4.2.3 Mơ hình thiết bị PSS
Bộ ổn định cơng suất (PSS) đƣợc sử dụng để giảm dao động cánh quạt của máy đồng bộ bằng cách điều khiển sự kích thích của nó. Các nhiễu loạn xảy ra trong một hệ thống điện gây ra dao động điện của các máy phát điện. Những dao động, hay biến động công suất, phải tắt dần để duy trì sự ổn định của hệ thống. Các tín hiệu đầu ra của PSS đƣợc sử dụng nhƣ một đầu vào (vstab) khối hệ thống kích thích. Các tín hiệu đầu vào PSS có thể là độ sai lệch tốc độ, dw, hoặc gia tốc công suất của máy phát, Pa=Pm-Peo (sự khác biệt giữa công suất cơ và công suất điện).
Bộ ổn định công suất (PSS) đƣợc mơ hình hóa nhƣ hình IV-6
∑ VREF + EC - VS + 1 1 A B T s T s 1 E K T s EFD EMAX EMIN
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 77
Hình vẽ IV-6: Mơ hình bộ ổn định công suất STAB1 trong thƣ viện của PSS/E
Mơ hình này đƣợc đặt tại hệ thống nút #-------IBUS Máy phát điện #-------I Mơ hình này sử dụng các điểm nút bắt đầu với #-------J Và các trạng thái bắt đầu với #-------K
Bảng IV-3: Mô tả các biến đầu vào và các biến trạng thái đầu ra của mơ hình PSS
Điểm nút # Giá trị Mô tả J 20,0 K/T(s)-1 J+1 10,0 T (s) (>0) J+2 0,05/3,0 T1/ T3 J+3 3,0 T3 (s) (>0) J+4 0,02/5,4 T2/T4 J+5 5,4 T4 (s) (>0) J+6 0 Hlim Trạng thái # Mô tả K Bộ lọc K+1 Bộ trễ đầu tiên K+2 Bộ trễ thứ hai STAB1 Tốc độ VOTHSG Tín hiệu phụ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 78
Mơ hình thiết bị STAB1
Hình vẽ IV-7: Mơ hình bộ ổn định tốc độ
4.2.4 Mơ hình SVC
Var bù tĩnh (SVC) là một thiết bị shunt của hệ thống truyền AC linh hoạt (FACTS) sử dụng các thiết bị điện tử điện để điều khiển dòng điện và cải thiện sự ổn định tạm thời trên lƣới điện [1]. SVC quy định điện áp tại thiết bị đầu cuối của nó bằng cách kiểm sốt cơng suất phản kháng cung cấp vào hay nhận từ hệ thống điện. Khi hệ thống điện có điện áp thấp, SVC phát cơng suất phản kháng (SVC điện dung). Khi hệ thống có điện áp cao, nó tiêu thụ công suất phản kháng (SVC cảm ứng). Sự thay đổi của công suất phản kháng đƣợc thực hiện bằng cách đóng mở các phần tử TSC, TSR hoặc TCR nối với máy biến áp của thiết bị SVC.
Thiết bị này đƣợc đặt tại hệ thống nút #-------IBUS Máy phát điện #-------I Mơ hình này sử dụng các điểm nút bắt đầu với #-------J Và các trạng thái bắt đầu với #-------K Và các biến bắt đầu bằng #-------L Cuộn cảm Mvar cơ bản = MBASE
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 79
Bảng IV-4: Mô tả các biến đầu vào và các biến trạng thái đầu ra của mơ hình SVC
Điểm nút # Giá trị Mô tả J 0,02 T1 (>0.) J+1 0,02 T2 (>0.) J+2 0,02 T3 (>0.) J+3 0,02 T4 (>0.)
J+4 20 K (qui chuẩn = 25/ (dV/dEi) J+5 0,03 Droop (qui chuẩn = 0,03) J+6 VMAX (qui chuẩn = 999) J+7 VMIN (qui chuẩn =- 999) J+8 1,25 ICMAX (qui chuẩn = 1,25) J+9 1,25 ILMAX (qui chuẩn = 1,25) J+10 0,2 VCUTOUT (qui chuẩn = 0,2) J+11 1,2 Elimit (qui chuẩn = 1,2) J+12 0,1 XT (qui chuẩn = 0,1) J+13 0,5 ACC (qui chuẩn = 0,5) Trạng thái # Mô tả K Bộ ổn định đầu tiên K+1 Bộ ổn định thứ hai K+2 Thyristor
Dƣới đây là mơ hình một thiết bị SVC
Biến # Mô tả
L Điện áp nội bộ (pu) Ei L+1 Dòng điện STATCON L+2 Bộ nhớ trong
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 80
Hình vẽ IV-8: Mơ hình thiết bị SVC Giới hạn lớn nhất Lmax = VT + XTICMAX0 Giới hạn lớn nhất Lmax = VT + XTICMAX0
Giới hạn nhỏ nhất Lmin = VT - XTILMAX0 Lmax ≤ Elimit
Trong đó:
ICMAX0 = ICMAX khi VT ≥ VCUTOUT
CMAX T CMAX0 CUTOUT I xV I V mặt khác
ILMAX0 = ILMAX khi VT ≥ VCUTOUT
LMAX T CMAX0 CUTOUT I xV I V
Chú ý: V là biên độ điện áp tại thanh cái cao áp của máy biến áp tăng áp của máy phát điện
4.2.5 Máy biến áp
MBA 2 cuộn dây đƣợc mô phỏng bằng một điện trở RB, điện kháng XB và một điện dẫn phản kháng BB (ở đây ta bỏ qua điện dẫn tác dụng GB sinh ra do tổn thất công suất tác dụng trong lõi thép của máy biến áp do dòng điện Foucault sinh ra). Ngoài ba đại lƣợng trên đƣợc nhập vào cịn có các thơng số liên quan đến bộ điều chỉnh nấc phân áp của máy biến áp. Để mô phỏng máy biến áp trong chƣơng trình PSS/E ta phải chuyển các tham số của nó sang đơn vị tƣơng đối.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 81
Hình vẽ IV-9: Mơ hình máy biến áp 2 dây quấn Chú ý: Tỷ số biến đổi liên quan đến nấc phân áp Chú ý: Tỷ số biến đổi liên quan đến nấc phân áp
i . . cbj i dm j cbi dmj U t U t t U U
Trong đó: Bus “I” là phía có điều chỉnh nấc phân áp của MBA Bus “j” là phía có nấc phân áp đƣợc đặt cố định
i i bi j j bj U t U U t U Trong đó:
Uni, Ubj là diện áp của phía I và j khi nấc phân áp đang đặt tại đầu chính (nấc giữa) Ui, Uj là điện áp tƣơng ứng của phía I và j hiện tại ứng với nấc phân áp đang đặt
4.2.6 Đƣờng dây
Đƣờng dây truyền tải đƣợc mô phỏng bằng một điện trở RL, điện kháng XL, điện dẫn tác dụng GL, và một điện dẫn phản kháng BL, nó đƣợc mơ hình hóa dƣới dạng hình π. Tất cá các thơng số của đƣờng dây cần chuyển sang đơn vị tƣơng đối.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 82
Đối với một đƣờng truyền tải, điện trở, điện cảm và điện dung đƣợc phân bố đồng đều dọc theo đƣờng. Một mơ hình gần đúng của dịng tham số phân phối thu đƣợc bởi tầng hình PI giống nhau, thể hiện trong hình sau đây:
Hình vẽ IV-10: Mơ hình đƣờng dây tải điện
4.3 MÔ PHỎNG ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN
Trong phần này của luận văn, dành để tính tốn và phân tích q trình ổn định góc cho HTĐ chuẩn theo IEEE. Chƣơng trình PSS/E đƣợc dùng để mô phỏng động hệ thống điện. Các thông số của HTĐ chuẩn Kundur bao gồm các thông số trào lƣu công suất, thông số động của các MPĐ cũng nhƣ hệ thống kích từ, điện áp tại thanh cái cũng đƣợc mô phỏng .
Nhƣ đã phân tích ổn định quá độ ta thấy nguyên nhân chính của mất ổn định góc roror máy phát điện liên quan trực tiếp đến hiện tƣợng thiếu mô men cản dao động trong HTĐ, và dao động công suất. Vì vậy, để giảm nguy cơ mất ổn định thì cần phải có thêm các thiết bị cung cấp mô men cản dao động và thiết bị chống dao động công suất vào HTĐ. Ở đây ta xét ảnh hƣởng của thiết bị PSS và SVC trên hệ thống điện nghiên cứu. Mơ hình PSS đƣợc lấy bởi model STAB1 trong thƣ viện của PSS/E với các thông số điển hình và mơ hình SVC đƣợc lấy bởi model tụ điện tĩnh
CSTATT trong thƣ viện PSS/E.
4.3.1 Mô phỏng động hệ thống điện khi chƣa có thiết bị PSS, và SVC
Kịch bản đƣợc xét nhƣ sau:
Tại thời điểm t=1s thì xảy ra ngắn mạch trên đƣờng dây 8-9 mạch 2, sau đó 0,3s thì đƣờng dây bị cắt ra. Kết quả là góc rotor của các máy phát điện thay đổi và
ZL=RL+jXL
YL/2=(GL+jBL )/2
YL/2=(GL+jBL )/2
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 83
do đó điện áp tại thanh góp 8 của hệ thống và cơng suất trên đƣờng dây cũng dao động. Hình vẽ IV-11, IV-12, IV-13, IV-14, IV-15, IV-16, IV-17 mô tả sự thay đổi của góc rotor các máy phát điện, điện áp trên thanh góp 8, và dịng cơng suất trên đƣờng dây 7-8, 8-9 mạch 1 khi có sự cố ngắn mạch trên đƣờng dây 8-9 mạch 2. Trên hình vẽ IV-11, IV-12 ta thấy, tín hiệu góc của máy phát G1 và G2 có hình dáng giống nhau, góc rotor là ổn định ở hai chu kỳ đầu tiên, nhƣng dao động và trở nên bất ổn định sau hai chu kỳ là kết quả của các biên độ dao động ngày càng tăng và trạng thái cuối cùng là tăng tốc và mất ổn định hoàn toàn. Tƣơng tự nhƣ vậy là góc rotor của máy phát G3 và G4 có hình dạng giống nhau, góc rotor là ổn định ở hai chu kỳ đầu tiên, nhƣng sau hai chu kỳ các biên độ dao động ngày càng tăng và trạng thái cuối cùng là mất ổn định hoàn tồn, góc rotor lúc này giảm thấp. Điện áp tại thanh góp 8, khi xảy ra ngắn mạch giảm từ 0,98 (pu) xuống 0,2 (pu), sau khi cắt ngắn mạch giá trị điện áp tại đây tăng lên và ổn định ở hai chu kỳ đầu tiên, nhƣng sau đó dao động với biên độ ngày càng tăng với giá trị lớn nhất là 1,8(pu) và tần số dao động nhỏ.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 84
Hình vẽ IV-12: Góc rotor máy phát G2 khi khơng có PSS, SVC
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 85
Hình vẽ IV-14: Góc rotor máy phát G4 khi ngắn mạch khi khơng có PSS/SVC PSS/SVC
Hình vẽ IV-15: Điện áp trên thanh góp 8 của hệ thống điện khi khơng có PSS/SVC PSS/SVC
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 86
Hình vẽ IV-16: Cơng suất trên đƣờng dây 7-8 mạch 1 khi khơng có PSS/SVC PSS/SVC
Hình vẽ IV-17: Công suất trên đƣờng dây 8-9 mạch 1 khi khơng có PSS/SVC
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 87
Sự mất ổn định ở góc rotor máy phát làm cho cơng suất trên đƣờng dây cũng dao động, đƣợc thể hiện trên hình vẽ IV-16 và IV-17, giá trị công suất trên 2 đƣờng dây này trƣớc khi xảy ra ngắn mạch là 200 MVA, khi ngắn mạch xảy ra công suất giảm về không. Sau khoảng thời gian 0,3s (cắt ngắn mạch), lúc này công suất nhảy vọt cụ thể nhƣ sau:
- Công suất trên đƣờng dây 7-8 nhảy vọt lên giá trị khoảng 275 MVA, và dao động với biên độ lớn nhất là 325 MVA, dao động tăng dần và mất ổn định
- Công suất trên đƣờng dây 8-9 nhảy vọt lên giá trị khoảng 550 MVA, và dao động với biên độ lớn nhất là trên 600 MVA, dao động tăng dần và mất ổn định.
- Nhƣ vậy, giá trị góc rotor máy phát điện, điện áp và công suất trên đƣờng dây đều dao động với biên độ ngày càng tăng, và kết quả cuối cùng là mất ổn định hồn tồn,
4.3.2 Mơ phỏng động khi thêm thiết bị PSS, và SVC
Trong phần này, chƣơng trình PSS/E đƣợc dùng để mơ phỏng đáp ứng của hệ thống có xét tác dụng của PSS khi có sự cố ngắn mạch 3 pha trên đƣờng dây 8-9 mạch 2. Sự thay đổi của các giá trị đang xét đƣợc mơ tả trên hình vẽ IV-18, IV-19, IV-20, IV-21, IV-22, IV-23, IV-24. Sự dao động của tham số giảm và tắt dần sau khi xảy ra sự cố chứng tỏ tác dụng cản dao động của thiết bị PSS/SVC. Góc rotor máy phát G1, G2, G3, G4 dao động trong 2 chu kỳ đầu tiên sau đó dần trở nên ổn định, và đạt đến giá trị đồng bộ sau khoảng 10 giây.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 88
Hình vẽ IV-18: Góc rotor máy phát G1 khi có thiết bị PSS/SVC
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 89
Hình vẽ IV-20: Góc rotor máy phát G3 khi có PSS/SVC
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 90
Hình vẽ IV-22: Điện áp trên thanh góp 8 khi có PSS/SVC
Điện áp trên thanh góp 8 dần ổn định sau khoảng 5 giây, tuy nhiên giá trị điện áp lúc này nhỏ hơn giá trị điện áp ban đầu (0,9 pu)
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 91
Hình vẽ IV-24: Cơng suất trên đƣờng dây 8-9 mạch 1 khi có PSS/SVC Cơng suất trên đƣờng dây mạch 7-8, 8-9 mạch 1 đạt đến giá trị ổn định ban Công suất trên đƣờng dây mạch 7-8, 8-9 mạch 1 đạt đến giá trị ổn định ban đầu (200MVA) sau khoảng 6 giây dƣới tác dụng của thiết bị PSS/SVC.
Nếu so sánh sự ổn định của hệ thống khi khơng có PSS/SVC và khi có PSS/SVC, thì các hình vẽ IV-25, IV-26, IV-27, IV-28, IV-29, IV-30, IV-31 chỉ ra rằng: khi chƣa có PSS/SVC, thì góc rotor máy phát điện, điện áp trên thanh góp và dịng cơng suất trên đƣờng dây 7-8, 8-9 mạch 1 (base-case: đƣờng màu đỏ) dao động khá lớn và trạng thái cuối cùng là mất ổn định hồn tồn. Khi có PSS/SVC thì dao động tắt nhanh hơn và nhanh chóng đạt tới giá trị ổn định sau khoảng 5s.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 92
Hình vẽ IV-25: Góc rotor máy phát G1 trong hai trƣờng hợp khơng có và có PSS/SVC PSS/SVC
Hình vẽ IV-26: Góc rotor máy phát G2 trong hai trƣờng hợp khơng có và có PSS/SVC PSS/SVC
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 93
Hình vẽ IV-27: Góc rotor máy phát G3 trong hai trƣờng hợp khơng có và có PSS/SVC PSS/SVC
Hình vẽ IV-28: Góc rotor máy phát G4 trong hai trƣờng hợp khơng có và có PSS/SVC PSS/SVC
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 94
Hình vẽ IV-29: Điện áp trên thanh góp 8 khi khơng có và có PSS/SVC
Hình vẽ IV-30: Cơng suất trên đƣờng dây 7-8 mạch 1 khi khơng có và có PSS/SVC
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 95
Hình vẽ IV-31: Cơng suất trên đƣờng dây 8-9 mạch 1 khi khơng có và có PSS/SVC
Để làm rõ thêm tác dụng cả hai thiết bị PSS/SVC thì ta xét ba trƣờng hợp, khi khơng có PSS/SVC (đƣờng màu xanh nƣớc biển), khi chỉ có PSS (đƣờng màu xanh lá cây) và khi có cả PSS/SVC (đƣờng màu đỏ). Từ hình vẽ ta thấy rằng khi dùng đồng thời PSS và SVC (đƣờng màu đỏ) có hiệu quả cao hơn trong việc nâng cao ổn định quá độ. Trong hình vẽ IV-32 và IV-33 chứng tỏ hiệu quả của PSS và SVC trong việc cản dao động góc rotor và cơng suất truyền tải giữa hai hệ thống con. Trong trƣờng hợp cơ bản dao động nhiều hơn và mất nhanh chóng mất ổn định, và khi có PSS thì dao động ít hơn và nhanh chóng đến trạng thái ổn định với giá trị xấp xỉ giá trị ban đầu khi chƣa xảy ra ngắn mạch, đặc biệt khi thêm SVC thì dao động tắt nhanh hơn và giá trị điện áp đạt giá trị tốt hơn (bằng giá trị điện áp khi chƣa xảy ra ngắn mạch) hay nói cách khác là HTĐ an tồn hơn.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 96
Hình vẽ IV-32: Cơng suất trên đƣờng dây 8-9 mạch 1 trong các trƣờng hợp khơng có PSS/SVC, khi chỉ có PSS, và khi có cả PSS/SVC
Hình vẽ IV-33: Điện áp tại thanh góp 8 trong các trƣờng hợp khơng có PSS/SVC, khi chỉ có PSS, và khi có cả PSS/SVC
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 97
4.4 KẾT LUẬN
Trong chƣơng này, đầu tiên tác giả giới thiệu chung phần mềm PSS/E, tính tốn mơ phỏng q trình q độ, sự cố bằng PSS/E, cùng với mơ hình hệ thống điện chuẩn của Kundur.
Nghiên cứu về ổn định quá độ góc rotor máy phát điện đối với HTĐ chuẩn đƣợc thực hiện theo kịch bản là tại t = 1s, ngắn mạch xảy ra trên đƣờng dây 8-9