PSS có thể được phân thành bốn loại sau đây theo các tín hiệu đầu vào khác nhau. a) Đầu vào tốc độ
PSS dựa trên tín hiệu tốc độ đầu trục đã được sử dụng thành công trên các thiết bị thủy lực kể từ giữa những năm 1960. Tuy nhiên, tốc độ đầu vào PSS có những hạn chế [6] :
1. Ổn định tốc độ đầu vào, một mặt làm giảm dao động điện cơ, nhưng mặt khác có thể kích động các dao động xoắn trên trục tuabin (ở tần số trên 10Hz). Như vậy, cần thiết kế PSS sao cho dao động xoắn không thể được kích thích. Thông thường, người ta có thể sử dụng thêm các bộ lọc để loại thành phần dao động xoắn khỏi tín hiệu tốc độ, trước khi đưa vào PSS.
2. Việc sử dụng các bộ lọc xoắn luôn luôn sinh ra một sự trễ pha trong quỹ đạo ổn định. Điều này có tác dụng giảm giá trị tối đa có thể sử dụng khuếch đại ổn định.
3. Các bộ ổn định phải được tùy chỉnh thiết kế cho từng loại máy phát tùy thuộc vào đặc điểm xoắn của chúng [2] .
b) Đầu vào công suất
Bộ PSS sử dụng đầu vào công suất được thiết kế dựa trên đặc điểm của phương trình chuyển động quay rotor, có dạng sau:
1 1 . ( ). 2 2 eq Pa Pm Pe Hs Hs (2-27) eq
là độ lệch tốc độ ban đầu hoặc tương đương
a
P
là công suất tăng thêm,
H là hắng số quán tính của máy phát,
m
P là công suất cơ,
e
Như vậy, theo phương trình 2-27 , khi đầu vào của PSS là công suất, Pe hoặc
a
P
, nó cần phải được chuyển đổi thành một tốc độ đầu vào tương đương eq bằng cách sử dụng một phép tích phân. Trong một số trường hợp, bộ tích hợp có thể được thay thế bằng một khối lag với hàm truyền như sau:
w w ( ) 1 T F s sT (2-28)
Viết lại phương trình trên như sau:
w w 1 ( ) . 1 sT F s sT s (2-29)
Như vậy, tác động của khối này tương đương một khâu tích phân, kết hợp với một bộ lọc thông cao, loại các thành phần DC ra khỏi đầu vào của PSS.
Ổn định công suất đầu vào không gây ra sự bất ổn định của chế độ xoắn. Tuy nhiên , một vấn đề lớn với việc sử dụng công suất điện làm đầu vào, đó là giá trị ổn định của công suất điện luôn thay đổi, tùy thuộc chế độ vận hành của máy phát. Việc đưa thêm bộ lọc thông cao để loại trừ các thay đổi trong chế độ xác lập của công suất sẽ làm giảm hiệu quả của mạch PSS. Mặt khác, khi công suất phát có sự thay đổi lớn, có thể làm cho PSS bị bão hòa trong thời gian ngắn.
c) Đầu vào tần số [8]
Độ lệch tần số nút có thể được sử dụng trực tiếp như là tín hiệu đầu vào của ổn định bởi vì nó gần với độ lệch tốc độ rotor. Mặc dù được ứng dụng rộng rãi, ổn định dựa trên tần số vẫn bị một số hạn chế:
1. Tín hiệu tần số đo tại các đầu của các tổ máy nhiệt điện chứa các thành phần xoắn. Về mặt này, ổn định dựa trên tần số có những hạn chế tương tự là ổn định tốc độ đầu vào.
2. Các tác động đóng cắt trong hệ thống tạo nên các đáp ứng quá độ về tần số, và sẽ được thể hiện ra trong đáp ứng của bộ PSS.
3. Các tín hiệu tần số thường có cả các nhiễu trong hệ thống điện gây ra bởi các phụ tải công nghiệp lớn như lò hồ quang.
4. Đầu vào tần số nhìn chung chứa ít thông tin về các dao động cục bộ hơn đầu vào tốc độ. Đặc điểm này là do tần số của hệ thống điện thường mang tính toàn hệ thống.
d) Đầu vào P/
Để khắc phục những vấn đề trên người ta sử dụng một tín hiệu đầu vào duy nhất với bộ PSS, một khởi đầu P/ PSS sử dụng tín hiệu đầu vào kép – công suất điện và tốc độ đã được đề xuất.
Nguyên tắc ổn định này được minh họa bằng các mối quan hệ cơ bản giữa công suất cơ, công suất điện, công suất gia tốc và tốc độ của mỗi máy phát, được thể hiện trong hình 2.4.
Hình 2.4 Mối quan hệ giữa công suất cơ và công suất điện mô tả ở sơ đồ khối
Hoạt động của bộ ổn định này dựa trên việc áp dụng sự biến đổi tín hiệu đo đến một tín hiệu công suất điện và tốc độ đầu vào để chúng có thể kết hợp và lấy được một tín hiệu tỉ lệ với công suất cơ của đơn vị, được thể hiện trong phương trình sau.
1 1
. .
2Hs Pm 2Hs Pe
Thông thường, sự thay đổi công suất cơ là khá chậm so với dao động điện. Chính vì điều này công suất cơ có nguồn gốc tín hiệu từ phương trình (2-30) có thể được giới hạn trong 1 dải sử dụng một bộ lọc thông thấp qua G (s) mà không ảnh hưởng đến trạng thái của tín hiệu đầu ra của nó cho các biến động bình thường. Lọc như vậy để phục vụ việc loại bỏ các tần số cao hơn không mong muốn liên quan đến nhiễu đo lường hoặc tần số dao động xoắn từ tín hiệu tốc độ đầu vào . Do đó, tốc độ trục đầu vào tín hiệu không cần phải được xử lý một cách riêng biệt để loại bỏ các thành phần xoắn, vì nó đã đi qua một bộ lọc thông thấp G (s), khi tín hiệu được kết hợp với các tín hiệu điện được tích hợp 1 .
2Hs Pe, nó vẫn tạo một tín hiệu
công suất gia tốc, tương đươngeq . Sơ đồ khối chung của PSS sử dụng P/
được minh họa trên hình 2.5.
Hình 2.5 Mô tả độ lệch tín hiệu tốc độ và tín hiệu điện 2.2.3 Các yêu cầu kĩ thuật của PSS
Các thiết kế điều chỉnh thông số của PSS phải đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau đây:
1. PSS phải hoạt động với một độ tin cậy cao khi cấu trúc của hệ thống và chế độ làm việc có những 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 dao động của chế độ dao động điện-cơ, mà không ảnh hưởng xấu đến các quá trình khác của hệ thống (ví dụ quá trình dao động xoắn, hoặc quá trình điều khiển điện áp trong chế độ xác lập của bộ AVR.
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 những bộ điều khiển và hệ thống bảo vệ khác để không có tương tác bất lợi với chúng.
Cấu trúc điển hình của một PSS thường được thể hiện trong hình 2.6. Nó chủ yếu bao gồm một khâu “washout”, khâu khuếch đại, khâu giới hạn, và hai hoặc ba giai đoạn của khâu bù, bình thường trong các hình thức đầu tiên là lead/lag. PSS sử dụng chức năng lead/lag để cung cấp yêu cầu về bù pha. Đầu ra của PSS được thêm vào đầu vào AVR để tổng hợp tín hiệu. Khối lọc không phải lúc nào cũng là cần thiết.
Hình 2.6 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 bù đắp sự trễ pha giữa đầu vào kích từ và đáp ứng mô-men điện. Đây là khâu quan trọng 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 dao động của một trong hai chế độ dao động cục bộ hoặc liên khu vực. Bù pha làm góp phần giảm dao động của cả hai chế độ dao động.
Đặc tính bù pha thu được từ nhận dạng 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 hữu hạn, không thể thực hiện được bù pha một cách tuyệt đối. Người thiết kế có thể lựa chọn bù pha thiếu (tạo ra góc sớm pha nhỏ hơn cần thiết) hoặc bù pha thừa. Theo tài liệu tham khảo [2], việc bù pha thiếu thường được sử dụng, vì bên cạnh nâng cao ổn định của các dao 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 bởi 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 lọc các thành phần DC để loại bỏ độ lệch trạng thái ổn định của đầu ra PSS. Thông thường nó là một bộ lọc thông cao. Giá trị của Tw có thể được điều chỉnh trong phạm vi tương đối rộng (từ 2-10s).
Lưu ý rằng một Tw tương 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 đại
Khuếch đại ổn định thường được chỉnh định ở một giá trị giảm dao động hiệu suất cao của chế độ hệ thống quan trọng trong thực tế mà không gây ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống khác hoặc gây khuếch đại quá nhiều tín hiệu nhiễu. Trong quá trình tính toán chỉnh định PSS, hệ số khuếch đại sẽ được chỉnh định sau cùng, sử
dụng phương pháp quỹ đạo nghiệm số (hoặc thử nghiệm nếu PSS được chỉnh định bằng thực nghiệm), sau khi các thông số về bù pha đã được xác định.
CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH BỘ PSS
Phần này xem xét một số phương pháp thiết kế điều chỉnh cho PSS thông thường. Các phương pháp thiết kế / điều chỉnh PSS phổ biến bao gồm:
Kỹ thuật vị trí điểm cực
Kỹ thuật bù pha và biên hệ số khuếch đại
Các phương pháp khác
3.1 Phương pháp xác định áp dặt vị trí điểm cực
Xác định vị trí điểm cực sử dụng quỹ 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) tương ứng như trong hình 3.1. Hàm truyền của hệ kín khi bù là
𝐺𝑐(s)= G (s)
1 + G (s)H (s) (3-1)
Các điểm không của 1 + G (s)H (s), tức là nghiệm của phương trình đặc trưng, là điểm cực của hệ kín.
Hình 3.2 Đồ thị giá trị nghiệm riêng
Giả sử rằng một giá trị riêng của hệ hở,, sẽ được chuyển sang một mới vị trí khác trong miền là 0, (xem Hình 3.2), 0 phải thỏa mãn các đặc trưng của phương trình hệ kín. Do đó,
|H(0)| = -1
|G(0)| (3-2) Công thức trên có thể được viết lại dưới dạng biên độ và góc pha như sau:
|𝐻(0)| = 1
|𝐺(0)| (3-3) arg(H(0)=180 - arg(G(0) (3-4) Như vậy, biên độ và góc pha của bộ điều khiển tại 0 có thể được tính từ biên độ và góc pha của hệ thống tại 0, dựa trên đáp ứng tần số phức tạp của hệ thống tại vị trí điểm cực mới. Vị trí cực mới được lựa chọn để đáp ứng các yêu cầu về giảm dao động.
Mặc dù phương 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 học của hệ thống cần điều khiển (nghiệm ban đầu). Đây là điều ít khả thi do đặc tính bất định của các tham số hệ thống cũng như các thay
đổi trong chế độ vận hành. Vì vậy phương pháp áp đặt điểm cực ít khi được sử dụng cho việc chỉnh định PSS
3.2 Phương pháp bù pha
Với phương pháp này, pha của bộ điều khiển được xác định bởi kỹ thuật bù pha, và hệ số khuếch đại biên (gain margin) được sử dụng để xác định biên độ của bộ điều khiển.
Trong sơ đồ của hệ thống điều khiển hiện trong (hình 3.1), các bước thiết kế thường dựa trên đáp ứng hở mạch của hệ thống bù G(s). Sau đó, thông số bù H(s) được điều chỉnh để bù pha. Đối với thiết kế PSS bằng cách sử dụng bù pha, pha của PSS cần tạo ra góc sớm pha thích hợp để bù đắp cho sự trễ pha giữa đầu vào kích thích (Vref) và mô-men điện Te(hình 2.3).
Phương pháp bù pha có ý nghĩa thực tế quan trọng, bởi vì đáp ứng tần số mạch 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 thử nghiệm trên máy phát, nhằm xác định sự trễ pha giữa thay đổi điện áp đặt và mô men điện. Cần lưu ý rằng các đặc tính pha được bù 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 đạt được ở tất cả các tần số đồng thời. Do đó, cần tính toán để đạt được một góc bù pha chấp nhận được cho một phạm vi tần số mong muốn và các điều kiện khác nhau của hệ thống.
Sau khi đã xác định được góc bù pha cần thiết, hệ số khuếch đại của PSS sẽ được xác định, dựa trên phương pháp quỹ đạo nghiệm số nhằm tìm được giá trị tốt nhất. Thông thường, giá trị của hệ số khuếch đại được lựa chọn nhằm thỏa mãn điều kiện ổn định dao động ở tần số cần quan tâm. Mặt khác, việc tăng hệ số khuếch đại này không được làm kích động các tần số khác trong hệ thống.
Cho đến nay, phương pháp bù pha vẫn là phương pháp chỉnh định PSS được sử dụng phổ biến nhất. Phương pháp thiết kế này cho phép có thể tiến hành xác định thông số PSS thông qua thực nghiệm. Bên cạnh đó, có thể thiết kế PSS dựa trên mô hình mô phỏng bằng phương pháp bù pha kết hợp với quỹ đạo nghiệm số.
Phần tiếp theo sẽ trình bày chi tiết một ví dụ của việc áp dụng phương pháp bù pha cho một hệ thống điện đơn giản gồm một máy phát nối với nút vô cùng lớn, dựa trên tài liệu tham khảo [7]. Sơ đồ của hệ thống được trình bày trên hình 3.3
Trong sơ 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. Sơ đồ khối của hệ thống kích từ được thể hiện trên hình 3.4.
Dựa trên cách tiếp cận của phương pháp bù pha, ta cần xác định được hàm truyền đạt 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, dựa trên đáp ứng thu được, ta sẽ tiến hành nhận dạng để tìm ra hàm truyền. Với mục tiêu tìm đáp ứng tần số (Vref -Te), kích động được lựa chọn sẽ là một kích động vào đầu vào của hệ thống AVR.
Hình 3.3. Hệ thống một máy phát và một nút vô cùng lớn.
Để mô tả bài toán chỉnh định PSS bằng phương pháp bù pha, ta sẽ sử dụng công cụ PSS/E để mô tả hệ thống điện trên hình 3.3. Mô hình của hệ thống kích từ được sử dụng cho máy phát là EXST3 (hình 3.4) và mô hình PSS là IEEEST1 (hình 3.6).
A, Mô phỏng đáp ứng hở mạch:
Hình 3.5 mô tả các đáp ứng của hệ thống kích từ khi có bước nhẩy 5% của AVR. Sau khi kết thúc quá trình quá độ, điện áp của máy phát đã được tăng lên tương ứng.
Hình 3.5 Đáp ứng bước nhẩy 5% AVR với mạch hở
B,Nhận dạng hàm truyền
Dựa trên đáp ứng hở mạch của hệ thống AVR, có thể tiến hành nhận dạng để