Áp dụng thiết bị bù SVC để giảm thiểu tác động của sự cố cộng hưởng cơ điện SSR trong hệ thống điện

MỤC LỤC



MỤC LỤC ............................................................................................. 1 
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................. 4 
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................ 5 
DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................... 6 
MỞ ĐẦU ............................................................................................... 8 
CHƯƠNG 1: HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ VÀ
MÔ HÌNH HÓA HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ ......... 10 
1.1. Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ.......................................... 10 
1.1.1.Tụ bù dọc trong hệ thống điện .................................................... 10 
1.1.2 Hiện tượng cộng hưởng .............................................................. 13 
1.1.3 Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ........................................ 14 
1.1.4 SSR trong các nhà máy điện ....................................................... 17 
1.1.5 Kết luận ....................................................................................... 18 
1.2. Mô hình hóa hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ ..................... 18 
1.2.1 Mô hình máy điện quay .............................................................. 20 
1.2.2 Mô hình mạng. ............................................................................ 23 
1.2.3 Kết hợp mô hình máy điện và mô hình lưới điện. ...................... 24 
1.2.4 Mô hình trục máy phát điện. ....................................................... 25 
1.2.5 Kết luận. ...................................................................................... 30 

1


CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ SVC VÀ ỨNG DỤNG SVC TRONG GIẢM
THIỂU TÁC ĐỘNG CỦA SSR ĐẾN TRỤC TUABIN ................................ 32 
2.1 Thiết bị bù SVC ............................................................................. 32 
2.1.1 Giới thiệu thiết bị bù SVC .......................................................... 32 

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động SVC........................................ 32
2.1.2.1 Bộ thyristor mắc song song ngược …………………………………….32
2.1.2.2 Kháng điều chỉnh bằng Thyristor……………………………………….32
2.1.2.3 Kháng đóng mở bằng Thyristor …..…………………………………….32
2.1.2.4 Bộ tụ đóng mở bằng Thyristor ………………………………………….32
2.1.2.5 Đặc tính điều chỉnh của SVC …….…………………………………….32

2.1.3 Tác dụng của SVC trong hệ thống điện ……………………….. 35
2.2 Ứng dụng SVC để giảm thiểu tác động của SSR .......................... 36 
2.3. Sử dụng phần mềm Matlab& Simulink để mô phỏng SSR .......... 38 
2.3.1 Phần mềm Matlab ....................................................................... 38 
2.3.2 Công cụ Simulink ....................................................................... 39 
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VIỆC ÁP DỤNG THIẾT BỊ BÙ SVC ĐỂ
GIẢM THIỂU TÁC ĐỘNG CỦA SSR ĐẾN CÁC TRỤC TUABIN ........... 40 
3.1. Sử dụng phương pháp mô phỏng để nghiên cứu hiện tượng SSR 40 
3.2. Mô hình nghiên cứu việc áp dụng SVC để giảm thiểu hiện tượng
SSR trong Matlap/Simulink ............................................................................ 40 
3.3. Mô hình các phần tử của hệ thống mô phỏng............................... 42 
3.3.1 Mô hình máy phát điện xoay chiều ............................................ 42 
3.3.2 Mô hình máy biến áp .................................................................. 43 
3.3.3 Mô hình đường dây truyền tải .................................................... 45 
2


3.3.4 Mô hình hệ thống điện (nguồn công suất vô cùng lớn) .............. 46 
3.3.5 Mô hình tụ bù dọc ....................................................................... 46 
3.3.6 Mô hình tuabin hơi ..................................................................... 47 
3.3.7 Thiết bị SVC ............................................................................... 49 
3.4 Mô phỏng trong Matlap/Simulink ................................................. 49 
3.4.1 Trường hợp 1: Khi không có tụ bù trên đường dây (XC /XL=0%) 51

3.4.2 Trường hợp 2: Khi có tụ bù trên đường dây và tỉ lệ XC /XL=30% 51 
3.4.3 Trường hợp 3: Khi có tụ bù trên đường dây và tỉ lệ XC /XL =55% 51
3.4.4 Áp dụng thiết bị bù SVC để giảm thiểu hiện tượng SSR ........... 52
3.4.4.1 Khi chưa đưa thiết bị SVC vào hệ thống( tỉ lệ XC /XL=55%) .. 52
3.4.4.2 Trường hợp 2: Khi đưa thiết bị bù SVC vào hệ thống (tỉ lệ
XC /XL=55%) ................................................................................................... 52
KẾT LUẬN CHUNG .......................................................................... 54 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 55 

3


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, những vấn đề được trình bày trong luận văn này là những
nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của tác giả
trong và ngoài nước đã được xuất bản.
Số liệu đưa ra trong luận văn dựa trên kết quả tính toán trung thực của tôi,
không sao chép của ai hay số liệu đã được công bố.
Nếu sai với lời cam đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả

Nguyễn Đức Hùng

4


LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giảng viên tại Viện Điện,

đặc biệt là bộ môn Hệ thống điện đã giảng dạy tôi trong quá trình học cao học của
tôi tại Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi muốn mở rộng lòng biết ơn đến Tiến sĩ Lê Đức Tùng, thầy hướng dẫn
của tôi, người đã giúp tôi cho các nghiên cứu luận văn tốt nghiệp bằng những lời
khuyên có giá trị và sự nhiệt tình chỉ bảo của thầy.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất của tôi đến gia đình, bạn bè
và đồng nghiệp của tôi đã hỗ trợ và khuyến khích tôi trong quá trình nghiên cứu
luận văn tốt nghiệp.
Do thời gian có hạn, chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót.
Tác giả kính mong các thầy cô chỉ bảo, mong các đồng nghiệp và bạn bè đóng góp
ý kiến để tác giả có thể hoàn thiện, tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài.
Hà Nội, ngày 30 tháng 09 năm 2015
Nguyễn Đức Hùng

5


DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Mô hình hệ thống điện đơn giản khi có tụ bù dọc ......................... 10 
Hình 1.2 Đặc tính P(δ) ứng với trường hợp không có tụ bù dọc (a) và có tụ
bù dọc (b) .................................................................................................................. 11 
Hình 1.3 Hệ thống tiêu biểu dùng để mô phỏng hiện tượng SSR ................ 19 
Hình 1.4 Mô hình máy điện đẳng trị trong hệ tọa độ quay vuông góc gắn với
roto ............................................................................................................................ 20 
Hình 1.5 Mô hình cơ học trục tuabin máy điện ............................................ 26 
Hình 2.1. Nguyên lý cấu tạo của SVC .......................................................... 32 
Hình2.2. Bộ thyristor mắc đối song song ..................................................... 33 
Hình 2.3. Cấu tạo TCR ................................................................................. 34 
Hình 2.4. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TSR..................................... 34 

Hình 2.5. Cấu tạo TSC .................................................................................. 34
Hình 2.6. dạng sóng dòng điện theo góc mở α ............................................. 34 
Hình 2.7 Đặc tính làm việc U-I của SVC. .................................................... 37 
Hình 2.8 Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp. .................... 37
Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển SVC …………………………… 37
Hình 3.1 Mô hình nghiên cứu. ...................................................................... 41 
Hình 3.2 Mô hình điều khiển SVC ............................................................... 41 
Hình 3.3 Thông số máy phát điện ................................................................. 43 
Hình 3.4 Thông số đầu vào máy biến áp ...................................................... 45 
Hình 3.5 Thông số của đường dây ................................................................ 46 
Hình 3.6 Thông số hệ tụ bù dọc .................................................................... 47 
Hình 3.7 Thông số tuabin hơi ....................................................................... 48 
Hình 3.8 Gia tốc trên các khối Tuabin và mômen xoắn khi không có tụ bù
dọc .............................................................................................................................49 
Hình 3.9 Gia tốc trên các khối Tuabin và mômen xoắn khi tỉ lệ XC /XL=30% ........ 50 
6


Hình 3.10 Gia tốc trên các khối Tuabin và mômen xoắn khi tỉ lệ XC
/XL=55% .................................................................................................................... 51 
Hình 3.11 Tốc độ quay của roto ................................................................... 52
Hình 3.12 Góc mở anpha và số lượng TSC ................................................. 52
Hình 3.13 Gia tốc trên các khối Tuabin và mômen xoắn khi có thiết bị bù
SVC ...........................................................................................................................53

7


MỞ ĐẦU

Các nhà máy điện thường nằm ở khoảng cách rất xa các thành phố lớn, các
khu công nghiệp, những phụ tải lớn. Để truyền tải năng lượng điện từ nơi sản xuất
đến nơi tiêu thụ, người ta thường phải xây dựng đường dây truyền tải điện cao áp.
Trên đường dây truyền tải điện thường có sử dụng các tụ bù dọc để tăng khả năng
truyền tải công suất tác dụng cũng như tăng độ dự trữ ổn định động.
Trước năm 1970, người ta nghĩ rằng các tụ bù dọc thì không có tác hại cho
hệ thống điện. Nhưng trong năm 1970-1971, sau hai sự cố nổi tiếng tại nhà máy
nhiệt điện ở miền Tây Hoa Kỳ [1], các nghiên cứu sau đó đã chỉ ra rằng các tụ điện
bù dọc có thể gây ra dao động cộng hưởng ở tần số tương đối thấp, từ 10 đến 40 Hz.
Nguyên nhân gây ra hai sự cố là do sự trùng hợp ngẫu nhiên của tổng tần số tự
nhiên phía lưới điện với tần số tự nhiên của bên phía cơ (roto, tuabin) với tần số
đồng bộ. Hiện tượng này được gọi là hiện tương cộng hưởng dưới đồng bộ SSR
(SubSynchronous Resonance). Nguyên nhân phá hỏng các trục tuabin trong nhà
máy điện Mohave được xác định là do hiện tượng này.
Hệ thống điện 500KV Việt Nam được đưa vào vận hành vào ngày
27/5/1994 đã mang lại hiệu quả rất lớn trong việc truyền tải và cung cấp điện. Hiện
nay lưới điện 500kV có chiều dài đường dây 500kV là 3466km và 10 trạm biến áp
với tổng công suất là 6150MVA. Trên các đoạn đường dây 500kV có khoảng cách
lớn đều lắp đặt tụ bù dọc ở hai đầu trạm biến áp với mức độ bù là 60%. Công suất
truyền tải trên đường dây 500kV luôn ở mức cao, như công suất trên đường dây
500kV Pleiku – Đà Nẵng khoảng 1500MW và trên đường dây 500kV Đà Nẵng –
Hà Tĩnh là 1200MW nên điện áp ở các thanh cái 500kV Đà Nẵng, Dốc Sỏi, Hà
Tĩnh thường ở mức thấp. Vì vậy trong chế độ vận hành này trạng thái làm việc của
tụ bù dọc 500kV ảnh hưởng nhiều đến ổn định điện áp của hệ thống điện.
Như vậy có thể thấy việc nghiên cứu và hiểu rõ bản chất của hiện tượng
SSR là cực kỳ cần thiết và quan trọng, góp phần đảm bảo an toàn, đảm bảo độ tin
8


cậy trong quá trình vận hành hệ thống điện. Có nhiều phương pháp để nghiên cứu

hiện tượng SSR trong hệ thống điện, như phương pháp xác định các giá trị riêng
(Eigenvalue analysis), phương pháp quét tần số (frequency scanning analysis) và
phương pháp mô phỏng theo miền thời gian (time domain simulation). Trong phạm
vi nghiên cứu của luận văn, tác giả tập trung vào các phần cụ thể sau:
• Nghiên cứu bản chất của hiện tượng SSR từ cơ sở lý thuyết: nguyên nhân
và quá trình xuất hiện.
• Nghiên cứu mô hình các phần tử trong hệ thống điện, phục vụ cho việc mô
phỏng hiện tượng SSR: Mô hình tuabin, máy phát, máy biến áp, đường dây…
• Sử dụng phương pháp mô phỏng để đánh giá việc áp dụng thiết bị bù SVC
để giảm thiểu tác động của sự cố cộng hưởng cơ điện SSR trong hệ thong điện:
Thực hiện mô phỏng mô hình của IEEE bằng phần mềm Matlab & Simulink. Phân
tích và đánh giá hiện tượng thông qua các kết quả mô phỏng. Nghiên cứu này được
thực hiện dựa vào nghiên cứu của tác giả ZHANG Zhi-qiang trong bài báo
“Analysis and Mitigation of SSR Based on SVC in Series Compensated System”.
Bài báo này giới thiệu nghiên cứu đánh giá giảm thiểu hiện tượng SSR bằng việc sử
dụng thiết bị bù SVC, và được mô phỏng trên phần mền PSCAD/EMTDC [2].
Luận văn bao gồm ba chương: Chương thứ nhất nhằm giới thiệu một bức
tranh toàn diện của hiện tượng SSR. Chương thứ hai trình bày về thiết bị bù SVC và
phần mền Matlap& Simulink. Chương thứ ba trình bày kết quả mô phỏng hệ thống
điển hình của IEEE bằng phần mềm mô phỏng Matlab & Simulink. Luận văn được
kết thúc bằng phần kết luận chung và kiến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo.

9


CHƯƠNG 1: HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ VÀ
MÔ HÌNH HÓA HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ

1.1. Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ
Trong phần này, tác giả trình bày những khái niệm cơ bản về hiện tượng

cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR), lý giải vì sao hiện tượng SSR có thể xuất hiện
trong hệ thống điện có các nhà máy nhiệt điện và có tụ bù dọc trên lưới truyền tải.
1.1.1.Tụ bù dọc trong hệ thống điện
Tụ bù dọc là thiết bị thường được lắp đặt trên các đường dây truyển tải điện
cao áp do nó mang lại nhiều lợi ích. Hình 1.1 trình bày mô hình hệ thống điện đơn
giản có tụ bù dọc trên đường dây.
xc

1

xL

U1

2

U2

Hình 1.1 Mô hình hệ thống điện đơn giản khi có tụ bù dọc
Công suất tác dụng truyền tải trên đường dây khi có tụ bù dọc:
P

U1U 2
sin 
X L  XC

(1.1)

Khi có tụ bù dọc mắc nối tiếp vào đường dây có dung kháng XC thì sẽ làm
tăng khả năng tải của đường dây do điện kháng của đường dây giảm xuống.

Khi có tụ bù dọc thì
Pgh  Pmax 

U1U 2
X L  XC

sẽ tăng lên do đó độ dự trữ ổn định tĩnh tăng lên.
Khảo sát các đường đặc tính công suất P(δ) như ở hình 1.2.

10

(1.2)


P

P

Pmax
Pmax

1

1

3
PT

3

a2

a2

PT
a1

a1

2

2

0

o c

max



0

(a)

o

c

max



(b)

Hình 1.2 Đặc tính P(δ) ứng với trường hợp không có tụ bù dọc (a) và có
tụ bù dọc (b)
Từ (1) nhận thấy rằng khi (XL – XC) giảm thì các đường đặc tính công suất
P(δ) khi xảy ra sự cố (2) và sau khi xảy ra sự cố (3) sẽ được nâng cao. Khi 2 đường
đặc tính này nâng cao thì diện tích tăng tốc A1 sẽ giảm xuống, còn diện tích hãm
tốc A2 sẽ tăng lên. Như vậy độ dự trữ ổn định động sẽ được tăng lên khi đường dây
có tụ bù dọc [3].
Tụ bù dọc còn có khả năng bù lại sự giảm áp do điện cảm nối tiếp trên
đường dây truyền tải gây ra. Khi tải nhỏ, tổn thất điện áp trên đường dây nhỏ và tại
thời điểm này điện áp bù nối tiếp do tụ bù dọc sinh ra cũng nhỏ (vì công suất phản
kháng do tụ bù dọc sinh ra tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện QC=3I2 XC). Khi
tải tăng cao tổn thất điện áp sẽ lớn hơn,công suất phản kháng do tụ bù dọc sinh ra sẽ
lớn hơn nênđiện áp thanh cái vẫn không bị sụt giảm mạnh.
Với các lợi ích trên, tụ bù dọc là một thiết bị quan trọng, thường phải lắp đặt
trên các đường dây truyền tải, đặc biệt là ở lưới điện có chiều dài đường dây lớn
như Việt Nam.

11


t bù dọc cũng
c
là ng
guyên nhânn chính gâyy nên hiệnn
Tuy nhiên, việệc lắp đặt tụ

tư
ượng cộng hưởng cơ điện trongg hệ thống điện, vì nó
n là tác nhhân sinh raa các dòngg
điiện có tần số
s khác tầnn số đồng bộ.
b Thực vậy,
v ta xét một
m mô hìnnh đường ddây truyềnn
tảải có đặt tụ bù dọc như
ư một mạcch RLC như
ư dưới đâyy:

t
phầnn điện cảm,, điện khánng, tổng trở
ở xác định như
n sau:
Các thành
XL = ω1L = 2πf1L

Xc 

1
1

ω1C 2 fC
f 1

v (t )  2V sin(ω1t   )

Z ( j ω 1 )  R  jω 1 L 

1
jω1C

Thônng qua biếnn đổi Laplaace ta có:

V ( s )  2V

s sin   ω1 cos
s 2  ω1 2

Z ( s )  R  sL 

1
sC

sV ( s)
sV ( s)
sV ( s)
V (s)
L
L
L
 2
I ( s) 


2
R
1

Z (s) s 2  s 
s  2 ω n s  ω n
( s  a)2  ω2 2
LC
L
Dòngg điện lúc này có 2 thành
t
phầnn: Thành phần
p
thứ nhất có tần số của hệệ
thhống điện và
v thành phần còn lạại phụ thuộộc vào thônng số của hệ
h thống. Thông
T
quaa
biiến đổi Laaplace ngượ
ợc, ta có biểu
b
thức dòng
d
điện cho mạch R-L-C nốối tiếp như
ư
saau:

i (t )  K  A sin(
s ω1t   1 )  Be  ω2t sin(ω 2t   2 ) 
ng đó:
Tron
12

(*))


K

2ω 2CV
V cos
2
2
[ω 2  ω1  4 2ω12ω 22 ]2

B  ω1

1  2a ω 2  a 2ω 22
1  2
d  1  2

A  ω 2 1  a 2 ω12

 1    taan 1 (

2 ω1ω 2
)
ω12  ω 22

adω 2
2  ω 22
2d
)  taan 1 (
)

1  a ω 2
2 ω 22  ω12  ω 22

 1  tan 1 (
Với::

1
ωn 
LC

R C

2 L

1 4 L  R 2C
.
ω2  ωn 1   
2L
L
C
2

Như vậy stator của máy phát
p
có mộột dòng điệện (*) chạyy trong các cuộn dây..
D
Dòng điện này
n sinh raa từ trường tác động llên rotor củủa máy phhát. Thành phần
p
dòng

g
điiện có tần số đồng bộộ (f1 là tầnn số của ngguồn điện áp)
á do cùnng tốc độ quay
q
với từ
ừ
trư
ường quay
y rotor nênn nó không có tác độnng lên roto
or và có thểể được xem
m như mộtt
dòòng điện một
m chiều (nhìn
(
từ ph
hía rotor). Tác động chủ yếu lêên rotor chhỉ là thànhh
phhần tần số f2 của dònng điện (*)). Thông qua
q biến đổ
ổi Park, từ trường tácc động lênn
rootor có thànnh phần co
os

/2, ta cóó:

với

Như vậy, tác độộng lên hệệ tuabin có hai loại tầần số: fsub=f
= 1-f2 đượcc gọi là tầnn
sốố dưới đồng
g bộ và fsupper=f1+f2 đư

ược gọi là qquá đồng bộ.
b
1..1.2 Hiện tượng
t
cộngg hưởng
Cộngg hưởng làà hiện tượ
ợng xảy ra trong dao động cưỡ
ỡng bức, khhi một vậtt
daao động đư
ược kích thhích bởi mộột ngoại lự
ực tuần hoààn có cùng
g tần số vớii dao độngg
riêng của nó
ó. Trong hệệ thống điệện có hai bộộ phận, đó là phần cơ
ơ và phần điện:
đ
13


Phần cơ: Trong các nhà máy nhiệt điện có các đoạn trục nối giữa các phần
tuabin và giữa tuabin với roto máy phát. Mỗi phần trục lại có một tần số dao động
riêng. Các tần số đó, được ký hiệu là fm, thường có giá trị từ 10 đến 40 Hz đối với
các nhà máy nhiệt điện, và nhỏ hơn 10 Hz với nhà máy thuỷ điện.
Phần điện: Đường dây được truyền tải có tụ bù dọc, đặc trưng bởi tần số
điện (Với lưới điện truyền tải thì giá trị R rất bé, nên fe có thể được coi như bằng
với giá trị f2):

fe  f s

e 

1

 L  Lts  C



Xc
X L  X ts

S

  L  L  C  
S

ts

S

(1.3)

 S

XC
X L  X ts

(1.4)

Trong đó:
fs: Tần số đồng bộ (Với hệ thống điện Việt Nam:

fs=50Hz,ωs=2πfs=100rad/s)
XC: Tổng trở điện dung tụ
XL: Tổng trở điện kháng
Xts: Tổng trở của biến áp và stator của máy phát điện
Tỷ lệ XC/XL, trong thực tế, nằm trong khoảng từ 50% đến 70%, do đó fe
cũng nằm trong khoảng từ 10 đến 40 Hz. Như vậy, hoàn toàn có thể xảy ra hiện
tượng cộng hưởng tại các các đoạn trục (phần cơ) do tác động của ngoại lực từ lưới
điện (phần điện) [1].
1.1.3 Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ
1.1.3.1 Định nghĩa.
Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) xảy ra trên một hệ thống điện
có lắp đặt các tụ bù dọc. Sau một tác động (ngắn mạch, đóng cắt tải…) vào hệ
thống, SSR xuất hiện bởi một sự trao đổi năng lượng giữa bên điện (tần số fe) và
bên cơ (tần số fm của các đoạn trục). SSR chỉ có thể xảy ra nếu:
14


fe = fs-fm hoặc fm = fs-fe

(1.5)

Có rất nhiều kiểu tương tác giữa hệ thống điện và hệ máy phát có thể dẫn tới
cộng hưởng dưới dồng bộ. Trong phạm vi luận văn, tác giả nghiên cứu dạng cộng
hưởng SSR phức tạp nhất, đó là mô men xoắn quá độ (Transient torques). Hiện
tượng này xuất phát từ các nhiễu loạn lớn của hệ thống. Nhiễu loạn hệ thống phát
sinh từ những thay đổi đột ngột trong hệ thống (ngắn mạch, đóng cắt phụ tải lớn),
kết quả những thay đổi này là dòng điện có xu hướng dao động ở các tần số tự
nhiên (khác tần số đồng bộ). Trong hệ thống truyền tải không có tụ bù dọc, hiện
tượng thường sẽ suy giảm về không với hằng số thời gian phụ thuộc vào tỷ số L/R.
Với mạng có tụ bù dọc, dòng quá độ sẽ thể hiện dưới dạng tương tự như công thức

(*), và sẽ bao gồm một hoặc nhiều tần số dao động phụ thuộc vào các thành phần C,
L và R của hệ thống. Nếu bất kỳ một tần số nào trong đó trùng khớp với một tần số
tự nhiên của trục tuabin- máy phát thì sẽ gây ra SSR với mô men xoắn cộng hưởng
lớn (tỷ lệ thuận với cường độ của dao động điện). Dòng điện từ sự cố ngắn mạch có
thể sinh ra SSR với mô men xoắn trục rất lớn ở cả lúc sự cố cũng như sự cố đã được
loại trừ.
1.1.3.2 Sự nguy hiểm của SSR.
Khi để xảy ra hiện tượng SSR sẽ gây rất nhiều hậu quả nghiêm trọng. Báo
cáo từ việc nghiên cứu hiện tượng SSR xảy ra ở nhà máy điện Mohave chỉ ra [1]:
• Thứ nhất, các thiết bị thông thường để kiểm soát và bảo vệ hệ thống có thể
không phát hiện cũng như không thể giảm thiểu hiện tượng này. Như tại nhà máy
điện Mohave, hệ thống điều khiển tự động đã không phát hiện được sự cố SSR.
• Thứ hai, các dao động do SSR rất mạnh nó gây tổn hại nghiêm trọng đến
các đoạn trục nối với tuabin máy phát điện. Các phần trục trong hệ thống cơ khí bị
gãy và các khớp nối cơ giữa các phần khác nhau của trục cũng bị hư hỏng nặng nề.
1.1.3.3 Thiệt hại kinh tế do sự cố SSR

15


Các ước tính về thiệt hại do SSR tại nhà máy điện Navajo cho thấy khi xảy
ra sự cố nhà máy sẽ bị tê liệt hoàn toàn, thiệt hại về kinh tế khoảng một tỷ đô la
trong vòng hai tháng. Ngoài ra, khi không có nhà máy điệncũng phải mất chi phí
hơn một triệu đô la một ngày để chạy máy phát điện. Thiệt hại về kinh tế là rất lớn
[1].
1.1.3.4 Nguyên nhân sự cố SSR.
Nghiên cứu dựa trên dữ liệu liên quan đến sự cố nhà máy điện Mohave. Các
thiết bị ghi lại dòng điện khi xảy ra sự cố được phân tích để xác định tần số điện fe.
Mặt khác, tần số fm của các trục đã được tính toán. Bằng cách so sánh giá trị thu
được tìm thấy một giá trị f*mthỏa mãn phương trình dạng (1.5): fs = fe+f*m, nên

người ta nghi nghờ có hiện tượng cộng hưởng xảy ra trên trục cơ ở tần số f *m.
Kiểm tra phần cơ được thực hiện trên một mẫu các trục bị hư hỏng. Mẫu
này đã bị xoắn căng tại tần số f *m. Sau một vài giây, một nhiệt lượng lớn được tạo
ra trong mẫu; nó đã được chỉ ra rằng dao động của SSR có khả năng gây tổn hại
nghiêm trọng đến các đoạn trục nối giữa các phần tuabin và nối giữa tuabin với máy
phát trong nhà máy điện [1].
1.1.3.5 SSR nhìn từ phía hệ máy phát điện
Lý thuyết về quá trình quá độ có thể cung cấp một lời giải thích rõ ràng hơn
nữa về quá trình SSR (cách nhìn từ phía máy phát). Từ trường sinh ra trên cuộn dây
stato được tính theo công thức dưới đây:

B f  Bmax Cos (  2 f st   r )

(1.6)

Trong đó:

r : Góc tương đối so với trục tạit=0.
Chúng ta giả thiết rằng có các dao động riêng trên trục của máy phát với tần
số riêng fm, r có thể được viết dưới dạng:

 
r

max

Cos (2 f t )
m

Dor rất bé,ta có thể coi:

16

(1.7)


S in  r   r , C o s  r  1

Do đó :

B f  Bmax .Cos (  2 f st ).Cos r  Sin(  2 f st ).Sin r 
 Bmax .Cos(  2 f st )  Sin(  2 f st ). r 
 Bmax .Cos (  2 f st )   max Sin(  2 f st ).Cos(2 f st ) 

 max


(


2

)

Cos
f
t
Sin   2 ( f s  f m )t 
s

2

 Bmax . 

   max Sin   2 ( f  f )t 

s
m
 2


(1.8)

Thành phần từ trường Bf có thành phần tần số (fs – fm), nó sẽ tạo ra điện áp
cùng tần số trên stato. Nếu tần số này có giá trị gần với tần số điện fe của hệ
thống(phương trình 1.3), sẽ gây ra hiện tượng cộng hưởng điện ở phía hệ thống
điện. Bên cạnh đó, thành phần dòng điện tần số fe cũng sinh ra từ trường cùng tần số
tác động đến roto và các đoạn trục tuabin. Hệ thống cơ nhận được năng lượng từ hệ
thống điện. Khi fm thỏa mãn phương trình 1.5, quá trình trao đổi năng lượng trở
thành hiện tượng cộng hưởng, người ta gọi là cộng hưởng ở tần số dưới đồng bộ,
viết tắt là SSR (SubSynchronous Resonance).
Khi quá trình cộng hưởng xảy ra, cộng thêm các giá trị giảm xóc cơ thấp, dẫn
đến hiện tượng khuếch đại đáng kể của mômen xoắn tác động lên trục tuabin. Khi
nó vượt quá giới hạn chịu đựng cơ học các đoạn trục sẽ bị phá hủy và hư hỏng.
Để nghiên cứu SSR, câu hỏi về sự ổn định hay không ổn định không phải là
một vấn đề lớn. Mối quan tâm chính là làm thế nào để biết giá trị lực tác động có
thể làm hỏng trục và giảm dần tuổi thọ của nó [1].
1.1.4 SSR trong các nhà máy điện
Trong phân tích đầu tiên, khi xét các giá trị của tỷ lệ bù thường sử dụng
trong thực tế, chúng ta có thể nhận thấy rằng khả năng xảy ra SSR ở nhà máy
thủy điện là rất thấp (so với các nhà máy nhiệt điện). Điều này có nghĩa rằng
điều kiện xảy ra SSR được xác định bởi phương trình (1.5) ít khi tồn tại với các

17


nhà máy thủy điện. Điều này có thể giải thích đơn giản rằng: Trong nhà máy
thủy điện chỉ có một tầng tuabin và do đó chỉ có một đoạn trục nối từ tuabin đến
máy phát, tần số tự nhiên của đoạn trục này cũng rất thấp (dưới 10Hz). Hiện
tượng SSR chỉ có thể xảy ra với tỷ lệ bù rất lớn, vượt quá giới hạn thực
tế(khoảng 90%).
Đối với các nhà máy nhiệt điện, do có nhiều tầng tuabin nên cũng có
nhiều các đoạn trục nối giữa các tầng tuabin với nhau và của tuabin với máy
phát. Các đoạn trục này có tần số tự nhiên thường nẳm trong khoảng từ 10Hz
đến 40Hz. Với tỷ lệ bù trong thực tế (từ 40% đến 70%), phương trình (1.5) rất dễ
thỏa mãn. Do đó hiện tượng SSR cũng thường gặp trong các nhà máy nhiệt điện
hơn so với thủy điện [1].
1.1.5 Kết luận
Từ các phân tích trên, chúng ta có thể thấy được vai trò tích cực của tụ bù
dọc đối với hệ thống điện. Tuy nhiên, việc lắp đặt tụ bù trong hệ thống điện có các
nhà máy nhiệt điện cũng có thể là nguyên nhân gây ra hiện tượng cộng hưởng SSR,
gây ra tác động tiêu cực đến hệ thống và nhà máy điệnnhiệt điện. Như vậy việc sử
dụng các tụ bù dọc là cần thiết, nhưng cũng cần các biện pháp để loại trừ hay giảm
thiểu sự cố SSR.
Để phục vụ cho việc nghiên cứu hiện tượng SSR, trong phần 2 của chương
này sẽ trình bày các phương trình toán học mô tả các phần tử trong hệ thống điện
(máy phát, máy biến áp, đường dây).
1.2. Mô hình hóa hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ
Các phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ của hệ thống điện có thể
được viết dưới dạng hệ phương trình trạng thái [3]-[6]:

d
X  f  X ,U 

dt
Với:
18

(1.9)


X
X:Véc
tơ cáác biến trạnng thái hệ thhống
U
U:Véc
tơ cáác biến hàm
m điều khiểển
g phương trrình như trrên có thể giải
g một cáách hiệu qu
uả bằng phư
ương pháp
p
Dạng
sốố thông quua công cụ máy tính hiện đại. Quá
Q trình giải
g hệ phư
ương trình trên đượcc
gọọi là quá trình mô phỏng
p
hệ thống; troong khi đóó việc thiết lập, xây dựng cácc
phhương trìnhh thành phhần được gọọi là mô hình hóa hệ thống.

Hình 1.3 Hệ thống tiêu biểu dùng

d
để mô
m phỏng hiện
h
tượngg SSR
Trongg chương này,
n
chúngg tôi trình bày mô hình của mộ
ột hệ thốngg điện điểnn
hìình sử dụng
g phương trình
t
(1.9) ở dạng phi tuyến. Mô
M hình này
y kết hợp các phươngg
trình động của
c máy phát
p
điện, mô
m men xooắn của cáác trục tuaabin và lướ
ới điện, đểể
phhân tích hệệ thống tronng điều kiệện có sự xuuất hiện củaa hiện tượn
ng SSR.
Hình 1.3 trình bày
b hệ thốnng được táác giả sử dụụng để mô hình hóa hhiện tượngg
SS
SR. Sơ đồ nghiên cứ
ứu bao gồm
m một máyy phát điệnn và đường
g dây truyềền tải có tụụ

bùù dọc; đườ
ờng dây nàyy kết nối máy
m phát điiện với một nguồn vôô cùng lớn-- đặc trưngg
chho hệ thống
g điện. Phầần cơ của hệ
h thống nàày là một đoạn
đ
trục gồm năm khhối.
19


p
trìnnh được th
hiết lập bằnng cách sử
ử dụng đơnn vị cơ bảnn cho tất cảả
Các phương
cáác đại lượnng, ngoại trrừ thời giaan T (tính bằng
b
giây),, các hằng số quán tíính H (tínhh
bằằng giây) và
v tốc độ đồng bộ ωs (rad/s) [3]--[6].
1..2.1 Mô hình máy điiện quay
uay được kế
k thừa từ
ừ mô hìnhh
Các phương trrình động mô tả mááy điện qu
G
Gorev-Park,, có tính đếến sáu cuộnn dây [3]-[5]:
• Haii cuộn dây đặc trưng cho cuộn dây stator và quay cù
ùng vận tốốc với roto,,

cuuộn dây dọọc trục (d), cuộn dây ngang
n
trục (q).
• Ba cuộn dây đại
đ diện chho các cuộnn cản, (kd) trên cuộn dây dọc trụục (d), cònn
lạại (kq1 và kq2) trên cuuộn dây ngaang trục vuuông góc (qq).
• Mộtt cuộn dâyy kích từ trêên cuộn dâyy dọc trục d (fd).
Các vị
v trí trong không giaan của các cuộn
c
dây được
đ
thể hiện trong hìình 1.4.

Hìình 1.4 Môô hình máy điện đẳn
ng trị tron
ng hệ tọa độ
đ quay vu
uông góc
gắn vớ
ới roto
20


1.2.1.1 Từ thông.
•Trên trục d:



  L d id  L

d

ad

i

fd

 L

ad

ikd



fd

  L

ad

id  L

fd

i

fd

 L

ad

ikd



kd

  L

ad

id  L

ad

i

fd

 L

kd

ikd

(1.10)

• Trên trục q:



q



kq1



kq 2

  L q iq  L a q ikd 1  L aq ikq 2
  L a q iq  L k q 1ik q 1  L a q ik q 2
  L aq iq  L aq ikq1  L kq 2 ikq 2

(1.11)

1.2.1.2 Điện áp trên cuộn dây.
• Trên trục d:

e d   R a id 
e

fd

0 



1 dd



 s dt
s q

1 d  fd
 R
 s dt

fd

i fd

(1.12)

1 d  kd
 R k d ik d
 s dt

• Trên trục q:
e q   R a iq 
0  R k q 1ik q 1 
0  R kq 2 ikq 2 

dq

1



dt

s

d  kq1

1



dt

s

d  kq 2

1





s

dt

Điện cảm giữa các cuộn dây

21



s d
(1.13)


L d  L ad  L a
L

fd

 L ad  L

f
f
fd

L kd  L ad  L kd

L q  L aq  L a

f

(1.14)

f

L kq1  L aq  L kq1 f
L kq 2  L aq  L kd2

f

Laf: Điện cảm cuộn dây kích từ trên pha a
Lfdf, Lkdf, Lkq1f, Lkq2f: Điện cảm cuộn dây kích từ hỗ cảm trên cuộn
fd,kd,kq1,kq2
Lad, Laq: Điện cảm cuộn dây dọc trục d,cuộn dây ngang trụcpha a
Ld, Lq: Điện cảm tổng cuộn dây dọc trục d,cuộn dây ngang trục q
Lfd, Lkd, Lkq1, Lkq2: Điện cảm tổng cuộn dây dọc trục fd, kd, kq1, kq2
Rfd, Rkd, Rkq1, Rkq2: Điện trở tổng cuộn dây dọc trục fd, kd, kq1, kq2
1.2.1.3 Mô hình máy điện quay.
Dòng id, iq, Ifd, Ikd, ikq1 và ikq2qua sáu cuộn dây là biến trạng thái thể hiện
quá trình biến đổi của máy điện. Vì vậy, các phương trình mô hình ban đầu sẽ
được chuyển đổi để đặt chúng dưới dạng phương trình (1.9). Các phương trình
thu được là:

 L 

d
 X syn    Z  .  X syn   Vsyn 
dt 

Với:

 X syn   [id iq i fd ikd ikq1 ikq 2 ]T

Rfd
Vsyn   [ed eq
efd 0 0 0]T
Lad

22

(1.15)


 Ld
 0

1   L ad
L    L
 s  ad
 0

 0
  Ra
  L
d

 0
Z    0

 0

 0

0
Lq

 Lad
0

 Lad
0

0
 Laq

0

L fd

Lad

0

0
 Laq

Lad
0

Lkd
0

0

Lkq 1

 Laq

0

0

Laq

 Lq

0

0

 Laq

 Ra
0

 Lad

 Lad

 R fd

0

0

0

0

0

 R kd

0

0
0

0
0

0
0

 R kq 1
0

0 
 Laq 

0 

0 
Laq 


Lkq 2 
 Laq 
0 

0 

0 
0 

 R kq 2 

- Mômen điện từ Te được viết dưới dạng:
Te=Lad.iq(ifd+ikd)-Laq.id(ikq1+ikq2)+id.iq(Lq-Ld)

(1.16)

1.2.2 Mô hình mạng.
Đường dây truyền tải trong hệ thống điện đặc trưng (hình 1.3) được mô hình
hóa (gần đúng) bởi một một mạch nối tiếp bao gồm điện trở (Re), điện kháng (Le) và
tụ bù C:
Re=RL+Rt

(1.17)

Le=LL+Lt

Quá trình quá độ trên đường dây truyền tải được mô tả bởi các phương trình
vi phân của dòng điện và điện áp như sau:

dVca ,b,c 1 a ,b,c

 L
dt
C
d  a ,b,c
Le L  VLa ,b,c  Re . aL,b,c
dt

23

(1.18)


Các phương trình trên được kết hợp với các phương trình máy điện (phương
trình 1.10) để mô phỏng quá trình quá độ diễn ra trong hệ thống (Hình 1.3). Ngoài
ra cũng lưu ý việc biến đổi các phương trình ba pha a, b, c sang phương trình theo
trục d, q (Hình 1.4).Để thực hiện công việc đó, chúng ta sử dụng phép biến đổi
Gorev-Park:

1 dVCd 1
 id  .VCq
 s dt
C
1 dVCq 1
 iq  .VCd
 s dt
C

Le did
  Re .id  Le ..iq  VLd
 s dt

(1.19)

Le diq
  Re .iq  Le ..id  VLq
 s dt
Với VL là điện áp hai đầu cực của mạch nối tiếp Re, Le
1.2.3 Kết hợp mô hình máy điện và mô hình lưới điện.
Sự kết hợp các phương trình máy phát và lưới điện trong chế độ quá độ có
thể cho chúng ta một hệ phương trình vi phân tức thì dưới dạng hệ phương trình
trạng thái (1.9). Biến đổi hệ phương trình (1.15 và 1.19) bằng cách thay thế Vld và
Vlqtheo biểu thức:
VLd=ed-VCd-Vinf.Sin5
VLq=eq-Vcq-Vinf.Cos5
Trong đó:

 là góc tải của trục máy phát điện.
Mô hình điện từ của tổ hợp máy phát và lưới điện có dạng như sau:

24

(1.20)


[ L' ]

d
[ X ' ]  [ Z ' ].[ X ' ]  [V ' ]
dt

(1.21)

với:
T
[ X ' ]  [ X syn
,VCd ,VCq ]T

[V ' ]  [Vinf Sin 5 ,Vinf Cos 5 ,
 Ld  Le
 0

  Lad

1   Lad
[ L' ] 
s  0

 0
 0

 0
  Ra  Re
  ( L  L )
d
e


0

0



0
[ Z ']  
0


1

C


1

C


R fd
Lad

e fd ,0,0,0,0,0]T

0

 Lad

 Lad

0

0

Lq  Le

0

0

 Laq

 Laq

0

L fd

Lad

0

0

0
 Laq

Lad
0

Lkd
0

0
Lkq1

0
Laq

 Laq

0

0

Laq

Lkq 2

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

 ( L q  Le )

0 0
0 0
0 0

0 0
0 0

0 0
1 0

0 1

 Ra  Re

0
 L ad

0
 L ad

  L aq

0

  L aq
0

1
0

0
0
0

 R fd
0
0

0
 R kd
0

0
0
 R kq 1

0
0
0

0
0

0

0

0

0

0

 R kq 2

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0



0
 1
0

0
0

0




0


1.2.4 Mô hình trục máy phát điện.
Trục máy phát nhiệt điện được coi là một hệ cơ với năm khối: Trục roto và
các bộ phận của tuabin: Phần áp suất cao (Haute pression, HP), áp suất trung bình
(P.I.A,P.I.B) và áp suất thấp (BP)và phần tự kích thích.
25