Tóm tắt luận văn đánh giá bộ ổn định PSS theo chuẩn IEEE 421 5 2005 để làm sáng tỏ vấn đề ổn định góc rô to máy phát điện

1


Trong những năm qua, với sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và từng bước công
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhu cầu sử dụng điện của nước ta tăng trưởng
không ngừng. Các nội dung thiết kế vận hành đường dây siêu cao áp 500 kV Bắc
Trung Nam đã gắn liền với những tính toán phân tích có tính chất quyết định về
phương diện ổn định hệ thống. Sự suất hiện trong tương lai những nhà máy điện lớn
(Thủy điện Sơn La, Lai Châu, Trung tâm nhiệt điện Phú Mỹ…) nối vào HTĐ bằng
đường dây 500 kV, dự án liên kết HTĐ Việt Nam với các nước trong khu vực đang
đòi hỏi phải nghiên cứu sâu sắc tỉ mỉ hơn về phương diện ổn định HTĐ trong quá trình
vận hành.
Theo quan điểm truyền thống, vấn đề ổn định là duy trì sự hoạt động đồng bộ.
Điều kiện cần thiết để HTĐ hoạt động bình thường là tất cả các máy phát duy trì đồng
bộ với nhau. Về khía cạnh này ổn định HTĐ chịu ảnh hưởng của đặc tính động học
góc rotor và quan hệ công suất - góc [10], [13].
Mối quan tâm trong việc đánh giá ổn định là phản ứng của HTĐ khi chịu nhiễu
loạn tức thời. Nhiễu này có thể lớn hoặc nhỏ. Các nhiễu nhỏ là dạng tương tác giữa các
máy phát hay thay đổi tải diễn ra thường xuyên trong quá trình vận hành, và hệ thống
phải tự điều chỉnh để thích ứng với các điều kiện đó. Hệ thống phải có khả năng hoạt
động dưới các điều kiện này và cung cấp đủ công suất cho tải. Đồng thời hệ thống phải
có khả năng chịu được các nhiễu lớn như ngắn mạch trên đường dây tải điện, mất máy
phát, mất tải lớn, hoặc mất liên lạc giữa 2 hệ thống. Cũng chính vì sự phức tạp này mà
nhiều giả thiết thường được sử dụng để làm đơn giản bài toán và chỉ tập trung vào các
nhân tố ảnh hưởng đến loại đặc tính của ổn định [10].
Việc sử dụng các bộ kích từ đáp ứng nhanh có ảnh hưởng bất lợi với ổn định các
nhiễu nhỏ tương ứng với các dao động cục bộ do tạo ra sự cản âm [10]. Một nguồn
khác gây nên mất ổn định dạng dao động là hệ quả của kết nối các HTĐ với nhau, của
một nhóm lớn các máy phát gần nhau liên kết bằng đường truyền yếu. Với công suất
truyền tải lớn, hệ thống như vậy sẽ tạo ra các dao động liên khu vực tần số thấp [12].
Để giải quyết các vấn đề này có thể sử dụng bộ ổn định hệ thống điện – PSS.

Theo IEEE, PSS chia ra hai loại: Bộ ổn định dựa trên tín hiệu tốc độ và bộ ổn
định đầu vào kép (tín hiệu tốc độ và công suất) [9]. Trên thế giới PSS đã được rất
nhiều các tác giả quan tâm nghiên cứu, tuy nhiên trong nước thì rất ít tác giả hay có tài
2
liệu viết về PSS [1], [2], [4], [5]. Ở Việt Nam, nó được lắp đặt trong các nhà máy nhiệt
điện Phả Lại, Phú Mỹ; nhà máy thủy điện Thác Bà, Yaly và Sơn La… Vì nhiều lý do
khác nhau trong đó có vấn đề về kỹ thuật mà ở các nhà máy này chức năng PSS tích
hợp trong hệ thống kích từ cho máy phát điện đã không được sử dụng.
Với những lý do nêu trên, tác giả đã mạnh dạn tìm hiểu nghiên cứu, đánh giá bộ
ổn định PSS theo chuẩn IEEE 421.5-2005 để làm sáng tỏ vấn đề ổn định góc rô to
máy phát điện với hy vọng PSS sẽ được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, góp phần
nâng cao hiệu quả hoạt động của các trạm phát điện hiện có.

Mục tiêu chung:
Đề tài này đặt mục tiêu chính là qua phân tích ổn định của HTĐ và phân tích các
cấu trúc của PSS theo chuẩn IEEE 421.5-2005, thấy được sự cần thiết của PSS đối với
việc nâng cao ổn định của HTĐ. Đồng thời đánh giá được hiệu quả của các loại PSS
trong vấn đề ổn định góc rôto máy phát điện.
Mục tiêu cụ thể:
1. Tổng quan ổn định của HTĐ, trong đó đi sâu nghiên cứu ổn định góc rô to, tiếp
cận theo hướng ổn định các nhiễu nhỏ.
2. Lựa chọn hệ thống kích từ AVR dùng trong nghiên cứu và PSS.
3. Xây dựng mô hình toán học của trạm phát điện trong HTĐ.
4. Phân tích cấu trúc điển hình của PSS, tính chọn các thông số cơ bản của một
loại PSS.
5. Tiến hành mô phỏng trong Matlab so sánh hiệu quả của các loại PSS sản xuất
theo chuẩn IEEE 421.5-2005. Kết quả nghiên cứu còn được kiểm chứng bằng
thí nghiệm trên Card R&D DS1104 thời gian thực.
 !"
- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên

cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành;
nghiên cứu cấu trúc và phương pháp lựa chọn thông số PSS.
- Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu cấu trúc các PSS đang lắp đặt trong các nhà
máy điện hiện nay ở Việt Nam, rồi phân tích lý giải so sánh. Kiểm chứng bộ điều
3
khiển PSS bằng mô phỏng trong Matlab R2010a & Simulink và thí nghiệm trên Card
R&D DS1104 của hãng dSPACE.
4#$%&'( )
Luận văn đã đánh giá được hiệu quả của các bộ PSS trong vấn đề ổn định góc
rôto của máy phát điện, cụ thể:
- Xây dựng các bước để thiết lập mô hình toán học tuyến tính hóa của HTĐ gồm
một máy phát điện nối với thanh cái qua đường dây tải điện.
- Mô phỏng thành công ảnh hưởng của hai loại PSS theo chuẩn IEEE 421.5-2005
đối với ổn định góc tải.
- Kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng thí nghiệm trên Card R&D DS1104 theo
thời gian thực của hãng dSPACE tại phòng thí nghiệm Điện – Điện tử trường đại học
KTCN.
- Là nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học tập và giảng dạy trong nhà trường;
Làm tài liệu tham khảo cho các chuyên gia và cán bộ kỹ thuật ngành Điện lực.
*+,-./01
Tính cấp thiết của đề tài được trình bày ở phần mở đầu của luận văn. Chương I
của luận văn trình bày tổng quan vấn đề ổn định của HTĐ, trong đó đi sâu nghiên cứu
ổn định góc rôto, tiếp cận theo hướng ổn định các nhiễu nhỏ. Chương II xây dựng mô
hình toán học của trạm phát điện trong HTĐ. Chương III phân tích cấu trúc điển hình
của PSS, xây dựng mô hình toán tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc của HTĐ
nghiên cứu. Các kết quả mô phỏng ổn định góc rôto với PSS theo chuẩn IEEE 421.5-
2005 được trình bày trong chương IV của luận văn.
4
 + !2#345#672#8#9
+:59;9<#3=;#

3>?

,-
?
@?
Hình 1.1 minh họa các phần tử cơ bản của một HTĐ hiện đại. Điện năng được
tạo ra ở trạm phát điện và được truyền tải đến hộ tiêu thụ thông qua mạng lưới điện
phức tạp bao gồm các đường dây truyền tải, các MBA, các thiết bị đóng cắt…Ta có
thể phân mạng lưới điện thành các hệ thống như sau:
- Hệ thống truyền tải
- Hệ thống truyền tải trung gian
- Hệ thống phân phối
6/10/22kv
0,4 kV
220kV
220kV
500kV
500kV
15,75kV
500kV
220kV
GS
500kV
220kV
220kV
380/220V
110kV
110kV
GS
HÖ thèng

truyÒn t¶i
220Kv
Phô t¶i c«ng
nghiÖp
§ êng d©y
truyÒn t¶i
trung gian
KÕt nèi víi
® êng d©y
bªn c¹nh
Tr¹m ph©n phèi
Tr¹m ph¸t ®iÖn
nhá
Phô t¶i c«ng
nghiÖp
§ êng d©y
truyÒn t¶i
trung gian
Tr¹m truyÒn t¶i
KÕt nèi víi HT§
bªn c¹nh
HÖ thèng
truyÒn t¶i
500 Kv
§ êng d©y
trung ¸p
Phô t¶i th ¬ng
m¹i
Phô t¶i sinh
ho¹t

Hình 1.1. Các phần tử cơ bản của một HTĐ
5
%A?@?
#?B0%A9
Chức năng của một HTĐ là biến đổi năng lượng từ một dạng tự nhiên sang dạng
điện và truyền tải đến các điểm tiêu thụ. Sự tiện lợi của năng lượng điện là dễ truyền
tải và điều khiển với hiệu suất và độ tin cậy cao. Trong quá trình vận hành HTĐ cần
đảm bảo các yêu cầu sau đây:
1. Hệ thống phải có khả năng đáp ứng một cách liên tục với sự thay đổi nhu cầu
tải CSTD và CSPK. Không giống như các dạng năng lượng khác, điện năng không thể
tích trữ với dung lượng lớn được. Bởi vậy, rất nhiều thiết bị và bộ điều khiển được sử
dụng để duy trì cân bằng công suất tiêu thụ và công suất phát.
2. Chất lượng điện năng phải đảm bảo các tiêu chuẩn sau đây:
- Tần số hệ thống không đổi
- Điện áp nút không đổi
§iÒu ®é kÕ
ho¹ch s¶n
xuÊt
TÇn sè
Trao ®æi
c«ng suÊt
C«ng suÊt
m¸y ph¸t
HÖ thèng ®iÒu khiÓn
m¸y ph¸t
§iÒu tèc vµ
®iÒu khiÓn
Khèi ®iÒu
khiÓn m¸y
kh¸c vµ

®iÒu khiÓn
liªn quan
HÖ thèng
kÝch tõ vµ
®iÒu khiÓn
Dßng ®iÖn
kÝch tõ
HÖ thèng
kÝch tõ vµ
®iÒu khiÓn
§iÖn ¸p
Tèc ®é
TÇn sè
Trao ®æi
c«ng suÊt
C«ng suÊt
m¸y ph¸t
§iÒu khiÓn ® êng d©y t¶i ®iÖn
6
Hỡnh 1.2. Cỏc thnh phn iu khin liờn quan trong mt trm phỏt in [11]
+,-%A9
Hỡnh 1.3 l s cu trỳc iu khin HT, phõn chia lm hai khi: cỏc b iu
khin lp t phớa nh mỏy in v cỏc b iu khin lp t phớa ng dõy truyn ti
in:
Các bộ điều khiển HTĐ
Phía truyền tải điện
Phía nhà máy điện
FACTS
(nhanh)
Bộ điều khiển cơ khí

(chậm)
Turbine Điều khiển tần số tải
(LFC) (chậm)
Kích từ AVR
(nhanh)
Hỡnh 1.3. Cu trỳc iu khin HT
1.2.2.1. iu khin in ỏp
iu khin in ỏp ngi ta thc hin iu khin vic sn xut, tiờu th
CSPK tt c cỏc cp trong HT. Cỏc mỏy phỏt l phng tin c bn iu khin
in ỏp, trong ú vic iu khin dũng in kớch t thụng qua AVR s duy trỡ c
in ỏp u cc cỏc mỏy phỏt in.
a) Mụ hỡnh AVR cho cỏc h kớch t xoay chiu
b. Mụ hỡnh b AVR cho cỏc h kớch t mt chiu
c) Mụ hỡnh b AVR cho cỏc h kớch t tnh
1.2.2.2. iu khin tn s
Quỏ trỡnh iu khin tn s gn lin vi iu khin tc ca mỏy phỏt in
ng b. Tn s ca h thng c m bo da trờn s cõn bng CSTD. Trong h
thng cú nhiu t mỏy, nhiu nh mỏy in nờn cn cú s phõn phi cụng sut gia
cỏc t mỏy vi nhau. B iu chnh tc turbine (governor) ca mi mỏy phỏt lm
chc nng iu chnh tc s cp, trong khi b iu khin th cp lm nhim v
phõn phi cụng sut (AGC) [10].
7
1.3. Ổn định góc tải (góc rotor)
. Góc tải CD,EE,F
Ổn định góc rôto khả năng của các MPĐ đồng bộ trong một HTĐ liên kết vẫn
còn giữ được sự đồng bộ hóa sau khi trải qua các kích động có thể xảy ra trong HTĐ.
Nó liên quan đến khả năng duy trì/phục hồi sự cân bằng giữa mô men điện từ và mô
men cơ khi của mỗi máy phát điện đồng bộ trong HTĐ. Sự mất ổn định có thể xảy ra
khi có sự tăng lên của góc rôto của một số MPĐ dẫn đến sự mất đồng bộ hóa so với
các MPĐ khác trong HTĐ. Ổn định góc có thể được phân loại thành 2 loại: ổn định

góc với nhiễu loạn nhỏ (small - signal stability), và ổn định góc khi quá độ (transient
stability) [12].
Góc tải (góc rotor) δ là góc giữa vector sức điện động bên trong
~
g
E
do từ thông
dòng điện kích từ sinh ra với vector điện áp trên thanh cái đầu cực
~
t
t
V
V
θ
= ∠
Xét một HTĐ đơn giản cho trên hình 1.9a. Hình 1.9b là sơ đồ thay thế lý tưởng
(đã bỏ qua điện trở và điện dẫn các phần tử) để xác định mối quan hệ giữa công suất
với góc. Hình 1.9c biểu diễn đồ thị vector pha giữa máy phát và hệ thống. Ở chế độ
xác lập công suất đầu ra của máy phát cho bởi Hình 1.9d
V
t
E
g
δ
IX
e
c) Sơ đồ vector
V
S
IX

g
δ
P
P
max
d) Đặc tính công suất - góc
G
X
e
Đường dây
X
g
HT
g
E
%
a) Sơ đồ HTĐ
b) Sơ đồ thay thế lý tưởng
I
t t
V V
θ
= ∠
%
0
S S
V V= ∠
%
90
0

180
0
δ
0
P
m
I
a
Điểm làm việc
8
Hình 1.4. Đặc tính công suất của máy phát
1.3.2. Nguyên nhân gây ra dao động góc tải
Khi có tải yêu cầu đến một trạm có nhiều tổ máy, bộ phận phân phối công suất
(AGC) sẽ làm nhiệm vụ phân công suất cho các tổ máy để hướng tới sự cân bằng. Tuy
nhiên do động học của mỗi máy phát là khác nhau, gây nên các luồng công suất trao
đổi trong nội bộ trạm phát, hoặc giữa máy phát với hệ thống qua đường truyền. Những
tác động xen kênh này khiến cho rotor máy phát dao động xung quanh điểm làm việc.
Một nguồn khác gây nên dao động góc tải là việc sử dụng các bộ kích từ đáp ứng
nhanh với AVR hệ số khuếch đại lớn có tác dụng cải thiện giới hạn ổn định tĩnh và ổn
định động, nhưng lại làm giảm thành phần mô men damping, gây bất lợi với ổn định
tín hiệu nhỏ
- Tác hại của dao động:
Khi góc tải dao động khiến tốc độ rotor không còn là tốc độ đồng bộ nữa, góc tải
có thể vượt quá 90
0
điện (hình 1.9d), làm cho hoạt động máy phát bị mất đồng bộ,
trong trường hợp không được khống chế kịp thời, nó rất có thể bị cộng hưởng với
những dao động khác gây nên mất đồng bộ nghiêm trọng giữa các máy phát và lưới
điện thậm chí gây tan rã HTĐ. Hình 1.10 là sơ đồ tổng quát phân loại ổn định HTĐ
[12]. Đường nét đậm chỉ hướng nghiên cứu của đề tài.

æn ®Þnh hÖ thèng ®iÖn
æn ®Þnh gãc t¶i
æn ®Þnh tÇn sè
æn ®Þnh ®iÖn ¸p
æn ®Þnh tÝn hiÖu nhá
( nhiÔu nhá)
æn ®Þnh qu¸ ®é
(nhiÔu lín)
Hình 1.5. Phân loại ổn định HTĐ
2G"?H
Ổn định tín hiệu nhỏ được định nghĩa như khẳ năng của HTĐ để duy trì ổn định
khi có sự xuất hiện của các tác động nhỏ. Những tác động nhỏ này có thể thay đổi rất
ít về phụ tải hay máy phát trong hệ thống. Nếu mô men hãm không đủ, kết quả có thể
làm cho dao động góc rotor thay đổi với biên độ lớn hơn. Các máy phát trong mạng sử
9
dụng các bộ điều khiển điện áp tự động khuếch đại lớn có thể tạo nên việc thiếu hãm
đối với các dao động hệ thống.
Lý thuyết ổn định tín hiệu nhỏ được dùng để nhận dạng và phân tích các dao
động cơ điện (dao động tần số thấp) trong HTĐ. Các dao động này làm cho góc rotor
của máy phát tăng lên hoặc giảm đi so với điểm làm việc và là nguyên nhân của sự
thiếu mô men đồng bộ hoặc mô men damping. Dao động tần số thấp gồm có các dạng
sau đây [10]
Các dao động cục bộ: Những dao động này thường liên quan đến một hoặc
nhiều máy phát đồng bộ quay với nhau tại một nhà máy điện so với một HTĐ lớn hay
trung tâm phụ tải. Tần số dao động trong khoảng 0,7–2Hz. Những dao động này gây
phiền toái khi nhà máy ở tải cao với hệ thống ường truyền có điện kháng lớn.
Các 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 phần khác của HTĐ thông qua đường
truyền yếu. Tần số các dao động liên khu vực thường nhỏ hơn 0,5 Hz.

Các dao động toàn cầu: Những dao động này liên quan đến nhiều HTĐ lớn kết
nối với nhau trên diện rộng. Tần số dao động nhỏ hơn 0,2Hz
IJKLG9MNN
PSS là một thiết bị tăng momen 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 [10], [2].
e s c
T K K
δ ω
∆ = ∆ + ∆
Tại đó sự hãm mô men điện được phân tích thành các thành phần đồng bộ và
hãm:
K
s
- hệ số đồng bộ
K
d
- hệ số hãm
δ
∆
- sai lệch góc rôto
Từ phương trình có thể nhận thấy rằng với giá trị dương của T
s
, thành phần của
mômen đồng bộ thay đổi tỉ lệ nghịch với góc rôtor từ điểm cân bằng( ví dụ góc rôto
tăng lên sẽ kéo theo sự thay đổi về giảm mô men đồng bộ, làm cho thiết bị chậm
dần,cho tới khi góc rôto khôi phục điểm cân bằng,
δ
∆
=0).

Tương tự, với giá trị dương của T
c
các ộ phận của mômen hãm sẽ tỉ lệ nghịch với
góc rôtor so với điểm vận hành ổn định. Một máy phát sẽ duy trì sự ổn định miễn là có
10
đủ sự tác động của các mô men đồrng bộ và mô men hãm hoạt động trong các rôto
dưới mọi điều kiện vận hành.
Theo chuẩn IEEE 421.5–2005 [9], PSS chia ra: PSS1A đây là loại có một đầu
vào như sai lệch tốc độ
ω
∆
, sai lệch tần số
∆f
, công suất điện
e
P
; PSS đầu vào kép,
thường là sai lệch tốc độ
ω
∆
và công suất điện
e
P
(PSS2A, PSS2B, PSS3B và PSS4B).
sT
w
1+sT
w
T(s)
FILT (s)

Kh©u läc
Kh©u bï
lead - lag
Kh©u läc xo¾n
Kh©u giíi h¹n
Hình 1.6. Cấu trúc cơ bản của một PSS
*#$ !"%NN
1.5.1.1. Phương pháp tiếp cận mô men damping
1.5.1.2. Phương pháp tiếp cận đáp ứng tần số.
1.5.1.3. Phương pháp tiếp cận giá trị riêng và biến trạng thái
OP./ !
- Trong chương này đã trình bày tổng quan vấn đề điều khiển HTĐ như điều
khiển điện áp, điều khiển tần số.
– Phân tích nguyên nhân gây ra dao động, ổn định góc tải, ổn định các tín hiệu
nhỏ.
Từ đó đưa ra vấn đề sử dụng bộ ổn định HTĐ - PSS hoạt động thông qua AVR
để dập các dao động góc rotor của máy phát điện.
– Phân tích các vấn đề nghiên cứu về PSS, bao gồm các phương pháp tiếp cận
mô men damping, đáp ứng tần số hay giá trị riêng và ma trận trạng thái.
11
12
+ !QRSTU#3V9W#9XY#9Z++:5
[\9Y=;#[X#39;9<#3=;#
]^B"_"?`aK

Trôc pha b
Trôc pha c
Trôc d
Trôc pha a
Trôc q

a
c
b
1q
1q
1d
fd
S
N
Hình 2.7. Sơ đồ máy điện đồng bộ hai cực từ
]^B"_"?%A
Với máy phát điện đồng bộ để mô phỏng được chúng ta phải mô hình hóa, quá
trình đó có thể bỏ qua những đại lượng nhỏ. Trong mô hình máy phát điện kinh điển
các điện trở nhỏ hơn rất nhiều so với điện kháng nên bị bỏ qua, mô hình hệ thống như
trên hình 2.3
E E
δ
S
E
t
I
t
X
d
X
E
0
Hình 2.8. Mô hình hệ thống máy phát điện kinh điển nối lưới
/
E

là điện áp phía trước điện kháng X
/
d
. Giả thiết cường độ
/
E
là không đổi, về
trị số góc δ là góc lệch pha giữa
/
E
r
và
s
E
r
(điện áp thanh cái). Khi góc δ thay đổi thì
sẽ làm cho rôto dao động.
13
]^%b0aKc?"
- Kích từ một chiều độc lập

i
in1
r
f1
L
f1
K
s1

L
s1
r
s
v
fd
e
in2
ω
1
φ
s1
+
+
+
PhÇn øng
Hình 2.9. Sơ đồ mạch máy kích từ một chiều độc lập
- Kích từ một chiều tự kích thích

L
f1
+
+
+
K
s1
ω
1
φ
s1

r
f1
L
s1
r
s1
v
fd
e
in2
Hình 2.10. Sơ đồ mạch máy kích từ một chiều tự kích thích
2.4. Mô hình turbine và bộ điều chỉnh tốc độ
2.4.1. Mô hình turbine
2.4.2. Mô hình bộ điều tốc
2.5. Mô hình của hệ máy phát kết nối với HTĐ
2.5.1. Phương trình ràng buộc điện áp trong hệ đơn vị tương đối
2.5.2. Mô hình multi–time–scale của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc
8)
14
2.5.3. Mô hình bỏ qua quá độ stator của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình
bậc 6)
2.5.4. Mô hình two-axis của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 4)

**]^deMfg_?B"_"%@0> 9CB]
^a/F

I
d
E
g

jX
+
+
+jI
q
( )e
j(
δ
-
Π
/2)
jX'
d
R
s
R
e
e
V
s
e
j
Φ
es
V
d
+jV
q
(
)e

j(
δ
-
Π
/2)
+
Hình 2.11. Mô hình động học flux-decay của máy phát điện [15]
*O]BgfB
Trong các phương trình ở trên đều xét đến một thành phần mô men ma sát khe
hở không khí T
FW
. Có chiều ngược với chiều quay rotor, thành phần mô men này có
dạng.
FW FW
T K
ω
=

Trong một số tài liệu [13], thành phần này được tính đến trong mô men damping
( )
0D D
T K
ω ω
= −

Mô men damping có thể dương hoặc âm tuỳ vào tốc độ máy phát
OP./ !
Trong chương này ta đã xây dựng được mô hình toán học tổng quát của máy phát
điện đồng bộ, mô hình kích từ và AVR, turbine và điều tốc.
Mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ trong nghiên cứu ổn định là khá

phức tạp từ bậc 8, bậc 6, bậc 4, bậc 3 việc chọn mô hình nào là còn tùy thuộc vào
chủng loại máy phát, quan điểm trong vấn đề phân tích ổn định. Vì chế độ HTĐ mà ta
đang xét là chế độ bình thường nên tất cả các thông số đều gần định mức, ta cũng chỉ
xét đến ảnh hưởng của các nhiễu nhỏ. Do đó ta sẽ sử dụng mô hình toán học tổng quát
trong nghiên cứu là mô hình bậc 3.

15
+ !9R#h+9+i[j++:5NN
Qk_flB]^?H?B"_"%@
0>9
Trong nghiên cứu này ta khảo sát sơ đồ nguyên lý của một máy phát điện đơn nối
với thanh cái hệ thống công suất vô cùng lớn như hình 3.1, trong sơ đồ không cần biểu
diễn bộ phận điều tốc vì đáp ứng của nó tương đối chậm so với đáp ứng của HTKT.
Mô hình toán học tổng quát xem xét là mô hình flux–decay như đã trình bày trong
mục 2.5.5. Khi phân tích, điện trở đường dây R
e
và điện trở stator R
s
bằng không;
không có tải trên thanh cái, góc pha đầu của điện áp trên thanh cái θ
vs
= 0.
Turbine
AVR
jX
e
Σ
PSS
+
V

ref
V
PSS
V
t
∆ω
P
e
V
t
0
R
e
V
s
θ
vs
T
M
E
fd
V
R
KÝch tõ
Hình 3.12. Sơ đồ khối điều chỉnh kích từ máy phát nối lưới
+
+
∆
V
ref

∆
V
t
Σ
K
A
1+sT
A
1
K + sT
E
E
sK
F
1+sT
F
∆
V
F
∆
V
R
∆
E
fd
Hình 3.13. Mô hình HTKT IEEE loại 1 với tín hiệu nhỏ

+
V
t

Σ
V
ref
K
A
1+sT
A
E
E
fd
KÝch tõ & AVR
fd max
E
fd min
16
Hình 3.14. HTKT thyristor ST1A với AVR.
k' mNN@0>LG?H
Ổn định tín hiệu nhỏ là khả năng các máy phát đồng bộ duy trì tính đồng bộ với
nhau sau khi chịu các nhiễu loạn nhỏ. Vấn đề này dựa trên khả năng duy trì điểm cân
bằng giữa mô men điện từ và mô men cơ của mỗi máy phát nối với HTĐ. Sự thay đổi
mô men điện từ của mỗi máy phát đồng bộ trong giai đoạn có sự thay đổi nhỏ xung
quanh điểm làm việc có thể chia ra làm hai thành phần:
e S D
T K K
δ ω
∆ = ∆ + ∆

trong đó:
S
K

δ
∆
là thành phần mô men thay đổi cùng pha với sai lệch góc rotor và được coi
như thành phần mô men đồng bộ,
S
K
là hệ số mô men đồng bộ. Thành phần mô men
này tăng sức hút giữa rotor và từ thông stator, làm giảm góc δ và hạn chế nguy cơ sự
cố.
D
K
ω
∆
là thành phần mô men thay đổi cùng pha với sai lệch tốc độ và được coi
như thành phần mô men damping,
D
K
là hệ số mô men damping. Thành phần mô men
này có được do trễ pha hay sớm pha của dòng kích từ.
Hình 3.5 là đáp ứng tự nhiên của hệ thống đối với các nhiễu nhỏ, đáp ứng này
phụ thuộc vào một số các yếu tố như điểm làm việc ban đầu, khả năng của hệ thống
truyền tải, loại điều khiển kích từ được sử dụng. Khi một máy phát kết nối với HTĐ
lớn, mà không có AVR (ví dụ điện áp kích từ là hằng số) sự mất ổn định là do thiếu
mô men đồng bộ. Theo lý thuyết ổn định để máy phát vận hành ổn định thì vector mô
men tổng
e
T∆
uur
phải nằm ở góc phần tư thứ nhất, hay nói cách khác cả ∆T
S

và ∆T
D
phải
dương.
∆δ
∆
T
S
∆
T
D
t
æn ®Þnh
d ¬ng
d ¬ng
∆ω
∆
T
D
∆
T
e
∆
T
S
∆δ
17
∆δ
∆
T

S
∆
T
D
t
æn ®Þnh
d ¬ng
d ¬ng
∆ω
∆
T
S
∆δ
∆
T
D
∆
T
e
Hình 3.15. Đáp ứng tự nhiên của góc tải δ với các nhiễu nhỏ
Hình 3.6 là sơ đồ vector các thành phần mô men khi không xét đến AVR và khi
xét đến AVR nhanh (T
A
nhỏ), mạnh (K
A
lớn) [10], vector mô men AVR có xu hướng
gần với - 90
0
hơn, vì tần số dao động điển hình là khoảng 0,1 – 2Hz, nằm trong vùng -
90

0
đến - 20
0
. Bởi vậy, ta thường biểu diễn nó xung quanh - 80
0
[3], [14]. Theo phân
tích ở trên, trường hợp này máy phát bị mất ổn định.

∆ω
∆δ
∆
T
D
∆
T
1
∆
T
S
∆
T
+
∆
T
S
S(AVR)
∆
T
S(AVR)
∆

T
+
∆
T
S
S(AVR)
∆
T
exc
∆
T
D(AVR)
Vector m« men cña AVR
Vector m« men tæng víi AVR
Vector m« men khi ch a kÓ
®Õn AVR
Hình 3.16. Sơ đồ khối đã tuyến tính hệ máy phát nối lưới với kích từ, AVR và PSS
Hình 3.8 là đồ thị vector các thành phần mô men khi có PSS. Sơ đồ thể hiện nếu
bù góc pha hợp lý có thể nâng hệ số mô men damping tổng của hệ thống này lên. Hay
nói cách khác trong trường hợp này PSS đã điều khiển góc pha của sức điện động cảm
ứng bên trong máy phát phù hợp với ∆ω có xét đến sự trễ pha của HTKT. Từ phát
hiện này, nếu trong quá trình hệ thống làm việc mà vẫn đảm bảo cho vector mô men
tổng luôn nằm ở góc phần tư thứ nhất thì hệ thống sẽ giữ được ổn định.
18
∆ω
∆δ
∆
T
D
∆

T
1
∆
T
S
∆
T
+
∆
T
S
S(AVR)
∆
T
S(AVR)
∆
T
+
∆
T
S
S(AVR)
∆
T
exc
∆
T
D(AVR)
∆
T

D(PSS)
∆
T
D(PSS)
∆
T
+
∆
T
+
∆
T
D
D(AVR)
D(PSS)
∆
T
+
∆
T +
∆
T
S(AVR)
S
S(PSS)
Vector m« men cña AVR
Vector m« men tæng víi AVR
Vector m« men khi ch a kÓ
®Õn AVR
Vector m« men tæng víi AVR vµ

PSS
Vector m«
men cña
PSS
Hình 3.17. Đồ thị vector các thành phần mô men với AVR & PSS
k,-"NN
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 [9] chúng có thể chia ra như sau: PSS đầu vào đơn và
PSS đầu vào kép.
NNn0E!MNN5
1
1+sT
6
1+sT
w
sT
w
K
PSS
1
1+A s+A s
1 2
2
1+sT
2
1+sT
1
1+sT
2

1+sT
1
V
S
V
PSSmax
V
PSSmin
V
PSS
∆ω
P
e
∆
f
Kh©u läc th«ng cao
Kh©u läc xo¾n
Kh©u bï lead - lag
Hình 3.18. Sơ đồ khối của PSS1A – loại đầu vào đơn
3.3.2. PSS đầu vào kép
19
3.3.2.1. PSS2A
1+sT
w1
w1
sT
1+sT
w2
w2
sT

1+sT
1
Σ
K
s3
1+sT
w3
w3
sT
1+sT
w4
w4
sT
1+sT
s2
K
(1+sT )
9
(1+sT )
8
M
N
Σ
1+sT
2
K
S1
1+sT
1
1+sT

4
1+sT
3
V
PSSmax
V
PSSmin
V
PSS
∆ ω
e
P
+
+
+
6
7
Kh©u läc xo¾n
C¸c kh©u läc th«ng cao
C¸c kh©u läc th«ng cao
HÖ sè khÕch ®¹i vµ
v ît pha
Hình 3.19. Sơ đồ khối PSS2A (IEEE 421.5.1995)
3.3.2.2. PSS2B
1+sT
w1
w1
sT
1+sT
w2

w2
sT
1+sT
1
Σ
K
s3
1+sT
w3
w3
sT
1+sT
w4
w4
sT
1+sT
s2
K
(1+sT )
9
(1+sT )
8
M
N
Σ
1+sT
2
K
S1
1+sT

1
1+sT
4
1+sT
3
V
PSSmax
V
PSSmin
V
PSS
∆ω
e
P
+
+
+
6
7
1+sT
4
1+sT
3
1+sT
4
1+sT
3
C¸c kh©u läc th«ng cao
C¸c kh©u läc th«ng cao
Kh©u läc xo¾n

HÖ sè khÕch ®¹i vµ v ît pha
Hình 3.20. Sơ đồ khối của PSS2B
3.3.2.3. PSS3B
Hình 3.21. Sơ đồ khối của PSS3B
1
1
1 sT+
2
5 6
2
7 8
1
1
A s A s
A s A s
+ +
+ +
3
w3
1
sT
sT+
2
1 2
2
3 4
1
1
A s A s
A s A s

+ +
+ +
P
e
V
PSSmax
V
PSSmin
V
PSS
V
S
2
1
1 sT+
w2
2
w2
1
PSS
sT
K
sT+
Δω
Σ
o
o
w1
1
w1

1
PSS
sT
K
sT+
20
3.3.2.4. PSS4B
1+sT
L11
K +sT
∆ω
∆ω
L1
K
L2
K
I1
K
I2
K
L2
1+sT
L17
K +sT
L8
L1
L7
1+sT
I11
K +sT

I2
I1
1+sT
I17
K +sT
I8
I7
1+sT
H11
K +sT
H2
H1
1+sT
H17
K +sT
H8
H7
H1
K
H2
K
1+sT
1 +sT
I 4
I 3
1+sT
1 +sT
I 10
I 9
1+sT

1 +sT
H 4
H 3
1+sT
1 +sT
H 10
H 9
1+sT
1 +sT
L 10
L 9
1+sT
1 +sT
L 4
L 3
1+sT
1 +sT
L 6
L 5
1+sT
1 +sT
L 12
L 11
1+sT
1 +sT
I 6
I 5
1+sT
1 +sT
I 12

I 11
1+sT
1 +sT
H 6
H 5
1+sT
1 +sT
H 12
H 11
H
L-I
Σ
+
Κ
L
Σ
+
Κ
I
Σ
+
+
+
V
PSS max
V
PSS
V
PSS min
Σ

+
Κ
H
Hình 3.22. Sơ đồ khối của PSS4B (Multi-band PSS)
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
Ik"n,ENN5pJ
I?@K
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 và biến dòng điện. Ở những máy phát
này, tốc độ luôn được lấy từ một tín hiệu tần số bù.
1+sT
w1
w1
sT
1+sT
w2
w2
sT
Hình 3.23. Khâu lọc thông cao
21
I?]q?
1+sT
w3
w3
sT
1+sT
w4
w4

sT
1+sT
7
K
S2
1
Hình 3.24. Khâu lọc thông cao và tích phân đã rút gọn
Công suất điện đầu ra của máy phát nhận được từ điện áp thứ cấp biến áp đo
lường và các dòng điện thứ cấp biến dòng đo lường. Công suất này được lọc qua hai
khâu lọc thông cao để tạo ra tín hiệu sai lệch công suất cần thiết. Sau đó tín hiệu này
được tích phân và chia cho hằng số quán tính máy phát 2H để tạo ra tín hiệu tích phân
sai lệch công suất điện.
I?]q!
IIJr0.ls?LG
I*Pk>(?"nl
*P./ !
Chương này đã giải quyết được các vấn đề sau:
- Xây dựng được mô hình toán học tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc của
hệ máy phát kết nối với HTĐ khi bị nhiễu loạn nhỏ tác động, sẽ dùng cho việc mô
phỏng PSS sau này.
– Trên đồ thị vector giải thích bản chất vật lý các thành phần mô men khi chưa có
AVR và khi có AVR. Kết quả phân tích cho thấy nhược điểm của việc sử dụng AVR
độ nhạy cao do tạo nên thành phần mô men damping tăng theo chiều âm, khiến hoạt
động của máy phát không ổn định. Bằng việc bổ sung thêm một thành phần vector mô
men cùng pha với sai lệch tốc độ Δω sẽ khắc phục được nhược điểm của AVR. Thành
phần vector này chính là của PSS tạo nên.
– Giới thiệu các cấu trúc của PSS theo chuẩn IEEE 421.5.2005, phân tích các
thành phần trong cấu trúc của PSS2A/2B, đó là tín hiệu tốc độ, tín hiệu công suất điện,
tín hiệu công suất cơ, mạch bù pha, khâu giới hạn điện áp đầu cực. Từ đó chọn ra
PSS1A và PSS2A sẽ là hai loại PSS dùng trong nghiên cứu này.

22
+ !IY#93=Y9=;4t+:5NN<=6u=
2#8#93v+t=
InBBB]H.apNB.%
Matlab là phần mềm phục vụ thiết kế mô phỏng quen thuộc đối với kỹ sư điều
khiển. Phần mềm cung cấp môi trường cần thiết cho mô phỏng hệ thống bao gồm tập
hợp các công cụ tính toán, đồ hoạ 2D, 3D. Đây cũng là phần mềm có thể lập trình
được, đặc điểm này làm cho môi truờng Matlab ngày càng trở lên phong phú.
Simulink là phần mềm hoạt động trong môi trường Matlab, chuyên dùng cho
việc mô hình hoá, mô phỏng và phân tích hệ thống. Có thể sử dụng công cụ này cho
việc mô phỏng tuyến tính, phi tuyến trong miền liên tục hay gián đoạn.
Simulink là một toolboox làm việc tương thích trong matlab. toolboox này cung
cấp cho người sử dụng thư viện về điện tử công suất và hệ truyền động rất phong phú,
từ mô hình vật lý của đối tượng sau đó áp dụng thuật toán đã được xây dựng để điều
khiển mô hình này. Điều này cho phép việc mô hình hoá gần với thực tế.
IQk_flq!`B]H,E.apNB.%
I]q@"nw,EB]HCF
23

24
IP&'B]H
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
34.4036
34.4038
34.404
34.4042
34.4044
34.4046
34.4048
34.405

Thoi gian (s)
Goc tai (do)


Without PSS
PSS1A
PSS2A
Hình 4.25. Đáp ứng góc tải
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
x 10
-6
Thoi gian (s)
Sai lech toc do rotor (pu)


Without PSS
PSS1A
PSS2A
Hình 4.26. Đáp ứng sai lệch tốc độ
25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-2
-1.5

-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
x 10
-5
Thoi gian (s)
Sai lech CSTD cua may phat (pu)


Without PSS
PSS1A
PSS2A
Hình 4.27. Đáp ứng sai lệch CSTD
Hình 4.8 – 4.10 là kết quả mô phỏng với điện áp trên thanh cái hệ thống
1
s
V pu
=
; công suất
0,8 06S j pu= +
&
; trở kháng đường dây
0; 0,1
e e
R X pu= =
. Thời

gian quan sát (0–10s), tại thời điểm 1s xuất hiện dao động. Ta thấy, khi không sử dụng
PSS, góc tải, tốc độ, CSTD đầu ra máy phát dao động nhiều (trong khoảng thời gian
quan sát còn chưa ổn định). Trường hợp sử dụng PSS1A thì góc tải dao động nhỏ xung
quanh điểm làm việc, nhưng sau khoảng 4s góc tải đã trở về điểm làm việc ban đầu
(góc 34,4
0
); tốc độ rôto ổn định rất nhanh, điện áp trên thanh cái và CSTD máy phát có
sự xáo trộn chút ít nhưng cũng nhanh chóng trở về giá trị ban đầu.
Hiệu quả ổn định HTĐ xung quanh điểm làm việc còn được cải thiện hơn nữa
nếu ta dùng PSS2A. Hình 4.8 cho thấy, khi dùng PSS2A góc tải tăng cao nhất khoảng
34,4049
0
chỉ sau 2,5s góc tải ổn định ở 34,4043
0
trong khi dùng PSS1A thì phải sau 4s
góc tải mới ổn định. Chất lượng ổn định tốc độ rôto và CSTD máy phát cũng tốt hơn
so với khi dùng PSS1A.
4.3. Thí nghiệm trên Card R&D DS1104 thời gian thực
I3>?0+,f%iển[xTDS1104 của hãng dSPACE [7], [8]
Card R&D DS1104 là một thiết bị điều khiển số hiện đại được sử dụng trong
nhiều lĩnh vực: điều khiển động cơ, điều khiển robot, các thực nghiệm về máy bay, ô
tô,… Card R&D DS1104 cho phép rút ngắn quá trình thực nghiệm nhờ sự kết nối trực