Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất pss

NGUYỄN ĐỨC NINH ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT – PSS NGUYỄN ĐỨC NINH TỰ ĐỘNG HÓA TN 2011 THÁI NGUYÊN 2011 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT - PSS Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Học Viên: NGUYỄN ĐỨC NINH Người HD Khoa học: TS PHẠM QUANG ĐĂNG THÁI NGUYÊN – 2011 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Họ tên học viên Ngày tháng năm sinh Nơi sinh Nơi công tác : Nguyễn Đức Ninh : Ngày 12 tháng 03 năm 1984 : Lâm Thao - Phú Thọ : Cơ sở đào tạo Chuyên ngành Khóa học Ngày giao đề tài Ngày hoàn thành đề tài : Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun : Tự động hóa : K12- TĐH : : TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT - PSS Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Phạm Quang Đăng Trung tâm Nghiên cứu Triển khai công nghệ cao – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội NGƢỜI HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN TS Phạm Quang Đăng Nguyễn Đức Ninh BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Phương pháp nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Kết cấu luận văn CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG ĐIỀU KIỆN HÕA LƢỚI 1.1 Máy phát điện đồng 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Kết cấu máy phát điện đồng pha 1.1.3 Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng 1.2 Các đặc tính máy phát điện đồng 10 1.2.1 Phương trình điện áp máy phát điện đồng 10 1.2.2 Đặc tính khơng tải máy phát điện đồng 12 1.2.3 Đặc tính ngắn mạch tỷ số ngắn mạch K 12 1.2.4 Đặc tính ngồi 13 1.2.5 Đặc tính điều chỉnh 14 1.2.6 Đặc tính tải 15 1.3 Điều chỉnh công suất máy phát 16 1.3.1 Điều chỉnh công suất tác dụng P 17 1.3.2 Điều chỉnh công suất phản kháng Q 20 1.4 Mô hình tốn máy phát điện đồng 21 1.4.1 Phương trình máy phát điện đồng hệ trục pha 21 1.4.2 Phương trình máy điện đồng viết hệ trục vng góc 23 1.4.2.1 Phương trình stato 24 1.4.2.2 Phương trình rơto 25 1.4.2.3 Phương trình từ thơng 26 1.4.2.4 Phương trình mơmen 29 1.4.3 Phương trình máy điện đồng viết đại lượng tương đối 30 1.4.3.1 Các đại lượng so sánh 30 1.4.3.2 Phương trình máy điện đồng hệ đơn vị tương đối 31 1.5 Máy điện đồng hệ thống điện 33 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT 36 2.1 Hệ thống kích từ máy phát điện 36 2.1.1 Khái niệm 36 2.1.2 Các thành phần hệ thống kích từ 36 2.1.3 Bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát 37 2.1.4 Bộ chỉnh lưu kích từ thyristor 38 2.1.5 Một số hệ thống kích từ cho máy phát điện đồng 38 2.1.5.1 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện chiều 38 2.1.5.2 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao 39 2.1.5.3 Hệ thống kích từ không chổi than 40 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT 2.1.5.4 Hệ thống kích từ tĩnh (Static Exciter) 41 2.1.6 Thiết lập hệ phương trình hệ thống điều chỉnh kích từ 42 2.1.6.1 Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ (Automatic Voltage Regulator) 42 2.1.6.2 Thiết lập hệ phương trình hệ thống điều chỉnh kích từ 43 2.2 Hệ thống ổn định công suất 45 2.2.1 Trạng thái ổn định 45 2.2.2 Trạng thái ổn định tức thời 46 2.2.3 Tác động hệ thống kích từ ổn định 47 2.2.4 Ổn định kích động nhỏ 48 2.2.4.1 Dao động máy phát làm việc song song với lưới điện 48 2.2.4.2 Dao động cưỡng máy phát điện đồng làm việc chế độ ốc đảo (dao động nội máy phát điện) 51 2.2.4.3 Dao động liên khu vực 51 2.2.5 Thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất (PSS) 52 2.2.6 Triệt tiêu dao động điện 53 2.3 Phân loại thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất 54 2.3.1 Các thiết bị ổn định hệ thống nguồn cơng suất dựa tín hiệu tốc độ 54 2.3.2 Thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất đầu vào kép 55 2.3.2.1 Thiết bị ổn định công suất đầu vào kép PSS2A 56 2.3.2.2 Thiết bị ổn định công suất đầu vào kép PSS2B 57 2.3.2.3 Thiết bị ổn định công suất đầu vào kép PSS3B 58 2.3.2.4 Thiết bị ổn định công suất đầu vào kép PSS4B 58 2.3.3 Lựa chọn thiết bị ổn định công suất 59 2.3.3.1 Tín hiệu tốc độ 59 2.3.3.2 Bộ lọc xoắn 59 2.3.3.3 Bù pha lựa chọn tín hiệu ổn định 60 2.4 Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát có PSS 60 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT 62 3.1 Phương pháp thiết kế PSS 62 3.1.1 Phương pháp tiếp cận mômen tắt dần 62 3.1.2 Phương pháp tiếp cận đáp ứng tần số 63 3.1.3 Phương pháp tiếp cận giá trị riêng biến trạng thái 63 3.2 Mơ hình máy phát điện cổ điển 66 3.3 Ảnh hưởng động học mạch từ máy phát điện đồng 68 3.4 Xây dựng ma trận trạng thái 74 3.5 Ảnh hưởng hệ thống kích từ 78 3.6 Thiết kế điều khiển PSS 80 3.6.1 Thiết kế điều khiển 80 3.6.2 Tính tốn thơng số phục vụ cho mô 87 CHƢƠNG 4: MƠ HÌNH HĨA VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT 93 4.1 Mục đích mô 93 4.2 Các thành phần tham số hệ thống mơ 93 4.2.1 Máy phát điện đồng 93 4.2.2 Hệ thống kích từ 93 4.2.3 Bộ điều khiển PSS 94 4.2.4 Hệ thống điều tốc governor 94 4.2.5 Máy biến áp 94 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT 4.2.6 Các phần tử khác 95 4.3 Mơ hình mơ hệ thống 95 4.4 Kết mô 95 4.4.1 Dạng đáp ứng đầu PSS 95 4.4.2 Dạng đáp ứng đầu hệ thống kích từ 96 4.4.3 Sai lệch góc phụ tải 96 4.4.4 Dạng điện áp đầu cực máy phát 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu PSS AVR CSPK HTĐ VAC TĐK CLK CĐXL QTQĐ VP CH ĐL BĐ SS TCL MBA MF Ý nghĩa Thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất, viết tắt Power System Stabilizer Bộ tự động điều chỉnh điện áp, viết tắt Automatic Voltage Regulator Công suất phản kháng Hệ thống điện Điện áp xoay chiều, viết tắt Voltage Alternating Current Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển Chế độ xác lập Q trình q độ Kênh điều chỉnh theo tín hiệu đạo hàm Bộ phận kích thích cường hành Máy biến áp đo lường Thiết bị biến đổi(chỉnh lưu lọc) Khối so sánh Chỉnh lưu thyristor Máy biến áp Máy phát Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Tên hình vẽ Trang Hình 1.1: Nguyên lý trình sản xuất điện năng………………………… Hình 1.2: Đồ thị sức điện động máy phát điện cực lồi……………… 11 Hình 1.3: Đặc tính khơng tải máy phát: Tuabin hơi(1), máy phát tuabin nước(2)…………………………………………………………………… 12 Hình 1.4: Đặc tính ngắn mạch máy phát đồng bộ…………………… 13 Hình 1.5: Đặc tính ngồi máy phát điện đồng bộ…………………… 14 Hình 1.6: Đặc tính điều chỉnh máy phát điện đồng bộ……………… 15 Hình 1.7: Xác định đặc tính tải cảm từ đặc tính khơng tải tam giác điện kháng………………………………………………………………… 15 Hình 1.8: Cơng suất tác dụng công suất chỉnh máy phát điện… 17 Hình 1.9: Đồ thị véc tơ suất điện động…………………………………… 20 Hình 1.10: Họ đặc tính hình V máy phát điện đồng bộ…………… 21 Hình 1.11: Biểu diễn hệ số tự cảm cuộn dây pha a stato………………… 27 Hình 1.12: Biểu diễn hệ số hỗ cảm pha stato…………………… 28 Hình 2.1: Hệ thống kích từ dùng máy phát điện chiều……………… 39 Hình 2.2: Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao…… 40 Hình 2.3: Hệ thống kích từ khơng chổi than……………………………… 41 Hình 2.4: Hệ thống kích từ tĩnh…………………………………………… 42 Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc TĐK tác động mạnh…………………………… 42 Hình 2.6: Sơ đồ khối cấu trúc hàm truyền hệ TĐK tác động mạnh…… 44 Hình 2.7: Trạng thái ổn định tức thời……………………………………… 46 Hình 2.8: Ảnh hưởng tác động nhanh đến hệ thống kích từ………… 47 Hình 2.9: Thiết bị ổn định hệ thống nguồn cơng suất dựa vào tín hiệu tốc độ PSS1A………………………………………………………………… 54 Hình 2.10: Sơ đồ khối thiết bị ổn định cơng suất PSS2A………………… 57 Hình 2.11: Sơ đồ khối thiết bị ổn định cơng suất PSS2B………………… 57 Hình 2.12: Mơ tả PSS2A PSS2B kết nối với hệ thống tuabin − máy phát 58 Hình 2.13: Sơ đồ khối thiết bị ổn định cơng suất PSS3B…………… 58 Hình 2.14: Sơ đồ khối thiết bị ổn định công suất PSS4B…………… 58 Hình 2.15: Khâu lọc thơng cao…………………………………………… 59 Hình 2.16: Bộ lọc thành phần xoắn…………………………………… 60 Hình 2.17: Khâu khuếch đại bù pha…………………………………… 60 Hình 2.18: Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh điện áp ổn định cơng suất máy phát đồng bộ…………………………………………………… 61 Hình 3.1: Mơ hình hệ thống máy phát điện cổ điển……………………… 66 Hình 3.2: Sơ đồ khối máy phát cổ điển…………………………………… 67 Hình 3.3: Sơ đồ khối biểu diễn véc tơ điện áp máy phát điện áp cuối đường dây lên hệ trục dq………………………………………………… 69 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hình 3.4: Sơ đồ mạch thay tương đương máy phát điện……………… Hình 3.5: Hệ thống lưới với nhiều máy phát đồng bộ…………………… Hình 3.6: Sơ đồ tương đương với máy phát……………………………… Hình 3.7: Hệ thống kích từ thyristor với AVR…………………………… Hình 3.8: Mơ hình sơ đồ khối hệ thống kích từ máy phát đồng với AVR……………………………………………………………………… Hình 3.9: Mơ hình sơ đồ khối tuyến tính máy phát đồng bao gồm AVR PSS……………………………………………………………… Hình 3.10: Sơ đồ khối hệ thống kích từ thyristor AVR PSS…………… Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc mơ hình hệ thống kích từ u cầu cao…… Hình 4.1: Mơ hình máy phát điện đồng bộ……………………………… Hình 4.2: Hệ thống kích từ……………………………………………… Hình 4.3: Bộ điều khiển PSS……………………………………………… Hình 4.4: Hệ thống điều tốc governor…………………………………… Hình 4.5: Máy biến áp ba pha…………………………………………… Hình 4.6: Sơ đồ mơ hệ thống Matlab − Simulink…………… Hình 4.7: Đáp ứng điện áp đầu PSS…………………………………… Hình 4.8: Đáp ứng đầu hệ thống kích từ…………………………… Hình 4.9: Sai lệch góc phụ tải…………………………………………… Hình 4.10: Đáp ứng điện áp đầu cực máy phát…………………………… Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 69 71 76 79 80 81 83 86 93 93 94 94 95 95 96 96 97 97 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ở Việt Nam, khởi sắc kinh tế sau đổi mới, làm nhu cầu điện gia tăng đột biến Để đáp ứng gia tăng đó, xây dựng nhiều nhà máy điện như: thủy điện Sơn La, nhiệt điện Vĩnh Tân 2, nhiệt điện Vũng Áng… đồng thời mở rộng nhà máy nhiệt điện có: Phả Lại 2, ng Bí, Cẩm Phả, trung tâm nhiệt điện Phú Mỹ… Đặc biệt việc phát triển nhà máy thủy điện nhỏ: thủy điện Nho Quế hay thủy điện Nậm Ly…, phần lớn thiết bị chúng ngoại nhập Trong nhà máy điện máy phát điện đồng thiết bị quan trọng, mà hệ thống kích từ hệ thống thiết bị quan trọng định đến làm việc an toàn máy phát điện Nên vận hành cần quan tâm đến vấn đề: Một hệ thống bị tác động cố phụ tải thay đổi nhanh, dẫn đến công suất phát thay đổi xuất đồng máy phát điện đồng bộ, thời gian kéo dài gây phá hủy máy Hai vận hành tổ máy phát điện đồng làm việc song song nhà máy hay q trình hịa vào lưới điện, làm xuất dao động, ảnh hưởng đến chế độ làm việc hệ thống điện, thời gian kéo dài làm cho chất lượng điện giảm Để đảm bảo cho hệ thống làm việc tốt cần phải loại bỏ làm suy giảm tới mức tối thiểu nhiễu loạn hệ thống, thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất (PSS) sử dụng cho mục đích [7, 8, 9] Cho đến thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất (PSS) nhiều tác giả nước ngồi quan tâm, nhiên nước tác giả hay tài liệu nói đến PSS Do q trình xây dựng, để hịa lưới cho nhà máy gặp nhiều khó khăn như: thiết bị ngoại nhập có giá cao làm tăng chi phí đầu tư ban đầu, tài liệu viết tiếng anh… Đề tài này, nhằm nghiên cứu thiết kế điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn cơng suất (PSS), góp phần giải khó khăn Với lý nêu trên, tác giả mạnh dạn tìm hiểu nghiên cứu, thiết kế điều khiển PSS với hy vọng ứng dụng rộng rãi thực tế, làm giảm chi phí đầu tư, tăng tỷ lệ nội địa hóa cho trạm phát điện nâng cao hiệu hoạt động trạm phát điện có Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng kỹ thuật điều khiển xây dựng điều khiển để ổn định hệ thống công suất, nhằm nâng cao chất lượng hoạt động thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất PSS Ý nghĩa thực tiễn: Làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất, ứng dụng cho trạm phát điện vừa nhỏ Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: − Tham khảo sách giáo khoa, giáo trình, tài liệu… hệ thống điện, máy phát điện, hệ thống kích từ máy phát − Tìm hiểu nghiên cứu tài liệu giới thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất (PSS − Power System Stabilizer) − Xây dựng mơ hình tốn học: Cho hệ thống máy phát, điều khiển, máy biến áp, đường dây truyền tải,… Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT   x1 1 TD1s  TD s2    TDn sn  vi (3.96) Với: dx1 dt dx x3  x2  dt x2  x1   xn  xn1  (3.97) dxn1 dt Theo phương trình (3.96) miền thời gian: x1  TD1 x2  TD x3    TD n 1 xn  TDn xn  vi Do đó:  v  x  T x  T x    TD n1 xn TDn i D1 D Kết hợp phương trình (3.97) (3.98) ta được: x n    x1       x2            x n 1       x n    T  Dn  (3.98)      x1         x                vi 0      x TD n 1   n 1    TD1 TD   x         n  T  Dn  TDn TDn TDn  Từ khối hình 3.12, biểu thức đầu là:  (3.99) vi  x1  TN1 x2  TN x3    TNm xm1  1 TN TN  TNm  0 x  0vi Qua hai phương trình (3.99) (3.100) ta có: (3.100) x  Ax  bu y  cx  du Ở A ma trận Để có số liệu mơ phải tính thơng số: 3.6.2 Tính tốn thơng số phục vụ cho mô Các thông số lưới máy phát đơn vị tương đối sau: Công suất lưới 800 MVA, điện áp 13.8 KV P  0.9 Q  0.3 Et  1360 EB  0.99500 XE  0.65 Xd  0.89 Xq  1.55 Xd/  0.3 Xl  0.16 Ra  0.003 H  3.5 KD  Ladu  1.65 Laqu  1.6 Ll  0.16 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 87 http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Rfd  0.0006 L fd  0.153 eq  0.7298 id  0.8342 iq  0.4518 ksd incr   ksqincr   0.434 ksd  ksq  0.8491  i  43.13o ed  0.6836   79.13o E fd  2.395 Et  0.8783 Thay số liệu vào công thức sau ta được: Xqs  Lqs  Ksq Laqu  Ll  0.8491*1.6  0.16  1.5186 Theo phương trình (3.64) ta có: Ladsincr incremental   Ksd incr  Ladu  0.434 *1.65  0.7161 Theo phương trình (3.36) ta có: 0.7161* 0.153 L/ads    0.126 1 0.7161  0.153  Lads L fd Theo phương trình (3.52) ta có: Xds/  L/ads  Ll  0.126  0.16  0.286 RT  Ra  RE  0.003    L  L   X XTq  Ll  Laqs  XE  XE  Xqs  0.65  1.5186  2.1686 XTd / ads l E  XE  Xds/  0.65  0.286  0.936 D  RT2  XTq XTd  0.0032  2.1686*0.936  2.03 Theo phương trình (3.68) ta có: Eq0  eq0  Raiq0  Xqsid  0.7298  0.003*0.4518  1.5186*0.8342  1.997 Theo phương trình (3.55) ta có:  EB XTq sin   RT cos   0.995 2.1686*0.982  0.003*0.1886    1.0435 D 2.03 EB  RT sin   XTd cos  0.995 n1    0.003*0.982  0.936*0.1886  0.088 D 2.03 m1  m2  n2  XTq  Lads D Lads  L fd   2.1686 0.7161  0.8802 2.03 0.7161  0.153 Lads RT 0.003 0.7161   0.00122 D Lads  L fd 2.03 0.7161  0.153   Theo phương trình (3.70) ta có: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 88 http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT EB Eq K1   RT sin   XTd cos   EBiq X q   Xd/ XTq sin   RT cos  D D 0.995*1.997   0.003* 0.982  0.936 * 0.1886   2.03 0.995* 0.4518 1.55  0.32.1686 * 0.982  0.003* 0.1886  2.03  0.1756  0.5887  0.7643 Tương tự theo phương trình (3.71), (3.73), (3.74), (3.75), (3.79), (3.80) ta có: K2  L Lads ads  Lads  L fd K3  T3   L fd  Ladu 1 XTq X D Lads  L fd 0 R fd  R  X X  X/   d T  E   Tq q  1 iq   0.8649  D q0    D     d  Xd/  1 XTq X D d  Xd/   0.323  2.995 K4  Ladu Lads EB X sin   RT cos  1.4187 Lads  L fd D Tq K5  e ed  Ra m1  Ll n1  Laqs n1   q  Ra n1  Ll m1  L/ads m1   0.1463  E   Et  t0 K6    e  ed   Ra m2  Ll n2  Laqs n2   q  Ra n2  Ll m2  L/ads   m   0.4168 2  E L  Et   t0   fd   Với Gex  s   K A  200  TR  0.02  s  Thông số PSS: Hằng số thời gian lọc TW chọn dải từ  20  s  Hằng số thời gian khâu bù pha chọn dải từ 0.01   s  Như với thông số lưới máy phát ta chọn thông số PSS sau: KSTAB  9.5 TW  1.4  s  T1  0.154  s  T2  0.033  s  Với thơng số tính tốn ta tìm ma trận trạng thái hệ thống bao gồm AVR PSS sau: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 89 http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT  0.1092  314  0.1619 A 7.315   1.0374   4.8412 Giá trị riêng là: 0.1236 0 0.3339 22.84 20.84 1.1742 5.4796 0 0 22.84      0  0.7143   26.9697 30.303  50 0 1  40.4865 2 , 3  19.0726  j8.5839 ( d  1.15 Hz,   0.52 ) 4  0.7444 5 , 6  0.99  j6.0745 ( d  0.4 Hz,   0.154 ) Ma trận tương ứng là:  0.004 0.525 0.523 0.035 0.012 0.012     0.004 0.525 0.525 0.035 0.012 0.012   0.188 0.072 0.072 0.002 0.982 0.982     0.908 0.025 0.025 0.0000 0.522 0.522   0.011 0.160 0.160 1.071 0.092 0.092     0.300 0.052 0.052 0.001 0.415 0.415  1 2 4 3 5 6 Khi có tham gia PSS hệ thống trở nên ổn định nhiều Có hai chế độ dao động: chế độ góc phụ tải tần số 0.4 Hz, hai chế độ dao động có liên quan với hệ thống kích từ Đồng hóa hệ số mômen cản là: Tần số dao động rôto thường là: 0.99  j6.0745 Từ sơ đồ hình 3.9,  fd PSS là:  fd│PSS   K3 K A  K6  fd   vs   sT3   sTR  Với: vs  KSTAB sTW sT1   sTW  sT2  r Do Te  K2  fd KSTAB K2 K3 K A 1  sTR 1  sT1  sTW  1  sT3 1  sTR   K3 K6 K A  1  sT2 1  sTW  r   Thay giá trị s  0.99  j6.0745 đồng thời đơn giản hóa ta nhận được:  Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 90 http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Te   23  j 4.963 r Trong đó: jr  j s 0.99  j 6.0745   j  0 314 0.99  j  314  0.99  314 0.99  0.0193  r     314  6.0745 6.0745   0.0193   0.02  0.1629r Do đó: Te  23r  4.963  0.02  0.1629r   0.0993  22.1915r Hệ số đồng hóa mơmen cản PSS sinh là: K S  PSS   0.0993 mômen/rad (đơn vị tương đối) K D  PSS   22.1915 mômen/tốc độ Và K S , KD AVR phản ứng phần ứng AR đánh giá s  0.99  j6.0745 là: Khi hệ thống có AVR theo tài liệu [7] là: K S  AVR  AR   0.21 mômen/rad K D  AVR  AR   8.69 mômen/tốc độ Tổng hệ số đồng hóa mơmen cản là: K S  K1  K S  AVR  AR   K S  PSS   0.7643  0.21  0.0993  0.875 mômen/rad K D  K D AVR  AR   K D PSS   8.69  22.1945  13.505 mơmen/tốc độ Theo phương trình (3.26), tần số tự nhiên không dao động là:  0.875*314 n  K S   6.265 rad/s 2H *3.5 Hệ số tắt dần:   KD 1 13.505   0.154 K H 0.875* *314 S d  n    6.265  0.154  6.19 rad/s Chúng ta thấy sau có PSS KD tăng lên từ 8.69  13.505 K S giảm -0.0993 Khi giảm K S cho ta thấy kết bù trễ pha, giai đoạn mà bù q rơto thường dao động tần số 6.19 rad/s Bằng cách điều chỉnh T1 T2 , điều chỉnh thơng số q trình bù trễ pha thay đổi thành phần zêro thành phần mômen đồng hóa Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 91 http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Sau bảng tóm tắt tần số dao động rôto, hệ số K S KD với kết tính tốn trên: Mơ hình d  KS KD Mơ hình cổ điển 1.02 Hz 0.757 Hằng số E fd AVR PSS 1.07 Hz 0.017 0.763 1.53 0.4 Hz 0.154 0.875 13.505 Kết luận chương Ở phần đầu chương trình bày phương pháp thiết kế PSS như: phương pháp tiếp cận mômen tắt dần, phương pháp tiếp cận đáp ứng tần số hay phương pháp tiếp cận giá trị riêng biến trạng thái Trong phương pháp trên, tác giả lựa chọn phương pháp thư ba để phân tích nhằm ứng dụng cho phần thiết theo Phần mơ hình hóa máy phát điện đồng hệ thống kích từ, phương trình mạng xem xét ảnh hưởng động học mạch từ máy phát điện Từ xây dựng phương trình, sơ đồ khối máy phát đồng bao gồm AVR PSS để phục vụ cho q trình tính tốn thông số PSS Kế tiếp thiết kế điều khiển PSS, xây dựng ma trận trạng thái đầy đủ, tính tốn thơng số cụ thể để phục vụ cho q trình mơ Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 92 http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHƢƠNG 4: MƠ HÌNH HĨA VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CƠNG SUẤT 4.1 Mục đích mơ Sau thiết kế điều khiển PSS mặt lý thuyết cần phải kiểm tra tính đắn thiết kế, trước đưa áp dụng vào thực tế Việc xây dựng mơ hình hóa máy phát điện đồng để nhằm mục đích trên, thơng qua mơ hình ta thay đổi hiệu chỉnh tham số chưa có đối tượng thật Khi mơ đạt kết mong muốn, tác giả hy vọng áp dụng rộng rãi đối tượng thật Việc xây dựng mơ hình thực cơng cụ Matlab Simulink 4.2 Các thành phần tham số hệ thống mô 4.2.1 Máy phát điện đồng Mơ hình máy phát điện đồng sử dụng mô lấy thư viện SimPowerSystems Matlab Simulink hình 4.1: Hình 4.1: Mơ hình máy phát điện đồng Các thơng số: Pn = 200 MVA; Vn = 13.8 KV; fn = 50 Hz; Xd  0.89 ; Xd'  0.3 ; Xd"  0.252 ; Xq  1.55 ; X q"  0.25 ; Tq'  1 s  ; Tq"0  0.1 s  ; Td'  0.053  s  ; Rs  Ra  0.003 ; H  3.5 ; p  pole   : số đơi cực (tuabin hơi) 4.2.2 Hệ thống kích từ Được lấy thư viện SimPowerSystems Matlab Simulink hình 4.2: Hình 4.2: Hệ thống kích từ Các thơng số: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 93 http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TR  0.02  s  ; Ka  300 ; Ta  0.001 s  ; Ke  ; Te  ; K f  0.001 ; Tf  0.1 s  ; Vs  11,5 ; Vs m ax  11,5 4.2.3 Bộ điều khiển PSS Được lấy thư viện SimPowerSystems Matlab Simulink hình 4.3: Hình 4.3: Bộ điều khiển PSS Các thông số: Hằng số thời gian Sensor Ts  0.015  s  ; hệ số khuếch đại Tnum  T1  0.154  s  ; Tden  T2  0.033  s  ; Vs  0.15 ; Vs m ax  0.15 KSTAB  9.5 ; 4.2.4 Hệ thống điều tốc governor Hệ thống điều tốc governor lấy thư viện SimPowerSystems Matlab Simulink hình 4.4: Hình 4.4: Hệ thống điều tốc governor Các thông số: 10 Ka  ; Ta  0.07  s  ; gmin  0.01 pu  ; gm ax  0.975  pu  ; Vg  0.1 pu / s  ; Vg m ax  0.1 pu / s  ; Rp  0.05 ; K p  1.163 ; Ki  0.105 ; Kd  ; Td  0.01 s  ; Tw  2.67  s  4.2.5 Máy biến áp Máy biến áp lấy thư viện SimPowerSystems Matlab Simulink hình 4.4: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 94 http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hình 4.5: Máy biến áp ba pha 4.2.6 Các phần tử khác Một số phần tử khác máy cắt ba pha, hệ thống đo lường hay tải tự dùng tải cuối đường dây… 4.3 Mơ hình mơ hệ thống Sau có đủ phần tử thông số chúng, tiến hành ghép nối ta mơ hình mơ hệ thống đầy đủ hình 4.6: Hình 4.6: Sơ đồ mơ hệ thống Matlab-Simulink 4.4 Kết mô 4.4.1 Dạng đáp ứng đầu PSS Dạng đáp ứng điện áp đầu PSS hình 4.7: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 95 http://www.lrc-tnu.edu.vn Điện áp(pu) LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thời gian(s) Hình 4.7: Đáp ứng điện áp đầu PSS Trong khoảng thời gian t = 4(s) khoảng thời gian máy phát dao động, nên PSS tác động có điện áp đáp ứng hình 4.7 Khi máy phát hết dao động điện áp đầu PSS = Tại thời điểm 10(s) thời điểm đóng tải dạng điện áp thay đổi không đáng kể 4.4.2 Dạng đáp ứng đầu hệ thống kích từ Dạng đáp ứng đầu hệ thống kích từ hình 4.8: Khơng có PSS Điện áp kích từ(pu) Điện áp kích từ(pu) Có PSS Thời gian (s) Thời gian (s) Hình 4.8: Đáp ứng đầu hệ thống kích từ Từ hình 4.8 ta thấy điện áp đầu hệ thống kích từ có biên độ thời gian dao động giảm nhiều 4.4.3 Sai lệch góc phụ tải Dạng lệch góc phụ tải hình 4.9: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 96 http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Khơng có PSS Sai lệch góc phụ tải Sai lệch góc phụ tải Có PSS Thời gian(s) Thời gian(s) Hình 4.9: Sai lệch góc phụ tải 4.4.4 Dạng điện áp đầu cực máy phát Dạng đáp ứng điện áp đầu cực máy phát hình 4.10: Có PSS Điện áp đầu cực máy phát(pu) Điệna áp đầu cực máy phát(pu) Không có PSS Thời gian(s) Thời gian(s) Hình 4.10: Đáp ứng điện áp đầu cực máy phát Kết luận chương Như sau thiết kế xong điều khiển PSS mơ hình hóa máy phát điện đồng chương 3, để kiểm chứng tính đắn thiết kế chương tiến hành mô hệ thống cách ghép nối điều khiển PSS với hệ thống máy phát, kích từ, hệ thống điều tốc governor, máy biến áp, tải… Kết mô chứng minh cho ta thấy, hệ thống có PSS dập dao động điện áp nhanh, thời gian ngắn đưa máy phát trở lại làm việc bình thường Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 97 http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Trong luận văn nghiên cứu máy phát đồng hệ thống kích từ, thiết kế điều khiển PSS thu số kết sau: Nghiên cứu máy phát đồng hệ thống kích từ, từ xây dựng mơ hình tốn học, tìm thơng số chúng để phục vụ cho việc thiết kế điều khiển PSS xác Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế điều khiển PSS, việc tính tốn thơng số hệ thống điều khiển PSS quan trọng Quá trình thực hiện, tác giả thấy việc sử dụng điều khiển PSS vào hệ thống kích từ máy phát đồng có nhiều thuận lợi như: q trình hịa lưới cho nhà máy điện dễ dàng hơn, dễ thay đổi hiệu chỉnh thông số thông qua việc thay đổi thông số điều khiển PSS, thay đổi luật điều khiển thông qua phương pháp thiết kế PSS,… Kết mô chứng minh cho ta thấy, hiệu hệ thống có tác động PSS việc dập dao động điện áp, làm cho biên độ tần số dao động giảm nhiều, sai lệch góc phụ tải xảy thời gian ngắn Từ làm cho điện áp đầu kích từ ổn định, chất lượng điện áp đầu cực máy phát tốt nhiều so với hệ thống khơng có PSS Tuy nhiên máy phát làm việc hệ thống lưới điện, bị ảnh hưởng thông số phương trình mạng, làm cho số thơng số máy phát thay đổi không theo quy luật định, nên việc xác định gặp nhiều khó khăn, khơng rõ ràng Do việc tính tốn thơng số cho điều khiển PSS phần độ xác, kết chất lượng điều chỉnh điện áp chưa tốt Kiến nghị Để giải khó khăn trên, q trình thiết kế điều khiển PSS nên kết hợp thêm với lý thuyết điều khiển đại (như lý thuyết điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững) Việc thực sau: hàm truyền đầu PSS tối ưu hóa xác định phù hợp H điều khiển đầu nhiễu, giảm thiểu nhiễu tác động lên hệ thống kích từ Muốn đạt chất lượng điều chỉnh cao nữa, kết hợp thêm điều khiển mờ mạng nơ ron (mạng thần kinh) Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 98 http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] Nguyễn Công Hiền: Hệ thống cung cấp điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Trần Quang Khánh: Vận hành hệ thống điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật − 2004 Lã Văn Út: Phân tích điều khiển ổn định hệ thống điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật − 2001 Vũ Gia Hanh − Trần Khánh Hà − Phan Tử Thụ − Nguyễn Văn Sáu: Máy điện tập 1,2; Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội Nguyễn Công Hiền, TS Nguyễn Phạm Thục Anh: Mơ hình hóa hệ thống mơ phỏng, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Nguyễn Phùng Quang: Matlab & Simulink, Nhà xuất khoa học kỹ thuật − 2006 Prabha Kundur: Power System Stability and Control, Publisher McGraw − Hill Education (India) Pvt Ltd, 1994 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 IEEE Std.421.5-1992, IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies IEEE Tutorial course, “Power System Stabilization Via Excitation Control”, 81 EHO 175 − PWR ABB, UNITROL 5000 Excitation System for Medium and Large Synchronuos Machines, 2000 ABB Industrie AG Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 99 http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn hoàn toàn trung thực, theo tài liệu tham khảo chưa công bố cơng trình khác Thái ngun, ngày 30 tháng năm 2011 Tác giả luận văn Nguyễn Đức Ninh Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 100 http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên thời gian làm hồn thành luận văn này, tơi ln nhận bảo, quan tâm với lời góp ý chân thành từ thầy, cô giáo, anh chị, bạn bè đồng nghiệp Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy TS Phạm Quang Đăng, người tận tình hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hiền Trung, giúp đỡ tơi q trình tìm tài liệu tham khảo thời gian làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo, Khoa Sau Đại Học Ban Giám Hiệu Trường Đại học Kỹ thuật Cơng Nghiệp tận tình truyền đạt kiến thức, hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành khóa học Tơi xin chân thành cảm ơn anh chị, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ tơi nhiều q trình tìm kiếm số liệu để hồn thành tốt luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Nguyễn Đức Ninh Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 101 http://www.lrc-tnu.edu.vn ... định hệ thống nguồn công suất Phạm vi nghiên cứu Phát triển luật điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất Xây dựng điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất Kết cấu... Thiết kế điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất − Ứng dụng kỹ thuật mô hình hóa mơ để kiểm chứng kết nghiên cứu lý thuyết − Phát triển luật điều khiển cho thiết bị ổn định hệ. .. bị ổn định hệ thống nguồn công suất Chương 3: Thiết kế điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn cơng suất Chương 4: Mơ hình hóa mô thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất Số hóa Trung tâm