Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu tính toán ra được và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kì một công trình nào khác.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2015

Tác giả

Đàm Tá Hải

Page 1


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

LỜI CẢM ƠN

 Đầu tiên cho tôi g i lời cảm n đến toàn thể các thầy cô giáo trong ộ môn
Hệ thống điện – Đ i h c

ách khoa Hà Nội đ t o điều kiện cho tôi hoàn thành

luận văn th c s này
 Tôi xin g i lời cảm n chân thành nhất tới

thời gian qua đ

nhiệt tình chỉ

N

Đ

trong suốt

y gi p đ tôi hoàn thành tốt luận văn th c s

này
 Tôi c ng xin g i lời cảm n sâu sắc tới toàn thể

n

người thân nh ng

người đ luôn ên c nh tôi ủng hộ tôi trong suốt thời gian qua
 Do thời gian có h n, chắc chắn luận văn không tránh khỏi nh ng thiếu sót.
Kính mong các thầy cô chỉ bảo đóng góp ý kiến để em có thể hoàn thiện, tiếp tục
nghiên cứu và phát triển đề tài.

Đàm Tá Hải

Page 2


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 2
MỤC LỤC ............................................................................................................. 3
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 9
1. Mục tiêu của luận văn ................................................................................... 9
2. Nội dung luận văn ao gồm nh ng phần chính sau .................................... 10
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ VÀ HỆ THỐNG
KÍCH TỪ............................................................................................................. 11
1.1. Khái niệm và vai trò của máy phát điện đồng bộ .................................... 11
1.2. Phân lo i và cấu t o máy phát điện đồng bộ ............................................ 11
1.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ ...................................... 14
1 4 Các đặc tính điều chỉnh của máy điện đồng bộ ....................................... 15
1.5. Chế độ làm việc song song và vấn đề điều chỉnh công suất của máy phát
điện đồng bộ .................................................................................................... 21
1.6. Hệ thống kích từ máy phát ....................................................................... 28
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG KÍCH TỪ ĐIỂN HÌNH VÀ BỘ ĐIỀU CHỈNH
ĐIỆN ÁP AVR .................................................................................................... 33
2.2. Bộ điều chỉnh điện áp AVR ..................................................................... 40
2 3 Điều khiển hệ thống. ................................................................................ 43
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN ......... 53
3.1. Giới thiệu về ổn định hệ thống điện ......................................................... 53
3.2. Giới thiệu tóm tắt về ao động hệ thống điện .......................................... 54
3.3. Kiểm soát ao động hệ thống điện ........................................................... 55
3.4. Phân tích vấn đề ao động công suất và điều chỉnh PSS nhằm nâng cao
ổn định ao động công suất............................................................................. 56
CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH BỘ PSS .......................... 73
4 1 Phư ng pháp xác định áp đặt vị trí điểm cực........................................... 73
4 2 Phư ng pháp ù pha ................................................................................. 75

4.3. Phư ng pháp khác .................................................................................... 84

Đàm Tá Hải

Page 3


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

4.4. Kết luận .................................................................................................... 85
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÍA BẮC ........... 86
KHU VỰC SƠN LA ........................................................................................... 86
5.1. Mô hình lưới điện phía Bắc khu vực S n La ........................................... 86
5.2. Mô phỏng mô hình lưới ưới d ng MATLAB/Simpowersystem............ 88
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT .............................................................................. 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 113

Đàm Tá Hải

Page 4


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

Danh mục hình vẽ

Hình 1-1. Máy phát điện đồng bộ ........................................................................... 11
Hình 1-2. Cấu tạo máy phát điện đồng bộ .............................................................. 12
Hình 1-3. Cấu tạo rotor máy phát điện đồng bộ a. Cực lồi b. Cực ẩn ................. 13
Hình 1-4. Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ ...................................... 16

Hình 1-5. Đặc tính ngoài của máy điện đồng bộ ................................................... 17
Hình 1-6. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ .................................... 18
Hình 1-7. Đặc tính tải của máy phát điện đồng bộ ................................................. 19
Hình 1-8. Đặc tính ngắn mạch của máy phát điện đồng bộ ................................... 20
Hình 1-9. Đặc tính góc công suất tác dụng của máy phát cực lồi .......................... 23
Hình 1-10. Công suất tác dụng và công suất chỉnh bộ của máy phát cực lồi ........ 24
Hình 1-11. Điều chỉnh công suất phản kháng máy phát điện đồng bộ ................... 26
Hình 1-12. Họ đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ ................................... 27
Hình 2-1. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống kích từ ............................................ 33
Hình 2-2. Giới hạn dòng điện phần ứng ................................................................. 36
Hình 2-3. Bảo vệ chạm đất rotor ............................................................................ 38
Hình 2-4. Bảo vệ quá áp rotor ................................................................................ 39
Hình 2-5. Bộ crow bar ............................................................................................ 39
Hình 2-6. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển tạo góc mở van ......................................... 41
Hình 2-7. Bộ điều chế.............................................................................................. 42
Hình 2-8. Hệ thống kích từ tự kích .......................................................................... 43
Hình 2-9. Sơ đồ khối của quá trình mồi từ ............................................................. 45
Hình 2-10. Tạo giá trị đặt trong chế độ bình thường ............................................. 47
Hình 2-11. Tạo giá trị đặt trong chế độ nạp đường dây ......................................... 47
Hình 2-12. Bảo vệ quá kích từ ................................................................................ 49
Hình 2-13. Bảo vệ quá dòng stator ......................................................................... 50
Hình 2-14. Bảo vệ thiếu kích từ .............................................................................. 52
Hình 3-1. Vị trí trị số đặc trưng của một chế độ dao động với độ giảm 5% .......... 63
Hình 3-2. Mô phỏng trong miền thời gian của chế độ dao động với độ giảm 5%. 63
Hình 3-3. Cơ sở lý thuyết cho bộ PSS dưới dạng sơ đồ khối .................................. 66
Hình 3-4. Mối quan hệ giữa công suất cơ và công suất điện mô tả ở sơ đồ khối .. 69
Hình 3-5. Mô tả độ lệch tín hiệu tốc độ và tín hiệu điện ........................................ 70
Hình 3-6. Cấu trúc điển hình của một bộ PSS ........................................................ 71
Hình 4-1. Hàm truyền của vòng lặp hệ hở .............................................................. 73
Hình 4-2. Đồ thị giá trị nghiệm riêng ..................................................................... 74

Hình 4-3. Hệ thống một máy phát và một nút vô cùng lớn. .................................... 76
Hình 4-4. Mô hình hệ thống kích từ (EXST3) ......................................................... 77
Hình 4-5. Đáp ứng bước nhẩy 5% AVR với mạch hở ............................................. 78
Đàm Tá Hải

Page 5


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

Hình 4-6. Mô hình PSS (IEEEST) ........................................................................... 79
Hình 4-7. Thuộc tính trễ pha của PGE ................................................................... 79
Hình 4-8. Đáp ứng tần của PGE và PSS theo sự thay đổi của hằng số thời gian. . 80
Hình 4-9. Đáp ứng tần số của PSS khi thay đổi hằng số thời gian Washout. ...... 81
Hình 4-10. Quỹ đạo điểm cực của mô hình điều khiển và dao động ...................... 82
Hình 4-11. Đáp ứng bước nhẩy 2% AVR – Công xuất tác dụng (MW) .................. 83
Hình 4-12. Đáp ứng máy phát với sự cố 3 pha – Công suất tác dụng(MW) .......... 84
Hình 5-1. Mô hình máy phát điện kết nối với lưới 500kV ....................................... 86
Hình 5-2. Mô hình máy phát thủy điện ................................................................... 87
Hình 5-3. Mô hình kênh đo lường giám thông số máy phát điện ........................... 88
Hình 5-4. Tốc độ máy phát trong hệ thống khi chưa cài đặt PSS trường hợp 1 .... 89
Hình 5-5. Công suất máy phát khi chưa cài đặt PSS trường hợp 1 ........................ 89
Hình 5-6. Tốc độ máy phát trong hệ thống khi chưa cài đặt PSS trường hợp 2 .... 90
Hình 5-7. Công suất máy phát khi chưa cài đặt PSS trường hợp 2 ........................ 90
Hình 5-8. Cửa sổ làm việc trên sisotool .................................................................. 94
Hình 5-9. Quỹ đạo nghiệm số trước khi bù pha ...................................................... 95
Hình 5-10. Quỹ đạo nghiệm số sau khi bù pha ....................................................... 96
Hình 5-11. Đáp ứng hàm 1(t) của hệ thống sau khi bù pha ................................... 97
Hình 5-12. Thông số của Gc(s) sau khi hiệu chỉnh bù pha..................................... 97
Hình 5-13. Công suất các tổ máy khi cài đặt PSS đơn giản ................................... 99

Hình 5-14. Tốc độ các máy phát khi cài đặt PSS đơn giản .................................. 100
Hình 5-15. Tốc độ các máy phát khi cài PSS cho 1 tổ máy .................................. 100
Hình 5-16. Công suất các tổ máy sau khi cài đặt PSS cho 1 tổ máy .................... 101
Hình 5-17. Tốc độ các máy phát khi cài PSS tần số cho G1, G2 khi tăng Vref 3%
............................................................................................................................... 102
Hình 5-18. Công suất các máy khi cài PSS tần số cho G1, G2 khi tăng Vref 3% 102
Hình 5-19. Tốc độ các máy phát khi cài PSS tốc độ cho G1, G2 khi tăng Vref 3%
............................................................................................................................... 103
Hình 5-20. Công suất các máy khi cài PSS tốc độ cho G1, G2 khi tăng Vref 3% 103
Hình 5-21. Tốc độ các máy phát G1 trong 5 trường hợp PSS .............................. 104
Hình 5-21. Công suất máy phát G1 trong 5 trường hợp PSS ............................... 104
Hình 5-22. Công suất phản kháng máy phát G1 trong 5 trường hợp PSS ........... 105
Hình 5-23. Dòng điện kích từ máy phát G1 trong 5 trường hợp PSS ................... 105
Hình 5-24. Tốc độ máy phát 1 trong các trường hợp PSS khi đóng tải lớn ......... 106
Hình 5-25. Công suất máy phát 1 trong các trường hợp PSS khi đóng tải lớn .... 107
Hình 5-26. Công suất phản kháng máy phát 1 các trường hợp PSS khi đóng tải lớn
............................................................................................................................... 107
Hình 5-27. Tốc độ của máy phát G1 khi tách máy phát G2 ................................. 108
Đàm Tá Hải

Page 6


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

Hình 5-28. Công suất tác dụng của máy phát G1 khi tách máy phát G2 ............. 109
Hình 5-29. Công suất phản kháng của máy phát G1 khi tách máy phát G2 ........ 110
Hình 5-30. Dòng điện kích từ của máy phát G1 khi tách máy phát G2............... 110
Hình 5-31. Dòng điện kích từ của máy phát G1 khi tách máy phát G2.............. 111

Đàm Tá Hải

Page 7


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CĐXL

Chế độ xác lập

AVR

M ch tự động điều chỉnh điện áp
(Automatic Voltage Regulator)

PSS

Bộ ổn định ao động
(Power System Stablizer)

ĐC

Bộ điều chế xung

TX

Bộ t o xung

KĐ

Bộ khuếch đ i xung

BAX

Biến áp xung

RC

Bộ điều chế xung

SS

Bộ so sánh xung

FACTS

Hệ thống truyền tải điện linh ho t
(Flexible Alternating Current Transmission System)

Đàm Tá Hải

Page 8


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

MỞ ĐẦU

Định hướng để đất nước phát triển đi lên luôn là vấn đề quan tr ng trong
thời kỳ hiện nay của nước ta. Phát triển đất nước gắn liền với đầu tư và phát triển
các ngành công nghiệp, và ngành công nghiệp đầu tiên là các ngành công nghiệp
năng lượng đặc biệt là điện năng Tập đoàn điện lực nước ta biết được nhiệm vụ
quan tr ng của mình nên không ngừng tìm kiếm ra phư ng thức để phát triển
ngành công nhiệp này. Với tình hình đó tập đoàn luôn luôn tìm kiếm thăm ò
nh ng nguồn năng lượng có thể tái t o được và tập đoàn tập trung khai thác nguồn
năng lượng thủy năng của nước ta. Qua quá trình nghiên cứu khảo sát tập đoàn đ
lựa ch n S n La để xây dựng thủy điện lớn nhất Đông Nam Á với nguồn thủy
năng lấy trên con sông Đà Trong nhà máy sản xuất điện máy phát là phần t
không thể thiếu và bộ phận đóng vai trò quan tr ng là hệ thống kích từ. Cùng với
sự phát triển của khoa h c k thuật và các thiết bị điện thì hệ thống kích từ không
ngừng cải tiến công nghệ và phát triển. Qua quá trình làm việc tìm hiểu nắm bắt
công nghệ với hệ thống kích từ tác giả thấy cần nắm bắt công nghệ mới này để vận
hành s a ch a và có thể ứng dụng để cải t o các hệ thống kích từ công nghệ c ở
các nhà máy khác và t o điều kiện trong tư ng lai làm tiền đề để các nhà máy phát
điện có thể ứng dụng công nghệ ổn định hệ thống điện PSS trong hệ thống kích từ
vào trong hệ thống điện Đồng thời đây c ng là một tài liệu thực tiễn cho các sinh
viên, h c viên tham khảo.
1. Mục tiêu của luận văn
Trong bản luận văn này mục tiêu chính là nghiên cứu hiện tượng dao
động công suất trong hệ thống và cách thức chỉnh định các bộ PSS nhằm nâng cao
ổn định cho các ao động công suất Phư ng pháp tiếp cận c

ản là s dụng các

phư ng pháp đ được đề xuất. Công cụ mô phỏng được s dụng trong luận văn là
MATLAB/Simpowersystem. Mặt khác để thiết kế chỉnh định thông số cho các bộ
PSS, các công cụ khác của MATLA c ng được s dụng, bao gồm công cụ nhận

Đàm Tá Hải

Page 9


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

d ng (Identification toolbox), và công cụ tổng hợp hệ thống điều khiển (Control
System Toolbox) Đối tượng áp dụng của luận văn là tính toán giảm ao động công
suất cho nhà máy thủy điện S n La
2. Nội dung luận văn bao gồm những phần chính sau
Chư ng 1: Tìm hiểu về máy phát đồng bộ và hệ thống kích từ
Chư ng 2: Hệ thống kích từ điển hình và bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR
Chư ng 3: Giới thiệu chung về ổn định hệ thống điện
Chư ng 4: Các phư ng pháp chỉnh định bộ PSS
Chư ng 5: Tính toán áp dụng cho lưới điện lưới điện phía Bắc khu vực S n La

Đàm Tá Hải

Page 10


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

C ƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ MÁY P Á ĐỒNG BỘ VÀ HỆ THỐNG
KÍCH TỪ
1.1. Khái niệm và vai trò của máy phát điện đồng bộ
Máy phát điện đồng bộ là một lo i máy điện đồng bộ biến c năng thành
điện năng thông thường s dụng nguyên lý cảm ứng điện từ. Nguồn c năng s
cấp có thể là các động c tua in h i tua in nước động c đốt trong, tua bin gió

hoặc các nguồn c năng khác Máy điện đồng bộ là lo i máy điện quay có tốc độ
quay rotor n bằng tốc độ quay của từ trường phần ứng n1. Ở chế độ xác lập máy
phát điện đồng bộ có tốc độ quay rotor luôn không đổi khi tải thay đổi.
Máy phát điện đồng bộ là thiết bị chính để cung cấp điện năng cho nền kinh
tế quốc dân, công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q) cho các phụ tải
điện. Đặc biệt chúng có thể phối hợp điều chỉnh công suất tác dụng và công suất
phản kháng gi a các máy phát trong một hệ thống điện sao cho phù hợp với yêu
cầu của phụ tải.
1.2. Phân loại và cấu tạo máy phát điện đồng bộ
1.2.1. Phân loại và ứng dụng

Hình 1-1. Máy phát điện đồng bộ.


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

Máy phát điện đồng bộ gồm có hai lo i c

ản:

+ Máy phát điện đồng bộ cực ẩn (Hình 1-1.a)
Lo i này thường có trục quay nằm ngang chiều dài lớn đường kính nhỏ
ho t động với tốc độ cao. Lo i này thường được kéo bởi tur ine h i và tua ine khí
được dùng chủ yếu ở các nhà máy nhiệt điện đốt than, khí gas hay trong các nhà
máy điện nguyên t .
+ Máy phát đồng bộ cực lồi (Hình 1-1.b)
Lo i này thường có trục quay thẳng đứng chiều dài ngắn nhưng có đường
kính l n ho t động với tốc độ thấp. Lo i này thường được kéo bởi tur ine nước và
được dùng chủ yếu ở các nhà máy thủy điện.
1.2.2. Cấu tạo

Hình 1-2. Cấu tạo máy phát điện đồng bộ.

Máy phát điện đồng bộ đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là Stato và Rotor.
Hình 2-2 mô tả cấu t o điển hình của máy phát đồng bộ trong đó:
Armature winding

: Dây quấn phần ứng

Stator

: M ch từ Stator

Slip ring & brushes

: Vành góp và chổi than

Rotor

: M ch từ Rotor

Field winding

: Dây quấn kích từ

Đàm Tá Hải

Page 12

Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

+ Stator:
Stato của máy phát điện đồng bộ c ng giống như Stato của máy điện không
đồng bộ gồm hai bộ phận chính là lõi thép Stato và dây quấn ba pha Stato. Lõi thép
Stator được ép bằng các lá tôn silic dày 0.5mm, hai mặt có phủ lớp s n cách điện
và d c chiều dài của lõi thép có các r nh thông gió đặt nằm ngang trục để làm
mát. Lõi thép Stator được đặt cố định trên thân máy. Dây quấn Stato g i là dây
quấn phần ứng và được đặt trong các rãnh của Stator .
+ Rotor:

Hình 1-3. Cấu tạo rotor máy phát điện đồng bộ a. Cực lồi b. Cực ẩn.

Rotor máy phát điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ. Có thể
phân rotor thành 2 lo i chính: Rotor cực ẩn và rotor cực lồi.
- Rotor cực ẩn:
Rotor cực ẩn làm bằng lõi thép hợp kim chất lượng cao được rèn thành
khối hình trụ sau đó gia công phay r nh để đặt dây quấn kích từ. Dây quấn kích từ
đặt trong rãnh rotor bao gồm các bối ây đồng và được cố định bằng các nêm thép
không từ tính Hai đầu dây quấn kích từ đi luồn trong trục của rotor nối với 2 vòng
trượt ở đầu trục, thông qua hai chổi than để nối với nguồn kích từ. Với lo i rotor
này thường có số cực 2p=2, tốc độ quay rotor lớn đường kính rotor nhỏ nhưng
chiều dài lớn và thường dùng cho các máy phát công suất lớn.

Đàm Tá Hải

Page 13


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

- Rotor cực lồi:
Rotor máy điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép
được chế t o bằng thép đ c và gia công thành khối lăng trụ hoặc hình trụ trên mặt
có đặt các cực từ được ghép từ các lá thép dày 1-5 mm. Dây quấn kích từ là các
cuộn ây đồng được lồng vào thân cực. Với lo i rotor này thường có số cực 2p
4, tốc độ quay rotor chậm đường kính rotor lớn và chiều dài ngắn và thường dùng
cho các máy phát công suất nhỏ và trung bình.
1.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ
Máy phát làm nhiệm vụ biến c năng thành điện năng trong đó các năng
lượng c

ng s cấp (như thế năng của nước ở các hồ đập nhiêt năng của các lo i

nhiên liệu như than

ầu khí đốt, năng lượng h t nhân hay sức gió, thủy triều…)

qua một số khâu trung gian được đưa vào tur ine nối với rotor của máy phát. Khi
rotor được quay bằng các năng lượng s cấp trên và cho dòng kích từ vào dây quấn
kích từ sẽ t o nên từ trường rotor cắt qua dây quấn phần ứng stator và cảm ứng
một sức điện động xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng:
E0 = K e Φ f
Ke=4,44.W1.Kdq

(1-1)
(1-2)

Trong đó:
Ke: Hằng số điện từ

E0: Là sức điện động pha (V)
W1: Số vòng dây quấn 1 pha (vòng)
Kdq: Hệ số dây quấn
Φ: Từ thông cực từ rotor (Wb)
f: Tần số (Hz)
Nếu rotor có p đôi cực khi rotor quay được một vòng, sức điện động phần
ứng sẽ biến thiên p chu kỳ.
Đàm Tá Hải

Page 14


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

Do đó nếu tốc độ quay của rotor là n (v/s) thì tần số f của sức điện động sẽ là:
f = n.p

(1-3)

Nếu tốc độ của rotor tính được bằng vòng/phút thì tần số là:
f=

(1-4)

Dây quấn ba pha có trục lệch nhau trong không gian một góc là 1200 điện.
Cho nên sức điện động các pha c ng lệch nhau góc pha là 1200. Khi dây quấn nối
với tải, trong các pha sẽ có òng điện ba pha. Giống như máy điện không đồng bộ,
òng điện ba pha trong ba dây quấn sẽ t o nên từ trường quay, với tốc độ là:
(1-5)
trong đó n là tốc độ từ trường quay (vòng/phút). Tốc độ quay của rotor đ ng ằng

tốc độ quay của từ trường Do đó kiểu máy điện này được g i là máy điện đồng bộ
xoay chiều.
Từ công thức (1.1) ta thấy để thay đổi suất điện động E0 ta có thể có hai
cách thay đổi tần số f (hay thay đổi tốc độ quay của rotor) hoặc thay đổi từ thông
(hay thay đổi òng điện kích từ If) Nhưng khi điều chỉnh tốc độ quay của rotor l i
ảnh hưởng đến tần số của nguồn điện dẫn đến ảnh hưởng đến chất lượng của
nguồn điện. Chính vì vậy cách này trong thực tế rất ít dùng. Mà trong thực tế s
dụng phư ng pháp thay đổi từ thông của máy phát bằng cách thay đổi òng điện
kích từ của máy phát để thay đổi suất điện động E0 hay điện áp ra trên đầu cực của
máy phát.
1.4. Các đặc tính điều chỉnh của máy điện đồng bộ
Khi vận hành ình thường máy phát điện đồng bộ cung cấp cho tải đối
xứng. Chế độ này phụ thuộc vào hộ tiêu thụ điện năng nối với máy phát. Công suất
cung cấp cho tải không vượt quá giá trị định mức mà chỉ cho phép nhỏ h n hoặc
bằng công suất định mức. Mặt khác ở chế độ này thông qua các đ i lượng như điện
áp

òng điện đầu cực máy phát, dòng kích từ, hệ số công suất cos , tần số f và tốc

độ quay n ta có thể xây dựng nên các đặc tính làm việc.
Đàm Tá Hải

Page 15


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

1.4.1. Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ
Đặc tính không tải là quan hệ: E0 = U0 = f (it) khi I = 0 và f = fđm
D ng đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ cực ẩn và cực lồi khác

nhau không nhiều và có thể biểu thị theo đ n vị tư ng đối:
E* =
và

I* =

(1-6)
(1-7)

đ

Trong đó:
Itđm0 là òng điện không tải khi U = Uđm
M ch từ của máy phát tur ine h i

o hòa h n m ch từ của tur ine nước. Ta có

đặc tính không tải trên Hình 1-4:

Hình 1-4. Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ.

1.4.2. Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ
Đặc tính ngoài là quan hệ U =f (I). Khi it = const; cos𝜑 = const và f = fđm
Đặc tính ngoài cho thấy lúc òng điện kích từ không đổi, điện áp máy phát
thay đổi theo tải Để có đặc tính này phải thay đổi I sao cho cos𝜑 = const rồi đo U
I tư ng ứng với giá trị khác nhau của tải.

Đàm Tá Hải

Page 16

Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

Hình 1-5. Đặc tính ngoài của máy điện đồng bộ.

Từ hình 1-5 ta thấy đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất của tải. Nếu tải
có tính cảm khi I tăng phản ứng phần ứng bị kh từ điện áp giảm nên đường đặc
tính đi xuống. Nếu tải có tính ung kháng thì I tăng phản ứng phần ứng là trợ
từ điện áp tăng lên nên đường đặc tính đi lên Khi tải là thuần trở thì đường đặc
tính gần như song song với trục hoành.
Độ thay đổi điện áp định mức ΔUđm của máy phát điện đồng bộ theo định
nghĩa là sự thay đổi điện áp khi tải thay đổi từ định mức với cos𝜑 = cos𝜑đm đến
không tải theo điều kiện không thay đổi òng điện kích thích. Trị số ΔUđm thường
biểu thị phần trăm của điện áp định mức.
ΔUđm(%) =

đ

(1-8)

đ

Trị số ΔUđm của máy phát điện có thể xác định bằng thực nghiệm trực tiếp
trên máy đ chế t o.
1.4.3. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ
Đặc tính điều chỉnh là quan hệ: it = f(I). Khi U = const; cos𝜑 = const và f =
fđm. Đặc tính này cho biết chiều hướng điều chỉnh òng điện it của máy phát sao
cho điện áp U ở đầu cực của máy phát là không đổi.
Khi lấy đặc tính điều chỉnh phải thay đổi tải và thay đối it để có hệ số góc

cos𝜑 = const và U = const.

Đàm Tá Hải

Page 17


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

Hình 1-6. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ.

Từ hình 1-6 cho thấy:
Với tải cảm khi I tăng tác ụng kh từ của phản ứng phần ứng làm cho U
giảm o đó để gi cho U không đổi cần phải tăng òng từ hóa It. Còn ở tải dung
khi I tăng tác ụng trợ từ của phản ứng phần ứng làm cho U tăng muốn cho U
không đổi ta phải giảm It.
1.4.4. Đặc tính tải của máy phát điện đồng bộ
Đặc tính không tải là quan hệ gi a điện áp U đầu cực máy phát với dòng
kích từ it: U = f(it) khi òng điện tải I = const, cos𝜑 = const và f = fđm.
Với các trị số khác nhau của I và cos𝜑 sẽ có các đặc tính tải khác
nhau Trong đó có ý nghĩa nhất là đặc tính tải thuần cảm tư ng ứng với cos𝜑 = 0
(𝜑= ) và I = Iđm.
Để có đặc tính đó ta phải điều chỉnh rt và Zt (cuộn cảm) sao cho I = Iđm

Đàm Tá Hải

Page 18


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

Hình 1-7. Đặc tính tải của máy phát điện đồng bộ.

Từ hình 1-7 trình ày các đường đặc tính tải ứng với các giá trị của dòng tải
I của máy phát điện đồng bộ Đặc tính tải thuần cảm có thể suy ra từ đặc tính
không tải (đường 1) và tam giác điện kháng bằng cách tịnh tiến tam giác điện
kháng sao cho đỉnh A của tam giác tựa trên đặc tính không tải thì đỉnh C t o thành
đặc tính tải thuần cảm (đường 3).
Thành lập tam giác điện kháng: Từ đặc tính ngắn m ch (đường 2) cho In=
Iđm tư ng ứng với dòng kích thích itn ta có sức từ động ( viết tắt là stđ) Ftn

Itn =

OC có thể phân tích thành hai thành phần: thành phần để khắc phục phản ứng kh
từ của phần ứng BC = kư .Fư sinh ra Eư và thành phần còn l i OB = OC – BC
sinh ra stđ tản từ Eδư = Iđm.Xδư = AB. Điểm A nằm trên đường đặc tính không tải
có m ch từ không bão hòa. Tam giác ABC g i là tam giác điện kháng. Các c nh
AB và BC của tam giác này đều tỉ lệ với òng điện định mức Iđm.
Thực tế do ảnh hưởng của

o hòa đặc tính tải thuần cảm có được bằng thí

nghiệm tải trực tiếp h i khác và có d ng như đường nét đứt. Nguyên nhân là do
òng điện kích từ tăng cực từ của máy càng bão hòa do từ thông tản của dây quấn
kích từ lớn h n thì sức từ động của cực từ cần thiết để khắc phục phản ứng kh từ
càng lớn h n nghĩa là c nh BC của tam giác điện kháng càng phải ài h n
Đàm Tá Hải

Page 19

Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

1.4.5. Đặc tính ngắn mạch của máy phát điện đồng bộ
Đặc tính ngắn m ch là quan hệ In= f(It) khi U = 0 và f = fđm (khi dây quấn
phần ứng được nối tắt ngay đầu máy).
Nếu bỏ qua điện trở dây quấn phần ứng (rư = 0) thì m ch điện dây quấn
phần ứng lúc ngắn m ch là thuần cảm (Ψ = ) như vậy Iq = IcosΨ = 0 còn Id =
IsinΨ = I Khi đó ta có đặc tính ngắn m ch như sau:

Hình 1-8. Đặc tính ngắn mạch của máy phát điện đồng bộ.

Tỉ số ngắn m ch K: Là tỉ số gi a

òng điện ngắn m ch In0 tư ng ứng

với òng điện kích thích sinh ra sức điện động E = Uđm khi không tải với dòng
định mức Iđm nghĩa là:
K=

(1-9)

đ

Theo định nghĩa suy ra:
đ

In0=

(1-10)

Trong đó xd là trị số bão hòa của điện kháng đồng bộ d c trục ứng với E = Uđm.
K=

Đàm Tá Hải

đ
đ

=

đ

(1-11)

Page 20


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

Thường xd* > 1 o đó K < 1 và òng điện ngắn m ch xác lập của máy phát
điện đồng bộ không lớn do tác dụng kh từ rất m nh của phản ứng phần ứng. Với
máy phát có tỉ số ngắn m ch K càng lớn thì máy phát có ưu điểm cho độ thay đổi
điện áp ΔU nhỏ và sinh ra công suất điện từ lớn khiến cho máy làm việc ổn định
khi tải

ao động tuy nhiên kích thước của máy lớn giá thành đắt. Thông

thường K = 0.5

1.0 với tur ine h i và 0 8

1.0 với tur ine nước.

1.5. Chế độ làm việc song song và vấn đề điều chỉnh công suất của máy phát
điện đồng bộ
1.5.1. Ghép một máy phát điện đồng bộ làm việc song song
Trong mỗi nhà máy điện thường có đặt nhiều máy phát điện đồng bộ và nói
chung các nhà máy điện đều làm việc trong hệ thống điện lực Như vậy trong hệ
thống điện lực có rất nhiều máy phát điện đồng bộ làm việc song song. Việc nối
các máy phát điện làm việc chung trong hệ thống điện là cần thiết vì có ưu điểm
giảm bớt vốn đầu tư đặt máy phát điện dự tr đề phòng s a ch a và sự cố để đảm
bảo an toàn cung cấp điện hoặc s dụng hợp lý các nguồn năng lượng như các
tr m thủy điện làm việc với công suất lớn trong mùa mưa l để giảm bớt công
suất của các tr m nhiệt điện

o đó tiết kiệm được nhiên liệu trong thời gian đó

nói tóm l i là nâng cao được các chỉ tiêu kinh tế và kĩ thuật khi thiết kế và vận
hành.
Khi ghép một máy phát điện đồng bộ làm việc song song trong hệ thống
điện lực hoặc với một máy phát điện đồng bộ khác theo phư ng pháp hòa đồng bộ
chính xác phải đảm bảo các yêu cầu sau:
1.

iên độ điện áp của máy phát UF phải bằng điện áp của lưới điện UL.

2. Tần số của máy phát fF phải bằng tần số của lưới điện fL.
3. Thứ tự pha của máy phát phải giống số thứ tự pha của lưới điện.
4. Điện áp của máy phát và của lưới điện phải trùng pha nhau.

Đàm Tá Hải

Page 21


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

Nếu không đảm bảo các điều kiện trên thì sẽ có òng điện lớn ch y quanh
trong máy và òng điện xung khi đóng cầu dao lớn có thể phá hỏng máy và gây rối
lo n hệ thống điện.
Giải quyết các yêu cầu hòa đồng bộ:
1. Việc điều chỉnh điện áp UF của máy phát điện đồng bộ được thực hiện bằng
cách thay đổi òng điện kích thích của máy phát.
2. Tần số của máy phát fF được điều chỉnh bằng cách thay đổi Momen hoặc tốc
độ quay của tur ine kéo máy phát điện.
3. Sự trùng pha gi a điện áp của máy phát điện và của lưới điện được kiểm tra
bằng r le số hòa đồng bộ.
4. Thứ tự pha của máy phát điện chỉ được kiểm tra một lần sau khi lắp ráp máy
và hòa đồng bộ lần đầu tiên.
Việc ghép song song máy phát điện vào hệ thống điện theo các điều kiện
nói trên g i là hòa đồng bộ chính xác máy phát điện và thường dùng thiết bị hòa
đồng bộ số. Ngoài ra trong một số trường hợp với máy phát điện công suất
nhỏ có thể

ùng phư ng pháp hòa đồng bộ không chính xác nghĩa là không

cần phải so sánh tần số, trị số góc pha các điện áp của máy phát điện cần được
ghép song song và lưới điện Đây g i là phư ng pháp tự đồng bộ.
Phư ng pháp tự đồng bộ được thực hiện như sau:

Dây quấn kích từ không đóng vào nguồn điện kích từ mà khép m ch
qua điện trở phóng điện để tránh xuất hiện điện áp cao, phá hỏng dây quấn
kích từ Quay Rotor đến gần tốc độ đồng bộ sau đó đóng máy phát vào lưới và
cuối cùng sẽ đóng ây quấn kích từ vào nguồn điện kích từ, máy sẽ làm việc đồng
bộ.

Đàm Tá Hải

Page 22


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

1.5.2. Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng
1 5 2 1 Điều chỉnh công suất tác dụng P
+ Khi máy phát làm việc trong lưới điện có công suất vô cùng lớn
(U, f = const)
Công suất tác dụng của máy phát cung cấp cho tải là:
P= mUIcos𝜑

(1-12)

Xét đặc tính góc công suất tác dụng: Quan hệ P = f(θ) khi E0 = const, U = const

Hình 1-9. Đặc tính góc công suất tác dụng của máy phát cực lồi.

Trong đó:
θ: là góc gi a suất điện động E0 và điện áp U
m: là số pha
Đối với máy phát cực lồi có rư << (xdb, xd, xq) o đó có thể coi rư = 0 khi đó ta

có:
Id =

Đàm Tá Hải

–

(1-13)

Page 23


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

Iq =

(1-14)
𝜑= Ψ – θ

(1-15)

Do đó ta có:
P = mUI cos𝜑 = mUIcos(Ψ – θ)

(1-16)

P = mU(I cosΨ cosθ + IsinΨ sinθ)

(1-17)

P = m.U(Iq cosθ + Id sinθ)

(1-18)

P=

θ

θ

θ
(

P=

)

P = Pe + Pu

θ

(1-19)

θ

(1-20)
(1-20’)

Như vậy muốn điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát điện thì phải
thay đổi góc tải θ nghĩa là thay đổi giao điểm A bằng cách thay đổi công suất c

trên trục máy nhờ bộ điều tốc turbine.

Hình 1-10. Công suất tác dụng và công suất chỉnh bộ của máy phát cực lồi.

Khi điều chỉnh công suất tác dụng cần ch ý máy phát điện đồng bộ chỉ
ho t động ổn định khi 0 < θ < θđm.
Đàm Tá Hải

Page 24


Nghiên cứu tính toán thông số cho thiết bị ổn định dao động công suất PSS

+ Khi máy phát công suất tư ng tự nhau làm việc song song:
Giả s có hai máy phát điện công suất bằng nhau làm việc song song. Trong
trường hợp này trong điều kiện tải của lưới điện không đổi khi tăng công suất tác
dụng của một máy mà không giảm tư ng ứng công suất tác dụng của máy kia thì
tần số của lưới điện sẽ thay đổi cho đến khi có sự cân bằng mới và khiến cho hộ
tiêu thụ điện phải làm việc trong điều kiện tần số khác tần số định mức. Vì vậy để
gi cho f =const thì khi tăng công suất tác dụng của máy này thì phải giảm
công suất tác dụng của máy kia. Chính bằng cách này mà có thể thay đổi sự phân
phối công suất tác dụng gi a hai máy.
1 5 2 2 Điều chỉnh công suất phản kháng Q
+ Khi máy phát làm việc trong lưới điện có công suất vô cùng lớn:
Công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ là:
Q = m.U.I.sin𝜑 = m U I sin(Ψ – θ)
Q = m (U I sinΨ cosθ – U I sinθ cosΨ)
Q=

θ

(1-21)
(1-22)
(1-23)

Khi công suất tác dụng của máy phát đồng bộ được gi không đổi P=const,
bỏ qua tổn hao trên dây quấn phần ứng (rư =0). Trong trường hợp này đồ thị véc t
suất điện động có d ng hình 1-11.

Đàm Tá Hải

Page 25