Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu RH để nâng cao chất lượng điều khiển ổn định HTĐ

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết, ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài

Khi phải thiết kế, xây dựng một hệ thống điều khiển bất kỳ nào đó, các nhàthiết kế thường gặp phải bài toán là bộ điều khiển được thiết kế cần đảm bảo cho hệthống có được chất lượng làm việc mong muốn như tính ổn định, mức tiêu haonăng lượng thấp, tính bền vững cao, trong dải công suất làm việc lớn Có thể thấyngay được rằng các yêu cầu này khó có thể được đáp ứng chỉ với các công cụ điềukhiển có cấu trúc đơn giản đang được sử dụng nhiều trong công nghiệp như bộ điềukhiển PI, PID,…

PSS (Power System Stabilizer) là một trong các bộ điều khiển hiện đang đượcsử dụng trong các nhà máy điện Ở Việt Nam, nó được lắp đặt trong các nhà máynhiệt điện Phả Lại, Phú Mỹ; nhà máy thủy điện Thác Bà, Yaly và Sơn La,… PSScó nhiệm vụ tăng cường giảm các dao động tần số thấp trong hệ thống điện (HTĐ),mở rộng giới hạn truyền tải công suất và duy trì hoạt động an toàn của mạng lướiđiện Tuy nhiên, nó vẫn có hạn chế là mỗi bộ tham số điều khiển chỉ đảm bảo đượctính ổn định cho hệ thống trong một dải công suất làm việc nhất định, ngoài dảicông suất đó kỹ sư vận hành bắt buộc phải tự chỉnh định lại các tham số làm việccủa PSS Hơn thế nữa, những tham số chuẩn được giới thiệu cũng chỉ đảm bảođược tính ổn định khi hệ thống làm việc độc lập và không bị các tương tác khác củanhững hệ thống xung quanh tác động dưới vai trò như các tín hiệu nhiễu ngoại sinh.Để nâng cao được khả năng làm việc bền vững cho các bộ điều khiển, hiệnngười ta vẫn sử dụng nguyên tắc thủ cựu là xây dựng thêm nhiều mạch vòng điềukhiển bổ sung, bằng cách sử dụng bộ điều khiển PID và các bộ lọc lead–lag Songđáng tiếc tài liệu [Glover K và Doyle J C (1998)] chỉ rõ, nguyên lý điều khiển bảothủ này vẫn chứa đựng các khiếm khuyết của nó và vẫn có thể dẫn tới sự phá vỡ chỉtiêu chất lượng đặt ra của hệ thống, trong một số trường hợp các bộ điều khiển trênkhông đảm bảo được sự dập tắt đối với những dao động trong hệ thống.

Gần đây, lý thuyết tối ưu RH được phát triển [Nguyễn Doãn Phước (2007)],[Pal B and Chaudhuri B (2005)], [Zhou K., Doyle J C and Glover K (1996)] đãmở rộng kho công cụ cho các kỹ sư điều khiển để thiết kế bộ điều khiển bền vững,cho phép tạo ra được các bộ điều khiển bổ sung có khả năng mở rộng dải công suấtlàm việc định mức cho hệ thống mà vẫn đảm bảo được việc loại bỏ các tác độngngoại sinh bên ngoài Vì vậy, trong luận án này đã đề xuất xây dựng cấu trúc bộđiều khiển mới trên cơ sở lý thuyết tối ưu RH để nâng cao chất lượng điều khiểnổn định HTĐ Điều này mang tính cấp thiết và có ý nghĩa lớn trong thực tế.

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu RH để nâng cao chất lượng điều khiển ổn định HTĐ.

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

– Đối tượng nghiên cứu của luận án là HTĐ.

– Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong việc nghiên cứu ổn

định góc tải (góc rotor) với các nhiễu nhỏ, các nhiễu nhỏ này sinh ra bởi thiếu mômen damping hoặc thay đổi về phụ tải hay máy phát trong quá trình làm việc Kỹthuật thiết kế bộ điều khiển ở đây là lý thuyết điều khiển tối ưu RH.

4 Phương pháp nghiên cứu

– Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình

nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyênngành; nghiên cứu cấu trúc và phương pháp lựa chọn thông số PSS Đánh giá ưunhược điểm các bộ PSS đó.

– Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu cấu trúc các PSS đang lắp đặt trong các

nhà máy điện hiện nay ở Việt Nam, rồi phân tích lý giải so sánh Kiểm chứng bộđiều khiển PSS thiết kế mới bằng mô phỏng trong Matlab R2010a & Simulink, sauđó là mô phỏng thời gian thực trên Card R&D DS1104 Đánh giá khả năng ứngdụng của bộ PSS mới.

– Lấy ý kiến chuyên gia: Tham khảo ý kiến của các nhà khoa học, ý kiến của

các kỹ sư vận hành nhà máy điện và nhà sản xuất thiết bị PSS của hãng ABB.

5 Những đóng góp của luận án

– Luận án đã nghiên cứu một cách hệ thống về PSS Ứng dụng lý thuyết điềukhiển tối ưu RH thiết kế thành công bộ PSS tối ưu về cấu trúc và tham số để nângcao chất lượng ổn định HTĐ Bộ điều khiển cho thấy làm việc bền vững với sailệch mô hình và nhiễu Ngoài ra chất lượng ổn định lại ít nhạy cảm nhất với sai lệchmô hình và nhiễu.

– Luận án đã dùng chuẩn Hankel để giảm bậc bộ điều khiển từ bậc 28 xuốngbậc 6, giúp cho việc thực hiện bộ điều khiển RH có tính khả thi trong thực tế.

– Luận án đã đánh giá được hiệu quả của các loại PSS theo chuẩn IEEE 421.5.2005 trong vấn đề giảm các dao động góc tải của máy phát điện trong HTĐ.

– Kết quả nghiên cứu của luận án mở ra khả năng ứng dụng RH – PSS trong HTĐ thực tế.

6 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị luận án gồm các chương sau đây:

Chương 1 giới thiệu cấu trúc chung về HTĐ; vấn đề điều khiển HTĐ như điềukhiển điện áp, điều khiển tần số; phân tích nguyên nhân gây nên dao động góc tải,tác hại của dao động Cuối chương 1 trình bày các phương pháp thiết kế PSS nhưmô men damping, đáp ứng tần số hay giá trị riêng và ma trận trạng thái Phân tíchcác tồn tại và nghiên cứu còn bỏ ngỏ.

Chương 2 của luận án được dành để xây dựng mô hình toán tổng quát củatrạm phát điện trong HTĐ Cụ thể là xây dựng mô hình toán của máy phát điệnđồng bộ, kích từ và AVR, turbine và điều tốc Phần tiếp theo của chương là xâydựng mô hình toán của hệ máy phát điện khi kết nối với HTĐ qua đường dây tảiđiện.

Chương 3 được dành để xây dựng mô hình toán đã tuyến tính hóa xung quanhđiểm làm việc của hệ máy phát kết nối với HTĐ khi bị nhiễu loạn nhỏ tác động, từđó đưa ra được hệ phương trình trạng thái của HTĐ Trên đồ thị vector, giải thíchbản chất vật lý các thành phần mô men khi chưa có AVR và khi có AVR từ đó thấyđược sự cần thiết của PSS Phần tiếp theo của chương 3 giới thiệu các cấu trúc củaPSS theo chuẩn IEEE 421.5.2005, phân tích các thành phần trong cấu trúc củaPSS2A/2B Cuối chương 3 thực hiện đánh giá hiệu quả của PSS đối với ổn địnhgóc tải Kết quả nghiên cứu trong chương này là một đóng góp của luận án.

Chương 4 là chương trọng tâm của luận án Công việc đầu tiên được dành choviệc chuyển bài toán điều khiển ổn định tín hiệu nhỏ thành bài toán điều khiển bềnvững Phần tiếp theo trình bày tổng quan về lý thuyết điều khiển tối ưu và các bướcthiết kế bộ điều khiển bền vững PSS Với công cụ hỗ trợ là phần mềm Matlab, tácgiả đã tìm ra bộ điều khiển bậc 28 Để bộ điều khiển có tính khả thi trong thực tế,tác giả đã dùng chuẩn Hankel để giảm bậc bộ điều khiển về bậc 6 Phần cuối củachương 4 dành cho việc mô phỏng bộ điều khiển trong hai trường hợp Mô phỏngtrong Matlab và mô phỏng theo thời gian thực Kết quả nghiên cứu trong chươngnày là một đóng góp mới và quan trọng của luận án.

Phần cuối cùng của luận án là các công trình đã công bố liên quan đến luận án,các tài liệu tham khảo và phần phụ lục.

Chương 1 TỔNG QUAN1.1 Giới thiệu cấu trúc HTĐ

Điện năng được tạo ra ở trạm phát điện và được truyền tải đến hộ tiêu thụthông qua mạng lưới điện phức tạp bao gồm các đường dây truyền tải, các máybiến áp, các thiết bị đóng cắt,…Ta có thể phân mạng lưới điện thành các hệ thốngnhư sau: hệ thống truyền tải; hệ thống truyền tải trung gian; hệ thống phân phối.

HTĐ như mô tả ở trên tạo nên sự phức tạp về cấu trúc cũng như độ tin cậy, Một mặt, HTĐ này cho phép khai thác tối đa các ưu điểm vận hành kinh tế, chophép hệ thống chống lại được các sự cố bất thường mà không làm gián đoạn việccung cấp điện cho các hộ tiêu thụ Mặt khác, là tiền đề thuận lợi cho việc phát triểncác nguồn điện công suất lớn và việc đấu nối vào hệ thống Tuy nhiên, cũng làmnảy sinh vấn đề về ổn định HTĐ.

1.2 Điều khiển HTĐ

1.2.1 Nhiệm vụ điều khiển HTĐ

Chức năng của một HTĐ là biến đổi năng lượng từ một dạng tự nhiên sangdạng điện và truyền tải đến các điểm tiêu thụ Sự tiện lợi của năng lượng điện là dễtruyền tải và điều khiển với hiệu suất và độ tin cậy cao Trong quá trình vận hànhHTĐ cần đảm bảo các yêu cầu sau đây:

 Hệ thống phải có khả năng đáp ứng một cách liên tục với sự thay đổi nhu cầu tải CSTD và công suất phản kháng.

 Chất lượng điện năng phải đảm bảo tiêu chuẩn: tần số hệ thống không đổi; điện áp nút không đổi.

1.2.2 Cấu trúc điều khiển HTĐ

Các bộ điều điều khiển HTĐ

Bộ điều khiển cơ khí(chậm)

Điều khiển tần số tải (LFC)

Kích từ,AVR (nhanh)

Hình 1.4 Cấu trúc điều khiển HTĐ

Hình 1.4 là cấu trúc các bộ điều khiển HTĐ được phân chia làm hai khối: Khối điều khiển phía nhà máy điện có hai bộ phận cơ bản: một là điều khiểntần số tải (LFC) hay là điều tốc turbine, dùng để giữ tần số của máy phát ở giá trịđịnh mức (50 Hz); một bộ phận quan trọng khác là hệ thống điều khiển kích từ. Khối điều khiển phía đường dây có bộ phận quan trọng là các thiết bị FACTS[Antonio Griffo (2006)], FACTS được thiết kế đã góp phần tăng khả năng truyềntải, điều khiển luồng công suất và dập tắt các dao động trong HTĐ.

Ngoài các khối điều khiển nêu trên, trong HTĐ Việt Nam còn có trung tâmđiều độ HTĐ Quốc gia, điều độ miền Bắc, miền Nam và miền Trung để chỉ huy vậnhành HTĐ đáp ứng yêu cầu sản xuất và tiêu thụ điện năng.

Sau đây ta xem xét vấn đề điều khiển hai thông số quan trọng của chế độ hệ thống là điện áp và tần số.

1.2.2.1 Điều khiển điện áp

Để điều khiển điện áp người ta thực hiện điều khiển việc sản xuất, tiêu thụcông suất phản kháng ở tất cả các cấp trong HTĐ Các máy phát là phương tiện cơbản để điều khiển điện áp, trong đó việc điều khiển dòng điện kích từ thông quaAVR sẽ duy trì được điện áp ở đầu cực các máy phát điện.

Hệ thống kích từ (HTKT) bao gồm kích từ và AVR là một trong các hệ thốngthiết bị quan trọng nhất quyết định đến sự làm việc an toàn của máy phát điện Nócó nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho cuộn dây kích từ của máy phát điệnđồng bộ.

1.2.2.2 Điều khiển tần số

Quá trình điều khiển tần số gắn liền với điều khiển tốc độ của máy phát điệnđồng bộ Tần số của hệ thống được đảm bảo dựa trên sự cân bằng công suất tácdụng (CSTD) Trong hệ thống có nhiều tổ máy, nhiều nhà máy điện nên cần có sựphân phối công suất giữa các tổ máy với nhau Bộ điều chỉnh tốc độ turbine củamỗi máy phát làm chức năng điều chỉnh tốc độ sơ cấp, trong khi bộ điều khiển thứcấp làm nhiệm vụ phân phối công suất (AGC).

Trong hệ thống liên kết có hai hay nhiều khu vực điều khiển ngoài bộ điều khiển tần số nguồn phát

trong mỗi khu vực còn phải điều khiển EgP

để duy trì lượng công suất trao đổi giữa Điểm làm việc

các khu vực theo kế hoạch định trước.

Điều khiển nguồn phát và tần số thông Vt

thường được biết đến với thiết bị điều  IXe

các tổ máy nối song song đồng thời điều

khiển luồng công suất còn thiếu hụt giữa HTĐ và nhà máy.

1.3 Vấn đề dao động góc tải trong HTĐ1.3.1 Định nghĩa góc tải (góc rotor)

Góc tải (góc rotor)  là góc giữa vector sức điện động bên trong Eg do từ thông dòng điện kích từ sinh ra với vector điện áp trên thanh cái đầu cực máy phát

Vt  Vt  (hình 1.7c).

Ở chế độ xác lập công suất đầu ra của máy phát cho bởi [Kundur P (1994)]:

độc lập nhau,

Đáp ứng của mối quan hệ công suất và góc  được biểu diễn như hình 1.7d.Nếu góc tăng, công suất truyền tải sẽ tăng (giá trị cực đại thường được đảm bảobằng 900), sau đó nếu góc tiếp tục tăng công suất sẽ giảm Còn tiếp tục tăng gócnữa sẽ dẫn tới mất ổn định.

1.3.2 Cân bằng công suất trong HTĐ

Trong quá trình vận hành, khi bị nhiễu loạn bởi sự thay đổi đột ngột, tốc độ vàcông suất của máy phát sẽ biến đổi xung quanh điểm vận hành Mối quan hệ này cóthể được biểu diễn bởi phương trình chuyển động sau đây [Kundur P (1994)]:

1.3.3 Nguyên nhân gây ra dao động góc tải

Khi có tải yêu cầu đến một trạm có nhiều tổ máy, bộ phận AGC sẽ làm nhiệmvụ phân công suất cho các tổ máy để hướng tới sự cân bằng Tuy nhiên do độnghọc của mỗi máy phát là khác nhau, gây nên các luồng công suất trao đổi trong nộibộ trạm phát, hoặc giữa máy phát với hệ thống qua đường truyền Những tác độngxen kênh này khiến cho rotor máy phát dao động xung quanh điểm làm việc.

Một nguồn khác gây nên dao động góc tải là việc sử dụng các bộ kích từ đápứng nhanh với AVR hệ số khuếch đại lớn có tác dụng cải thiện giới hạn ổn địnhtĩnh và ổn định động, nhưng lại làm giảm thành phần mô men damping, gây bất lợivới ổn định tín hiệu nhỏ.

 Tác hại của dao động:

Khi góc tải dao động khiến tốc độ rotor không còn là tốc độ đồng bộ nữa, góctải có thể vượt quá 900 (hình 1.7d), làm cho hoạt động máy phát bị mất đồng bộ,trong trường hợp không được khống chế kịp thời, nó rất có thể bị cộng hưởng vớinhững dao động khác gây nên mất đồng bộ nghiêm trọng giữa các máy phát và lướithậm chí gây tan rã HTĐ.

 Cách tiếp cận nghiên cứu ổn định:

Trong cách phân loại ổn định HTĐ, thì ổn định góc tải chia ra làm hai loại vàở đây ta chỉ xem xét bài toán ổn định tín hiệu nhỏ (nhiễu loạn nhỏ) Các nhiễu loạnnày được coi là đủ nhỏ cho phép ta có thể sử dụng phương trình tuyến tính của hệthống để phân tích ổn định.

Lý thuyết ổn định tín hiệu nhỏ được dùng để nhận dạng và phân tích các daođộng cơ điện tần số thấp trong HTĐ Các dao động này làm cho góc rotor của máy

phát tăng lên hoặc giảm đi so với điểm làm việc và là nguyên nhân của sự thiếu mômen đồng bộ hoặc mô men damping Theo Rogers G (2000) và Prasertwong K.,Mithulananthan N., Thakur D., dao động tần số thấp gồm có các dạng sau đây: Các dao động cục bộ: Những dao động này thường liên quan đến một hoặc

nhiều máy phát đồng bộ quay với nhau tại một nhà máy điện so với một HTĐ lớnhay trung tâm phụ tải Tần số dao động trong khoảng 0,7–2 Hz.

 Các dao động liên khu vực: Những dao động này thường liên quan đến việc

kết hợp rất nhiều máy phát tại một phần của HTĐ đối với phần khác của HTĐthông qua đường truyền yếu Tần số các dao động thường nhỏ hơn 0,5 Hz.

 Các dao động toàn cầu: Những dao động này liên quan đến nhiều HTĐ lớn

kết nối với nhau trên diện rộng Tần số dao động nhỏ hơn 0,2 Hz.

Giải pháp để dập các dao động kể trên là sử dụng thiết bị ổn định HTĐ PSShoạt động thông qua các bộ điều chỉnh điện áp AVR.

1.4.Bộ ổn định HTĐ - PSS

Nhiệm vụ của PSS là ước lượng dao động  (t) gửi tín hiệu điện áp VPSS tácđộng lên mạch kích từ để tạo ra một thành phần mô men điện từ dập dao động đó.Thay vì phải đo trực tiếp góc tải, người ta thường đo biến thiên tốc độ rotor (t)

và/hoặc công suất điện máy phát Pe (t ) đẳng trị với  (t) rồi lấy hai tín hiệu đó để

làm đầu vào cho PSS.

Hình 1.12 Cấu trúc cơ bản của PSS

Theo chuẩn IEEE 421.5–2005, PSS chia ra: PSS1A đây là loại có một đầu vàonhư sai lệch tốc độ  , sai lệch tần số f , công suất điện Pe ; PSS đầu vào kép, cótín hiệu đầu vào là sai lệch tốc độ  và công suất điện Pe (PSS2A, PSS2B, PSS3Bvà PSS4B) Hình 1.12 là sơ đồ khối cơ bản của một PSS sử dụng trong HTĐ Nóbao gồm khâu lọc thông cao, khâu bù lead-lag, khâu lọc xoắn và khâu giới hạn.

Tựu chung của tất cả các PSS hiện đang sử dụng là có một cấu trúc cứng vớinhững tham số được chọn tự do và thường không nhất quán Mỗi hãng sản xuất cómột luận điểm riêng khá phức tạp về việc chọn những tham số này.

1.5 Những vấn đề nghiên cứu về PSS1.5.1 Một số phương pháp thiết kế PSS

Trong thực tế các máy phát điện tương tác với nhau thông qua điện áp và dòngđiện, ảnh hưởng động học của các máy là rất khác nhau Do đó phải xem xét mộtcách cụ thể khi thiết kế PSS, điều này được biết đến giống như việc phối hợp điềuchỉnh của PSS trong hệ thống có nhiều máy phát Sau đây là một số phương pháptiếp cận thiết kế PSS [Bikash Pal, Balarko Chaudhuri (2005)].

1.5.1.1 Phương pháp tiếp cận mô men damping

Khi sử dụng phương pháp này chúng ta phải tìm các hệ số K1 K6 của môhình Heffron – Phillips (1952), cũng như sự ảnh hưởng của các máy phát khác tácđộng lên một máy cụ thể, việc tính toán bằng cách bổ sung thêm mô men làm giảmsự dao động được gọi là mô men damping Trong dải tần số rộng, lý thuyết phântích tín hiệu nhỏ được sử dụng để kiểm tra dao động tắt dần của mỗi máy phát.

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, vì hệ số khuếch đại KPSS đượcchọn, các tham số khác của PSS như: khâu lọc thông cao, khâu bù pha,…tính toándễ dàng.

Nhưng có nhược điểm là khi phân tích giá trị riêng đối với các dao động cụcbộ và dao động liên khu vực ở mạch vòng kín sẽ không đầy đủ, nên khi điều chỉnhhệ số khuếch đại gặp nhiều khó khăn khiến góc tải vẫn có thể dao động.

1.5.1.3 Phương pháp tiếp cận giá trị riêng và biến trạng thái

Phân tích giá trị riêng là phần chính của các nghiên cứu liên quan đến ổn địnhtín hiệu nhỏ Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong việc điều chỉnh và phântích sự làm việc của PSS trong hệ thống có nhiều máy phát Độ nhạy giá trị riêng làcông cụ hữu ích để nhận ra những vị trí máy phát tốt nhất cho việc thiết kế PSS.Phương pháp này không bị giới hạn bởi sự phức tạp của mô hình.

1.5.2 Các công trình nghiên cứu về PSS

Đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về PSS, nhưng đa số đều tập trungvào phương pháp lựa chọn tham số cho PSS theo cấu trúc cứng đã có Chẳng hạnnhư chọn tham số tối ưu H cho PSS [Chen S and Malik O P (1995)]; áp dụngchuẩn H2 để chọn tham số cho PSS [Doyle J C., Glover K., Khargonekar P P andFrancis B A (1989)]; phương pháp thiết kế PSS bền vững sử dụng cấu trúc phân

tích  để chọn tham số cho PSS [Chen S and Malik O P (1995)]; điều khiển bềnvững “loop shaping” [Mendiratta J K., Jayapal R (2010)], Sự thành công củacác phương pháp trên dựa nhiều vào việc lựa chọn các trọng số, tuy nhiên lại khôngđưa ra một luật rõ ràng nào để áp dụng cho sau này.

Nếu như việc giải các bài toán điều khiển tối ưu gặp những giới hạn thì cáchtiếp cận chuẩn H để giải bất đẳng thức ma trận tuyến tính (LMI) có thể được ápdụng Sự tiện lợi của kỹ thuật này là nó có thể sử dụng cho nhiều mục đích điềukhiển khác nhau, chẳng hạn như các nhiễu được lọc bằng điều khiển tối ưu cưỡngbức H thông qua H2 và gán điểm cực thông qua LMI [Dehghani M and NikraveshS K Y (2007)], [Gahinet P and Apkarian P (1994)].

Gần đây, với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển thông minh và khả trình, nhưthuật toán di truyền [Zhang P and Coonick A H (2000)], mạng neural [Zhang Y.,Chen G P., Malik O P and Hope G S (1993)] và logic mờ [Hosseinzadeh N andKalam A (1999)] đã giải quyết được một số các bài toán về chọn tham số cho PSS.

1.6 Hướng nghiên cứu của luận án

Các phân tích ở trên cho thấy rằng, có khá nhiều các luận điểm riêng rẽ choviệc lựa chọn tham số của PSS với cấu trúc định trước và các tham số PSS hiệnđang sử dụng chưa phải là tốt nhất Cũng như vậy, cấu trúc các PSS đang dùngchưa phải là tối ưu và sách lược thiết kế PSS tối ưu cấu trúc chưa có một nghiêncứu nào Vì vậy, luận án đã đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu thiết kế cấu trúc PSS tối ưutrên cơ sở lý thuyết RH rồi từ đó thử nghiệm đánh giá, so sánh chất lượng với PSScó cấu trúc chuẩn đang sử dụng hiện nay.

Bộ điều khiển RH đề xuất trong luận án này không thay thế bất cứ một bộđiều khiển nào đã có trong HTĐ ngoại trừ PSS Cụ thể, nó không thay thế bộturbine & điều tốc, bộ kích từ & AVR, Nó chỉ được bổ sung thêm vào HTĐ nhưmột PSS tối ưu về tham số và cấu trúc để dập tắt các dao động góc rotor của máyphát điện Các dao động này có tần số khoảng 0,1–2 Hz và là hệ quả của sự tươngtác giữa các máy phát, giữa máy phát với hệ thống hoặc do thiếu thành phần mômen damping bởi phản ứng quá nhanh của HTKT Tính tối ưu của bộ điều khiểnRH này nằm ở chỗ sự ảnh hưởng của nó tới những bộ điều khiển khác, cũng nhưchất lượng động học đã có của hệ thống là nhỏ nhất.

1.7 Kết luận chương 1

– Phân tích nguyên nhân gây ra dao động, tác hại của dao động và biện phápkhắc phục Từ đó đưa ra vấn đề sử dụng PSS hoạt động thông qua AVR để dập tắtcác dao động góc rotor của máy phát điện.

– Phân tích các vấn đề về PSS, bao gồm các phương pháp tiếp cận thiết kếPSS như mô men damping, đáp ứng tần số hay giá trị riêng và ma trận trạng thái;cũng như phân tích các tồn tại và nghiên cứu còn bỏ ngỏ.

– Trên nền lý thuyết tối ưu RH tác giả đã đặt ra nhiệm vụ thiết kế bộ điềukhiển PSS bền vững để thay thế cho các PSS hiện có Để thực hiện được mục đíchđặt ra đó, trước hết ta phải xây dựng được mô hình toán tổng quát của trạm phátđiện và các phần tử có liên quan Đây là tiền đề quan trọng để áp dụng lý thuyết tốiưu RH vào thiết kế bộ điều khiển PSS.

Chương 2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG HỆTHỐNG ĐIỆN

2.1 Mô hình máy phát điện đồng bộ

2.1.1 Phương trình biểu diễn trên hệ trục toạ độ dq0 (luận án)

2.1.2 Phương trình máy phát điện đồng bộ khi mạch từ tuyến tính

Mô hình động học của máy phát điện đồng bộ biểu diễn trên hệ trục tọa độ

dq0, nếu sự bão hoà của mạch từ không xem xét đến như sau [Sauer Peter W and

2.4 Mô hình của hệ máy phát kết nối với HTĐ

2.4.1 Phương trình ràng buộc điện áp trong hệ đơn vị tương đối (luận án)2.4.2 Mô hình multi–time–scale của hệ máy phát kết nối với HTĐ (luận án)2.4.3 Mô hình bỏ qua quá độ stator của hệ máy phát kết nối với HTĐ (luận án)2.4.4 Mô hình two–axis của hệ máy phát kết nối với HTĐ (luận án)

2.4.5 Mô hình flux–decay của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 3)

Để giảm bậc của mô hình, trong các phương trình ở phần trước còn chứa độnghọc cuộn cản Ed Nếu Tq0 đủ nhỏ ta sẽ có được trạng thái động học với mongmuốn giảm bậc này.

Thay Tq0  0 vào (2.148 – luận án) ta được Ed  (Xq  Xq )Iq

Khử Ed trong (2.158 – luận án), phương trình Id và Iq trở thành

(Rs  Re )Id  (Xq  Xe )Iq Vs sin(  vs )  0 (2.164)

(Rs  Re )Iq  (Xd  Xe )Id  Eq Vs cos(  vs )  0 (2.165)Sơ đồ động học của mô hình flux–decay máy phát điện đồng bộ như hình

Hình 2.11 Mô hình động học flux-decay của máy phát điện

Dạng cuối cùng của mô hình flux–decay, mà đã bỏ qua động học của tất cảcác cuộn cản, bằng cách thay (2.163) vào (2.147)–(2.161) để khử đi Ed như sau:

2.4.6 Mô men damping (luận án)

Chương 3 PHÂN TÍCH BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS3.1 Xây dựng mô hình tín hiệu nhỏ của hệ máy phát kết nối với HTĐ

Sơ đồ nguyên lý của một máyphát điện đơn nối với thanh cái hệthống công suất vô cùng lớn nhưhình 3.1 Mô hình toán học tổng

quát xem xét là mô hình flux–decay

như đã trình bày trong mục 2.4.5.Với mục đích nghiên cứu là ổnđịnh tín hiệu nhỏ để dập tắt các daođộng nên ta sử dụng mô hình tuyếntính hóa xung quanh điểm làm việc,ma trận ta có:

Hình 3.1 Máy phát điện đơn kết nối HTĐ

sau khi biến đổi và sắp xếp lại, viết dưới dạng

0 

    



3.2.Phân tích ảnh hưởng của PSS đối với ổn định tín hiệu nhỏ

Sự thay đổi mô men điện từ của mỗi máy phát đồng bộ trong giai đoạn có sự thay đổi nhỏ có thể chia ra làm hai thành phần [Kundur P (1994)]:

trong đó:

TS  KS  là thành phần mô men thay đổi cùng pha với sai lệch góc rotor

và được coi như thành phần mô men đồng bộ, KS là hệ số mô men đồng bộ.

TD  KD  là thành phần mô men thay đổi cùng pha với sai lệch tốc độ và

được coi như thành phần mô men damping, KD là hệ số mô men damping.

Khi một máy phát kết nối với HTĐ, mà không có AVR thì sự mất ổn định là

do thiếu mô men đồng bộ Để máy phát vận hành ổn định thì cả TS và TD phảidương Khi xét đến AVR, thì mô men đồng bộ và mô men damping cũng phải

dương Nói chung,

D(ar) Vector mô men tổng với phản ứng phần ứng

hơn theo chiều dương, ΔTD

Vector mô men khi không kể đến AVR

lại tăng theo

S(PSS) Vector mô men tổng với kích từ & AVR

chiều âm, làm cho hoạt ΔTD+ΔT

động của máy phát có