Tính toán ổn định quá độ của hệ thống nhiều máy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
....... .......
PHẠM ĐÌNH NGUYỆN

PHẠM ĐÌNH NGUYỆN

TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ
CỦA HỆ THỐNG NHIỀU MÁY

*
KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 2012BKTĐ-HTĐ-PC12

*
KHOÁ 2012B

Hà Nội – Năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
....... .......

PHẠM ĐÌNH NGUYỆN

TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ
CỦA HỆ THỐNG NHIỀU MÁY

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 2012BKTĐ-HTĐ-PC12

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Đỗ Xuân Khôi

Hà Nội – Năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
....... .......

PHẠM ĐÌNH NGUYỆN

TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ
CỦA HỆ THỐNG NHIỀU MÁY
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 2012BKTĐ-HTĐ-PC12

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Đỗ Xuân Khôi

Hà Nội – Năm 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này do tôi tổng hợp và thực hiện. Các kết quả

phân tích hoàn toàn trung thực, nội dung bản thuyết minh chưa được công bố.
Luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo đã nêu trong phần tài liệu
tham khảo.
Hà Nội, tháng 04 năm 2015
Tác giả luận văn

Phạm Đình Nguyện


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cảm ơn TS. Đỗ Xuân Khôi, người đã trực tiếp hướng
dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận
văn này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo Bộ môn Hệ Thống
Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt
khóa học cũng như thời gian tôi thực hiện đề tài tốt nghiệp cao học khóa
2012- 2014.
Nhân đây tôi xin bày tỏ tình cảm và lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình,
bạn bè người thân và các đồng nghiệp, những người luôn động viên giúp đỡ
tôi trong thời gian qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả những giúp đỡ quý báu đó.
Hà nội, tháng 04 năm 2015
Học viên

Phạm Đình Nguyện


MỤC LỤC
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢN VẼ

DANH MỤC BẢN BIỂU
LỜI NÓI ĐẦU
CHƯƠNG 1………………………………………………………..…….…..3
DAO ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH GÓC
QUÁ ĐỘ……………………………………………………………….….…3
1.1. Giới thiệu chung về nghiên cứu động học của HTĐ………………........3
1.1.1. Phân loại các các quá trình động trong HTĐ………………..……......3
1.1.2. Sơ lược về lịch sử nghiên cứu ổn định..................................................6
1.1.3. Phạm vi nghiên cứu và y nghĩa của đề tài...........................................8
1.2.

Giới thiệu về máy phát điện đồng bộ....................................................9

1.2.1. Khái niệm và định nghĩa cơ bản............................................................9
1.2.2. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ..................................10
1.3. Dao động của roto máy phát điện và bài toán nghiên cứu ổn định góc
quá độ.........................................................................................................11
1.3.1. Mối quan hệ giữ vị trí góc và tốc độ quay của máy đồng bộ...........11
1.3.2. Các hiện tượng ổn định.........................................................................15
CHƯƠNG 2………………………………………………………….......21
MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN PHƯƠNG
PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH GÓC QUÁ ĐỘ....................................21
2.1. Mô hình máy phát điện trong phân tích ổn định quá độ........................21
2.1.1 Phương trình dao động cơ.....................................................................21


2.1. 2. Công suất của máy phát trong quá trình quá độ.................................25
2.1.3. Biểu diễn quá độ điện từ trong máy phát..............................................33
2.1.4. Biểu diễn các tác động điều chỉnh tự động trong máy phát..................38
2.2. Mô hình phụ tải. .....................................................................................38

2.3. Phương pháp giải hệ phương trình vi phân - đại số.................................42
2.3.1. Dạng tổng quát của phương trình nghiên cứu ổn định quá độ.............42
2.3.2. Phân loại phương pháp giải.................................................................43
2.3.3. Phương pháp giải tuần tự dùng công thức tích phân tường.................43
2.3.4. Phương pháp giải đồng thời dùng công thức tích phân ẩn..................44
2.3.5. Áp dụng phương pháp giải tuần tự, với mô hình cổ điển (bậc 2) cho
máy phát và tổng trở hằng cho phụ tải...........................................................44
2.4. Rút gọn hệ thống điện..............................................................................46
2.4.1. Khử nút trong lưới điện.......................................................................46
2.4.2. Ghép các nút sử dụng phương pháp của Dimo.....................................47
2.4.3. Ghép các nút sử dụng phương pháp của Zhukov.................................49
2.4.4. Tính đối xứng của ma trận tổng dẫn tương đương ..............................53
2.4.5. Sự kết hợp.............................................................................................55
2.4.6. Ghép tương đương các máy phát................ .........................................56
2.4.7. Mô hình tương đương của hệ thống phụ bên ngoài.............................57
2.4.8. Sự loại bỏ/tập hợp các nút tải...............................................................59
CHƯƠNG 3…………………………………….……………....……….....65
TÍNH TOÁN ÁP DỤNG..............................................................................65
3.1. Áp dụng tính toán ổn định cho HTĐ 3 máy ..........................................65


3.1.1. Dữ liệu nút (nút 1-3 có máy phát điện, nút 4-6 có phụ tải).................65
3.1.2. Dữ liệu nhánh......................................................................................66
3.1.3. Dữ liệu máy phát…………………………………………………… 66
3.2. Thuật toán áp dụng.................................................................................66
3.3. Thực hiện tính toán..................................................................................68
3.3.2. Tính sdd trong của máy phát công suất P của các máy phát CĐXL…69
3.3.3. Lập ma trận tổng dẫn nút Y.................................................................72
3.3.4. Xét trạng thái ngắn mạch và hiệu chỉnh ma trận Y.............................74
3.3.5. Tính toán cho bước thời gian đầu tiên sau khi xảy ra ngắn mạch........74

3.3.6. Vòng lặp tính giai đoạn trong ngắn mạch.............................................80
3.3.7. Xét trạng thái sau khi cắt ngắn mạch...................................................80
3.4. Phân tích kết quả cho các trường hợp tính toán.......................................81
3.5. Xét trường hợp ngắn mạch tại đường dây 5- 6 nhưng gần nút 5............88
3.5.1. So sanh độ ổn định khi ngắn mạch phía nút 6 và nút 5........................91
KẾT LUẬN………………………………………………………...............93
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………...………………….........96
PHỤ LỤC......................................................................................................97


DANH MỤC BẢN VẼ
Hình 1.1 Khung thời gian của hiện tượng động lực trong hệ thống điện.............4
Hình 1.2 Chuyển giao năng lượng của một hệ thống hai máy............................14
Hình 1.3 Bản chất của máy phát điện có điều chỉnh điện áp tự động.................17
Hình 1.4 Minh họa hoạt động của một máy phát điện đồng bộ cho các
tình huống ổn định và không ổn định..................................................20
Hình 2.1 Phản ứng phần ứng với tải thuần trở.....................................................26
Hình 2.2 Phản ứng phần ứng với tải thuần cảm...................................................27
Hình 2.3 Phản ứng phần ứng với tải thuần dung..................................................27
Hình 2.4

Giản đồ năng lượng của máy phát điện đồng bộ.................................28

Hình 2.5

Biểu diễn máy phát điện cực lồi...........................................................29

Hình 2.6

Biểu diễn máy phát điện cực ẩn...........................................................31

Hình 2.7 Mô hình thay thế máy phát...................................................................32
Hình 2.8 Tốc độ suy giảm của thành phần tự do của dòng cảm ứng trong
cuộn kích từ..........................................................................................33
Hình 2.9 Mô hình thay thế phụ tải.......................................................................38
Hình 2.10 Đặc tính điện áp của phụ tải.................................................................39
Hình 2.11 Ảnh hưởng thay đổi đặc tính điện áp của phụ tải................................40
Hình 2. 12 Sự tập hợp nút sử dụng phương pháp Dimo.......................................48
Hình 2. 13 Sự kết hợp nút sử dụng phương pháp Zhukov....................................50
Hình 2.14 Sự thể hiện về điện trong phương pháp tổng hợp của Zhukov...........53
Hình 2.15 Tính đối xứng của mạng tương đương.................................................54
Hình 2.16 Sự biến đổi góc roto của 3 máy phát...................................................57
Hình 2.17 Sự tập hợp cơ học của các roto liên kết...............................................57


Hình 2.18 Sự rút gọn mô hình hệ thống bên ngoài..............................................63
Hình 3.1

Sơ đồ tính toán áp dụng.......................................................................65

Hình 3.2

Đồ thị góc lệch giữa các máy tại t cắt là 0.6(s)...................................82

Hình 3.3

Đồ thị điện áp nút tại t cắt là 0.6(s).....................................................82

Hình 3.4

Đồ thị góc lệch giữa các máy tại t cắt là 0.55(s).................................84

Hình 3.5 Đồ thị điện áp nút tại t cắt là 0.55(s).....................................................84
Hình 3.6 Đồ thị góc lệch giữa các máy tại t cắt là 0.5 (s)....................................85
Hình 3.7

Đồ thị điện áp nút tại t cắt là 0.5 (s).....................................................85

Hình 3.8

Đồ thị góc lệch giữa các máy có hệ số cản ( D =0.05)........................86

Hình 3.9

Đồ thị điện áp nút lưới có hệ số cản ( D =0.05)..................................86

Hình 3.10 Đồ thị góc lệch giữa các máy có hệ số cản ( D =0.1)..........................87
Hình 3.11 Đồ thị điện áp nút lưới có hệ số cản ( D =0.1)....................................88
Hình 3.12 Đồ thị góc lệch giữa các máy có t cắt 0.6 (s) hệ số cản ( D =0.05 )....89
Hình 3.13 Đồ thị điện áp nút lưới có t cắt 0.6 (s) hệ số cản ( D =0.05)...............89
Hình 3.14 Đồ thị góc lệch giữa các máy t cắt 0.6(s) và hệ số cản ( D =0.1)N5..90
Hình 3.15 Đồ thị điện áp nút lưới có t cắt 0.6( s) và hệ số cản ( D =0.1)N5........91


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1.

Số liệu nút, tải bài toán áp dụng.................................................. 65

Bảng 3.2.

Số liệu nhánh bài toán áp dụng......................................................66

Bảng 3.3.

Số liệu máy phát bài toán áp dụng.................................................66

Bảng 3.4.

Số liệu tính toán CĐXL..................................................................68


LỜI NÓI ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Hệ thống điện Việt Nam trong những năm gần đây đã có những bước phát
triển mạnh mẽ, cả về hệ thống truyền tải cũng như các nguồn điện.
Những phát triển đó đã làm cải thiện đáng kể khả năng cung cấp điện, cũng
như chất lượng truyền tải điện năng. Đặc biệt từ khi xuất hiện lưới truyền tải
500 kV đã giải quyết nhu cầu cấp bách sự trao đổi công suất giữa các khu
vực của hệ thống điện Việt Nam từ những năm 90 của thế kỷ trước trở lại
đây. Tạo điều kiện xây dựng các nguồn công suất lớn đa dạng trong
hệ thống.
Việc mở rộng quy mô của hệ thống điện Việt Nam cũng như trên thế giới
nói chung là một xu thế tất yếu của sự phát triển, nhằm nâng cao chất lượng
điện năng, độ linh hoạt của hệ thống điện trong quá trình vận hành. Tuy
nhiên sự mở rộng quy mô của hệ thống truyền tải điện cũng đặt ra những yêu
cầu kỹ thuật cần phải giải quyết: Đảm bảo ổn định hệ thống điện, vấn đề
thông tin liên lạc và đảm bảo chất lượng điện năng, chế độ vận hành của hệ
thống điện.... Với những lý do nêu trên, việc nghiên cứu ổn quá độ của

HTĐ là rất cần thiết trong thực tế hiện nay, vì vậy tác giả chọn đ ề t à i
luận v ă n thạc sĩ kỹ thuật là “Tính toán ổn định quá độ của hệ thống
nhiều máy”.
2. Mục đích nghiên cứu.
- Hiện nay có rất nhiều phương pháp nghiên cứu và tính toán ổn định hệ
thống điện nhưng trong luận văn này tác giả lựa chọn phương pháp đơn giản,
đã giả sử bỏ qua hoàn toàn ảnh hưởng của quá trình quá độ điện từ (đối với
các phần tử lưới và máy phát), không xét đến phương trình cuộn dây máy
phát, các sức điện động của máy phát coi là hằng số. Không xét đến yếu tố
ảnh hưởng của TĐK và TĐT và coi phụ tải là tuyến tính.


- Mặc dù bỏ qua các yếu tố ảnh hưởng nêu trên, nhưng phương pháp tính
toán ứng dụng này vẫn cho độ chính xác cao khi áp dụng tính toán ổn định
sơ bộ của các máy phát trong quá trình thử nghiệm, thiết kế, phù hợp với quá
trình quá độ giai đoạn ngắn cần kiểm tra ổn định.
- Mô hình đơn giản, áp dụng tính toán ổn định cho hệ thống nhiều máy
3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu.
Để đảm bảo vận hành bình thường của hệ thống điện là một trong những yêu
cầu cơ bản là phải đạt được sự cân bằng công suất tác dụng và công suất
phản kháng giữa nguồn cung cấp điện và hộ tiêu thụ điện, kể đến cả tổn thất
trên lưới điện. Sự cân bằng công suất tác dụng mang tính chất toàn hệ thống
, nghĩa là yêu cầu công suất của một phụ tải tại một điểm có thể được đáp
ứng bằng cách tăng thêm công suất ở máy phát điện tại một địa điểm khác.
Nói khác đi công suất tác dụng trong hệ thống được điều khiển thống nhất.
Nhưng sự ổn định và cân bằng hệ thống luôn bị đe dọa bởi những nhiễu loạn
đơn giản là những kích động nhỏ thường xuyên có tính ngẫu nhiên, trong hệ
thống điện còn có những kích động lớn diễn ra đột ngột làm mất cân bằng
công suất phá hoại tính ổn định của hệ thống. Những kích động như thế phải
kể đến những ngắn mạch, sét đánh làm cắt đột ngột đường dây, cắt máy

biến áp đang cấp điện cho phụ tải đưa ra sửa chữa.....Do có sự thay đổi đột
ngột các dòng công suất phân bố trong lưới, công suất các máy phát cũng
thay đổi đột ngột, thậm chí giảm xuống đến không ( chẳng hạn ngắn mạch 3
pha trên đường dây nối máy phát với hệ thống) khi đó trạng thái cân bằng
mô men quay trong máy phát bị phá vỡ xuất hiện gia tốc làm thay đổi mạnh
góc lệch roto. Quá trình quá độ diễn ra có thể ổn định hoặc không ổn định
phụ thuộc tính nặng nề của các kích động, nhiễu loạn. Tính ổn định hệ thống
trong trường hợp này gọi là ổn định động hay ổn định quá độ. Về bản chất
ổn định động, thể hiện đặc tính của quá trình quá độ chuyển trạng thái hệ


thống từ điểm cân bằng này, sang điểm cân bằng khác. Hệ thống có ổn định
quá độ nếu có được hai điều kiện.
Tồn tại điểm cân bằng ổn định sau sự cố ( ứng với CĐXL mới).
Thông số biến thiên trong QTQĐ hữu hạn và tắt dần về thông số CĐXL mới.
Như vậy sự tồn tại của CĐXL sau sự cố là điều kiện cần nhưng chưa đủ cho
tính ổn định động của hệ thống. Chính điều kiện thứ hai dẫn đến yêu cầu
phải áp dụng các phương pháp phân tích ổn định quá độ. Để nghiên cứu ổn
định quá độ cần phải dựa vào phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ,
do đó cũng có các mô hình ứng dụng khác nhau mô tả hệ thống, mỗi trường
hợp có thể áp dụng các phương pháp phân tích riêng. Sự lựa chọn hợp lý
phương pháp nghiên cứu sẽ cho phép đánh giá đúng và đơn giản nhất các
đặc trưng của quá trình quá độ trong hệ thống.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế nói trên, trong luận văn đặt ra vấn đề
nghiên cứu đánh giá, xem xét các chế độ làm việc của hệ thống là yếu tố
rất quan trọng đó là quá trình (quá độ điện-cơ, ổn định góc quá
độ)…Nhằm nâng cao khả năng ổn định góc rotor máy phát đề tránh hiện
tượng tan rã hệ thống điện.
Với những lý do nêu trên, việc nghiên cứu ổn quá độ của HTĐ là rất cần
thiết trong thực tế hiện nay, vì vậy việc tập trung nghiên cứu “Tính toán

ổn định quá độ của hệ thống nhiều máy”. Kết quả nghiên cứu giúp cho ta
xem xét đánh giá được phương thức và cách thức trong quản lý vận hành
để giảm ảnh hưởng những rủi ro trong việc truyền tải và phân phối điện
theo các tiêu chuẩn ngành.
4. Phạm vi nghiên cứu và ứng dụng.
- Tính toán ổn định đánh giá, xem xét sơ bộ của các máy phát trong quá
trình thử nghiệm và thiết kế chạy vận hành giai đoạn đầu, phù hợp với quá
trình quá độ giai đoạn ngắn cần kiểm tra ổn định để đưa ra những định


hướng và phân tích cụ thể cho những bước tiếp theo.
- Ứng dụng tính toán đơn giản ổn định cho hệ thống điện nhiều máy
5. Kết cấu luận văn.
Ngoài phần mở đầu, kết luận nội dung chính của luận văn được trình bầy
trong 3 chương.
Chương 1: Dao động của máy phát điện và bài toán ổn định góc quá độ.
Chương 2: Mô hình các phần tử trong hệ thống điện, phương pháp phân tích
ổn định góc quá độ.
Chương 3: Tính toán áp dụng với hệ thống lưới điện 3 máy.
Việc xem xét một cách tổng quát những ưu điểm và nhược điểm trong quá
trình tính toán ở các chế độ xác lập cũng như quá độ chưa đánh giá hết
những ảnh hưởng phụ liên quan. Do hạn chế về mặt thời gian mà nội dung
vượt quá khuôn khổ của bản luận văn, cần được tiếp tục nghiên cứu và phát
triển thêm.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo TS. Đỗ Xuân Khôi đã tận tình
hướng dẫn trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn bộ môn Hệ
thống điện các thầy các cô trong bộ môn, các đồng nghiệp và các bạn bè đã
tận tình giúp đỡ tác giả hoàn thành bản luận văn này. Do thời gian còn hạn
vấn đề nghiên cứu còn khá mới mẻ, nên bản luận văn không khỏi thiếu sót.
Tác giả rất mong được nhiều ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo, các đồng

nghiệp và bạn bè.
Xin trân trọng cảm ơn!


Cao học 2012- 2014

3

CHƯƠNG 1
DAO ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN
VÀ BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH GÓC QUÁ ĐỘ
1.1 Giới thiệu chung về nghiên cứu động học của HTĐ.
1.1.1 Phân loại các các quá trình động trong HTĐ.
Một hệ thống điện bao gồm rất nhiều phần tử riêng biệt kết nối lại với
nhau thành một hệ thống lớn, một hệ thống phức tạp có khả năng phát điện,
truyền tải, phân phối điện năng trên khu vực địa lý rộng lớn. Vì có sự liên kết
của nhiều phần tử, nên một loạt các tương tác động có thể xảy ra, chúng có
thể ảnh hưởng đến một vài phần tử hay một phần hệ thống, đôi khi ảnh
hưởng đến toàn bộ hệ thống điện. Vì mỗi quá trình động có một đặc điểm
riêng, nên động học của hệ thống có thể dễ dàng được phân chia thành các
nhóm, hoặc là theo nguyên nhân, kết quả, thời gian, đặc điểm vật lý, hoặc
chia theo vị trí mà chúng xuất hiện trong hệ thống.
Điều cần quan tâm chính ở đây là cách thức mà hệ thống điện sẽ phản
ứng với sự thay đổi nhu cầu cung cấp điện và các loại nhiễu động khác nhau;
đây cũng là 2 nguyên nhân chính gây ra các quá trình động. Khi nhu cầu
dùng điện thay đổi sẽ dẫn tới một phổ rộng các thay đổi động bên trong hệ
thống, mỗi loại xuất hiện trên một khoảng thời gian khác nhau. Hiện tượng
động nhanh nhất là do sự thay đổi đột ngột trong nhu cầu và gắn với sự
chuyển giao năng lượng giữa các khối quay trong máy phát điện và tải. Chậm
hơn một chút là tác động điều khiển điện áp và tần số, cần để duy trì trạng

thái hoạt động của hệ thống. Chậm hơn nữa là cách thức mà hệ thống phát
điện được điều chỉnh để đáp ứng sự thay đổi hàng ngày của phụ tải.
Tương tự, cách thức hệ thống phản ứng với nhiễu động khác cũng bao
gồm một phổ rộng các hiện tượng động và khung thời gian tương ứng. Trong
Học viên: Phạm Đình Nguyện


Cao học 2012- 2014

4

trường hợp này động lực nhanh nhất là hiện sóng xảy ra trong các đường dây
truyền tải điện cao áp. Chúng được sinh ra bởi những thay đổi điện từ nhanh
chóng trong chính máy điện trước khi các dao động điện cơ tương đối chậm
của roto xảy ra. Cuối cùng, các điều chỉnh rất chậm của turbin máy phát điện
và hệ thống điều chỉnh phát điện (AGC).
Dựa vào đặc điểm vật lý, động lực của máy phát điện được chia thành
4 loại khác nhau như sau: Sóng, điện từ, điện cơ, nhiệt động lực học. Các
phân loại này cũng tương ứng với các khung thời gian khác nhau, được cho
trong hình 1.1. Mặc dù, cách phân loại này khá thuận tiện, tuy nhiên nó
không có nghĩa là tuyệt đối, có những loại động lực thuộc 2 hay nhiều nhóm
khác nhau, trong khi đó một số khác thì nằm ở ranh giới giữa các nhóm. Sơ
đồ 1.1 cho thấy động lực nhanh nhất là tác động Sóng hoặc là sự dao động
trong đường dây truyền tải điện cao áp, tương ứng với sự truyền sóng điện từ
gây ra bởi hiện tượng sét đánh hoặc đóng cắt mạch, từ micro giây đến
Mili giây.

1
Hiện tượng sóng
Hiện tượng điện từ

Hiện tượng điện cơ
Hiện tượng nhiệt
động lực học
Micro giây

Mi-li giây

Giây

Phút

Giờ

Sơ đồ 1.1 : Khung thời gian của hiện tượng động lực trong hệ thống điện

Học viên: Phạm Đình Nguyện


Cao học 2012- 2014

5

Chậm hơn nhiều là quá trình điện từ, xuất hiện trong cuộn dây máy
điện sau một nhiễu động, hoạt động của các hệ thống bảo vệ hoặc sự tương
tác giữa các máy điện và hệ thống mạng. Khung thời gian của chúng chỉ từ
Mili giây đến 1 giây. Chậm hơn nữa là quá trình điện cơ, đó là dao động của
roto trong máy phát điện và động cơ, liên quan với dao động công suất trong
lưới điện, sự tác động của hệ thống , điều khiển điện áp và tốc độ máy phát
điện. Khung thời gian của những quá trình này trong khoảng từ 1 giây đến
vài giây. Chậm hơn một chút nữa là dao động tần số, chịu nhiều ảnh hưởng

hơn của hệ thống điều chỉnh tốc độ turbin và AGC. Động học chậm nhất là
quá trình nhiệt động kết quả của hoạt động điều khiển lò hơi trong nhà máy
nhiệt điện hơi nước vì yêu cầu của hệ thống điều khiển phân phối tự động đã
được thực hiện.
Phân tích trên cho thấy sự phân loại các loại động lực hệ thống điện
theo khung thời gian có mối quan hệ mật thiết với vị trí xuất hiện hiện tượng
động trong hệ thống. Ví dụ như, di chuyển theo chiều từ trái sang phải theo
khung thời gian của sơ đồ 1.1 tương ứng với việc di chuyển qua hệ thống
điện từ mạch điện RLC của mạng truyền dẫn, qua dây quấn phần ứng máy
phát điện đến các cuộn dây trong rotor máy phát điện, đến tuốc bin và cuối
cùng là đi đến nồi hơi.
Hiện tượng sóng nhanh, do sấm sét, đảo mạch, quá áp, xuất hiện hầu
như riêng biệt trong mạng lưới, không truyền quá dây quấn máy biến áp.
Hiện tượng điện từ liên quan chủ yếu đến các cuộn dây máy biến áp, máy
phát điện và một phần mạng lưới. Hiện tượng điện cơ, đó là sự dao động của
roto, và kèm theo sự dao động năng lượng trong mạng lưới, liên quan chủ
yếu đến quán tính của roto, cuộn cản.
Thật ra, khung thời gian của các động lực khác nhau có mối quan hệ
mật thiết với nơi chúng xuất hiện trong hệ thống điện là điều rất quan trọng
Học viên: Phạm Đình Nguyện


Cao học 2012- 2014

6

đối với việc xây dựng mô hình biểu diễn các phần tử trong hệ thống. Khi di
chuyển từ trái sang phải theo sơ đồ 1.1 tương ứng với việc giảm đi tính chính
xác của mô hình biểu diễn lưới điện, tăng độ chính xác đối với mô hình biểu
diễn máy phát điện và sau đó, tiếp tục sang bên phải là phần cơ và nhiệt của

hệ thống máy phát điện.
1.1.2 Sơ lược về lịch sử nghiên cứu ổn định.
Nghin cứu đầu tiên viết về động lực học hệ thống điện bắt đầu xuất
hiện trong một hội nghị thảo luận và tạp chí kỹ thuật, cùng khoảng thời gian
đó, hệ thống điện liên kết đầu tiên đã được xây dựng. Vì hệ thống điện kết
nối phát triển nên các mối quan tâm đến hệ thống này cũng phát triển dần cho
đến tận khi động lực hệ thống điện trở thành một ngành khoa học theo đúng
nghĩa của nó.
Có lẽ, đóng góp lớn nhất đối với sự phát triển cơ sở lý luận về động
lực hệ thống điện chính là công trình nghiên cứu của những quốc gia có hệ
thống điện phát triển rộng lớn, đáng chú ý nhất là Mỹ, Canada và Sô Viết cũ.
Một vài tài liệu chuyên khảo đầu tiên về động lực, ổn định hệ thống
điện được xuất bản ở Anh là cuốn sách của Dahl, của Crary ( 1945 và 1947),
và một tài liệu chuyên khảo của Kimbark ( năm 1948, 1950, 1956 và tái bản
năm 1995). Tất cả những tài liệu này đều tập trung nói về hiện tượng điện cơ.
Cũng trong thời gian này, một công trình của Nga cũng được Zhdanov xuất
bản ( 1948), tài liệu này cũng chủ yếu giải thích hiện tượng cơ điện. Công
trình nghiên cứu của Zhdanov sau này được V.A. Venikov tiếp tục nghiên
cứu, ông đã xuất bản 12 cuốn sách ở Nga vào khoảng những năm 1958 đến
1985; một trong số những cuốn sách này lại một lần nữa có nói đến hiện
tượng cơ điện và được Pergamon Press xuất bản ở nước Anh. Một phiên bán
khác mở rộng và sửa đổi từ cuốn sách này đã được xuất bản ở Nga năm 1978
và sau đó 1 năm bản này được dịch sang Tiếng Anh (Venikov 1978). Cuốn
Học viên: Phạm Đình Nguyện


Cao học 2012- 2014

7

sách của Venikov có đặc điểm chính là đi sâu vào việc giải thích tính chất
vật lý của động lực học.
Một trong những tài liệu đầu tiên đóng góp vào việc mô tả tổng quát
động lực hệ thống điện là cuốn sách của tác giả người Đức Rudenburg
( 1923). Sau này cuốn sách này được dịch sang nhiều ngôn ngữ khác nhau,
trong đó có bản dịch tiếng Anh xuất hiện vào những năm 1950. Những tài
liệu cũng quan trọng khác đã có những tổng quan chung về động lực hệ thống
điện, đó là sách của các tác giả Yao-nan Yu (1983) Racz và Boskay(1988) và
Kundur (1994). Trong tài liệu bao quát của tác giả Kundur có một bài tổng
quan xuất sắc về xây dựng mô hình và phân tích hệ thống điện, và lập thành
tài liệu chuyên khảo cơ bản về động lực hệ thống điện. Hiện tượng điện từ
nhanh, như sóng hay dao động tạm thời, là những mô tả của tác giả
Greenwood ( 1971).
Từ những năm 1940 – 1960, động lực của hệ thống điện được nghiên cứu
tổng quát sử dụng mô hình vật lý ( tương tự). Tuy nhiên sự phát triển nhanh
chóng của công nghệ máy tính đã mang đến một sự phát triển vượt bậc trong
mô hình toán học của hệ thống điện, dựa trên tài liệu chuyên khảo chính về
đề tài này của các tác giả Pai ( 1981 và 1989), Foaad và Vittal (1992),
Murthy ( năm 1994).
Mặt khác nghiên cứu tính ổn định dự trên sử dụng mô hình,vì hệ thống
điện đương thời quá lớn, nên việc phân tích hệ thống điện thông thường
không thể làm thành một mô hình hệ thống hoàn chỉnh, chi tiết. Việc xây
dựng mô hình cho cả một hệ thống lớn nảy sinh một số vấn đề từ những
nguyên nhân chủ yếu sau đây:
• Giới hạn thực tế về kích thước của bộ nhớ máy tính.
Học viên: Phạm Đình Nguyện


Cao học 2012- 2014

8

• Thời gian tính toán quá mức mà hệ thống điện lớn đòi hỏi, đặc biệt là
khi chạy mô phỏng quá trình quá độ.
• Các bộ phận nằm xa điểm nhiễu động thường ít chịu ảnh hưởng
do đó việc xây dựng mô hình về chúng không cần thiết phải quá
chính xác.
• Thông thường các bộ phận trong hệ thống được kết nối với nhau và
mỗi bộ phận có vai trò khác nhau, mỗi bộ phận có một trung tâm
điều khiển riêng. để xây dựng mô hình điều khiển chung rất phức tạp
khó thực hiện.
• Ở một số nước, các Công ty điện lực chi tiết về hoạt động kinh doanh
của họ. Điều này có nghĩa là các dữ liệu quan trọng đối với toàn bộ
hệ thống là không có sẵn.
• Giả sử rằng toàn bộ các dữ liệu đầy đủ về hệ thống là có sẵn thì việc
lưu trữ các cơ sở dữ liệu liên quan là cực kỳ khó khăn và tốn kém.
Để tránh toàn bộ các vấn đề trên đây thì chỉ có một bộ phận của hệ
thống có tên là “ hệ thống trong” được xây dựng mô hình chi tiết. Phần còn
lại của hệ thống có tên là “ hệ thống ngoài” được thể hiện bằng một mô hình
đơn giản gọi chung là “ hệ thống tương đương”
1.1.3 Phạm vi nghiên cứu và y nghĩa của đề tài.
Ở Việt Nam, trong những năm qua, sự hội nhập về kinh tế dẫn tới nhu
cầu điện năng là rất lớn, xuất hiện nhiều nhà máy điện làm cho việc vận hành
hệ thống điện trở nên phức tạp hơn, đặc biệt là vấn đề về đồng bộ cũng như
tính ổn định của hệ thống. Trong quá trình vận hành nhiễu loạn lớn gây ra
quá trình quá độ có thể dẫn đến mất đồng bộ cho các máy phát điện. Vì vậy
vấn đề về ổn định góc hệ thống điện cần được xem xét, từ đó rút ra kết luận
Học viên: Phạm Đình Nguyện

Cao học 2012- 2014

9

cũng như biện pháp nhằm giảm thiểu ảnh hưởng bất lợi của các nhiễu loạn
cũng như quá trình quá độ khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện.
Với những lý do nêu trên, việc nghiên cứu ổn quá độ của HTĐ là rất
cần thiết trong thực tế hiện nay, vì vậy tác giả chọn đ ề t à i luận v ă n
thạc sĩ kỹ thuật là “Tính toán ổn định quá độ của hệ thống nhiều máy”.
1.2

Giới thiệu về máy phát điện đồng bộ

1.2.1 Khái niệm và định nghĩa cơ bản.
Những máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto (n) bằng đúng tốc độ quay
của từ trường stato n1 gọi là máy điện đồng bộ. Ở chế độ xác lập, máy điện
đồng bộ có tốc độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay đổi.
Chế độ Máy phát:
Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của lưới điện quốc gia, trong đó
động cơ sơ cấp là các tua bin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước. Ở các lưới
điện công suất nhỏ, máy phát điện đồng bộ được kéo bởi các động cơ điêzen
hoặc xăng, có thể làm việc đơn lẻ hoặc hai ba máy làm việc song song .
Chế độ động cơ:
Động cơ đồng bộ công suất lớn được sử dụng trong công nghiệp luyện kim,
khai thác mỏ, thiết bị lạnh, truyền động các máy bơm, nén khí, quạt gió .v.v.
Động cơ đồng bộ công suất nhỏ được sử dụng trong các thiết bị như đồng hồ
điện, dụng cụ tự ghi, thiết bị lập chương trình, máy bù đồng bộ.
Cấu tạo máy điện đồng bộ gồm hai bộ phận chính là stato và rôto. Stato là
phần tĩnh (còn gọi là phần ứng ), rôto là phần quay (còn gọi là phần cảm ).
Phân tĩnh : Stato của máy điện đồng bộ giống như stato của máy điện không

đồng bộ. Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh
bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. lõi thép
Học viên: Phạm Đình Nguyện


Cao học 2012- 2014

10

được ép vào trong vỏ máy. Dây quấn stato làm bằng dây dẫn điện được bọc
cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh của lõi thép.
Phần quay: Rô to Máy điện đồng bộ bao gồm lõi thép, cực từ và dây quấn
kích từ. Dây quấn kích từ được cấp bởi nguồn điện một chiều để tạo ra từ
trường cho Máy.
Hai đầu của dây quấn kích từ nối với hai vòng trượt đặt ở đầu trục, thông qua
hai chổi than để nối với nguồn 1 chiều.
Có hai loại: rôto cực từ ẩn và rôto cực lồi
- Rôto cực lồi: Dùng ở Máy có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực. Rôto cực
lồi dây quấn kích từ quấn xung quanh thân cực từ
- Rôto cực ẩn: Thường dùng ở Máy có tốc độ cao 3000v/ph có Một đôi
cực. Rôto cực ẩn dây quấn kích từ được đặt ẩn trong các rãnh.
1.2.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ.
Cho dòng điện kích từ

(dòng điện không đổi) vào dây quấn kích từ và

không có dòng điện chạy trên stato ( chế độ không tải) . Khi quay roto bằng
động cơ sơ cấp thì từ thông của cực từ roto
quấn stato cảm ứng ra sức điện động

(do

sinh ra) cắt qua dây

chậm pha so với nó một góc

có tần số sức sức điện động cảm ứng là =

và

( n là tốc độ quay của roto, p

là số đôi cực của máy), rô to trở thành nam châm điện. Sức điện động cảm
ứng xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng E0=4,44fiWkdq

. Trong đó W

là số vòng dây của mỗi pha dây quấn phần ứng, kdq là hệ số dây quấn,

là

từ thông trong khe hở dưới một cực từ. Dây quấn ba pha stato đặt lệch nhau
trong không gian góc 1200 điện, cho nên sức điện động các pha lệch nhau góc
pha 1200
Học viên: Phạm Đình Nguyện


Cao học 2012- 2014

11

Trong dây quấn stato xuất hiện nguồn điện ba pha đối xứng. Khi dây quấn
stato nối với tải, trong các dây quấn có dòng điện ba pha:
iA = Imax sin t
iB = Imaxsin( t – 1200)
iC = Imaxsin( t – 2400)
trong đó t góc pha ban đầu của sức điện động.
Dòng điện ba pha được tạo ra giống như ở máy điện không đồng bộ sẽ tạo
nên từ trường quay, với tốc độ là n1 = 60fi/p (n = 60fi/p =n1), đúng bằng tốc
độ quay n của rôto. Do đó máy điện này gọi là máy điện đồng bộ, tác dụng
tương hỗ giữa từ trường stato tạo ra lực tác dụng lên roto, vì từ trường của
stato quay với tốc độ n1 nên lực tác dụng ây kéo ro to quay với tóc độ n = n1.
Sức điện động sinh ra các dòng điện chạy trong cuộn dây stator và phụ thuộc
vào tốc độ của rotor. Tần số dòng điện của stator đồng bộ với tốc độ roto.
Khi hai hoặc nhiều máy đồng bộ được kết nối, các staor và dòng của
tất cả các máy phải có cùng tần số và tốc độ rotor của mỗi bên được đồng bộ
hóa. Do đó vòng quay của máy đồng bộ kết nối phải được đồng bộ với nhau.
Việc bố trí vật lý (phân bố không gian) của cuộn dây phần ứng stato
lệch nhau 1200 làm từ trường quay ổn định, quay cùng tốc độ các roto. Các
trường stator và rotor phản ứng với nhau và một kết quả mômen điện từ co xu
hướng kéo đồng bộ. Để duy trì mô - men điện đầu ra của máy phát, chỉ điều
chỉnh mô-men cơ của turbin.
1.3 Dao động của roto máy phát điện và bài toán nghiên cứu ổn
định góc quá độ.
1.3.1 Mối quan hệ giữ vị trí góc và tốc độ quay của máy đồng bộ.
Học viên: Phạm Đình Nguyện


Cao học 2012- 2014

12

Một đặc điểm quan trọng có ảnh hưởng đến sự ổn định hệ thống điện
là mối quan hệ giữa vị trí góc và tốc độ quay của máy đồng bộ. Mối quan hệ
này là rất phi tuyến. Để minh họa điều này chúng ta hãy xem xét các hệ thống
đơn giản thể hiện trong hình 1.2 a. Nó bao gồm hai máy đồng bộ kết nối bằng
một đường dây có một điện kháng

và điện trở và điện dung không đáng

kể. Giả sử rằng máy 1 biểu diễn một máy phát điện, máy 2 biểu diễn một
động cơ đồng bộ. Công suất chuyển giao từ các máy phát điện tới động cơ là
một hàm của góc lệch

giữa góc quay của hai máy. Góc này gồm ba thành

phần: Góc trong của máy phát điện

, góc lệch giữa điện áp đầu cực máy

phát và động cơ, và các góc trong của động cơ. Hình 1.2 b cho mô hình của
hệ thống sử dụng để xác định công suất so với góc. Một mô hình đơn giản
gồm một điện áp trong đặt trước một kháng được sử dụng để đại diện cho
mỗi máy đồng bộ. Giá trị của điện kháng máy phụ thuộc vào mục đích của
nghiên cứu. Để phân tích chế độ xác lập, sử dụng các điện kháng đồng bộ với
điện áp trong bằng điện áp kích thích..
Biểu đồ vectơ được thể hiện trong hình 1.2 c. công suất máy phát điện
có quan hệ với góc (δ) được vẽ trong hình 1.2 d. Với mô hình phần nào được
lý tưởng hóa, công suất biểu diễn như một hàm sin của góc: Một mối quan hệ
rất phi tuyến. Với mô hình máy chính xác hơn bao gồm cả các tác động của

tự động điều chỉnh điện áp, quan hệ công suất với góc sẽ lệch đáng kể so với
đường hình sin:
sin ,

=

+

+

trong đó: P công suất chuyển giao từ máy phát đến động cơ,
giữa góc quay của hai máy,
của động cơ,

điện kháng của máy phát,

điện kháng của lưới kết nối,

động cơ.
Học viên: Phạm Đình Nguyện

góc lệch

là điện kháng

điện áp của máy phát và