tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu và THIẾT kế bộ điều KHIỂN CHO THIẾT bị ổn ĐỊNH hệ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT − PSS

1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ
ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT − PSS
NGUYỄN ĐỨC NINH
THÁI NGUYÊN - 2011
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Cán bộ HDKH : TS. Phạm Quang Đăng
Phản biện 1 : PGS.TS Nguyễn Doãn Phước
Phản biện 2 : TS. Trần Xuân Minh
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao
học số 01, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 10 giờ 30 phút ngày 07 tháng 12 năm 2011.
Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu − Đại học Thái Nguyên và
Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
2
MỞ ĐẦU
Ở Việt Nam, sự khởi sắc của nền kinh tế sau đổi mới, làm nhu cầu về điện gia
tăng đột biến. Để đáp ứng được sự gia tăng đó, chúng ta đang xây dựng rất nhiều
các nhà máy điện như: thủy điện Sơn La, nhiệt điện Vĩnh Tân 2, nhiệt điện Vũng
Áng… đồng thời mở rộng các nhà máy nhiệt điện đang có: Phả Lại 2, Uông Bí,
Cẩm Phả, trung tâm nhiệt điện Phú Mỹ… Đặc biệt là việc phát triển các nhà máy
thủy điện nhỏ: thủy điện Nho Quế 3 hay thủy điện Nậm Ly…, phần lớn thiết bị của
chúng là ngoại nhập.
Trong các nhà máy điện thì máy phát điện đồng bộ là thiết bị quan trọng, mà
hệ thống kích từ là một trong các hệ thống thiết bị quan trọng nhất quyết định đến

sự làm việc an toàn của máy phát điện. Nên khi vận hành cần quan tâm đến các vấn
đề:
Một là khi hệ thống bị tác động bởi sự cố hoặc khi phụ tải thay đổi nhanh, dẫn
đến công suất phát ra sẽ thay đổi xuất hiện sự mất đồng bộ của máy phát điện đồng
bộ, thời gian kéo dài có thể gây phá hủy máy.
Hai là khi vận hành các tổ máy phát điện đồng bộ làm việc song song trong
một nhà máy hay quá trình hòa vào lưới điện, làm xuất hiện các dao động, ảnh
hưởng đến chế độ làm việc của hệ thống điện, nếu thời gian kéo dài làm cho chất
lượng điện năng giảm.
Để đảm bảo cho hệ thống làm việc tốt thì cần phải loại bỏ được hoặc làm suy
giảm tới mức tối thiểu những nhiễu loạn trên hệ thống, thiết bị ổn định hệ thống
nguồn công suất (PSS) đã được sử dụng cho mục đích này [7, 8, 9].
Cho đến nay thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất (PSS) đã được rất
nhiều các tác giả nước ngoài quan tâm, tuy nhiên trong nước thì rất ít tác giả hay tài
liệu nói đến PSS. Do đó trong quá trình xây dựng, cũng như để hòa lưới cho các nhà
máy gặp nhiều khó khăn như: thiết bị ngoại nhập có giá cao làm tăng chi phí đầu tư
ban đầu, tài liệu viết bằng tiếng anh…
Đề tài này, nhằm nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị ổn định hệ
thống nguồn công suất (PSS), góp phần giải quyết được những khó khăn trên.
Với những lý do nêu trên, tác giả mạnh dạn tìm hiểu nghiên cứu, thiết kế bộ
điều khiển PSS với hy vọng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, làm giảm chi
phí đầu tư, tăng tỷ lệ nội địa hóa cho các trạm phát điện mới và nâng cao hiệu quả
hoạt động của các trạm phát điện hiện có.
Nội dung của luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận, bao gồm 4 chương:
Chương 1: Nghiên cứu về hệ thống điện và máy phát điện trong điều kiện
hòa lưới.
Chương 2: Nghiên cứu về hệ thống kích từ của máy phát điện và thiết bị
ổn định hệ thống nguồn công suất.
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn
công suất.

Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị ổn định hệ thống nguồn
công suất.
3
Trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái
Nguyên cũng như thời gian làm và hoàn thành luận văn này, tôi luôn nhận được sự
chỉ bảo, quan tâm cùng với những lời góp ý chân thành từ các thầy, cô giáo, các anh
chị, bạn bè và đồng nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy TS. Phạm Quang Đăng, người đã tận tình
hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hiền Trung, đã giúp đỡ tôi trong quá
trình tìm tài liệu tham khảo cũng như trong thời gian làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo, Khoa Sau Đại Học cùng Ban
Giám Hiệu Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp đã tận tình truyền đạt kiến thức,
hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành khóa học.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi
rất nhiều trong quá trình tìm kiếm số liệu để hoàn thành tốt luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 09 năm 2011
Tác giả luận văn
Nguyễn Đức Ninh
4
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ MÁY PHÁT
ĐIỆN TRONG ĐIỀU KIỆN HÒA LƯỚI
1.1. Máy phát điện đồng bộ
1.1.1. Giới thiệu chung
Máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng tốc độ quay của từ
trường phần ứng n
1
gọi là máy phát điện đồng bộ. Ở chế độ xác lập máy phát điện
đồng bộ có tốc độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay đổi.

1.1.2 Kết cấu máy phát điện đồng bộ 3 pha
Máy phát điện đồng bộ 3 pha bao gồm 2 bộ phận chính là Stato và Rôto.
Rôto máy phát điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ. Có thể phân
rôto thành 2 loại chính: rôto cực ẩn và rôto cực lồi.
Rôto cực ẩn: thường dùng cho các máy phát tuabin hơi có tốc độ quay cao.
Rôto cực lồi: thường dùng cho các máy phát tuabin nước có tốc độ quay thấp.
1.1.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ
Chúng ta biết rằng máy phát làm nhiệm vụ biến cơ năng thành điện năng theo
sơ đồ nguyên lý hình 1.1 sau đây:
Hình 1.1: Nguyên lý quá trình sản xuất điện năng.
Trong đó các năng lượng cơ dạng sơ cấp, qua một số khâu trung gian được
đưa vào tuabin nối với rôto của máy phát. Khi rôto được quay bằng các năng lượng
sơ cấp trên và cho dòng kích từ vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường rôto. Từ
trường của rôto sẽ cắt qua dây quấn phần ứng stato và cảm ứng một sức điện động
xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng:
e
E K f
0
* *= Φ
(1.1)
1.2. Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ
1.2.1. Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ
Khi máy phát đồng bộ làm việc ở chế độ tải là đối xứng, phương trình cân
bằng điện áp của một pha có dạng tổng quát như sau:
( )
ö ö
U E I r jx
δ δ
= − +
(1.5)

Khi máy điện làm việc có tải, dòng điện trong dây quấn stato sẽ sinh ra từ
trường của dây quấn stato và còn gọi là từ trường phần ứng. Từ trường khe hở lúc
có tải là do từ trường cực từ
t
F
và từ trường phần ứng
ö
F
sinh ra, khi mạch từ của
máy không bão hòa có thể xem như các từ trường
t
F
,
ö
F
độc lập sinh ra trong dây
quấn các sức điện động
E
0
và
ö
E
. Ứng dụng nguyên lý xếp chồng ta có:
5
U,I,fF
Năng lượng
sơ cấp
Turbine
Máy phát

Kích từ máy
phát
Kích từ
U,I,fF
ö
E E E
0
δ
= +
(1.6)
Nên (1.5) có thể viết thành:
( )
ö ö ö
U=E +E I r jx
0
δ
− +
(1.7)
Xét máy phát điện cực lồi, vì khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau nên ta
phải phân tích ảnh hưởng của phản ứng phần ứng theo hướng dọc trục và ngang
trục. Ta phân sức từ động phần ứng
ö
F
thành hai thành phần dọc trục
öd
F
và ngang
trục
öq
F

. Từ thông
öd
Φ
và
öq
Φ
tương ứng với các sức từ động
öd
F
,
öq
F
sẽ sinh ra
trong dây quấn phần ứng các sức điện động:
öq q öq
E jI x= −
và
öd d öd
E jI x= −
.
Kết quả là ở đây phương trình cân bằng sức điện động có dạng:
( )
öd öq ö ö
U E E E I r jx
0
δ
= + + − +

=
( )

d öd q öq ö ö
E jI x jI x I r jx
0
δ
− − − +

=
d öd q öq ö ö
E jI x jI x jIx Ir
0
δ
− − − −
(1.8)
Với
ö
jIx
δ
−
do từ thông tản sinh ra và không phụ thuộc vào từ dẫn của khe hở
theo các hướng dọc trục và ngang trục. Tuy nhiên nếu phân tích nó thành các thành
phần theo hai hướng như trên hình 1.2:
Hình 1.2: Đồ thị sức điện động của máy phát điện cực lồi.
( )
ö ö ö
jIx j Ix Ixcos sin
δ δ δ
ψ ψ
− = − +
=
q ö d ö

jI x jI x
δ δ
− −
Do đó (1.8) trở thành:
( )
( )
d öd ö q öq ö ö
U E jI x x jI x x Ir
0
δ δ
= − + − + −
=
d d q q ö
E jI x jI x Ir
0
− − −
(1.9)
Trong đó:
d öd ö
x x x
δ
= +
là điện kháng đồng bộ dọc trục.
q öq ö
x x x
δ
= +
là điện kháng đồng bộ ngang trục.
6
ưd

0
E

ưq
δ
E

rö
jIx−
&
r
ư
U

I

d
I

q
I

θ
δ
θ
ϕ
ψ
1.2.2. Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ
Đặc tính không tải là quan hệ
( )

t
E U f i
0 0
= =
khi
I 0=
và
ñm
f f=
.
1.2.3. Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch K
Đặc tính ngắn mạch là quan hệ
( )
n t
I f i=
khi
U=0
và
ñm
f f=
.
1.2.4. Đặc tính ngoài
Đặc tính ngoài là quan hệ
( )
U f I
=
khi i
t
= const, cos
ϕ

= const và
ñm
f f
=
.
1.2.5. Đặc tính điều chỉnh
Đặc tính điều chỉnh là quan hệ
( )
t
i f I
=
khi U = const; cos
ϕ
= const;
ñm
f f
=
.
1.2.6. Đặc tính tải
Đặc tính tải là quan hệ giữa
( )
t
U f i=
khi I = const;
ñm
f f=
; cos
ϕ
= const.
1.3. Điều chỉnh công suất trong máy phát

Tải của hộ dùng điện trong lưới điện thường thay đổi theo điều kiện sản xuất
và tiêu dùng. Có trường hợp tải không thay đổi nhưng do điều kiện vận hành của
lưới điện nên phải thay đổi chế độ làm việc của máy phát điện, cho nên trên thực tế
phải điều chỉnh công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của máy phát.
Có hai trường hợp điều chỉnh: trường hợp thứ nhất là máy phát điện làm việc
trong hệ thống điện lực có công suất vô cùng lớn với U,
f const=
.
Trường hợp thứ hai là trường hợp chỉ có hai hay vài máy phát điện công suất
tương tự làm việc song song và sự thay đổi chế độ làm việc của một máy sẽ làm
thay đổi điện áp U, tần số
f
chung của cả các máy phát điện đó.
1.3.1. Điều chỉnh công suất tác dụng P
1.3.2. Điều chỉnh công suất phản kháng Q
1.4. Mô hình toán máy phát điện đồng bộ
1.4.1. Phương trình máy phát điện đồng bộ trong hệ trục 3 pha
Để nghiên cứu quá trình quá độ trong máy điện đồng bộ thường sử dụng
phương trình vi phân ở hệ trục tọa độ pha (hệ trục không chuyển động) của máy.
Các phương trình viết dưới dạng ma trận như sau:
Phương trình cân bằng sức điện động mạch stato:
s s s s
d
u R i
dt
ψ
       
= − +
       
(1.30)

Phương trình cân bằng điện áp mạch rôto:
[ ] [ ][ ] [ ]
rrrr
dt
d
iRu
ψ
+=
(1.31)
Phương trình cân bằng mô men:
m
MM
dt
d
J =−
2
2
γ
(1.32)
1.4.2. Phương trình máy điện đồng bộ viết ở hệ trục vuông góc
Có 3 hệ trục vuông góc:
− Hệ gắn vào stato máy điện (hệ trục không quay
0=
ω
).
− Hệ gắn vào rôto máy điện, rôto quay với
r
ω
.
7

− Hệ quay đồng bộ với từ trường quay hệ (dq0) được gọi là hệ Park.
Trong phần này sẽ trình bày về hệ trục quay đồng bộ Park. Trong đó biểu thức
toán học biến đổi hệ trục 3 pha sang hệ trục vuông góc có dạng tổng quát như sau
(ma trận Park):
[ ]
( ) ( )
( ) ( )












+−
+−
=
2
1
2
1
2
1
120sin120sinsin
120cos120coscos

3
2
00
00
γγγ
γγγ
A
(1.36)
1.4.2.1. Phương trình stato
[ ]
s
u
,
= −
[ ]
s
R
,
[ ]
s
i
,
+
[ ]
s
dt
d
,
ψ
−











−
0
d
q
ψ
ψ
dt
d
γ
(1.42)
1.4.2.2. Phương trình rôto
[ ]
r
u
,
=
[ ]
r
R
[ ]

r
i
,
+
[ ]
r
dt
d
,
ψ
(1.46)
1.4.2.3. Phương trình từ thông
Từ thông viết dưới dạng ma trận như sau:
afd akd fd
d d d
s q q q akq kd
s s
kq
fd afd
d
r kd akd q
s s
kq akq
X X 0 i
X i
X i 0 0 X i
i
X i 0 0 0
X 0 0
i

X 0 0 i
X
i
,
0 0 0
,
0
0 0
1 1
0 0
0 0
1 3 1
2
0 0
ψ
ψ ψ
ω ω
ψ
ψ
ψ ψ
ω ω
ψ
  
    
  
    
 
= =− +
  
    

 
  
    
    
  
   
 
   
 
 
= = − +
   
 
 
   
 
 
   
fd fkd fd
fkd kd kd
kq
kq
X X 0 i
X X 0 i
i
0 0 X







 
 

 
 

 
 

 
 

 
 
 

(1.53)
1.4.2.4. Phương trình mômen
2
2
dt
d
J
γ
+
d q q d
I I
ψ ψ

−
= M
m
(1.60)
1.4.3. Phương trình máy điện đồng bộ viết ở đại lượng tương đối
1.4.3.1. Các đại lượng so sánh cơ bản
1.4.3.2 Phương trình máy điện đồng bộ trong hệ đơn vị tương đối
1.5. Máy điện đồng bộ trong hệ thống điện
Máy điện đồng bộ được sử dụng chủ yếu là máy phát điện trong hệ thống
truyền động công suất vừa và nhỏ, mà không làm động cơ vì động cơ đồng bộ
không cạnh tranh được với động cơ không đồng bộ. Tuy nhiên trong phạm vi công
suất lớn động cơ đồng bộ lại được dùng nhiều, vì nó có hiệu suất cao và chi phí vận
hành rẻ. Một dạng khác là động cơ phản kháng và động cơ có nam châm vĩnh cửu
được dùng nhiều trong hệ thống truyền động công suất nhỏ.
Trong hệ thống điện, máy phát điện đồng bộ đóng một vai trò quan trọng, nơi
mà tính ổn định luôn được đòi hỏi cao. Do đó, vấn đề truyền tải điện áp từ đầu ra
8
của máy phát tới hộ phụ tải tiêu thụ điện trên đường dây dài cần quan tâm đến điện
áp (u), tổn hao công suất hay sự dao động của điện áp trên đường dây… Để xét sự
dao động của điện áp trên đường dây, sẽ dựa vào hệ phương trình cơ bản đường dây
dài đều để xét đường dây làm việc với nguồn điều hòa.
Do đường dây tuyến tính nên ở chế độ xác lập đáp ứng điện áp ở mọi tọa độ
đường dây cũng là những hàm điều hòa cùng tần số với nguồn, xác định bởi giá trị
hiệu dụng và góc pha tùy thuộc tọa độ x dạng:
( ) ( ) ( )
[ ]
xtxUtxu
u
ψω
+=

sin2,
↔
( ) ( )
[ ]
xxU
u
ψ
,
(1.73)
Biểu diễn biểu thức (1.81) dưới dạng hàm điều hòa ta được:
( ) ( ) ( )
xteAxteAtxu
xx
βψωβψω
αα
+++−+=
−
2211
sin2sin2,
(1.82)
Theo biểu thức (1.82) ta thấy những hàm mũ đó biểu diễn những sóng chạy
dọc đường dây theo chiều ngược nhau, một sóng chạy thuận chiều x có dạng hình
sin với biên độ giảm dần theo x (bằng
x
eA
α
−
1
2
), một sóng chạy ngược chiều x cũng

có dạng hình sin với biên độ tăng theo x (bằng
x
eA
α
2
2
) tức cũng giảm dần theo
chiều truyền sóng.
Như vậy điện áp truyền từ đầu ra máy phát tới hộ phụ tải đã bị dao động, với
biên độ bị giảm đồng thời góc pha cũng bị dịch đi, sự dao động này là không tốt cho
quá trình truyền tải điện trên đường dây dài. Vì nó làm cho chất lượng điện áp sụt
giảm, tăng tổn thất truyền tải đồng thời có thể gây hại cho máy phát điện đồng bộ.
Kết luận chương 1
Ở phần đầu chương này đã trình bày nguyên lý làm việc, phương trình điện
áp, các đặc tính của máy phát điện đồng bộ.
Phần tiếp theo nghiên cứu và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng
điện áp, sự điều khiển công suất tác dụng cũng như công suất phản kháng khi vận
hành trong hệ thống điện.
Kế tiếp là nghiên cứu mô hình toán đối với máy phát đồng bộ, trong phần này
đã xây dựng được phương trình máy phát điện đồng bộ trong hệ trục 3 pha. Sau đó
chuyển sang hệ trục vuông góc dq0, để thuận tiện cho quá trình mô hình hóa.
Phần cuối của chương này nghiên cứu máy điện đồng bộ trong hệ thống điện.
9
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ CỦA MÁY
PHÁT ĐIỆN VÀ THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG
SUẤT
2.1. Hệ thống kích từ máy phát điện
2.1.1. Khái niệm
2.1.2. Các thành phần của hệ thống kích từ
Thiết bị kích từ bao gồm máy biến áp kiểu khô, bộ chỉnh lưu thyristor, bộ tự

động điều chỉnh điện áp AVR (Automatic Voltage Regulator), bộ phận diệt từ, thiết
bị bảo vệ quá áp và tất cả trang thiết bị cần thiết cho việc điều khiển, bảo vệ hệ
thống kích từ và máy phát trong các điều kiện vận hành bình thường cũng như trong
trường hợp không bình thường.
2.1.3. Bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát
Để tự động điều chỉnh dòng kích từ của máy phát điện đồng bộ, người ta sử
dụng hệ thống tự động điều chỉnh kích từ có bộ phận điều khiển chính là thiết bị tự
động điều chỉnh điện áp AVR. Thiết bị này có nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu cực
máy phát là không đổi (với độ chính xác nào đó) khi phụ tải thay đổi, nhằm nâng
cao giới hạn truyền tải công suất của máy phát vào hệ thống điện (HTĐ). Đặc biệt
khi máy phát được nối với hệ thống lưới qua đường dây dài, những yêu cầu chung
với hệ thống tự động điều chỉnh kích từ là:
− Hệ thống phải đảm bảo ổn định tĩnh và nâng cao tính ổn định động.
− Hệ thống cần có chế độ kích thích cưỡng bức, khi máy làm việc ở chế độ sự
cố (như ngắn mạch trong lưới)…
2.1.4. Bộ chỉnh lưu kích từ thyristor
Sử dụng cho hệ thống kích từ tĩnh, bộ chỉnh lưu sử dụng ở đây là kiểu chỉnh
lưu 3 pha gồm hai cầu như nhau nối song song. Trong chế độ vận hành bình
thường, cả hai cầu đều ở vị trí làm việc nhưng chỉ một cầu có xung kích từ để mở
thyristor, cầu còn lại ở trạng thái đóng.
2.1.5. Một số hệ thống kích từ cho máy phát điện đồng bộ
Trong thực tế có bốn loại hệ thống kích từ điển hình được sử dụng cho máy
phát điện đồng bộ là:
2.1.5.1. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều
2.1.5.2. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao
2.1.5.3. Hệ thống kích từ không chổi than
2.1.5.4. Hệ thống kích từ tĩnh (Static Exciter)
2.1.6. Thiết lập hệ phương trình của hệ thống điều chỉnh kích từ
2.1.6.1. Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ (Automatic Voltage Regulator)
2.1.6.2. Thiết lập hệ phương trình của hệ thống điều chỉnh kích từ

Trên hình 2.6 là sơ đồ khối cấu trúc và hàm truyền cụ thể của một hệ thống
kích từ dùng thyristor có TĐK tác động mạnh (không vẽ phần kích thích cường
hành).
Với sơ đồ trên hình 2.6 ta có thể viết phương trình của hệ thống điều chỉnh
kích từ ở dạng hàm truyền tổng hợp:
10
( ) ( ) ( )
f
f1f010
∆++∆−+=∆
pKKUpKKU
FUUkt
(2.4)
Hình 2.6: Sơ đồ khối cấu trúc và hàm truyền hệ TĐK tác động mạnh.
2.2. Hệ thống ổn định công suất
2.2.1. Trạng thái ổn định
Trong trạng thái hoạt động ổn định, công suất điện đầu ra của máy phát điện
đồng bộ cân bằng với công suất cơ đầu vào (bỏ qua tổn hao). Trạng thái ổn định có
thể được định nghĩa như sau:
Ổn định tĩnh là khả năng của máy phát sau những kích động nhỏ phục hồi
được chế độ ban đầu hoặc rất gần với chế độ ban đầu.
Ổn định động là khả năng của máy phát sau những kích động lớn phục hồi
được trạng thái ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu.
2.2.2. Trạng thái ổn định tức thời
Công suất phát ra của máy phát điện đồng bộ có thể chuyển sang dạng mômen
điện từ M nhân với vận tốc góc
ω
. Sự thay đổi của mômen điện có thể biến đổi
thành 2 thành phần:
ωδ

∆+∆=∆
cs
MMM
(2.6)
Trong đó:
δ
∆
s
M
là thành phần của mômen với góc phụ tải thay đổi (được xem như
mômen đồng bộ).
ω
∆
c
M
là thành phần mômen với tốc độ thay đổi (được xem như mômen hãm).
Cả hai thành phần của mômen trên đều có trong mỗi máy phát đồng bộ, thành
phần mômen đồng bộ có sai lệch góc phụ tải
δ
∆
, vì một lý do nào đó mà góc phụ
tải cứ tăng dẫn đến công suất điện giảm. Đến khi công suất điện nhỏ hơn công suất
cơ, rôto quay nhanh dẫn đến góc phụ tải tăng làm cho máy phát mất đồng bộ. Việc
mất đồng bộ có thể tránh được nếu có một hệ thống kích từ ban đầu tác động nhanh,
hệ thống này có khả năng cưỡng bức rất tốt và đáp ứng nhanh ngăn cản việc tăng
hay giảm tốc độ của rôto. Để chống lại việc tăng hay giảm tốc của rôto, bộ kích từ
phải có khả năng cưỡng bức điện áp. Ví dụ như khi rôto tăng tốc độ đối với từ thông
stato, góc phụ tải tăng dẫn đến công suất điện giảm, có nghĩa là mômen điện nhỏ
11
W

U
(p)
W
f
(p)
U
f
U
–
+
U
0
W
1U
(p)
U
’
∆U
K
1U
K
0U
W
∑
(p)


U
CLO
E

fd
W
CL
(p)


f
W
0f
(p) K
0f
∆f
W
1f
(p)
f
’
K
1f
W
X
(p)


–
hơn mômen cơ. Hệ thống kích từ phải tăng kích từ lên, bằng cách tăng điện áp kích
từ đến định mức nhanh nhất để có thể thay đổi điện áp đầu cực máy phát càng
nhanh càng tốt.

Hình 2.7: Trạng thái ổn định tức thời.

2.2.3. Tác động của hệ thống kích từ đối với sự ổn định
Để duy trì ổn định HTĐ chủ yếu phụ thuộc vào hai yếu tố đó là tốc độ đáp ứng
và khả năng cưỡng bức của hệ thống kích từ. Tăng thời gian cưỡng bức và giảm
thời gian đáp ứng sẽ làm tăng độ ổn định, như trên hình 2.8 minh họa cho sự tăng
thời gian cưỡng bức của hệ thống kích từ để hệ ổn định.


Hình 2.8: Ảnh hưởng của tác động nhanh đến hệ thống kích từ.
12
P
M
1
2
3
4
P
MAX
Ổn định
Công suất tuabin
Mất ổn định, máy
phát mất đồng bộ
Thiếu mômen cản
0
90 180
P
M
P
MAX
Công suất tuabin
0

90 180
1
2
3
Máy phát sẽ
mất đồng bộ
2.2.4. Ổn định các kích động nhỏ
Ổn định kích động nhỏ được định nghĩa như khả năng của HTĐ duy trì ổn
định khi có sự xuất hiện của các kích động nhỏ, những kích động nhỏ này có thể
làm thay đổi rất ít về phụ tải hay máy phát trong hệ thống. Nếu mômen hãm không
đủ, kết quả có thể là làm cho các dao động góc phụ tải thay đổi với biên độ lớn hơn.
Sự thay đổi các mômen điện từ M, mômen gia tốc hay mômen cản dịu cũng có
thể làm cho máy phát dao động.
Trong hệ thống điện, các máy phát khi làm việc với lưới điện có thể xảy ra các
loại dao động sau:
2.2.4.1. Dao động máy phát khi làm việc song song với lưới điện
Khi làm việc song song với lưới điện công suất lớn, máy phát điện đồng bộ có
thể dao động tự do hoặc dao động cưỡng bức.
Dao động tự do của máy phát điện đồng bộ.
Dao động cưỡng bức của máy phát điện đồng bộ.
2.2.4.2. Dao động cưỡng bức của máy phát điện đồng bộ khi làm việc ở chế độ ốc
đảo (dao động nội tại của máy phát điện)
Khi làm việc ở chế độ ốc đảo (đơn độc) trong lưới điện thì tần số và điện áp
của máy phát điện đồng bộ có thể thay đổi, sự dao động của rôto không phụ thuộc
vào góc
θ
vì
o
E
và U cùng dao động.

2.2.4.3. Dao động liên khu vực
Những dao động này thường liên quan đến việc kết hợp rất nhiều máy phát tại
một phần của HTĐ, đối với các máy tại các phần khác của HTĐ.
Kết luận:
Trong máy phát điện đồng bộ người ta thường bố trí các vòng dây ngắn mạch
trên rôto, để tiêu tán năng lượng dao động và làm cho các dao động của máy phát
tắt nhanh hơn. Tuy nhiên việc làm này không triệt tiêu hết các dao động, nên ngày
nay các hệ thống kích từ được cài đặt để hỗ trợ việc nâng cao ổn định tức thời cho
một trong các loại dao động kể trên. Những hệ thống này, phát hiện ra thay đổi về
điện áp do thay đổi tải đến 10 lần nhanh hơn so với các hệ thống trước đây. Do vậy,
với các dao động nhỏ của máy phát thì hệ thống kích từ có thể khắc phục ngay lập
tức. Tuy nhiên do độ tự cảm cao của các máy phát điện, tốc độ bị hạn chế. Điều này
được coi như hiện tượng trễ trong chức năng điều khiển, trong quá trình này tình
trạng của hệ thống dao động sẽ thay đổi, tạo nên một điều chỉnh kích từ mới. Kết
quả là hệ thống kích từ có xu hướng chậm sau nhu cầu về sự thay đổi.
Một giải pháp để nâng cao chất lượng của hệ thống này và các hệ thống lớn
hơn đó là phải thêm các đường truyền song song, để giảm điện kháng giữa các máy
phát và trung tâm phụ tải. Giải pháp này tốt, nhưng thường không thể chấp nhận vì
chi phí quá cao khi xây dựng thêm các đường dây truyền tải. Một phương án thay
thế tối ưu đó là thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất PSS hoạt động thông qua
các bộ điều chỉnh điện áp. Đầu ra kích từ được điều chỉnh để cung cấp mômen hãm
cho hệ thống.
2.2.5. Thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất (PSS)
13
PSS là một thiết bị tăng mômen hãm các dao động điện cơ trong máy phát, các
thiết bị này được dùng cho các máy phát lớn trong vài thập kỷ qua, cho phép sử
dụng để cải tiến 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 vận hành trạng thái ổn
định. Mối quan hệ giữa những đại lượng này có thể được diễn tả bởi công thức đơn

giản sau:
m c
H d
M M M
f
dt
2
2
δ
π
= − −
(2.23)
Hay:
cm
MMM
dt
dH
−−=
2
2
2
δ
ω
(2.24)
Các mômen cơ và điện gần như bằng nhau về mặt giá trị trong mỗi thiết bị.
Phương trình (2.6) có thể được viết lại khi có sự thay đổi về điểm vận hành:
ωδ
∆+∆=∆
cs
MMM

(2.25)
Một máy phát sẽ được duy trì sự ổn định, nếu PSS tác động lên hệ thống kích
từ làm cho các mômen đồng bộ và mômen hãm, đủ để dập các dao động rôto của
máy phát làm việc trong trường hợp không bình thường.
2.2.6. Triệt tiêu các dao động cơ điện
2.3. Phân loại các thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất
Hầu hết các hãng sản xuất nổi tiếng đều đưa ra các giải pháp của riêng mình,
tuy nhiên chúng chia làm 2 loại mô hình: Thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất
(thiết bị ổn định) dựa vào tín hiệu tốc độ và thiết bị ổn định đầu vào kép (tín hiệu
tốc độ và công suất).
Trong các tài liệu IEEE [8], [9] và [10], có thể chia ra như sau:
– Thiết bị ổn định dựa trên tín hiệu tốc độ có PSS1A.
– Thiết bị ổn định đầu vào kép có PSS2A, PSS2B, PSS3B, PSS4B.
2.3.1. Các thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất dựa trên tín hiệu tốc độ
2.3.2. Thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất đầu vào kép
Cho dù các thiết bị 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 thiết bị ổn định dựa theo tốc độ có thể gây ra kích từ máy phát quá mức.
Những biến đổi mômen điện dẫn tới nghiên cứu về các thiết kế thiết bị ổn định dựa
trên công suất đo được [11]:
( )
ω
ω
∆−−=
∆
Dm
KMM
Hdt
d

2
1
(2.26)
Phương trình thể hiện nguyên lý hoạt động của các bộ ổn định dựa theo công
suất trước đây.
Vì đã có sẵn hai tín hiệu 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
14
hệ của phương trình (2.26) được biến đổi lại nhằm đạt được tín hiệu công suất cơ
trọn vẹn, xuất phát từ công suất điện và tốc độ:
( )
dtMM
H
m
∫
∆−∆=∆
2
1
ω
, trong hệ đơn vị tương đối công suất bằng mômen.
Bởi vậy:
( )
dtPP
H
m
∫
∆−∆=∆
2

1
ω
Tích phân công suất cơ có quan hệ với tốc độ trục và công suất điện như sau:
∫∫
∆+∆=∆
PdtHdtP
m
ω
2
(2.27)
2.3.2.1. Thiết bị ổn định công suất đầu vào kép PSS2A
2.3.2.2. Thiết bị ổn định công suất đầu vào kép PSS2B
2.3.2.3. Thiết bị ổn định công suất đầu vào kép PSS3B
2.3.2.4. Thiết bị ổn định công suất đầu vào kép PSS4B
2.3.3. Lựa chọn thiết bị ổn định công suất
Trong mô hình PSS1A bao gồm các khối sau:
2.3.3.1. 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 phát. Sơ đồ khối như sau:
Hình 2.15: Khâu lọc thông cao.
Khoảng điều chỉnh hằng số thời gian là:
( )
1 s20÷
.
2.3.3.2. Bộ lọc xoắn
Sơ đồ khối như sau:
Hình 2.16: Bộ lọc các thành phần xoắn.
2.3.3.3. Bù pha và lựa chọn tín hiệu ổn định
Sơ đồ khối như sau:
Hình 2.17: Khâu khuếch đại và bù pha.

Hằng số thời gian trễ và vượt pha được điều chỉnh trong khoảng:
0.01s
≤
T
≤
6s.
15
1
S
K
2
1
sT1
1
+
+ sT
4
3
sT1
1
+
+ sT
H
V
STmin
V
STmax
V
ST
ω

∆
1 sT
6
1
+
sT
1 sT
5
5
+
A s A s
2
1 2
1
1+ +
2.4. Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát có PSS
Hình 2.18: Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh điện áp và ổn định công suất
máy phát đồng bộ.
Kết luận chương 2
Chương này đã trình bày khái quát về hệ thống tự động điều chỉnh kích từ,
giới thiệu một số hệ thống kích từ cho máy phát đồng bộ, thiết lập phương trình của
hệ thống điều chỉnh kích từ, ổn định công suất của HTĐ, các loại dao động thường
khảo sát với HTĐ.
Phân tích các thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất, từ đó đề xuất việc sử
dụng cấu trúc hệ thống tự động điều chỉnh kích từ máy phát và thiết bị ổn định công
suất PSS1A.
16
Tạo tín hiệu
V đặt
Chế độ tự

động
AVR
Giới hạn
V/Hz
+
+
–
∑
HV
gate
Giới hạn
UEL
LV
gate
Giới hạn
OEL
+
+
∑
Bộ điều
khiển PI
Tạo tín hiệu
Q đặt
+
∑
–
Q
Bộ điều
chỉnh Q
SW1

V
PSS
AVR
SW2
V
ĐK
Giới hạn
cưỡng bức
Bộ điều
khiển PI
+
–
∑
MV
R
Chế độ
bằng tay
Tạo tín hiệu
I
kt
đặt
I
kt
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH
HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT
Để thiết kế được bộ điều khiển cho PSS, trước tiên chúng ta phải nghiên cứu
các phương pháp thiết kế sau:
3.1. Phương pháp thiết kế PSS
Thiết kế PSS được dựa trên các khái niệm mômen đồng bộ hóa và sự dao động
tắt dần của các máy phát, tại những thời điểm cụ thể. Phương pháp thiết kế bao

gồm:
3.1.1. Phương pháp tiếp cận mômen tắt dần
Nội dung phương pháp này là phải tìm các hằng số (K) của các khâu, cũng
như sự ảnh hưởng của các máy phát khác nhau tác động lên một máy cụ thể, để tính
toán bổ xung mômen làm giảm sự dao động được gọi là mômen tắt dần.
3.1.2. Phương pháp tiếp cận đáp ứng tần số
Nội dung của phương pháp là lặp đi lặp lại các điều kiện hoạt động khác nhau
và hệ số khuếch đại được chọn từ khoảng trên. Mục đích chính là xem xét đặc tính
pha của một PSS, mô hình hóa sự trễ pha của hàm truyền G
PSS
(s), phản hồi một cách
chính xác các pha trễ trong hàm truyền của hệ thống kích từ. Với hệ thống nhiều
máy phát, các thông số của khối trễ pha và hệ số khuếch đại cho mômen tắt dần có
được bằng cách thiết lập các phương trình phi tuyến. Để tính được các thông số đó
ta phải thiết lập đủ ba phương trình phi tuyến, được giải bằng phương pháp Newton.
3.1.3. Phương pháp tiếp cận giá trị riêng và biến trạng thái
Phân tích giá trị riêng là phần chính của các nghiên cứu liên quan đến ổn định
tín hiệu.
Việc phân tích, tính toán ổn định tín hiệu nhỏ hay thiết kế bộ điều khiển với hệ
số khuếch đại và định lượng tương thích giữa các PSS là rất quan trọng.
Để có bộ PSS, ta sẽ tạo ra một cấu trúc điều khiển cố định
( ) ( )
PSSij ij ij
G s k H s=
mà sẽ liên kết đầu ra thứ j với đầu vào thứ i của hệ thống
( )
ij
G s
. Giả thiết rằng, nhà
máy có chế độ điện tới hạn

h
λ
là rất quan trọng tới hệ số tắt dần của mômen. Độ
nhạy của giá trị riêng nghĩa là khi thay đổi giá trị riêng
h
λ
cho ta một thay đổi nhỏ
của hệ số khuếch đại
ij
k
, được thể hiện như công thức sau:
( )
ij
h
h ij h
ij
R H
k
λ
λ
∂
=
∂
(3.1)
Mở rộng phương trình (3.1) với hệ nhiều đầu vào và nhiều đầu ra MIMO có
thể được viết như sau:
( )
h
h h
ij

Trace R H
k
λ
λ
∂
 
=
 
∂
(3.2)
Đối với những thay đổi đủ nhỏ của
ij
k∆
trong hệ số khuếch đại
ij
k
, sẽ thay đổi
giá trị
h
λ
∆
là:
( )
ij ij
h h ij h ij
R H k
λ λ
∆ = ∆
(3.3)
17

Khi ta giải phương trình (3.3) sẽ cho cấu trúc điều khiển phân cấp, nghĩa là khi
ma trận điều khiển là ma trận đường chéo. Hoạt động của sự thay đổi hệ số khuếch
đại
ii
k
thể hiện như sau:
( )
n
ij ji
h h ii h ii
j
R H k
1
λ λ
=
∆ = ∆
∑
(3.4)
Giá trị thay đổi của
h
λ
liên quan đến hệ điều khiển n là:
( )
n n
ij ji
h h ii h ii
i j
R H k
1 1
λ λ

= =
∆ = ∆
∑∑
(3.5)
Nghiên cứu phương trình (3.4) ta thấy, thường thì pha của
( )
ii
H s
được chọn
để tạo ra mômen tắt dần với chế độ h thông qua
( )
ii
G s
phù hợp với hệ số khuếch đại
ii
k
.
Ràng buộc tuyến tính được áp dụng như sau:
Ta giả thiết rằng cần phối hợp hệ số khuếch đại pha của n PSS để tăng chế độ
điện tới hạn m
m1 2

λ λ λ
 
 
. Đồng thời cũng giả thiết thay đổi
σ
∆
với hệ số
âm mong muốn

m1 2

σ σ σ σ
 
−∆ = −∆ −∆ −∆
 
.
Đối với chế độ m ta có thể viết như sau:
k
λ
∆ = Φ
(3.6)
Ràng buộc tuyến tính được xây dựng như sau:
Minimize(cực tiểu hóa)
n
i ii
i
w k
1=
∆
∑
(3.10)
Quá trình giải các phương trình chúng ta sẽ phải tìm điểm cực hay tập giá trị
riêng, mục tiêu là đặt một vài giá trị riêng tại vị trí mong muốn. Sau đó tuyến tính
hóa và lặp đi lặp lại, để tìm nghiệm của phương trình.
3.2. Mô hình máy phát điện cổ điển
Mô hình hệ thống như trên hình 3.1:

Hình 3.1: Mô hình hệ thống máy phát điện cổ điển.
Nguồn phía sau

d
X
/
là rất phức tạp và được tính bởi:
( )
B
B
t
T T
E E E cos
E E
S P jQ E I j
X X
/ /
/
/ / /
sin
δ
δ
∗
−
= + = = +
%%
(3.15)
18
I
t
E
/
δ

∠
B
E 0∠
d
X
/
t
E
E
X
Trong hệ đơn vị tương đối, mômen khe hở do không khí sinh ra (mômen khe
hở không khí) = năng lượng của khe hở không khí.
Do đó:
B
e
T
E E
T P
X
/
sin
δ
= =
(3.16)
Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc với điều kiện ban đầu
0
δ δ
=
ta
được:

( )
e
B
e
T
T
E E
T cos
X
/
0
δ δ δ
δ
∂
∆ = ∆ = ∆
∂
(3.17)
Phương trình chuyển động trong hệ tương đối là:
( )
r m e D r
p T T K
H
1
2
ω ω
∆ = − − ∆
(3.18)
r
p
0

δ ω ω
= ∆
(3.19)
Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc phương trình (3.18) sau đó thay
phương trình (3.17) vào ta được:

( )
r m S D r
p T K K
H
1
2
ω δ ω
∆ = ∆ − ∆ − ∆
(3.20)
Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc phương trình (3.19) ta có:
r
p
0
δ ω ω
∆ = ∆
(3.22)
Từ phương trình (3.20) và phương trình (3.22) viết dưới dạng vec tơ ma trận:
S
D
r r
m
K
K
d

T
H H
H
dt
0
1
2 2
2
0
0
ω ω
δ δ
ω
 
−
−
 
   
∆ ∆
 
 
= + ∆
   
 
 
∆ ∆
   
 
 
 

 
(3.23)
Sơ đồ khối như trên hình 3.2 sử dụng mô tả việc tính toán các tín hiệu nhỏ.

Hình 3.2: Sơ đồ khối máy phát cổ điển.
3.3. Ảnh hưởng của động học mạch từ máy phát điện đồng bộ
Phương trình máy phát điện đồng bộ:
Trong mô hình máy phát điện cổ điển, phương trình chuyển động là:
( )
r m e D r
p T T K
H
1
2
ω ω
∆ = − − ∆
(3.28)
r
p
0
δ ω ω
= ∆
(3.29)
19
Hs
1
2
r
ω
∆

s
0
ω
δ
∆
S
K
e
T∆
-
-
+
∑
m
T∆
D
K
Phương trình từ thông máy phát điện trong hệ đơn vị tương đối là:
( )
fd
fd fd fd fd fd fd fd
adu
R
p e R i E R i
L
0
0 0
ω
ψ ω ω
= − = −

(3.30)
Bỏ qua các cuộn cản, mạch tương đương của máy phát có mối liên hệ giữa từ
thông và dòng điện như trên hình 3.4:
Hình 3.4: Sơ đồ mạch thay thế tương đương máy phát điện.
Từ sơ đồ mạch thay thế mối liên hệ giữa từ thông của stato và rôto được tính
như sau:
( )
d l d ads d fd l d ad
L i L i i L i
ψ ψ
= − + − + = − +
(3.31)
( )
q l q aqs q l q aq
L i L i L i
ψ ψ
= − + − = − +
(3.32)
( )
fd ads d fd fd fd ad fd fd
L i i L i L i
ψ ψ
= − + + = +
(3.33)
Mômen do khe hở không khí sinh ra:
e d q q d ad q aq d
T i i i i
ψ ψ ψ ψ
= − = −
(3.38)

*. Phương trình mạng
Việc giải hai phương trình (3.51) và (3.52) gặp nhiều khó khăn, nên ta phải
chuyển về dạng sai phân và tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc:
d fd
i m m
1 2
δ ψ
∆ = ∆ + ∆
(3.53)
q fd
i n n
1 2
δ ψ
∆ = ∆ + ∆
(3.54)
Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc phương trình (3.38) ta có:
e ad q q ad aq d d aq
T i i i i
0 0 0 0
ψ ψ ψ ψ
∆ = ∆ + ∆ − ∆ − ∆
Thay thế
d
i∆
,
q
i∆
,
ad
ψ

∆
,
aq
ψ
∆
vào phương trình (3.53) đến phương trình
(3.57) ta được:

e fd
T K K
1 2
δ ψ
∆ = ∆ + ∆
(3.59)
Trong đó:
( )
( )
ad aqs d aq ads q
K n L i m L i
/
1 1 0 0 1 0 0
ψ ψ
= + − +
(3.60)
20
l
L
d
i
ads

L
fd
i
fd
L
fd
ψ
d
ψ
ad
ψ
l
L
q
i
aqs
L
q
ψ
aq
ψ
( )
( )
ads
ad aqs d aq ads q q
fd
L
K n L i m L i i
L
/

/
2 2 0 0 2 0 0 0
ψ ψ
= + − + +
(3.61)
Chuyển phương trình (3.28) đến (3.30) về dạng sai phân và tuyến tính hóa
xung quanh điểm làm việc, sau đó thay thế phương trình (3.58) và (3.59) vào chúng
ta sẽ được một phương trình hệ thống như sau:
r
r
m
fd
fd fd
a
a a b
T
a
E
a a b
13
11 12 11
21
32 33 32
0
0 0 0 0
0
0
ω
ω
δ δ

ψ ψ
 
   
 
∆
∆
 
∆
 
   
 
∆ = ∆ +
 
 
   
 
∆
 
 
 
   
 
∆ ∆
 
   
 
&
&
&
(3.62)

3.4. Xây dựng ma trận trạng thái
Phương pháp thiết kế PSS là phương pháp tiếp cận giá trị riêng và biến trạng
thái, trong đóviệc xây dựng ma trận trạng thái là rất quan trọng nó trải qua 3 bước
sau:
Để lập được các phương trình thì cần phải có thông số của máy phát và thông
số của mạng:
P
Q
t
E
E
R
E
X
d
L
q
L
l
L
a
R
fd
L
fd
R
sat
A
sat
B

TI
ψ
Bước thứ nhất: tính toán giá trị ổn định ban đầu của các biến hệ thống.
Bước thứ hai: tăng giá trị bão hòa tương ứng với
ads
L
,
aqs
L
,
ads
L
/
và
T
R
,
Tq
X
,
Td
X
,
D
,
m
1
, …
Bước thứ ba: tính các tham số của ma trận A từ phương trình (3.63).
Các hệ số

K
1
đến
K
4
được thể hiện như trên hình 3.6:
Hình 3.6: Sơ đồ tương đương với máy phát.
Theo phương trình (3.59) ta có thể tính mômen khe hở không khí:
e fd
T K K
1 2
δ ψ
∆ = ∆ + ∆
Xác định các hằng số
K
trong các biểu thức mở rộng:
Với
K
1
theo phương trình (3.60) ta có:
21
fd
E∆
fd
ψ
∆
e
T∆
m
T∆

r
ω
∆
δ
∆
∑
K
sT
3
3
1+
K
2
-
+
+
-
∑
+
∑
D
Hs K
1
2 +
s
0
ω
K
4
K

1
+
Mạch từ

( )
( )
ad aqs d aq ads q
K n L i m L i
/
1 1 0 0 1 0 0
ψ ψ
= + − +
Thay
n
1
,
m
1
và các phương trình (3.68), (3.69) vào phương trình
K
1
ta được:
( )
( )
( )
B q B q
T Td q d Tq T
E E E i
K R X cos X X X R cos
D D

0 0
/
1 0 0 0 0
sin sin
δ δ δ δ
= + + − −
(3.70)
Tương tự ta có:
( )
( )
Tq q d
ads T
q q
ads fd
X X X
L
R
K E i
D D
L L
/
2 0 0
1
 
 
−
 
 ÷
= + +
 

 ÷
+
 
 
(3.71)
( )
ads fd
Tq
adu
d d
L L
K
X
L
X X
D
3
/
1
1
+
=
+ −
(3.73)
( )
adu ads
B
Tq T
ads fd
L L

E
K X R cos
L L D
4 0 0
sin
δ δ
= −
+
(3.75)
Bỏ qua độ bão hòa từ phương trình (3.75) trở thành:

( )
( )
B
d d Tq T
E
K X X X R cos
D
/
4 0 0
sin
δ δ
= − −
(3.76)
3.5. Ảnh hưởng của hệ thống kích từ
Theo phần 3.6.2 tài liệu [7] thì
t
E
%
được tính như sau:

t d q
E e je
= +
%
Do đó:
t d q
E e e
2 2 2
= +
Hoặc:
( ) ( )
( )
t t d d q q
E E e e e e
2
2 2
0 0 0
+ ∆ = + ∆ + + ∆
Nếu bỏ qua thành phần bậc hai thì phương trình trên trở thành:
t t d d q q
E E e e e e
0 0 0
∆ = ∆ + ∆
Do đó:
q
d
t d q
t t
e
e

E e e
E E
0
0
0 0
∆ = ∆ + ∆
(3.77)
Sử dụng phương trình (3.53), (3.54) và (3.56) để loại các ẩn số
d
i∆
,
q
i∆
,
aq
ψ
∆
và
ad
ψ
∆
của phương trình biến trạng thái, đồng thời sử dụng kết quả của
d
e∆
,
q
e∆
cho phương trình (3.77) ta thu được:

t fd

E K K
5 6
δ ψ
∆ = ∆ + ∆
(3.78)
Trong đó:
q
d
a l aqs a l ads
t t
e
e
K R m L n L n R n L m L m
E E
0
/
0
5 1 1 1 1 1 1
0 0
 
 
= − + + + − − −
 
 
(3.79)
22
q
d
a l aqs a l ads
t t fd

e
e
K R m L n L n R n L m L m
E E L
0
/
0
6 2 2 2 2 2 2
0 0
1
 
 
 
= − + + + − − + −
 
 ÷
 
 ÷
 
 
 
(3.80)
Hình 3.7 là hệ thống kích từ tương đương với hệ thống thực.
Hình 3.7: Hệ thống kích từ thyristor với AVR.
Ta luôn mong muốn độ lệch điện áp đặt
ref
V 0∆ =
. Nên:
fd r fd
p a a a a v

31 32 33 34 1
ψ ω δ ψ
∆ = ∆ + ∆ + ∆ + ∆
(3.83)
Từ phương trình (3.81) ta có:

r fd
p v a a a a v
1 41 42 43 44 1
ω δ ψ
∆ = ∆ + ∆ + ∆ + ∆
(3.85)
Như vậy mô hình ma trận trạng thái của hệ thống như sau:
r
r
m
fd
fd
a
a
a
b
a
T
a
a a
a
a a
v
v

13
12
11
1
21
34
32 33
44
42 43
1
1
0
0
0 0
0
0
0
0
0
ω
ω
δ
δ
ψ
ψ
 
 
∆
∆
 

 
 
 
 
 
∆
∆
 
 
 
 
 
= + ∆
 
 
 
 
 
∆
∆
 
 
 
 
 
 
∆
  
∆
 

 
 
 
&
&
&
&
(3.87)
Như vậy ta có sơ đồ khối tổng thể như trên hình 3.8.
Hình 3.8: Mô hình sơ đồ khối hệ thống kích từ và máy phát đồng bộ với AVR.
3.6. Thiết kế bộ điều khiển PSS
3.6.1. Thiết kế bộ điều khiển
23
t
E
v
1
-
+
Kích từ
FMAX
E
FMIN
E
fd
E
ref
V
1
2

R
sT
1
1+
∑
A
K
+
-
v
1
∆
ref
V
fd
E∆
+
-
fd
ψ
∆
+
+
-
+
m
T∆
r
ω
∆

+
+
t
E∆
e
T∆
∑
( )
ex
G s
∑
K
sT
3
3
1+
K
2
∑ ∑
D
Hs K
1
2 +
δ
∆
s
0
ω
K
1

K
5
∑
K
6
R
sT
1
1+
K
4
Hình 3.9 trình bày sơ đồ khối của kích từ, AVR và PSS. Đây là sơ đồ khối mở
rộng của hình 3.8:

Hình 3.9: Mô hình sơ đồ khối đã tuyến tính của máy phát đồng bộ bao gồm
AVR và PSS.
Hàm truyền của
( )
PSS
G s
là:
( )
w
PSS STAB
w
sT
sT
G s K
sT sT
1

2
1
1 1
+
=
+ +
Để thiết kế bộ điều khiển PSS chúng ta phải xác định được những tham số
trong hàm truyền
( )
PSS
G s
như:
STAB
K
,
w
T
,
T
1
,
T
2
.
Chúng ta sẽ kiểm chứng hiệu quả của PSS tác động ra sao tới hệ thống kích từ,
bằng cách so sánh hệ thống khi có PSS và hệ thống không có PSS được sử dụng
trong các phần trước. Các thông số của hệ thống phần trước (mục 12.4 tài liệu [7]):
K
1
1.591=

K
2
1.5=
K
3
0.3333=
D
K 0=
H 3
=
T
3
1.91=
K
5
0.12= −
K
6
0.3=
( )
ex A
G s K 200= =
Từ sơ đồ khối hình 3.9, bỏ qua
R
T
,
fd
ψ
∆
có PSS được tính bởi:

( )
A
fd fd s
K K
K v
sT
3
6
3
1
ψ ψ
∆ = − ∆ + ∆
+
Do đó:
fd
A
s A
K K
v sT K K K s
3
3 3 6
66.66
1 1.91 21
ψ
∆
= =
∆ + + +
Trong quá trình làm việc, cần phải xem xét giai đoạn PSS bù pha để sinh ra
mômen điện làm rôto dao động tắt dần ở tần số 10 rad/s. Với
s j j10

ω
= =
.
24
+
-
ref
V
s
v∆
v
1
∆
fd
E∆
+
-
fd
ψ
∆
+
+
+
-
e
T∆
m
T∆
r
ω

∆
δ
∆
δ
∆
r
ω
∆
+
+
t
E∆
∑
( )
ex
G s
∑
K
sT
3
3
1+
K
2
∑
K
1
K
6
K

4
( )
PSS
G s
∑
D
Hs K
1
2 +
s
0
ω
K
5
∑
R
sT
1
1+
+
Nên:
fd
s
v j
66.66
21 19.1
ψ
∆
=
∆ +

Do đó, ở tần số 10 rad/s thì:
o
PSS
s
T
K
v j j
2
66.66 1.5*66.66
3.522 42.3
21 19.1 21 19.1
∆
 
= = = ∠ −
 ÷
∆ + +
 
Nếu sai lệch hằng số thời gian
PSS
T
∆
được đưa vào trùng pha với
r
ω
∆
, tín hiệu
r
ω
∆
cần được xử lý thông qua một mạch của mạng lưới, sau đó được chỉnh vượt

pha với góc
o
42.3
θ
=
ở tần số dao động là 10 rad/s. Do đó:
PSS r
T 3.522
ω
∆ = ∆

Hệ số mômen làm giảm sự dao động của PSS với
10
ω
=
rad/s là:
( )
D
K PSS 3.522
=

D
K
do mình AVR tác động là -12.27, vì vậy
D
K
ở đây bao gồm:
D
K 12.27 3.522 8.748
= − + = −

Chúng ta sẽ xem xét cấu trúc cơ bản mô hình hóa và hiệu suất ổn định hệ
thống điện, bằng cách xét một hệ thống kích thích thyristor như trên hình 3.10:
Hình 3.10: Sơ đồ khối hệ thống kích từ thyristor AVR và PSS.
Trên hình 3.10 là sơ đồ khối hệ thống kích thích bao gồm cả AVR và PSS, vì
chúng có liên quan đến hiệu suất tín hiệu nhỏ. Đầu ra của PSS cung cấp một tín
hiệu cho đầu vào AVR, bộ PSS trình bày như trên bao gồm ba khối:
Khối bù pha: Cung cấp đặc tính vượt pha thích hợp, để bù vào sự chậm pha
giữa tín hiệu đầu vào kích từ và mômen điện máy phát đồng bộ.
Khối lọc thông cao: Cho phép PSS chỉ phản ứng với những thay đổi về tần số
từ
( )
0.1 5÷
Hz.
25
t
E
(1)
v
1
-
+
+
ref
V
(2)
fd
E∆
Kích từ
r

ω
∆
∑
R
sT
1
1+
( )
ex
G s
Bộ lọc thông cao
Khối bù pha
s
v
v
2
(3) (4) (5)
STAB
K
w
w
sT
sT1+
sT
sT
1
2
1
1
+

+
PSS