2 3 Điều khiển hệ thống
3.3. Kiểm soát ao động hệ thống điện
Thông thường, sự thay đổi công suất c là khá chậm so với ao động điện. Chính vì điều này công suất c có nguồn gốc tín hiệu từ phư ng trình (3-30) có thể được giới h n trong 1 dải s dụng một bộ l c thông thấp qua G (s) mà không ảnh hưởng đến tr ng thái của tín hiệu đầu ra của nó cho các biến động ình thường.
Đàm Tá Hải Page 70 L c như vậy để phục vụ việc lo i bỏ các tần số cao h n không mong muốn liên quan đến nhiễu đo lường hoặc tần số ao động xoắn từ tín hiệu tốc độ đầu vào.
Do đó tốc độ trục đầu vào tín hiệu không cần phải được x lý một cách riêng biệt để lo i bỏ các thành phần xoắn, vì nó đ đi qua một bộ l c thông thấp G (s), khi tín hiệu được kết hợp với các tín hiệu điện được tích hợp 1
.
2Hs Pe, nó vẫn t o một tín
hiệu công suất gia tốc tư ng đư ngeq. S đồ khối chung của PSS s dụng /
P
được minh h a trên hình 3-5.
Hình 3-31. Mô tả độ lệch tín hiệu tốc độ và tín hiệu điện.
3.4.2.3. Các yêu cầu kĩ thuật của PSS
Các thiết kế điều chỉnh thông số của PSS phải đảm bảo các yêu cầu c ản sau đây:
1. PSS phải ho t động với một độ tin cậy cao khi cấu trúc của hệ thống và chế độ làm việc có nh ng thay đổi thường gặp trong quá trình vận hành. PSS cần được kiểm tra với nhiều chế độ vận hành có thể xảy ra khác nhau nhằm đảm bảo độ tin cậy.
2. PSS cần góp phần vào việc giảm ao động của chế độ ao động điện-c mà không ảnh hưởng xấu đến các quá trình khác của hệ thống (ví dụ quá trình ao động xoắn, hoặc quá trình điều khiển điện áp trong chế độ xác lập của bộ AVR.
Đàm Tá Hải Page 71 3. Phối hợp với các thiết bị bảo vệ và điều khiển khác: Việc thiết kế và điều chỉnh của PSS nên được phối hợp với nh ng bộ điều khiển và hệ thống bảo vệ khác để không có tư ng tác ất lợi với chúng.
Cấu tr c điển hình của một PSS thường được thể hiện trong hình 3-6. Nó chủ yếu bao gồm một khâu l c thông cao (washout), khâu khuếch đ i, khâu giới h n, và hai hoặc ba khâu bù pha ình thường trong các hình thức đầu tiên là lead/lag. PSS s dụng chức năng lea /lag để cung cấp yêu cầu về ù pha Đầu ra của PSS được thêm vào đầu vào AVR để tổng hợp tín hiệu. Khối l c không phải l c nào c ng là cần thiết.
Hình 3-32. Cấu trúc điển hình của một bộ PSS.
Dựa trên cấu trúc của PSS thường, có một số cân nhắc chung để xác định tham số PSS để tăng cường sự ổn định chung của hệ thống điện.
a) Bù pha:
Yêu cầu bù sớm pha (phase-lead) của PSS là để ù đắp sự trễ pha gi a đầu vào kích từ và đáp ứng mô-men điện. Đây là khâu quan tr ng nhất trong hàm truyền của bộ PSS, vì góc pha cần bù phải được xác định một cách hợp lý đảm bảo PSS làm việc tin cậy với nhiều chế độ vận hành khác nhau.
PSS thường được yêu cầu để nâng cao việc giảm ao động của một trong hai chế độ ao động cục bộ hoặc liên khu vực. Bù pha làm góp phần giảm dao động của cả hai chế độ ao động.
Đặc tính ù pha thu được từ nhận d ng đáp ứng tần số của máy phát, khi có các kích động từ tín hiệu đặt của điện áp Vref. Do cấu trúc và số bậc là h u h n,
Đàm Tá Hải Page 72 ch n bù pha thiếu (t o ra góc sớm pha nhỏ h n cần thiết) hoặc bù pha thừa. Theo tài liệu tham khảo, việc bù pha thiếu thường được s dụng, vì bên c nh nâng cao ổn định của các ao động, bù pha thiếu còn có tác dụng nâng cao mô men đồng bộ của hệ thống ở một mức độ nhất định.
b) Khối vào “washout”:
Việc thực hiện vật lý của khối “washout” được đặc trưng ởi các chức năng thể hiện trong các hình thức sau đây
w w ( ) 1 sT F s sT
Mục đích của khối này là để l c các thành phần DC để lo i bỏ độ lệch tr ng thái ổn định của đầu ra PSS Thông thường nó là một bộ l c thông cao. Giá trị của Tw có thể được điều chỉnh trong ph m vi tư ng đối rộng (từ 2-10s).
Lưu ý rằng một Tw tư ng đối nhỏ có thể làm tăng góc sớm pha của PSS ở tần số thấp. Việc này dẫn đến “quá bù” ở tần số thấp, kết quả làm giảm mô men đồng bộ ở giải tần số này.
c) Hệ số khuếch đ i
Khuếch đ i ổn định thường được chỉnh định ở một giá trị giảm ao động hiệu suất cao của chế độ hệ thống quan tr ng trong thực tế mà không gây ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống khác hoặc gây khuếch đ i quá nhiều tín hiệu nhiễu. Trong quá trình tính toán chỉnh định PSS, hệ số khuếch đ i sẽ được chỉnh định sau cùng, s dụng phư ng pháp qu đ o nghiệm số (hoặc th nghiệm nếu PSS được chỉnh định bằng thực nghiệm), sau khi các thông số về ù pha đ được xác định.
Đàm Tá Hải Page 73
C ƯƠNG 4: CÁC P ƯƠNG P ÁP C ỈN ĐỊNH BỘ PSS
Phần này xem xét một số phư ng pháp thiết kế điều chỉnh cho PSS thông thường Các phư ng pháp thiết kế / điều chỉnh PSS phổ biến bao gồm:
K thuật vị trí điểm cực
K thuật ù pha và iên hệ số khuếch đ i
Các phư ng pháp khác
4.1. Phương pháp xác định áp đặt vị trí điểm cực
Xác định vị trí điểm cực s dụng qu tích gốc để thay đổi một cặp cực tới một vị trí mới trong mặt phẳng phức. Cho hàm truyền của vòng lặp hệ hở và bộ điều khiển (bù) là G (s) và H(s) tư ng ứng như trong hình 4-1. Hàm truyền của hệ kín khi bù là
(s)= ( )
( ) ( ) (4-1) Các điểm không của 1 + G (s)H (s), tức là nghiệm của phư ng trình đặc Các điểm không của 1 + G (s)H (s), tức là nghiệm của phư ng trình đặc trưng là điểm cực của hệ kín.
Đàm Tá Hải Page 74
Hình 4-34. Đồ thị giá trị nghiệm riêng.
Giả s rằng một giá trị riêng của hệ hở, sẽ được chuyển sang một mới vị trí khác trong miền là 0, (xem Hình 4-2), 0 phải thỏa m n các đặc trưng của phư ng trình hệ kín Do đó
(0) -
(0) (4-2) Công thức trên có thể được viết l i ưới ng iên độ và góc pha như sau:
(0)
(0) (4-3) arg(H(0)=180 - arg(G(0) (4-4) Như vậy iên độ và góc pha của bộ điều khiển t i 0 có thể được tính từ iên độ và góc pha của hệ thống t i 0, dựa trên đáp ứng tần số phức t p của hệ thống t i vị trí điểm cực mới. Vị trí cực mới được lựa ch n để đáp ứng các yêu cầu về giảm ao động
Mặc ù phư ng pháp xác định áp đặt vị trí điểm cực cho phép di chuyển nghiệm riêng đến vị trí mong muốn, về mặt bản chất nó đòi hỏi bộ điều khiển phải nắm rõ được quá trình động h c của hệ thống cần điều khiển (nghiệm an đầu). Đây là điều ít khả thi o đặc tính bất định của các tham số hệ thống c ng như các thay đổi trong chế độ vận hành. Vì vậy phư ng pháp áp đặt điểm cực ít khi được s dụng cho việc chỉnh định PSS.
Đàm Tá Hải Page 75
4.2. Phương pháp bù pha
Với phư ng pháp này, pha của bộ điều khiển được xác định bởi k thuật bù pha, và hệ số khuếch đ i biên (gain margin) được s dụng để xác định iên độ của bộ điều khiển.
Trong s đồ của hệ thống điều khiển thể hiện trong (hình 4-1) các ước thiết kế thường dựa trên đáp ứng hở m ch của hệ thống G(s). Sau đó thông số bù H(s) được điều chỉnh để bù pha. Đối với thiết kế PSS bằng cách s dụng bù pha, pha của PSS cần t o ra góc sớm pha thích hợp để ù đắp cho sự trễ pha gi a đầu vào kích thích (Vref) và mô-men điện Te hình 3-4.
Phư ng pháp ù pha có ý nghĩa thực tế quan tr ng, bởi vì đáp ứng tần số m ch hở (từ Vref đến Te) có thể xác định được bằng thực nghiệm. Do vậy, ngay cả khi thiếu các thông số của máy phát và hệ thống người thiết kế có thể tiến hành chỉnh định được PSS dựa trên các th nghiệm trên máy phát, nhằm xác định sự trễ pha gi a thay đổi điện áp đặt và mô men điện. Cần lưu ý rằng các đặc tính pha được ù thay đổi với các điều kiện của hệ thống Đối với một PSS thông thường với các thông số cố định, bù pha tối ưu không thể đ t được ở tất cả các tần số đồng thời Do đó cần tính toán để đ t được một góc bù pha chấp nhận được cho một ph m vi tần số mong muốn và các điều kiện khác nhau của hệ thống.
Sau khi đ xác định được góc bù pha cần thiết, hệ số khuếch đ i của PSS sẽ được xác định, dựa trên phư ng pháp qu đ o nghiệm số nhằm tìm được giá trị tốt nhất Thông thường, giá trị của hệ số khuếch đ i được lựa ch n nhằm thỏa mãn điều kiện ổn định dao động ở tần số cần quan tâm. Mặt khác, việc tăng hệ số khuếch đ i này không được làm kích động các tần số khác trong hệ thống.
Cho đến nay phư ng pháp ù pha vẫn là phư ng pháp chỉnh định PSS được s dụng phổ biến nhất Phư ng pháp thiết kế này cho phép có thể tiến hành xác định thông số PSS thông qua thực nghiệm. Bên c nh đó có thể thiết kế PSS dựa trên mô hình mô phỏng bằng phư ng pháp ù pha kết hợp với qu đ o nghiệm số.
Đàm Tá Hải Page 76 Phần tiếp theo sẽ trình bày chi tiết một ví dụ của việc áp dụng phư ng pháp bù pha cho một hệ thống điện đ n giản gồm một máy phát nối với nút vô cùng lớn, dựa trên tài liệu tham khảo. S đồ của hệ thống được trình bày trên hình 4-3.
Trong s đồ lưới điện này, tổ máy phát và một lưới điện công suất 612MVA được nối với thanh cái công xuất vô cùng lớn. Tổ máy đang phát điện với công suất 500MW S đồ khối của hệ thống kích từ được thể hiện trên hình 4-4.
Dựa trên cách tiếp cận của phư ng pháp ù pha ta cần xác định được hàm truyền đ t từ tín hiệu vào của AVR (Vref) đến mô men điện (Te) Để xác định được hàm truyền này, có thể mô phỏng một kích động vào hệ thống kích từ và quan sát đáp ứng của hệ thống Sau đó ựa trên đáp ứng thu được, ta sẽ tiến hành nhận d ng để tìm ra hàm truyền. Với mục tiêu tìm đáp ứng tần số (Vref -Te), kích động được lựa ch n sẽ là một kích động vào đầu vào của hệ thống AVR.
Hình 4-35. Hệ thống một máy phát và một nút vô cùng lớn.
Để mô tả bài toán chỉnh định PSS bằng phư ng pháp ù pha ta sẽ s dụng công cụ PSS/E để mô tả hệ thống điện trên hình 4-3. Mô hình của hệ thống kích từ được s dụng cho máy phát là EXST3 (hình 4-4) và mô hình PSS là IEEEST1 (hình 4-5).
Đàm Tá Hải Page 77
Mô phỏng đáp ứng hở m ch:
Hình 4-5 mô tả các đáp ứng của hệ thống kích từ khi có ước nhẩy 5% của AVR. Sau khi kết th c quá trình quá độ điện áp của máy phát đ được tăng lên
tư ng ứng.
Đàm Tá Hải Page 78
Hình 4-37. Đáp ứng bước nhẩy 5% AVR với mạch hở.
Nhận d ng hàm truyền
Dựa trên đáp ứng hở m ch của hệ thống AVR, có thể tiến hành nhận d ng để tìm ra hàm truyền Do mô men điện là một đ i lượng không dễ àng đo được, có thể thay thế Te bằng việc quan sát tốc độ của máy phát. Dựa trên phư ng trình chuyển động quay (2-30), có thể thấy rằng tỉ lệ với - . Hay nói cách khác,
gần như tỉ lệ với - .
Hình 4-7 mô tả thuộc tính trễ pha của hệ thông kích từ (PGE) khi không có PSS. Hình ảnh này c ng cho ta thấy trễ pha lớn nhất hệ thống đ t được là 100 độ ở tần số 2 Hz.
Như đ trình ày ở trên mô hình PSS được s dụng là IEEEST1 (hình 4-6). Để đ t được đặc tính bù pha mong muốn, cần chỉnh định các hằng số thời gian (T1, T3, T2, T4) trong mô hình IEEEST.
Hình 4-8 mô tả đặc tính tần số của PGE và PSS, theo sự thay đổi của hằng số thời gian Trong trường hợp này T1 được s dụng để tính toán tần số trung tâm khi đi ù pha Các tham số cuối cùng lựa ch n để ù pha cho PSS được cho trong Bảng 3.1.
Đàm Tá Hải Page 79
Hình 4-38. Mô hình PSS (IEEEST).
Đàm Tá Hải Page 80
Hình 4-40. Đáp ứng tần số của PGE và PSS theo sự thay đổi của hằng số thời gian.
Bảng 4-1 Hằng số thời gian được lựa ch n khi bù pha
Hằng số thời gian T1 T2 T3 T4
Thời gian (s) 0.25 0.025 0.25 0.025
Hằng số thời gian Washout (T5=T6=10 0) không được đề cập khi đi chỉnh định tham số PSS trong ài áo này Đó là ởi vì chúng không có nhiều ảnh hưởng tới ho t động của PSS đối với việc làm giảm ao động (xem Hình 4-9).
Đàm Tá Hải Page 81
Hình 4-41. Đáp ứng tần số của PSS khi thay đổi hằng số thời gian Washout.
Hiệu chỉnh hệ số khuyếch đại
Như đ trình ày ở trên phư ng pháp qu đ o nghiệm số sẽ được s dụng để xác định giá trị tối ưu của hệ số khuếch đ i. Hình 4-10 mô tả qu đ o điểm cực nhận. Như có thể thấy trên hình này, việc tăng hệ số khuếch đ i sẽ làm tăng mức độ ổn định ao động ở một tần số nhất định nhưng có thể ảnh hưởng xấu đến hệ thống ở một tần số khác. Giá trị Ks của PSS cần được lựa ch n một cách tối ưu để đ t được hệ số tắt tốt nhất đối với tất cả các ao động.
Đàm Tá Hải Page 82
Đàm Tá Hải Page 83
Mô phỏng trong miền thời gian
Sau khi đ chỉnh định các tham số PSS, hiệu quả của việc chỉnh định này được mô phỏng trong miền thời gian bởi chư ng trình mô phỏng PSS/E. Th nghiệm đáp ứng ước nhẩy 2% AVR và đáp ứng khi có ngắn m ch a pha được mô phỏng trong miền thời gian. Hình 4-11 và 4-12 mô tả đáp ứng của máy phát (công suất tác dụng) khi có ước nhẩy 2% AVR và sự cố ngắn m ch ba pha đầu cực máy phát. Ở cả hai hình này sự tắt dần của các tín hiệu đều được cải thiện khi có PSS.
Đàm Tá Hải Page 84
Hình 4-44. Đáp ứng máy phát với sự cố 3 pha – Công suất tác dụng(MW).
4.3. Phương pháp khác
Ngoài các phư ng pháp trên có một số phư ng pháp khác để PSS thiết kế thông số cho PSS, dựa trên các cách tiếp cận khác.
Về bản chất, PSS là một bộ điều khiển phản hồi đầu ra. Trên thực tế, có thể