7. Bố cục luận văn
2.2. Cấu trúc các bộ ổn định công suất PSS
2.2.1. Cơ sở lý thuyết về PSS
Bộ ổn định công suất là một bộ phận phụ của hệ thống kích từ máy phát, tác dụng chính của PSS là mở rộng giới hạn ổn định của hệ thống điện bằng cách tạo ra một thành phần mô men điện trong roto máy phát đồng bộ, thành phần mô men này tác dụng giống như một mô men cản để chống lại sự dao động của roto máy phát thông qua hệ thống kích từ của máy phát đồng bộ. Để có thể làm giảm nhanh những dao động của roto, PSS sẽ tạo ra một thành phần mơ men điện đặt lên roto tại góc pha có tốc độ biến thiên. Thành phần mô men này tỷ lệ với độ sai lệch giữa tốc độ thực và tốc độ đồng bộ. Khi roto có sự dao động thì thành phần mơ men này tác dụng giống như một mô men cản để chống lại sự dao động của rotor. Như đã phân tích ở trên, do sự trễ pha trong mạch vịng điều khiển của hệ thống kích từ nên sẽ tạo ra một thành phần mơ men hãm, mục đích chính của PSS là tạo ra một tín hiệu điều khiển để bù cho thành phần mô men hãm này. Từ mục đích đó thì cấu trúc của PSS sẽ gồm các khối bù pha để bù cho sự trễ pha giữa đầu vào hệ thống kích từ và mơ men điện.
Tùy vào loại tín hiệu đầu vào của PSS được sử dụng mà các PSS có tên gọi khác nhau cũng như khả năng điều khiển của chúng. Với một vài thay đổi nhỏ, rất nhiều bộ ổn định công suất dựa trên cơ sở là độ sai lệch tốc độ (Δω) đã được chế tạo và ứng dụng. Tuy nhiên với bộ ổn định cơng suất dựa trên tốc độ thì một trong những hạn chế
của nó là nó có thể kích thích các mơ hình dao động xoắn (PSS đầu vào đơn). Để khắc phục những hạn chế như đã nêu của chức năng PSS có tín hiệu vào là tốc độ thì một bộ điều khiển đầu vào kép là cơng suất-tốc độ (∆P-ω), hay cịn gọi là bộ ổn định công suất gia tốc đã được xem xét và thiết kế. Với loại PSS này thì tín hiệu cơng suất được sử dụng là công suất gia tốc của máy phát mà có tương tác xoắn rất thấp. Với bộ điều khiển loại này thì hệ số khuếch đại của PSS có thể được tăng lên mà vẫn khơng làm mất đi sự ổn định và từ đó làm tắt nhanh các dao động. Theo các tiêu chuẩn của IEEE [15] nó được gọi là PSS đầu vào kép.
2.2.2. Phân loại các chức năng PSS
Về chức năng nhiệm vụ của PSS đã phân tích ở trên. Ở đây chỉ quan tâm cấu trúc của PSS. Hầu hết các hãng sản xuất đều đưa ra các giải pháp của riêng mình, tuy nhiên theo chuẩn IEEE 421.5.2005 chúng có thể chia ra như sau: PSS đầu vào đơn và PSS đầu vào kép.
a. PSS đầu vào đơn [15]:
Hình 2.4 là dạng chung của một PSS với đầu vào đơn. Thơng thường các tín hiệu đầu vào có thể là sai lệch tốc độ rotor, sai lệch tần số hoặc cơng suất điện. Trong đó: T6 là hệ số đặc trưng cho hằng số thời gian của bộ chuyển đổi điện áp, hệ số khuếch đại đặt bởi KPSS, tín hiệu khâu lọc thơng cao được đặt bởi hằng số thời gian TW, A1 và A2 là các hệ số khâu lọc xoắn . Ở hai khối tiếp theo cho phép hai trạng thái so sánh lead–lag đi qua, được đặt bởi hằng số thời gian từ T1 đến T4.
Hình 2.3: Sơ đồ khối PSS 1A – loại đầu vào đơn b. PSS đầu vào kép [15]
Cho dù các PSS dựa trên tín hiệu tốc độ đã chứng minh hiệu quả rất tốt, nhưng thường thì vẫn khó khăn để tạo ra tín hiệu tốc độ khơng có nhiễu như các thành phần dao động xoắn của trục. Sự có mặt của các thành phần này ở đầu vào của một PSS dựa trên tốc độ có thể gây ra q kích từ máy phát. Những biến đổi mô men điện dẫn tới nghiên cứu về các thiết kế PSS dựa trên cả tín hiệu cơng suất đo được. Ta có phương trình chuyển động: 1 2 M e p d T T K dt H
Trong đó Δω=(ω-ω0)/ω0 là sai lệch tốc độ, δ là góc rotor (rad), ω0=2πf0 (rad/s) là tốc độ (điện), t là thời gian (s). Phương trình trên thể hiện nguyên lý hoạt động của các PSS dựa theo cơng suất trước đây. Rõ ràng sai lệch tín hiệu tốc độ có thể tính được từ sự chênh lệch giữa cơng suất cơ và cơng suất điện. Tín hiệu cơng suất điện có thể đo trực tiếp, công suất cơ không thể đo trực tiếp mà thay thế bằng cách dự tính dựa trên cách đo vị trí của van cấp khí (turbine hơi) hoặc của cánh hướng dịng (turbine thủy lực), nhiều khi người ta cịn tính dựa trên lưu lượng hơi hoặc nước được cấp cho turbine.
Vì có sẵn hai tín hiệu là cơng suất và tốc độ nên cách tính tốn này đã được thay thế và ưu tiên dành cho một phương pháp gián tiếp. Mục đích là nhằm loại bỏ những thành phần không mong muốn ra khỏi tín hiệu tốc độ trong khi vẫn tránh được khó khăn khi đo tín hiệu cơng suất cơ. Để có được điều này, mối quan hệ của phương trình trên được biến đổi lại nhằm đạt được tín hiệu cơng suất cơ trọn vẹn từ cơng suất điện và tốc độ.
2
M e
f T dt H f T dt
Trong đó hệ số damping KD được cài đặt bằng không.
Công suất cơ thường thay đổi từ từ tương ứng với tần số dao động cơ điện, tín hiệu cơng suất cơ có được khi sử dụng khâu lọc thơng thấp. Khâu lọc thơng thấp loại bỏ những thành phần có tần số cao (các thành phần xoắn và nhiễu).
Tín hiệu tốc độ có được cuối cùng từ cả tín hiệu tốc độ và tín hiệu tích phân cơng suất điện được lọc qua khâu lọc thông cao. Ở tần số dao động thấp hơn thì đầu ra được quyết định chủ yếu là do công suất điện. Sau đây ta xem xét chi tiết một số cấu trúc PSS đầu vào kép theo cách phân loại của IEEE.
PSS2A
Hai tín hiệu đầu vào của PSS2A thường là sai lệch tốc độ rotor và cơng suất điện. Có hai khâu lọc thông cao đặc trưng bởi hằng số thời gian (Tw1 ÷ Tw4) cùng hằng số thời gian tích phân (T6, T7). Thông thường KS3=1, KS2=T7/2H với H là hằng số quán tính của máy phát. Các chỉ số M và N đi theo bộ lọc “ramp–tracking” hoặc “simpler” cho phép lọc các thành phần xoắn hoặc các nhiễu. Bù pha được cung cấp bởi hai khâu lead – lag hoặc lag – lead, với hằng số thời gian (T1 ÷ T4).
Hình 2.4: Sơ đồ khối PSS2A
PSS2B
Hình 2.8 là sơ đồ bộ ổn định đầu vào kép PSS2B. PSS loại này tương tự như PSS2A (chuẩn IEEE 421.5.2005), chỉ thêm vào một khâu bù pha với hằng số thời gian trễ T11 và hằng số thời gian vượt T10,
Hình 2.5: Sơ đồ khối PSS2B
PSS3B
Mơ hình PSS3B đầu vào kép được biễu diễn trên hình 2.9, một tín hiệu đầu vào là cơng suất điện Pe (VSI1) và tín hiệu cịn lại là sai lệch tốc độ rotor Δω (VSI2). Các tín hiệu này được sử dụng để thay thế cho tín hiệu cơng suất cơ. Bằng cách kết hợp tín hiệu này với cơng suất điện, sẽ tạo ra một tín hiệu tỷ lệ với công suất động (ΔPe). T1, T2 là các hằng số thời gian của bộ chuyển đổi, TW1÷TW3 là các hằng số thời gian bộ lọc công suất điện, tốc độ góc rotor và cơng suất cơ thu được. Trong mơ hình này, các tín hiệu ổn định VPSS (VST) nhận được từ việc tổng hợp vector của tín hiệu cơng suất điện và sai lệch tốc độ.
Hình 2.6: Sơ đồ khối PSS3B
PSS4B
PSS4B cho phép làm việc trên ba dải tần số tách biệt nhau tương ứng với các dao động tần số thấp, tần số trung và tần số cao. Chúng sử dụng tín hiệu đầu vào là sai lệch tốc độ ∆ω.
Dải tần thấp thường tương ứng với các dao động toàn cầu (global), dải tần trung tương ứng với các dao động liên khu vực (inter–area) và dải tần cao tương ứng với dao động cục bộ (local). Mỗi dãi tần được cài đặt với khâu lọc, hệ số khuếch đại và khâu giới hạn khác nhau. Tín hiệu đầu ra của chúng được tổng hợp rồi cho qua khâu giới hạn cuối cùng VPSSmax/VPSSmin trước khi đưa đến AVR.