ST2A 31

x

Hình 2.23 Khối điều khiển ngõ ra từ sự thay đổi của công suất cơ và tần số 34

Hình 2.24 Khối turbine của bộ điều tốc 34

Hình 2.25 Mô hình toán học của bộ điều tốc hơi nước đơn giản 34

Hình 2.26 Đường đặc tính của bộ điều tốc 35

Hình 2.27 Đường đặc tính mối quan hệ giữa tải và tốc độ 36

Hình 2.28 Mô hình bộ ổn định PSS1A 37

Hình 2.29 Bộ PSS1A nếu không có khối Washout 38

Hình 2.30 Mô hình bộ ổn định PSS2B 39

Hình 2.31 Mô hình bộ ổn định PSS3B 40

Hình 2.32 Mạch tương đương của một MBA 1 pha 2 cuộn dây trong thực tế 41

Hình 2.33 Các mạch tương đương thay thế cho một MBA 1 pha 2 cuộn dây 41

Hình 2.34 Mô hình tương đương MBA 1 pha 2 cuộn dây trong hệ đơn vị tương đối 42

Hình 2.35 Mô hình máy biến áp lí tưởng 42

Hình 2.36 Mô hình máy biến áp có nấc phân áp 44

Hình 2.37 Mô hình máy biến áp khi quy đổi từ sơ cấp sang thứ cấp 44

Hình 2.38 Mô hình hình  của máy biến áp 45

Hình 2.39 Mô hình hình  của máy biến áp dựa theo thông số Y e 45

Hình 2.40 Mô hình tổng quát mạng hai cửa 46

Hình 2.41 Mô hình đường dây ngắn 46

Hình 2.42 Mô hình hình  đối với đường dây trung bình 47

Hình 2.43 Mạch tương đương của đường dây trung bình – ngắn và thông số 49

Hình 2.44 Mô hình hình  của đường dây dài 50

Hình 2.45 Các thành phần của tải tổng hợp tại một điểm phân bố công suất lớn 51

xi

Hình 3.1 Biểu diễn đường cong phi tuyến bằng phương pháp Euler 57

Hình 3.2 Nhược điểm của phương pháp Euler 58

Hình 3.3 Phương pháp Euler cải tiến 59

Hình 3.4 Tiêu chuẩn cân bằng diện tích 61

Hình 4.1 Giao diện chính của phần mềm PSS/E 64

Hình 4.2 Tuỳ chọn bật/tắt toolbars 65

Hình 4.3 Menu bar 66

Hình 4.4 Diagram bar 66

Hình 4.5 Dynamics Simulation bar 67

Hình 4.6 Tạo một hệ thống điện mới 68

Hình 4.7 Khai báo các thông số cần thiết 68

Hình 4.8 Lưu file với đuôi sav 69

Hình 4.9 Kết quả chạy phân bố công suất 69

Hình 4.10 Bước 1 Convert Loads and Generators 70

Hình 4.11 Bước 2 Order Network 70

Hình 4.12 Bước 3 Factorize admittance matrix 71

Hình 4.13 Bước 4 Solution for Switching Studies 71

Hình 4.14 Bước 5 Save file 72

Hình 4.15 Tạo file dyr 72

Hình 4.16 Open file dyr 73

Hình 4.17 Tạo thông số đầu ra mong muốn 74

Hình 4.18 Lưu file snapshot 74

Hình 4.19 Chọn file ghi kết quả 75

xii

Hình 4.21 Open file out 76

Hình 4.22 Vẽ đồ thị các ngõ ra mong muốn 76

Hình 5.1 Mạng 5 nút dùng cho mô phỏng 77

Hình 5.2 Mô hình máy phát đồng bộ rotor cực từ ẩn 80

Hình 5.3 Mô hình máy phát đồng bộ rotor cực từ lồi 81

Hình 5.4 Mô hình bộ kích từ SCRX 81

Hình 5.5 Mô hình bộ kích từ SEXS 82

Hình 5.6 Mô hình bộ điều tốc HYGOV 83

Hình 5.7 Mô hình bộ điều tốc TGOV1 83

Hình 5.8 Mô hình bộ ổn định hệ thống PSS2A 84

Hình 5.9 Thông số máy phát đồng bộ rotor cực từ ẩn 85

Hình 5.10 Thông số máy phát đồng bộ rotor cực từ lồi 87

Hình 5.11 Thông số bộ kích từ SCRX 88

Hình 5.12 Thông số bộ kích từ SEXS 90

Hình 5.13 Thông số bộ điều tốc HYGOV 91

Hình 5.14 Thông số bộ điều tốc TGOV1 92

Hình 5.15 Thông số bộ ổn định PSS2A 94

Hình 6.1 Sự cố ngắn mạch 3 pha thoáng qua trên đường dây 100–200 96

Hình 7.1 Đáp ứng của hệ thống khi không có bộ kích từ, điều tốc, PSS 103

Hình 7.2 Đáp ứng của hệ thống khi có bộ kích từ 103

Hình 7.3 Đáp ứng của hệ thống khi có bộ điều tốc 104

Hình 7.4 Đáp ứng của hệ thống khi có bộ kích từ và bộ điều tốc 104

Hình 7.5 Đáp ứng của hệ thống khi có cả 3 bộ kích từ, điều tốc, PSS 105

xiii

Hình 7.7 So sánh đáp ứng của hệ thống đối với bộ điều tốc 106

Hình 7.8 So sánh đáp ứng của hệ thống đối với bộ ổn định 106

Hình 7.9 So sánh điện áp đầu cực của máy phát đối với bộ kích từ 107

Hình 7.10 So sánh điện áp đầu cực của máy phát đối với bộ điều tốc 107

Hình 7.11 So sánh điện áp đầu cực của máy phát đối với bộ kích từ và bộ điều tốc 108

Hình 7.12 So sánh điện áp đầu cực của máy phát đối với bộ ổn định 108

Hình 7.13 Công suất cơ đầu vào của máy phát STEAM 1, so sánh bộ kích từ 109

Hình 7.14 Công suất cơ đầu vào của máy phát STEAM 1, so sánh bộ điều tốc 109

Hình 7.15 Công suất điện của MF STEAM 1 khi có và không có bộ kích từ 110

Hình 7.16 Công suất điện của MF STEAM 1 khi có và không có bộ điều tốc 110

Hình 7.17 Công suất điện của MF STEAM 1 khi có bộ kích từ hoặc bộ điều tốc 111

Hình 7.18 Đáp ứng của hệ thống đối với sự cố thoáng qua đường dây 100-200 không có bộ PSS 116

Hình 7.19 Đáp ứng của hệ thống đối với sự cố thoáng qua đường dây 100-200 có bộ PSS 116

Hình 7.20 So sánh đáp ứng của hệ thống đối với sự cố thoáng qua trên đường dây 100-200 117

Hình 7.21 Đáp ứng của hệ thống khi tự đóng lại đường dây 100-200 sau sự cố, không có bộ PSS 118

Hình 7.22 Đáp ứng của hệ thống khi tự đóng lại đường dây 100-200 sau sự cố, có bộ PSS 118

Hình 7.23 So sánh đáp ứng của hệ thống khi tự đóng lại đường dây 100-200 sau sự cố 119

Hình 7.24 Thời gian tới hạn để hệ thống vẫn duy trì được sự ổn định 120

Hình 7.25 Đáp ứng của hệ thống khi vượt quá thời gian tới hạn 120

Hình 7.31 Đáp ứng của hệ thống khi cô lập thanh cái 151 sau sự cố, có bộ PSS 124Hình 7.32 So sánh đáp ứng của hệ thống khi cô lập thanh cái 151 sau sự cố 125Hình 7.33 So sánh đáp ứng của hệ thống đối với sự cố 1 pha chạm đất trên đường dây 150-200 126

xv

Bảng 5.1 Thông số đường dây mạng 5 nút 78

Bảng 5.2 Thông số thanh cái mạng 5 nút 78

Bảng 5.3 Thông số máy phát mạng 5 nút 79

Bảng 5.4 Thông số máy biến áp mạng 5 nút 79

Bảng 5.5 Thông số máy phát đồng bộ rotor cực từ ẩn 85

Bảng 5.6 Thông số máy phát đồng bộ rotor cực từ lồi 87

Bảng 5.7 Thông số bộ kích từ SCRX 88

Bảng 5.8 Thông số bộ kích từ SEXS 90

Bảng 5.9 Thông số bộ điều tốc HYGOV 91

Bảng 5.10 Thông số bộ điều tốc TGOV1 92

Bảng 5.11 Thông số bộ ổn định PSS2A 94

Bảng 7.1 Thời gian tới hạn để hệ thống duy trì sự ổn định 111

xvi

HTĐ Hệ thống điện CĐXL Chế độ xác lập

1

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ

ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

Lịch sử phát triển của hệ thống điện

Lịch sử phát triển của hệ thống điện đã trải qua hàng trăm năm với vô số các phát minh và cải tiến hết sức lớn lao, đặc biệt là những phát minh tiêu biểu đáng được ghi nhận trong thế kỉ XIX: phát minh ra hệ thống điện xoay chiều ba pha (1883), tải điện năng đi xa bằng dòng điện xoay chiều (1884), phát minh ra máy biến áp điện lực (1885) hay đường dây tải điện ba pha lần đầu được vận hành thử nghiệm ở khoảng cách 175

km (1891) Kể từ giai đoạn đó đến nay, sự phát triển của ngành điện gắn liền với sự phát triển của hệ thống điện xoay chiều ba pha công suất lớn: khoảng cách truyền tải ngày càng tăng, công suất phát ngày càng lớn và số tổ máy phát làm việc song song ngày càng nhiều Chính những điều này đã dẫn đến yêu cầu cấp bách phải nghiên cứu lý thuyết về

hệ thống điện để giải quyết những vấn đề phát sinh Việc truyền tải điện năng đi xa phát sinh một vấn đề rằng công suất truyền tải bị giới hạn vì một số yếu tố như khoảng cách truyền tải, tổn thất công suất, tổn thất điện áp, giới hạn phát nóng dây dẫn, yêu cầu điện

áp cuối đường dây,… và đặc biệt là xuất hiện giới hạn công suất truyền tải theo điều kiện để đảm bảo tính ổn định hệ thống Giới hạn ổn định là một trong những điều kiện cần để tồn tại chế độ xác lập hệ thống Vì vậy, yêu cầu phát triển lí thuyết ổn định hệ thống điện là hết sức cần thiết và mang ý nghĩa thực tiễn cao

Các chế độ làm việc của hệ thống điện

Chế độ làm việc của hệ thống điện được chia ra làm hai loại cơ bản: chế độ xác lập (CĐXL) và chế độ quá độ (CĐQĐ)

Chế độ xác lập là chế độ mà ở trạng thái đó hệ thống làm việc với các thông số không thay đổi hoặc chỉ có những nhiễu loạn rất nhỏ xung quanh các trị số xác định trong một khoảng thời gian tương đối ngắn Chế độ làm việc bình thường và lâu dài của

hệ thống điện gọi là CĐXL bình thường Chế độ mà hệ thống được phục hồi và làm việc tạm thời sau sự cố gọi là CĐXL sau sự cố Ở các CĐXL sau sự cố, các thông số ít thay

là CĐQĐ bình thường nếu sau đó hệ thống tiến đến một CĐXL mới Lúc này, các thông

số của hệ thống có thay đổi nhưng sau đó lại trở về trị số gần với định mức và sau đó ít

bị dao động Ngược lại, nếu các thông số hệ thống thay đổi lớn và sau đó tăng đến vô cùng hoặc giảm về 0 thì CĐQĐ khi đó của hệ thống được gọi là CĐQĐ sự cố

Nói tóm lại, yêu cầu quan trọng nhất đối với mọi hệ thống điện là phải đảm bảo sao cho các CĐQĐ diễn ra bình thường, và nhanh chóng đạt được trạng thái CĐXL mới, bởi vì CĐQĐ chỉ là một quá trình biến đổi trung gian tạm thời còn CĐXL mới là trạng thái làm việc cơ bản của hệ thống điện

Khái niệm và phân loại về ổn định hệ thống điện

1.1.3.1 Giới thiệu về ổn định

Ổn định hệ thống điện đã được công nhận là một vấn đề quan trọng đối với sự an toàn của hoạt động hệ thống từ những năm 1920 Nhiều sự cố mất điện chủ yếu gây ra bởi sự mất ổn định hệ thống điện đã minh họa cho tầm quan trọng của hiện tượng này Trong lịch sử, sự mất ổn định quá độ đã trở thành vấn đề ổn định chiếm ưu thế trên hầu hết các hệ thống, và đã trở thành tiêu điểm của sự chú ý của ngành công nghiệp liên quan đến sự ổn định hệ thống Khi các hệ thống điện đã phát triển thông qua sự tăng trưởng liên tục trong các mối liên kết, sử dụng công nghệ mới và điều khiển, các hoạt động tăng lên trong điều kiện căng thẳng cao, những hình thức khác nhau của hệ thống không ổn định đã xuất hiện Ví dụ, ổn định điện áp, ổn định tần số và ổn định góc rotor

đã trở thành mối quan tâm lớn hơn trong quá khứ Điều này đã tạo ra một nhu cầu để xem xét các định nghĩa và phân loại ổn định hệ thống điện Một sự hiểu biết rõ ràng về các loại khác nhau của sự mất ổn định và làm thế nào chúng có mối quan hệ với nhau là điều cần thiết cho việc thiết kế và hoạt động đạt yêu cầu của hệ thống điện Đồng thời,

mà trong điều kiện rộng rãi phù hợp với các định nghĩa toán học chính xác

1.1.3.2 Khái niệm về ổn định

Hệ thống điện là một hệ thống phi tuyến tính hoạt động trong một môi trường thay đổi liên tục, tải và đầu ra của máy phát và các thông số hoạt động quan trọng thay đổi liên tục Khi phải chịu một nhiễu, sự ổn định của hệ thống phụ thuộc vào điều kiện ban đầu cũng như bản chất của nhiễu

Ổn định là điều kiện cân bằng giữa các lực ngược chiều nhau Các máy phát đồng

bộ duy trì đồng bộ với nhau theo một cơ chế nhất định là thông qua các lực hồi phục, lực này tác động bất cứ khi nào có các lực có khuynh hướng tăng tốc hoặc giảm tốc một hoặc nhiều máy phát so với các máy phát khác trong hệ thống Ở trạng thái xác lập, có

sự cân bằng giữa moment cơ đầu vào và moment điện đầu ra của mỗi máy phát, và do

đó tốc độ được duy trì không đổi

Sự ổn định của một 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 bình thường Trong trạng thái cân bằng đó, sự ảnh hưởng của các nhiễu loạn khác nhau tồn tại trong hệ thống có thể tác động đến hệ thống, tuy nhiên hệ thống vẫn duy trì được trạng thái làm việc và đạt đến trạng thái cân bằng mới xung quanh các thông số xác định với một sai số có thể chấp nhận được

Hệ thống điện thường xuyên phải chịu một loạt các nhiễu bé và lớn, ta gọi đó là trạng thái mà hệ thống đang ở trong CĐQĐ Nhiễu bé là một trong các tình huống mà công suất của tải thay đổi liên tục, hệ thống phải có khả năng thích nghi với điều kiện thay đổi và hoạt động một cách ổn định Ngoài ra, cũng có thể tồn tại nhiều nhiễu có

4

tính chất nghiêm trọng, gọi là nhiễu lớn, như một sự cố ngắn mạch trên đường dây; sự

cố dẫn đến việc cắt một số lượng lớn máy phát hoặc tải lớn; hoặc mất đường dây nối giữa hai hệ thống con Một nhiễu lớn có thể dẩn đến những thay đổi về cấu trúc của hệ thống do nó có thể dẫn đến sự cách ly, cô lập các thành phần sự cố

Tại một trạng thái cân bằng, một hệ thống có thể ổn định đối với một nhiễu tổng thể nhất định và không ổn định đối với những cái khác Sẽ là phi thực tế và phi kinh tế nếu muốn thiết kế hệ thống ổn định cho mỗi tình huống nhiễu có thể xảy ra Các thiết

kế dự phòng đối với một số tình huống nhiễu nhất định được lực chọn trên cơ sở tình huống đó có một xác suất xảy ra tương đối cao Do đó, sự ổn định nhiễu lớn luôn đề cập đến một vài kịch bản nhiễu được quy định

5

Tuy nhiên, cách phân chia ra ổn định tĩnh và ổn định động (tương ứng với nhiễu

bé và nhiễu lớn) có ý nghĩa quan trọng và được dùng rộng rãi hơn cả do có sự khác biệt

cơ bản trong phương pháp nghiên cứu và phân tích

Hình 1.2 Phân loại ổn định HTĐ theo ổn định tĩnh và ổn định động

Chúng ta đã phân loại sự ổn định của hệ thống điện để thuận lợi trong việc xác định nguyên nhân của sự mất ổn định, ứng dụng các công cụ phân tích thích hợp, và phát triển các biện pháp khắc phục trong bất cứ trường hợp nào Tuy nhiên, bất kỳ sự mất ổn định nào đều có thể xảy ra không hoàn toàn giống như các trường hợp ta đã đề cập Điều này rất đúng trong hệ thống công suất lớn và gây ra hậu quả là thiệt hại hệ thống Tuy nhiên, phân biệt giữa các hình thức mất ổn định khác nhau rất quan trọng, từ

đó nắm rõ các nguyên nhân cơ bản để xây dựng và thiết kế các phương thức hoạt động thích hợp

Phân loại ổn định hệ thống điện rất thuận tiện và hiệu quả để giải quyết các vấn

đề phức tạp, sự ổn định tổng thể của hệ thống luôn luôn phải được chú ý tới Nó là yếu

6

tố cần thiết để tìm ra tất cả các khía cạnh của hiện tượng ổn định, và mỗi khía cạnh tìm

ra nhiều hơn một quan điểm

GIỚI THIỆU VỀ ỔN ĐỊNH TĨNH VÀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG

Ổn định tĩnh

Ổn định tĩnh hay còn gọi là ổn định tín hiệu bé (hoặc nhiễu bé, small-signal stability) là khả năng của hệ thống điện duy trì chế độ đồng bộ khi chịu tác động của các nhiễu bé

Nhiễu được xem là nhiễu bé nếu phương trình mô tả đáp ứng của hệ thống có thể được tuyến tính hoá xung quanh điểm làm việc cho mục đích giải tích Tín hiệu nhiễu

bé thường xuyên xảy ra nhất là đóng cắt đột ngột làm thay đổi công suất phụ tải của hệ thống

Đáp ứng của hệ thống điện đối với các nhiễu như vậy liên quan đến dao động lớn của góc rotor máy phát, dòng công suất, điện áp nút và các biến hệ thống khác

7

Ổn định phụ thuộc vào cả chế độ làm việc ban đầu của hệ thống lẫn mức độ nghiêm trọng của nhiễu Thông thường, hệ thống sẽ thay đổi do đó trạng thái xác lập sau nhiễu khác với trạng thái xác lập trước nhiễu

Nếu góc tương đối giữa các máy phát trong hệ thống nằm trong giới hạn nhất định, hệ thống sẽ duy trì chế độ đồng bộ Ngược lại, hệ thống sẽ mất ổn định

Mất đồng bộ do mất ổn định quá độ, nếu có, sẽ thể hiện trong khoảng thời gian

từ 2 đến 3 giây sau khi chịu tác động của nhiễu Do đó, thời gian mô phỏng cần thiết để xác định khả năng ổn định của hệ thống thường là 5 giây

Ổn định động trong tài liệu này theo cách định nghĩa nêu trên gắn liền với khả năng giữ trạng thái làm việc đồng bộ các máy phát nên còn được gọi là ổn định đồng bộ

hệ thống Đôi khi hệ thống có khả năng trở lại làm việc ở trạng thái đồng bộ sau một vài chu kỳ mất đồng bộ của máy phát Khi đó, hệ thống vẫn được coi là ổn định động, người

ta còn gọi là ổn định tái hợp (hay ổn định kết quả) để dễ dàng phân biệt

8

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH ĐỘNG CÁC PHẦN TỬ

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIỚI THIỆU

Để có thể phân tích và nghiên cứu ổn định động cần phải dựa vào hệ phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ diễn ra trong hệ thống, do đó mô hình các phần tử của hệ thống điện được dùng trong phân tích ổn định động đóng một vai trò hết sức quan trọng Sau đây, ta sẽ lần lượt tìm hiểu các mô hình này

MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN

Lý 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 không gian

Hình 2.1 Cấu trúc của máy điện đồng bộ

Ngoài cuộn dây kích từ, trên rotor còn có các cuộn dây cản có tác dụng làm tắt dần các dao động tốc độ của máy phát

Mạch thay thế của rotor và stator được xây dựng với các giả thiết sau:

- Cuộn dây stator phân bố theo quy luật hình sin dọc theo khe hở giữa stator và rotor

9

- Rãnh stator không ảnh hưởng đến sự thay đổi của điện cảm rotor theo vị trí rotor

- Bỏ qua hiện tượng từ trễ

- Bỏ qua hiện tượng bão hòa

Hình 2.2 Mạch thay thế stator và rotor của máy phát điện đồng bộ

-  : góc trục d vượt trước trục từ trường cuộn dây pha a, tính bằng rad điện

- r: 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 được gọi là trục dọc, trục q là thành phần vượt trước trục d một góc 90° theo chiều quay của rotor và được gọi là trục ngang Vị trí tương đối của rotor so với stator được xác định bởi 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 vào cuộn dây

Điện cảm tự thân stator:

3 2 cos 2( )

fd afd kd akd kq akq

Vì 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 trạng thái quá độ bằng cách giải các phương trình vi phân phần ứng với các mạch có mối 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 các đại lượng quay với tốc độ rotor Ví dụ các dòng điện phần ứng 𝑖𝑎,𝑖𝑏,𝑖𝑐 được biến đổi thành các thành phần dọc trục 𝑖𝑑 và ngang trục 𝑖𝑞 và thành phần thứ tự không 𝑖0 Như vậy sau khi biến đổi, các đại lượng stator sẽ trở nên cố định nếu ta xét hệ trục của máy điện đồng

bộ là hệ trục gắn chặt với rotor, do đó hỗ cảm sẽ không thay đổi theo thời gian

Ở phép biến đổi này có hệ số 2

3 với mục tiêu là biên độ dòng điện của các đại lượng a, b, c bằng với biên độ của các đại lượng dòng điện khi đã biến đổi sang các đại lượng dq0

Một dạng biến đổi khác được viết như sau với hệ số 2

3 có mục tiêu là đại lượng công suất sau biến đổi sẽ chỉ phụ thuộc vào các đại lượng dq0 Pv i d d v i q qv i0 0 so với

độ dòng 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 thì các 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:

14

Xây dựng phương trình mô tả máy phát từ phương trình điện áp máy phát

Hình 2.3 Mạch thay thế stator và rotor máy phát

Ta viết được phương trình điện áp pha a:

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, ta thực hiện biến đổi cho vế phải của phương trình điện áp

Đối với sụt áp trên thành phần điện trở:

00

P P

afd akd a

T q

kq

L G

L

L L L

R R R R

R R

Phương trình ma trận của điện áp máy phát có thể được tách thành hai phần stator

và rotor, được viết như sau:

.

00

d ss

q

L L

akq r

rs

afd akd

akq

kL kL L

0 0

ffd fkd fkd fkd

kk rr

q

L L L

L L

d

L G

a s

a

R R

Khi bỏ qua s ta có thể viết gọn lại phương trình điện áp stator dưới dạng:

Phương trình chuyển động của rotor

Phương trình mô tả chuyển động của máy phát đồng bộ là phương trình mô tả moment quán tính của rotor máy phát:

a

Trong đó:

θ: Góc lệch của trục d rotor và trục pha a của stator

𝑇𝑎 : Momen tăng tốc, đơn vị là N.m

Bởi vì máy điện đồng bộ là máy phát nên moment tăng tốc 𝑇𝑎 sẽ bằng moment

cơ trừ cho moment điện từ

Ta có phương trình mô tả vị trí của rotor như sau :

 : 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:

19

Phương trình này bao gồm 3 phương trình từ thông của rotor fkd, kd, kq

Và 2 phương trình chuyển động quay của rotor là:

Tổng quan và phân loại

Chức năng cơ bản của hệ thống kích từ là cung cấp dòng điện một chiều cho cuộn cảm của máy phát đồng bộ Một yêu cầu cơ bản là hệ thống kích từ có thể tự điều chỉnh được dòng kích từ để ổn định điện áp đầu cực của máy phát ở một giá trị có thể chấp nhận được, và có thể điều chỉnh được công suất phản kháng phát ra của máy phát

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 hệ thống kích từ cũng như máy phát và các thiết bị khác

- Thỏa mãn các yêu cầu hoạt động linh hoạt

- Có độ tin cậy cao và luôn luôn hoạt động tốt

- 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

chuyển đổi điện áp đầu cực của máy phát trở thành đại lượng một 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 voltage transducer and load compensator sẽ được dùng để

so sánh với điện áp tham chiếu, là giá 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 moment hãm các dao động cơ điện trong máy phát

- Khối Limiters and protective circuits: là khối bao gồm chức năng giới hạn

trong điều khiển và chức năng bảo vệ Thông thường giới hạn sẽ được điều khiển bằng cách giới hạn dòng điện ở cuộn cảm

Có ba loại kích từ chính thường được sử dụng đó là:

- Hệ thống kích từ một chiều

21

- Hệ thống kích từ xoay chiều

- Hệ thống kích từ tĩnh

Hệ thống kích từ một chiều

Hệ thống này sử dụng động cơ một chiều phát ra dòng một chiều là nguồn cho

hệ thống kích từ, dòng một chiều cung cấp đến rotor của máy phát thông qua một vành trượt Động cơ một chiều có thể là động cơ kích từ độc lập hoặc động cơ tự kích từ, đối với động cơ kích từ động lập thì từ thông kích từ được lấy từ nam châm vĩnh cửu ở stator

Hình 2.5 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 chỉnh thông qua bộ khuếch đại Nếu bộ điều chỉnh khuếch đại bị hỏng thì ta có thể điều chỉnh bằng tay từ thông kích từ của máy phát bằng cách thông qua một biến trở

Hệ thống kích từ xoay chiều

Máy phát đồng bộ dùng để kích thích gọi là máy kích thích xoay chiều, bao gồm một máy phát điện đồng bộ có phần cảm là phần tĩnh và phần ứng là phần quay và hệ

Hệ thống sẽ lấy điện áp đầu cực của máy phát, thông qua bộ điều chỉnh AC để chuyển từ điện áp thực sang tín hiệu và qua một bộ chỉnh lưu điều khiển được để tạo nên 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 sử dụng thay thế một bộ điều chỉnh DC lấy tín hiệu phía sau của bộ chỉnh lưu tĩnh diode

23

2.3.3.2 Hệ thống chỉnh lưu quay

Hình 2.7 Hệ thống chỉnh lưu quay

Đối với hệ thống kích từ sử dụng bộ chỉnh lưu quay thì việc sử dụng chổi than và

cổ góp không còn cần thiết nữa, dòng điện một chiều sẽ được cung cấp trực tiếp cho rotor của máy phát thông qua một bộ chỉnh lưu điều khiển được gắn trên trục của rotor máy phát kích từ Hệ thống này còn được gọi là hệ thống kích thích không chổi than

Hệ thống kích từ tĩnh

Hình 2.8 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 kích

24

thích, bộ chỉnh lưu điều khiển được, một vành trượt và đưa trực tiếp vào rotor máy phát chính

Mô hình tổng quát của hệ thống kích từ

Mô hình toán học của toàn bộ hệ thống kích từ cho máy phát có thể được biểu diễn như sau:

Hình 2.9 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 dòng kích 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 ổn định cho máy phát, hệ thống sẽ lấy phản hồi từ điện áp đầu cực và so sánh với giá trị điện áp tham chiếu V r , sai số ngõ ra sẽ đi qua bộ điều chỉnh ổn định để có thể tiếp tục duy 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 system stabilizers), bộ PSS có chức năng tăng moment hãm các dao động cơ điện của máy phát khi xảy ra các sự cố nhằm cải thiện các giới hạn ổn định ngắn hạn và ổn định trạng thái tĩnh

Các khối chức năng của hệ thống kích từ

 Khối tạo điện áp trên cuộn dây kích từ