Nghiên cứu hiệu quả của các bộ ổn định công suất cho máy phát điện đồng bộ kết nối lưới điện

Nguyễn Hiền Trung và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 64(02): 63 - 69
63


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA CÁC BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT
CHO MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN
Nguyễn Hiền Trung

, Nguyễn Như Hiển
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT
Bài báo trình bày các cấu trúc bộ ổn định công suất (PSS) dùng cho các máy phát điện đồng bộ để
cải thiện ổn định các dao động trong hệ thống điện, đồng thời đi sâu phân tích các thành phần
trong cấu trúc của bộ ổn định công suất PSS2A, từ đó sánh hiệu quả của nó với bộ ổn định công
suất PSS1A. Kết quả kiểm chứng bằng mô phỏng trên MATLAB-SIMULINK cho thấy hiệu quả
rõ rệt của bộ ổn định công suất PSS2A so với PSS1A. Bài báo cũng đề xuất phương án nên sử
dụng PSS2A cho các máy phát điện đồng bộ hiện nay.
Từ khóa: Ổn định hệ thống điện; Hệ thống kích từ; Bộ tự động điều chỉnh điện áp; Bộ ổn định
công suất; Dao động.
*
MỞ ĐẦU
Trong trạng thái hoạt động ổn định của hệ
thống điện, công suất điện đầu ra của máy phát
điện đồng bộ cân bằng với công suất cơ đầu
vào. Khi hệ thống bị tác động bởi sự cố, hoặc
phụ tải thay đổi nhanh, công suất điện phát ra
sẽ thay đổi. Công suất điện từ đầu ra có thể
thay đổi nhanh chóng, nhưng công suất cơ thay

đổi tương đối chậm. Bởi tốc độ đáp ứng khác
nhau, nên tồn tại sự khác biệt tạm thời về cân
bằng công suất. Sự mất cân bằng công suất này
làm cho rôto của máy phát đồng bộ quay
nhanh hơn hoặc chậm đi, tùy thuộc vào xu
hướng của sự mất cân bằng [6], [11].
Duy trì ổn định hệ thống điện phụ thuộc vào
tốc độ đáp ứng và khả năng cưỡng bức của hệ
thống kích từ. Tăng khả năng cưỡng bức và
giảm thời gian đáp ứng sẽ làm tăng độ ổn
định. Tác động này là nguyên nhân cần thiết
lắp đặt các bộ kích từ đáp ứng đủ nhanh để
đảm bảo ở mức cao nhất tránh mất đồng bộ
tạm thời. Tuy nhiên, trên thực tế, hệ thống
kích từ tác động nhanh lại có thể làm giảm
khả năng triệt tiêu các dao động bởi vì nó làm
giảm đi các moment hãm. Nếu moment hãm
không đủ, có thể làm cho các dao động góc
rotor thay đổi với biên độ lớn hơn, dẫn tới
nguy cơ làm mất ổn định hệ thống. Có ba loại
dao động được thử nghiệm với các máy phát
và lưới điện [1]- [4], bao gồm: Các dao động

*
Tel:0912386547
máy phát điện làm việc song song; Các dao
động cục bộ; Các dao động liên khu vực.
Các hệ thống kích từ [10], [12] được cài đặt
để hỗ trợ việc nâng cao ổn định tức thời cho
một trong các loại dao động kể trên.

Một giải pháp để nâng cao chất lượng của hệ
thống là phải thêm các đường truyền song
song để giảm điện kháng giữa các máy phát
và trung tâm phụ tải. Giải pháp này rất nổi
tiếng nhưng thường khó được chấp nhận vì
chi phí quá cao khi xây dựng thêm các đường
dây truyền tải. Một giải pháp thay thế đó là bộ
ổn định công suất (PSS) [5] hoạt động thông
qua các bộ tự động điều khiển điện áp máy
phát điện (AVR).
CẤU TRÚC CÁC BỘ ỔN ĐỊNH
CÔNG SUẤT
PSS là một thiết bị tăng moment hãm các dao
động cơ điện trong máy phát, để cải thiện các
hạn chế vận hành cưỡng bức ổn định. Khi bị tác
động bởi một sự thay đổi đột ngột trong điều
kiện vận hành, tốc độ và công suất của máy
phát sẽ thay đổi xung quanh điểm cân bằng.
Mối quan hệ giữa những đại lượng này có thể
được diễn tả bởi công thức sau [8], [11]:
2
mec
2
2H d δ
=M -M -M
ω
dt
(1)
trong đó: δ - góc quay tương đối của rotor; 
- tốc độ góc của rotor; M

m
- moment cơ; M
e
-
moment điện từ; M
c
- moment hãm; H - hằng
số quán tính của máy phát đồng bộ.
Nguyễn Hiền Trung và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 64(02): 63 - 69
64


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Công thức (1) chỉ ra rằng khi có tác động của
lực cân bằng, rotor tăng tốc theo tỉ lệ moment
tác động trong rotor chia hằng số quán tính của
tua bin. Từ (1) có thể viết lại khi có sự thay đổi
về điểm vận hành. Tại đó sự hãm moment điện
được phân tích thành các thành phần đồng bộ
và hãm (trong đơn vị tương đối):
M
e
= M
s
 + M
c
 (2)
trong đó: M
s
- hệ số đồng bộ; M

c
- hệ số hãm;
 - sai lệch góc rotor.
Từ (2) có thể thấy rằng với giá trị dương của
M
s
, thành phần của moment đồng bộ thay đổi
tỉ lệ nghịch với góc rotor từ điểm cân bằng.
Tương tự, với giá trị dương của M
c
, các bộ
phận của moment hãm sẽ tỉ lệ nghịch với tốc
độ rotor so với điểm vận hành ổn định.
Bộ ổn định dựa trên tốc độ (∆)
Để tăng cường hệ số hãm tự nhiên của máy
phát, bộ PSS phải tạo ra một thành phần của
moment điện chống lại những thay đổi trong
tốc độ rôto. Một phương pháp để thực hiện
điều này là đưa vào một tín hiệu tỷ lệ đo được
về sai lệch tốc độ rotor khi điều chỉnh điện áp
đầu cực máy phát.




PSS loại này có chứa một bộ lọc thấp, một bộ
lọc cao tần, khâu khuếch đại, hệ thống so
sánh pha và khâu giới hạn tín hiệu ra. Trên
hình 1 thì T
6

đặc trưng cho hằng số thời gian
của bộ chuyển đổi transducer; hệ số khuyếch
đại được đặt bởi K
S1
, tín hiệu lọc cao tần được
đặt bởi hằng số thời gian T
5
. A
1
và A
2
cho
phép thành phần tần số thấp của lọc thành
phần xoắn tần số cao đi qua. Khi không sử
dụng cho mục đích này, khối có thể sử dụng
để hỗ trợ định hướng hệ số khuyếch đại và
đặc tính pha của bộ ổn định. Ở 2 khối tiếp
theo cho phép 2 trạng thái của so sánh
Lead-Lag đi qua, được đặt bởi hằng số thời
gian từ T
1
đến T
4
.
Với những biến đổi nhỏ, rất nhiều bộ ổn định
công suất đã được chế tạo sử dụng cấu trúc cơ
bản vừa nêu.
Bộ ổn định dựa trên tần số (∆f)
Đã từ lâu tần số đã được sử dụng như một tín
hiệu đầu vào cho các ứng dụng của PSS.

Trong một số trường hợp tín hiệu điện áp đầu
cực và tín hiệu dòng điện cũng được kết nối
như một tín hiệu tốc độ rotor (tần số “bù”)
cho PSS. Sự tiện lợi của tín hiệu tần số là nó
nhạy cảm đối với các kiểu dao động liên khu
vực hơn là với các dao động giữa các máy
phát điện [5].
Một nhược điểm của các tín hiệu tần số đo
được ở đầu cực các máy phát là có chứa các
thành phần xoắn. Bởi vậy, cần thiết phải sử
dụng các bộ lọc. Về góc độ này các bộ ổn
định dựa trên tần số có các giới hạn tương tự
như các bộ PSS dựa trên tốc độ. Hơn nữa tín
hiệu tần số thường chứa các nhiễu loạn của hệ
thống gây ra bởi các tải công nghiệp [16].
C. Bộ ổn định dựa trên công suất (∆P)
Cho dù các bộ ổn định dựa trên tốc độ đã
chứng minh hiệu quả rất tốt, nhưng thường thì
vẫn khó khăn để tạo ra tín hiệu tốc độ không
có nhiễu như các thành phần dao động xoắn
của trục. Sự có mặt của các thành phần này
trong đầu vào của 1 bộ ổn định dựa theo tốc
độ có thể gây ra kích từ quá mức cho máy
phát. Những biến đổi moment điện dẫn tới
nghiên cứu về các thiết kế bộ ổn định dựa trên
công suất đo được:
 
me
1
PP

t 2H

    

(3)
trong đó: ∆P
m
- độ thay đổi công suất cơ đầu
vào; ∆P
e
- độ thay đổi công suất điện đẩu ra;
∆

- sai lệch tín hiệu tốc độ của rotor.
Rõ ràng độ sai lệch tín hiệu tốc độ có thể tính
được từ sự chênh lệch giữa công suất cơ đầu
vào và công suất điện phát ra. Sử dụng mối
liên hệ ở trên để thay thế việc đo tín hiệu công
suất điện và cơ cho đầu vào tốc độ. Tín hiệu
công suất điện được đo trực tiếp. Công suất
cơ không thể đo trực tiếp, và thay thế bằng
cách dự tính dựa trên đo vị trí của van cấp
khíhoặc của cổng cánh hướng, nhiều khi người
ta còn tính dựa trên lưu lượng hơi hoặc nước
Hình 1. Bộ ổn định dựa trên tốc độ PSS1A
Nguyễn Hiền Trung và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 64(02): 63 - 69
65


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

được cấp cho tua bin. Mối liên hệ giữa các
phép đo vật lý này và công suất cơ thực thay
đổi dựa vào thiết kế của tua bin và các hệ số
khác.Rất nhiều bộ ổn định dựa trên công suất
vẫn còn được sử dụng, mặc dầu chúng đang
nhanh chóng được thay thế bằng các bộ ổn
định hiệu quả hơn.
Các bộ ổn định đầu vào kép
Vì đã có hai tín hiệu có sẵn là công suất và
tốc độ nên cách tính toán 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 công suất cơ. Để đạt được điều
này, mối quan hệ của phương trình (3) được
biến đổi lại:
 
me
1
P P t
2H
     

(4)
Tích phân công suất cơ có quan hệ với tốc độ
trục và công suất điện như sau:
me
P t 2H P t      


(5)
Vì công suất cơ thường thay đổi từ từ tương
ứng với tần số dao động cơ điện, tín hiệu
công suất cơ có được đó có thể hạn chế về độ
rộng của dải khi sử dụng bộ lọc tần thấp. Bộ
lọc tần thấp loại bỏ những thành phần có tần
số cao (ví dụ như các thành phần xoắn và
tiếng ồn). Sự hạn chế dải tín hiệu thu được là
sử dụng thay thế cho công suất cơ trong
phương trình (5) để chuyển thành tín hiệu
thay đổi theo tốc độ.
Tín hiệu tốc độ nhận cuối cùng có được từ
hạn chế về độ rộng dải đo được lọc qua bộ lọc
cao tần. Còn ở tần số thấp hơn thì đầu ra được
quyết định chủ yếu do đầu vào công suất điện.
Bộ ổn định đầu vào kép PSS2A (hình 2)


Nhiều bộ ổn định [7] sử dụng 2 đầu vào như
miêu tả ở trên, tuy nhiên các thông số của
các bộ sẽ rất khác nhau. Mỗi đầu vào gồm,
hai khâu lọc cao tần đặc trưng bởi hằng số
thời gian (T
w1
đến T
w4
) cùng hằng số thời
gian tích hợp (T
6
, T

7
). Thông thường K
S3

bằng 1 và K
S2
sẽ bằng T
7
/2H. Đầu vào A
thường là tốc độ hoặc tần số, và đầu vào B là
công suất điện. N (số nguyên nhỏ hơn 4) và
M (số nguyên nhỏ hơn 2), E cho phép lọc
các thành phần xoắn hoặc tiếng ồn. Bù pha
được cung cấp bởi 2 khâu Lead – Lag hoặc
Lag – Lead (T
1
đến T
4
).
Bộ ổn định đầu vào kép PSS2B
Bộ ổn định này tương tự như bộ PSS2A chỉ
thêm vào một khâu bù pha Lead - Lag còn các
thông số khác hoàn toàn tương tự.
Bộ ổn định đầu vào kép PSS3B

Bộ lọc cao tần
Bộ lọc cao tần
Bộ lọc Ramp-Tracking
Hệ số khuếch đại và bù pha
Đầu ra

Hình 2. Sơ đồ khối của bộ ổn định công suất PSS2A

Công suất
Tốc độ
Nguyễn Hiền Trung và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 64(02): 63 - 69
66


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Cả hai bộ ổn định công suất PSS3B và PSS4B
đều có đầu vào V
S11
= P
e
và
S12
V


. T
1
,
T
3
đặc trưng cho hằng số thời gian bộ chuyển
đổi tranducer, T
2
và T
4

là hằng số thời gian bộ
lọc tần số cao. K
s1
và K
s2
là hai khâu khuếch
đại. T
0
là hằng số thời gian khởi động của
máy phát đồng bộ.

Do các lợi ích hơn hẳn của bộ ổn định đầu
vào kép nên hiện nay hầu hết đều bỏ qua cách
chỉ dùng tín hiệu tốc độ.
PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN TRONG
BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT PSS2A
Tín hiệu tốc độ
Tốc độ trục có thể được đo trực tiếp, hoặc thu
được từ tần số của một tín hiệu điện áp bù xuất
phát từ cực máy biến điện áp (VT) và dòng
điện (CT) thứ cấp. Trong trường hợp khác, tín
hiệu kết quả phải được chuyển sang một mức
hằng số, tỷ lệ với tốc độ (tần số). Hai đoạn
mạch lọc cao tần được đưa vào tín hiệu kết quả
để loại bỏ mức tốc độ trung bình, tạo ra một tín
hiệu sai lệch tốc độ. Hằng số thời gian mỗi bộ
lọc cao tần là: 1.0s  T
w
 20.0s.
Tín hiệu công suất điện

Đầu ra công suất điện của máy phát được lấy
từ điện áp thứ cấp VT và các dòng điện thứ
CT. Công suất ra được lọc qua bộ lọc cao tần
để tạo ra tín hiệu sai lệch công suất cần thiết.
Tín hiệu này được tích hợp và phân chia, sử
dụng hằng số quán tính máy phát để kết hợp
với tín hiệu tốc độ.
Tín hiệu công suất cơ
Tín hiệu này sau đó được lọc cao tần. Một
bộlọc cao tần có thể dưới một trong hai dạng
thức sau:
Dạng thứ nhất, một bộ tần thấp 4 cực đơn
giản, được dùng để hãm các thành phần xoắn
xuất hiện trong tốc độ. Với các máy phát
nhiệt điện, hằng số thời gian có thể được chọn
để tạo ra hãm ở tần số xoắn thấp nhất của máy
phát. Tuy nhiên, yêu cầu thiết kế này lại xung
đột với việc tạo ra một tín hiệu công suất cơ
hợp lý. Đặc biệt vấn đề này xảy ra trên các
máy phát thủy điện vì chúng dễ dàng có thể
có tỷ số thay đổi công suất cơ lên tới 10%/s.
Vượt quá giới hạn của tín hiệu công suất cơ
có thể dẫn tới thay đổi quá mức tín hiệu ra
của bộ ổn định trong quá trình mang tải và
không mang tải của máy.
Dạng thứ hai được gọi là bộ lọc “bám dốc”,
tạo ra một sai số tĩnh triệt tiêu trong đầu vào
tín hiệu công suất điện. Điều này hạn chế thay
đổi đầu ra của bộ ổn định tới các mức rất thấp
tỷ lệ thay đổi công suất cơ thường gặp phải

trong quá trình vận hành của các máy phát.
Mức điều chỉnh hằng số thời gian bộ lọc này
là: 0.02s≤T≤0,2s.
Bù pha và lựa chọn tín hiệu ổn định
Tín hiệu tốc độ được hiệu chỉnh trước khi đưa
tới bộ ổn định công suất. Tín hiệu được lọc để
tạo ra vượt pha trước ở các tần số cơ điện cần
dùng, ví dụ 0.1 Hz tới 5.0 Hz. Yêu cầu vượt pha
để bù vào sự trễ pha tạo ra bởi bộ điều chỉnh
điện áp vòng kín. Hàm truyền của mỗi giai đoạn
của bù pha là một dạng kết hợp đơn giản trong
đó hằng số thời gian trễ và vượt được điều
chỉnh trong khoảng: 0,01s  T  6,0s.
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN PHẦN
MỀM MATLAB-SIMULINK
Trong phần này sẽ trình bày quá trình thực
hiện các trường hợp mô phỏng hệ thống điều
chỉnh điện áp và ôn định công suất máy phát

Bộ lọc cao tần
Bộ lọc cao tần

Hình 4. Sơ đồ khối của bộ ổn định công suất PSS4B


Hình 3. Sơ đồ khối của bộ ổn định công suất
PSS3B

Bộ lọc cao tần
Bộ lọc cao tần

Nguyễn Hiền Trung và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 64(02): 63 - 69
67


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
đồng bộ dựa trên phần mềm mô phỏng
MATLAB-SIMULINK [9].
Cấu hình hệ thống mô phỏng
Sơ đồ hệ thống mô phỏng như hình 5.







Thông số các phần tử chính
1. Máy phát điện đồng bộ
Mô hình máy phát điện đồng bộ trong thư
viện Simulink với các thông số như sau:
Loại rotor: cực lồi; Pn=200MVA;
Vn=13,8kV; fn=50Hz; Xd=1,305;
Xd’=0,296; Xd’’=0,252; Xq=0,474;
Xq’’=0,243; Td’=1,01 s; Td’’=0,053 s;
Tq0’’=0,1 s; Rs=0,00285 p.u.
2. Bộ ổn định công suất PSS
2.1. Bộ ổn định công suất PSS1A [8]
Hằng số thời gian Sensor: 0,015; Hệ số
khuếch đại: 2,5; Hằng số thời gian bộ lọc: 1;
Tnum=0,05; Tden=0,02; Vsmin=-0,15;

Vsmax= 0,15.
2.2. Bộ ổn định công suất PSS2A
M=1; N=2; T
w1
=1; T
w2
=5; T
6
=0,02; T
w3
=10;
T
w4
=10; T
7
=6,4; K
S2
=1; K
S3
=1 T
8
=4; T
9
=5;
K
S1
=0,1; T
1
=0,05; T
2

=0,02, T
3
=0,5; T
4
=5,
V
STMAX
=-0,15, V
STMIN
=0,15.
3. Hệ thống điều tốc governor [13]
K
a
=10/3; T
a
=0,07s; g
min
=0,01pu;
g
max
=0,975pu; v
gmin
=-0,1pu/s; v
gmax
=0,1s;
R
p
=0,05; K
p
=1,163; K

i
=0,105; K
d
=0;
T
d
=0,01s.T
w
=2,67s.
4. Hệ thống kích từ [12]
Tr=0,02s; Ka=300; Ta=0,001s; Ke=1,0;
Te=0; Kf=0,001; Tf=0,1s; Vsmin=-11,5;
Vsmax= 11,5.
5. Đường dây dài 50km; R
0
=0,3864Ω/km;
L
0
=4,1264.10
-3
H/km; C
0
=7.751.10
-9
F/km.
6. Tải tự dùng: 10+j4MVA; tải cuối đường
dây: 100+j30MVA.
Kết quả mô phỏng
Công suất cơ bản được chọn chung cho toàn
hệ thống là S

b
=200MVA.
Quá trình mô phỏng bao gồm các trường
hợp sử dụng PSS1A và PSS2A có đóng cắt
tải 0,52pu tại thanh cái hệ thống ở thời
điểm t=0,8s.
Trên hình 6 cho thấy với PSS2A đáp ứng điện
áp nhanh đạt giá trị ổn định hơn, biên độ
trong thời gian qua độ thay đổi ít hơn loại
PSS1A. Tại thời điểm t=0,8s đóng tải 0,52pu
điện áp đầu ra PSS2A cũng nhanh ổn định
hơn, điều này có tác dụng tốt với điều chỉnh
kích từ máy phát.
Hình 7 cho thấy khi dùng PSS2A so với
PSS1A thì biên độ dao động góc roto nhỏ
hơn và nhanh đạt ổn định hơn (sau 4s). Tại
thời điểm đóng tải dao động góc roto cũng
nhanh ổn định. Góp phần nâng cao độ ổn
định cho hệ thống.

Hình 6. Đáp ứng điện áp đầu ra PSS

Hình 7. Sai lệch góc roto
Hình 8. Đáp ứng điện áp đầu cực máy phát
MP
ĐD HT
MBA
Hình 5. Hệ thống thử nghiệm