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