Ứng dụng phương pháp nhận dạng hàm truyền trong hệ thống điện

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, những vấn đề đƣợc 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 các tác
giả trong và ngoài nƣớc đã đƣợc xuất bản. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có
sử dụng kết quả của ngƣời khác.
Tác giả

Bùi Văn Điệp

HVTH : Bùi Văn Điệp

1


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 1
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 2
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ........................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ......................................................................... 6
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 8
1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................... 8
2. Mục tiêu của luận văn .............................................................................................. 8
3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 9
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.......................................................................................... 9
5. Cấu trúc của luận văn ............................................................................................... 9
CHƢƠNG 1 .................................................................................................................. 11
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN .......................................... 11
1.1. Giới thiệu về ổn định hệ thống điện .................................................................... 11
1.1.1. Vấn đề dao động hệ thống điện ....................................................................... 15
1.1.2. Kiểm soát dao động hệ thống điện ................................................................. 16

1.2. Phân tích dao động công suất trong hệ thống điện ............................................. 17
1.2.1. Đặc điểm của dao động công suất trong hệ thống điện ................................... 17
1.2.2. Nâng cao ổn định dao động nhỏ của hệ thống điện với PSS ........................... 19
CHƢƠNG 2 .................................................................................................................. 27
CÁC PHƢƠNG PHÁP NHẬN DẠNG HÀM TRUYỀN ĐẠT ................................... 27
2.1. Khái quát chung về nhận dạng hệ thống ............................................................. 27
2.1.1. Khái niệm nhận dạng hệ thống ........................................................................ 27
2.1.2. Phân loại các phƣơng pháp nhận dạng ............................................................. 28
2.2. Ứng dụng phƣơng pháp nhận dạng trong hệ thống điện ..................................... 28
2.2.1. Ứng dụng quan trọng của phƣơng pháp TFI trong các hệ thống điện ............. 28

HVTH : Bùi Văn Điệp

2


2.2.2. Một số phƣơng pháp nhận dạng TFI ............................................................... 30
2.3. Công cụ nhận dạng System Identification Toolbox trong matlab ..................... 35
2.3.1. Chuẩn bị dữ liệu để nhận dạng ....................................................................... 35
2.3.2. Các loại dữ liệu cho việc mô phỏng ............................................................... 38
2.3.3. Các mô hình nhận dạng ................................................................................... 42
CHƢƠNG 3 .................................................................................................................. 49
ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP NHẬN DẠNG HÀM TRUYỀN VÀ THIẾT KẾ THAM
SỐ CHO BỘ PSS .......................................................................................................... 49
3.1. Phƣơng pháp phân tích của hệ thống điện tuyến tính ......................................... 49
3.1.1. Phân tích dao động hệ thống điện bằng mô phỏng phi tuyến .......................... 49
3.1.2. Phƣơng pháp xác định áp đặt vị trí điểm cực ................................................... 50
3.1.3. Phƣơng pháp bù pha ......................................................................................... 52
3.2. Nghiên cứu và xây dựng chƣơng trình nhận dạng hàm truyền ........................... 53
3.2.1. Sử dụng công cụ System Identification Toolbox ............................................ 53

3.2.2. Lựa chọn phƣơng pháp nhận dạng................................................................... 55
3.2.3. Xây dựng chƣơng trình nhận dạng hàm truyền ............................................... 56
3.3. Mô phỏng lƣới Kundur bằng phần mềm MATLAB /Simulink ......................... 58
3.3.1. Mô hình lƣới điện Kundur ............................................................................... 58
3.3.2. Mô phỏng mô hình lƣới dƣới dạng MATLAB/Simulink ................................ 60
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 75
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 77

HVTH : Bùi Văn Điệp

3


LỜI CẢM ƠN
u n văn th

s

thu t hu n ng nh

thu t Điện v i t n

t i

“Ứng

dụng phƣơng pháp nhận dạng hàm truyền trong hệ thống điện (Application of
ho n th nh v o th ng

transfer function identification methods in power systems)”
10 năm 2015.
T i in h n th nh
trong Viện Điện tr
th

n

ng Đ i h

nhiệt t nh

B h ho

ho S u

th
ih

tr

gi o

gi o

ng ĐHB v to n

ng nghiệp

Đ

ng

m n s gi p

i

iệt t

gi

in

t

nh nhi u th i gi n

ng i t n s u s
ng sứ tr

ti p h

t i th y TS Nguyễn Đức Huy
ng

n gi p

t

gi ho n

th nh u n văn n
T

gi

ung

ng in

p t i iệu s

Qu
t

t

gi

gi

t

ng i t n t i

th

iệu i n qu n trong qu tr nh th
ng in g i

u n qu n t m

i

trong tr

hiện nghi n ứu

m n t i nh ng ng

ng vi n v

ng ĐHB

gi p
t i

i th n trong gi

h h ệ trong su t qu tr nh h

nh
t pv

nghi n ứu
Do th i gi n
gi

nh mong
t

gi

th

h n h
h

th ho n thiện ti p t

in h n th nh

h n u n văn h ng tr nh h i nh ng thi u s t T
o mong

ng nghiệp v

n

nghi n ứu v ph t tri n

t i

m n
H

i th ng 10 năm 2015

Bùi Văn Điệp

HVTH : Bùi Văn Điệp

ng g p

4

i n


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu, chữ viết tắt

Nội dung

HTĐ

Hệ thống điện

TFI

Transfer Function Identification

PSS

Power System Stablizer

TCSC

Thyristor-Controlled Capacitor Switching

FACTS

Flexible Alternating Current Transmission

HVDC

Systems
High Voltage Direct Current

SVC

Static Var Compensator

AVR

Automatic Voltage Regulator

SSR

Subsynchronous resonance

ARMA

HVTH : Bùi Văn Điệp

Auto-Regressive Moving Average

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

H nh 1 1 Ph n o i ổn ịnh

Việt

m

12

H nh 1 2 Ph n o i ổn ịnh theo IEEE – D
Hình 1.3. C sở

thu t ho

Hình 1.4. M i qu n hệ gi
h i

PSS

i

ng su t

v

H nh 1 5 M t

ệ h t n hiệu t

H nh 1 6 C u tr

i n h nh

H nh 2 1 B ng ịnh

ng

Hình 3.1. H m tru n

h m t ổn ịnh

13

h i

19

ng s

ng su t iện m t ở s

v t n hiệu iện
m t

iệu
v ng

tr n

23

24

PSS

24

u trong te t

38

p hệ hở

51

Hình 3.2. Đ thị gi trị nghiệm ri ng

51

H nh 3 3

54

h i

H nh 3 4 D
H nh 3 5
Toolbox

o

iệu nh n

iệu nh n

ng

t qu

ph

H nh 3 6 M h nh

ng trong S stem I entifi tion Too o

54

ng ph p nh n

i un ur

nm

ng từ S stem I entifi tion

ph t

H nh 3 7 T

m

H nh 3 8 Đ p ứng

ng su t

H nh 3 9 Đ p ứng

ng su t tru n t i tr n

H nh 3 10 Đ p ứng
Hình 3.11. C ng

ng su t

hi h

i hi h

SISOTOO tổng h p

HVTH : Bùi Văn Điệp

59

ph t trong hệ th ng hi h
tổ m

i

i

60
61

i n

61

t PSS

62

ng
i

t PSS

t PSS

i u h nh

6

55

64


H nh 3 12 M h nh hệ th ng i u h nh trong matlab workspace

65

H nh 3 13 Đ p ứng ung step respone hi h

65

Hình 3.14. Qu

o nghiệm s c

i u h nh PSS

h m Gs hi i u ch nh PSS

H nh 3 15 Đ p ứng ung Step Response s u hi
H nh 3 16 Đ p ứng công su t truy n t i tr n

66

i u ch nh PSS
ng dây lên l c khi có

67

PSS.
H nh 3 17 Đ p ứng t

m

H nh 3 18 Đ p ứng t

c

ph t s u hi

i u ch nh PSS

m t ph t hi h

68

i u ch nh
71

PSS3
H nh 3 19 Đ p ứng công su t truy n t i tr n
có b

67

ng dây liên l

hi h
72

i u ch nh PSS3

H nh 3 20 Đ p ứng t

c a các máy phát khi có 2 b

i u ch nh PSS.

H nh 3 21 Đ p ứng công su t c a các máy phát khi có 2 b

i u ch nh
73

PSS.

HVTH : Bùi Văn Điệp

73

7


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống điện (HTĐ) Việt Nam đang ngày càng phát triển và hầu nhƣ tất cả các
nguồn tài nguyên năng lƣợng của đất nƣớc đã đƣợc nghiên cứu khai thác để đảm bảo
nhu cầu sử dụng điện năng phục vụ phát triển kinh tế - xã hội. Theo Quy hoạch phát
triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030 (gọi tắt là Tổng sơ đồ
VII), nƣớc ta sẽ ƣu tiên phát triển nhiệt điện than, thủy điện tích năng, điện hạt nhân và
nguồn điện sử dụng năng lƣợng tái tạo, song song với việc giảm dần tỷ trọng của thủy
điện trong cơ cấu nguồn điện từ 38% (năm 2010) xuống còn 25,5% (năm 2020) và đến
năm 2030 thì thủy điện chỉ còn chiếm 15,7% tổng công suất toàn hệ thống.
Tốc độ tăng trƣởng kinh tế của Việt Nam đạt 7 - 8 % trong 10 năm qua đã dẫn
đến sự gia tăng về nhu cầu điện năng. Tình trạng thiếu điện thƣờng xuyên đang ngày
càng ảnh hƣởng tới các ngành công nghiệp, nông nghiệp và dịch vụ trong khi còn
nhiều hộ gia đình chƣa đƣợc dùng điện. Để đáp ứng nhu cầu năng lƣợng, ƣớc tính công

suất lắp đặt là 75GW vào năm 2020 so với mức 15,8 GW vào cuối năm 2008, Chính
phủ Việt Nam đang tập trung vào phát triển các nguồn năng lƣợng điện. Cùng với nó là
việc liên kết và phát triển thêm các hệ thống lƣới mới, hiện đại hóa hệ thống điện đi
đến tự động hóa. Vì vậy, việc ổn định hệ thống điện ngày càng khó khăn và phức tạp.
Đề tài “Ứng d ng ph

ng ph p nh n d ng hàm truy n trong hệ th ng iện” không

nằm ngoài mục đích nghiên cứu nhận dạng hàm truyền là cơ sở để thiết kế, điều chỉnh
và kiểm soát sự ổn định hệ thống thông qua việc điều chỉnh PSS.
2. Mục tiêu của luận văn
Trong bản luận văn này, mục tiêu chính của luận văn là xây dựng chƣơng trình
tính toán nhận dạng hàm truyền (Transfer Function Identification). Áp dụng chƣơng
trình tính toán với các kết quả mô phỏng hệ thống điện. Sử dụng các công cụ mô phỏng
MATLAB /Simulink, công cụ nhận dạng (Identification Toolbox) của Matlab.

HVTH : Bùi Văn Điệp

8


3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu giải
thuật nhận dạng áp dụng cho các mô hình điện mẫu.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu chủ yếu đƣợc tác giả áp dụng trong quá trình thực hiện
luận văn là nghiên cứu lý luận kết hợp với thực nghiệm khoa học, tổng kết và phân tích
các số liệu thu thập đƣợc từ quá trình mô phỏng các kịch bản
Thông qua đó, hàm truyền hở của hệ thống đƣợc xác định bằng phƣơng pháp
nhận dạng hàm truyền đƣợc đề xuất. Sau đó, bộ ổn định PSS sẽ đƣợc thiết kế bằng

phƣơng pháp bù góc pha truyền thống. Sau đó, đáp ứng của hệ thống sẽ đƣợc mô
phỏng lại với bộ PSS nhằm đánh giá hiệu quả.
5. Cấu trúc của luận văn
Cấu trúc của luận văn gồm phần Mở đầu và 3 chƣơng.
Chƣơng 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
Mục đích của chƣơng này là trình bày khái quát chung về ổn định hệ thống điện
và các đặc tính cơ bản của hiện tƣợng dao động công suất, các dao động thuộc nhánh
dao động nhỏ trong hệ thống điện. Các biện pháp nâng cao ổn định dao động công suất.
Chƣơng này cung cấp các công cụ phân tích cơ bản để phân tích sự ổn định kích động
nhỏ và phƣơng pháp thiết kế điều chỉnh PSS nhằm giải quyết vấn đề dao động để hệ
thống ổn định trong chế độ xác lập.
Chƣơng 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP NHẬN DẠNG HÀM TRUYỀN ĐẠT
Giới thiệu về nhận dạng hệ thống, phân loại các phƣơng pháp nhận dạng. Các ứng
dụng của phƣơng pháp nhận dạng TFI trong hệ thống điện, giới thiệu công cụ nhận
dạng Identification toolbox, lựa chọn các phƣơng pháp nhận dạng áp dụng cho hệ
thống điện từ đó làm cơ sở cho việc lựa chọn các cách thức điều chỉnh PSS đƣợc trình
bày ở Chƣơng 3.
HVTH : Bùi Văn Điệp

9


Chƣơng 3 ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP NHẬN DẠNG HÀM TRUYỀN VÀ THIẾT
KẾ THAM SỐ CHO BỘ PSS.
Trong chƣơng này giới thiệu về các phƣơng pháp chỉnh định PSS, nhƣ phƣơng
pháp xác định áp đặt vị trí điểm cực, phƣơng pháp bù pha. Từ đó, xây dựng chƣơng
trình nhận dạng hàm truyền. Mô phỏng một số lƣới bằng phần mềm
MATLAB/Simulink, tạo cơ sở dữ liệu cho thuật toán nhận dạng. Sau đó, áp dụng thuật
giải nhận dạng hàm truyền cho một số mô hình hệ thống điện mẫu.

HVTH : Bùi Văn Điệp

10


CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. Giới thiệu về ổn định hệ thống điện
Ổn định hệ thống điện đƣợc định nghĩa là khả năng của HTĐ có thể khôi phục lại
chế độ xác lập cũ hoặc đi đến CĐXL mới chấp nhận đƣợc sau khi chịu tác động của
nhiễu loạn trong hệ thống.
Có rất nhiều tiêu chí phân loại ổn định
- Phân loại theo tác động ban đầu (Ổn định tĩnh và ổn định động)
- Phân loại theo hiện tƣợng, cơ chế dẫn đến mất ổn định (IEEE)
Với mỗi lớp bài toán ổn định, có một mô hình toán học riêng
 Theo cách phân loại của VN, ổn định tĩnh là khả năng của HTĐ trở về điểm làm
việc cân bằng sau khi có kích động nhỏ. Ổn định tĩnh có thể bao gồm hai cơ chế:
Ổn định điện áp và ổn định dao động nhỏ
 Ổn định động: theo cách hiểu thông thƣờng, ổn định động là khả năng các máy
phát duy trì đồng bộ sau khi có kích động lớn (tƣơng ứng với khái niệm
transient stability)
Cách định nghĩa của VN không có phân loại cụ thể cho ổn định dài hạn do các
quá trình của thiết bị điều áp và phụ tải (Long term voltage stability)
 Ổn định tĩnh = Ổn định kích động nhỏ = small signal stability.
 Ổn định kích động nhỏ thƣờng đƣợc hiểu là quá trình ổn định dao động công
suất. Tuy nhiên theo định nghĩa nó bao trùm cả ổn định tĩnh của điện áp.
 Ổn định động = Transient stability (góc lệch). Không dùng thuật ngữ “Transient
Voltage Stability”

HVTH : Bùi Văn Điệp

11


 Ổn định điện áp động: = Dynamic voltage stability: quá trình ổn định điện áp có
xét đến các thiết bị điều khiển

Hình 1.1. Ph n o i ổn ịnh

HVTH : Bùi Văn Điệp

12

Việt

m


Hình 1.2 Ph n o i ổn ịnh theo IEEE – D

tr n

h m t ổn ịnh

Trong thực tế ngƣời ta phân loại ổn định hệ thống điện thành hai dạng: ổn định góc
rotor và ổn định điện áp. Phân loại chi tiết của hệ thống điện ổn định đƣợc để xuất
trong [1].
Ổn định góc roto là khả năng của các máy phát điện kết nối với hệ thống điện để
duy trì trạng thái đồng bộ. Vấn đề ổn định này liên quan đến việc nghiên cứu các dao
động điện vốn có trong hệ thống điện.

Ổn định điện áp là khả năng của một hệ thống điện có thể duy trì điện áp ở mức
chấp nhận đƣợc ở tất cả các nút trong hệ thống, trong điều kiện hoạt động bình thƣờng
hoặc sau khi phải chịu đựng một sự xáo trộn.

HVTH : Bùi Văn Điệp

13


Để tiện cho việc phân tích, cũng nhƣ dựa trên bản chất của vấn đề ổn định và các
giải pháp điều khiển tƣơng ứng, ổn định góc rotor đƣợc phân thành hai loại lớn: ổn
định kích động nhỏ và ổn định quá độ [2].
Ổn định kích động nhỏ là khả năng của hệ thống điện có thể duy trì tính đồng bộ
dƣới những nhiễu loạn nhỏ. Nhiễu loạn nhƣ vậy xảy ra liên tục trong hệ thống vì các
biến động nhỏ trong các tải và máy phát. Các nhiễu loạn đƣợc coi là đủ nhỏ để tính
chất tuyến tính của đáp ứng hệ thống đƣợc đảm bảo. Ổn định dao động nhỏ đƣợc đặc
trƣng bởi các dao động công suất trong hệ thống điện. Các hiện tƣợng dao động này là
đáp ứng tự nhiên của hệ thống. Chúng luôn xảy ra khi có các kích động nhỏ nhƣ đóng
cắt tải, thay đổi trào lƣu công suất. Các dao động này chỉ trở thành vấn đề lớn nếu thời
gian tắt dần của chúng quá lâu.
Ổn định quá độ (Transient Stability) là khả năng của một hệ thống điện có thể duy
trì trạng thái đồng bộ dƣới tác động của một kích động lớn và có liên quan đến giai
đoạn quá độ. Ổn định đƣợc xác định bởi cả trạng thái hoạt động ban đầu của hệ thống
và mức độ nghiêm trọng của kích động.
Cho đến nay, nhiều nỗ lực và quan tâm liên quan đến ổn định góc roto đã đƣợc tập
trung vào sự ổn định quá độ. Hệ thống điện đƣợc thiết kế và hoạt động để đáp ứng bộ
tiêu chuẩn độ tin cậy liên quan đến sự ổn định quá độ, ví dụ nhƣ đảm bảo giá trị thời
gian cắt tới hạn không nhỏ hơn thời gian tác động của máy cắt và hệ thống bảo vệ. Tuy
nhiên, trong những năm gần đây, ổn định kích động nhỏ đã gây ra mối lo ngại ngày
càng tăng đối với nhiều nhà máy thủy điện và nhiệt điện ở Việt Nam và thế giới, và

việc phân tích sự ổn định kích động nhỏ ngày càng trở nên phổ biến rộng rãi.
Mất ổn định kích động nhỏ có thể xuất hiện dƣới 2 hình thức:[2]
 Gia tăng góc lệch Roto do thiếu mô-men đồng bộ (Synchronizing Torque)
 Tăng biên độ dao động Roto do thiếu thành phần mô men dập tắt dao động
(Damping Torque)

HVTH : Bùi Văn Điệp

14


Bản chất của vấn đề ổn định kích động nhỏ phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm
cả điều kiện vận hành ban đầu, khả năng truyền tải của các đƣờng dây và các loại điều
khiển kích từ máy phát điện đƣợc sử dụng.
1.1.1. Vấn đề dao động hệ thống điện
Các hệ thống điện phát triển đang vận hành hiện nay đang gần hơn đến chế độ
ổn định giới hạn. Đặc điểm ổn định hệ thống bị ảnh hƣởng nhiều bởi mức độ liên kết
của lƣới điện truyền tải. Việc lƣới điện và máy phát điện sử dụng liên tục điều chỉnh
điện áp đã đóng góp vào việc cải thiện sự ổn định điện áp, cũng nhƣ nâng cao ổn định
quá độ thông qua các bộ kích từ có khả năng đáp ứng nhanh.
Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, ngƣời ta đã phát hiện ra hiện tƣợng dao
động công suất, khi hệ thống điện cần truyền tải một lƣợng công suất lớn qua đƣờng
dây dài. Các nghiên cứu về vấn đề này đã đƣợc bắt đầu từ những năm 60. Cho đến nay,
bản chất của hiện tƣợng dao động công suất và cách thức điều chỉnh nâng cao ổn định
dao động đã đƣợc hiểu tƣơng đối rõ. Tuy vậy, đặc điểm chung của các dao động công
suất là chúng trở nên rõ ràng và kém tắt dần hơn khi hệ thống nặng tải. Vấn đề truyền
tải công suất cao đã trở nên phổ biến trong nhiều hệ thống, vì vậy việc tính toán phân
tích ổn định dao động đang ngày càng đƣợc đƣa vào trong quy hoạch và nghiên cứu
vận hành.
Trong hệ thống điện thực tế hiện nay, nhiều bộ điều khiển của hệ thống không

đủ khả năng dập tắt dao động, đây chính là vấn đề của sự ổn định kích động nhỏ. Vấn
đề dao động hệ thống điện có thể là ở các khu vực nhỏ hoặc toàn hệ thống [2].
Vấn đề ở khu vực liên quan đến một phần nhỏ của hệ thống. Chúng có thể liên
quan đến dao động góc roto của một máy phát điện duy nhất hoặc một nhà máy duy
nhất so với phần còn lại của hệ thống điện. Dao động đó đƣợc gọi là chế độ dao động
cục bộ (Local Area Oscillation). Các dao động này thƣờng diễn ra giữa một nhà máy
với hệ thống, hoặc giữa các tổ máy trong một nhà máy (Intra-Plant Oscillation). Thông
HVTH : Bùi Văn Điệp

15


thƣờng, chế độ nhà máy và chế độ liên nhà máy dao động cục bộ có tần số trong
khoảng 0,7-3,0 Hz.
Vấn đề ổn định kích động nhỏ toàn hệ thống gây ra bởi sự tƣơng tác giữa các nhóm
máy phát điện trên diện rộng. Chúng liên quan đến dao động của một nhóm máy phát
điện trong một khu vực dao động với một nhóm các máy phát điện trong khu vực khác.
Những dao động đó đƣợc gọi là chế độ dao động liên khu vực (Inter-Area Oscillation).
Hệ thống kết nối lớn thƣờng có hai hình thức khác nhau của các dao động liên khu vực
[2]:
a) Một chế độ tần số rất thấp liên quan đến tất cả các máy phát điện trong hệ thống.
Các hệ thống về cơ bản đƣợc chia thành hai phần, với máy phát điện trong một
phần dao động chống lại các máy trong phần khác. Tần số của chế độ dao động
trên là từ 0,1 Hz đến 0,3 Hz .
b) Chế độ tần số cao hơn liên quan đến phân nhóm của máy phát điện dao động với
nhóm máy khác. Tần số của các dao động thƣờng là trong khoảng 0,4-0,7 Hz.
1.1.2. Kiểm soát dao động hệ thống điện
Dao động hệ thống điện có nhiều chế độ của dao động do rotor máy phát điện quay
tƣơng đối với nhau. Theo lý thuyết ổn định dao động nhỏ, khi có nhiễu loạn, sự thay
đổi trong mô-men điện của một máy đồng bộ, Te , mà ảnh hƣởng đến dao động máy,

có thể đƣợc phân chia thành hai thành phần [2]:
Te  Ts   TD 

(1-1)

Trong đó:


Ts  : là thành phần momen đồng bộ



TD 

: là thành phần momen cản

HVTH : Bùi Văn Điệp

16


Các thành phần đồng bộ hóa " nắm giữ " các máy với nhau và đóng vai trò quan
trọng đối với sự ổn định quá độ của hệ thống sau những nhiễu loạn lớn. Đối với nhiễu
loạn nhỏ, các thành phần mô-men đồng bộ xác định tần số của một dao động. Các
thành phần mô-men cản làm sự suy giảm các dao động và đóng vai trò quan trọng đối
với hệ thống ổn định sau khi phục hồi từ chế độ sự cố [3].
Các thiết bị trong hệ thống điện có khả năng làm cho các dao động đƣợc dập tắt
nhanh hơn , bao gồm bộ ổn định hệ thống điện (PSS), điều chỉnh liên kết HVDC, điều
chỉnh SVC, tụ bù có điều khiển (TCSC), các thiết bị FACTS [3],… Trong việc lựa
chọn các thiết bị và biện pháp điều khiển đƣợc áp dụng để giảm thiểu dao động hệ

thống điện, lúc đầu ta nên xem xét cẩn thận việc sử dụng điều chỉnh PSS trên các đơn
vị phát điện chính bị ảnh hƣởng do sự dao động. Đó là vì tính hiệu quả và chi phí
tƣơng đối thấp của PSS. Các thiết bị khác nhƣ HVDC, SVC và FACTS cũng có khả
năng kiểm soát và điều khiển dập tắt dao động, tuy nhiên chúng đƣợc cài đặt chủ yếu
trên cơ sở cân nhắc chế độ khác nhƣ cải thiện chế độ xác lập, không chỉ sử dụng cho
giảm dao động hệ thống [3].
1.2. Phân tích dao động công suất trong hệ thống điện
1.2.1. Đặc điểm của dao động công suất trong hệ thống điện
a) D o

ng c c b ho

o

ng m t hệ th ng máy phát (Local, Intraplant)

Các chế độ có liên quan đến dao động của tổ máy phát tại một nhà máy điện đối
với với phần còn lại của hệ thống điện. Thuật ngữ cục bộ đƣợc sử dụng bởi vì các dao
động xuất hiện tại một trạm hoặc một phần nhỏ của hệ thống điện. Vấn đề chế độ dao
động cục bộ thƣờng gặp nhất trong số các chế độ dao động. Một số vấn đề là do tác
động của tự động điều chỉnh điện áp (AVR) của các nhà máy điện đang phát ra một
lƣợng lớn công suất vào các mạng lƣới truyền tải yếu. Vấn đề đƣợc quan sát rõ hơn với
một hệ thống kích từ phản ứng nhanh [2]. Một số yếu tố khác có thể ảnh hƣởng xấu

HVTH : Bùi Văn Điệp

17


đến dao động cục bộ có thể do điều chỉnh không chính xác của bộ điều khiển, chẳng

hạn nhƣ PSS. Các dao động cục bộ thƣờng có tần số tự nhiên trong khoảng 0,7-3,0 Hz.
b) D o

ng liên khu v c (Inter-Area)

Các chế độ có liên quan đến dao động của nhiều máy trong một phần của hệ
thống chống lại các máy trong các bộ phận khác. Chúng đƣợc gây ra bởi hai hay nhiều
nhóm máy cùng đƣợc kết nối với nhau bởi các “liên kết” yếu [2]. Tần số tự nhiên của
các dao động thƣờng là trong khoảng 0,1-1,0 Hz. Các đặc tính của chế độ dao động
liên khu vực rất phức tạp và có một số điểm khác biệt đáng kể so với chế độ cục bộ [3].
c) D o

ng i u khi n
Các chế độ này đƣợc sinh ra trong các thiết bị điều khiển nhƣ điều khiển SVC,

PSS, v.v. Trong một vài trƣờng hợp, các dao động này sẽ kích động các phần tử chính
của hệ thống, tạo nên các dao động mất ổn định [2].
d) D o

ng xo n

Các chế độ này đƣợc kết hợp với hệ thống các thành phần trục quay tuabin máy phát điện. Bất ổn định của chế độ xoắn có thể đƣợc gây ra bởi sự tƣơng tác với điều
chỉnh kích từ, bộ điều tốc, điều khiển HVDC và hàng loạt các tụ bù đƣờng dây.
Trong số các loại dao động hệ thống điện, thông thƣờng chế độ liên khu vực là
loại thách thức lớn nhất hiện nay. Điều khiển ở chế độ liên khu vực là một quá trình
phức tạp kết hợp của nhiều yếu tố. Không chỉ là vị trí của đơn vị, mà còn đặc tính của
tải, các trƣờng hợp đặc biệt, có ảnh hƣởng lớn đến sự ổn định của chế độ liên khu vực.
Hệ thống kích từ và hệ thống điều chỉnh tốc độ cũng có tác động đến chế độ liên khu
vực.

HVTH : Bùi Văn Điệp

18


1.2.2. Nâng cao ổn định dao động nhỏ của hệ thống điện với PSS
Để giảm thiểu dao động hệ thống điện, có thể sử dụng PSS nhƣ một bộ điều
khiển giảm dao động là giải pháp kinh tế hơn việc thêm vào một bộ điều khiển điều chế
hoặc các thiết bị bổ sung nhƣ SVC, HVDC hoặc FACTS. Kể từ khi giới thiệu lần đầu
tiên, PSS đã chứng tỏ là một giải pháp rất hấp dẫn và thƣờng đƣợc chấp nhận trong vấn
đề dao động điện.
Các chức năng cơ bản của PSS là thêm vào hệ thống AVR một kênh điều khiển
phụ để giảm các dao động của Roto máy phát điện. Để hỗ trợ cho việc giảm dao động,
các bộ ổn định phải tạo ra một thành phần của mô-men điện đồng pha với độ lệch tốc
độ rotor [2]. Cơ sở lý thuyết cho bộ PSS có thể đƣợc minh họa với sự trợ giúp của khối
sơ đồ thể hiện trong (Hình 1.3).

Hình 1.3. C sở

thu t ho

PSS

i

ng s

h i

PSS cung cấp một tín hiệu đầu vào bổ sung cho AVR để giảm dao động hệ thống

điện. Thông thƣờng, PSS sử dụng tín hiệu đầu vào là tốc độ quay rotor, tần số và công
suất đầu ra máy phát. Vì mục đích của một PSS là để tạo ra một thành phần giảm mômen dao động, tín hiệu này cần phải đồng pha với  , việc sử dụng độ lệch  làm
tín hiệu đầu vào là giải pháp thông dụng nhất.

HVTH : Bùi Văn Điệp

19


Trong trƣờng hợp lý tƣởng, PSS sẽ cho hiệu ứng giảm dao động trong toàn bộ
dải tần số [2]. Tất nhiên để đạt đƣợc đặc tính pha nhƣ vậy, hàm truyền của PSS cần có
bậc rất cao. Vì vậy trên thực tế, PSS thƣờng đƣợc chỉnh định để bù pha hiệu quả ở
khoảng tần số có xảy ra dao động.
)Đ

i m v ph n o i PSS

PSS có thể đƣợc phân thành bốn loại sau đây theo các tín hiệu đầu vào khác nhau.
 Đầu vào tốc độ
PSS dựa trên tín hiệu tốc độ đầu trục đã đƣợc sử dụng thành công trên các thiết
bị thủy lực kể từ giữa những năm 1960. Tuy nhiên, tốc độ đầu vào PSS có những hạn
chế [6] :
1. Ổn định tốc độ đầu vào, một mặt làm giảm dao động điện cơ, nhƣng mặt khác
có thể kích động các dao động xoắn trên trục tuabin (ở tần số trên 10Hz). Nhƣ
vậy, cần thiết kế PSS sao cho dao động xoắn không thể đƣợc kích thích. Thông
thƣờng, ngƣời ta có thể sử dụng thêm các bộ lọc để loại thành phần dao động
xoắn khỏi tín hiệu tốc độ, trƣớc khi đƣa vào PSS.
2. Việc sử dụng các bộ lọc xoắn luôn luôn sinh ra một sự trễ pha trong quỹ đạo ổn
định. Điều này có tác dụng giảm giá trị tối đa có thể sử dụng khuếch đại ổn
định.

3. Các bộ ổn định phải đƣợc tùy chỉnh thiết kế cho từng loại máy phát tùy thuộc
vào đặc điểm xoắn của chúng [2] .
 Đầu vào công suất
Bộ PSS sử dụng đầu vào công suất đƣợc thiết kế dựa trên đặc điểm của phƣơng
trình chuyển động quay rotor, có dạng sau:
(

HVTH : Bùi Văn Điệp

)

(

20

)


-

eq :là độ lệch tốc độ ban đầu hoặc tƣơng đƣơng

-

Pa : là công suất tăng thêm,

-

H : là hắng số quán tính của máy phát,

-

Pm: là công suất cơ

-

Pe: là cống suất điện.
Nhƣ vậy, theo phƣơng trình (1-2) , khi đầu vào của PSS là công suất, Pe hoặc

Pa , nó cần phải đƣợc chuyển đổi thành một tốc độ đầu vào tƣơng đƣơng eq bằng

cách sử dụng một phép tích phân. Trong một số trƣờng hợp, bộ tích hợp có thể đƣợc
thay thế bằng một khối lag với hàm truyền nhƣ sau:
Tw
1  sTw

(1-3)

sTw 1
.
1  sTw s

(1-4)

F ( s) 

Viết lại phƣơng trình trên nhƣ sau:
F ( s) 

Nhƣ vậy, tác động của khối này tƣơng đƣơng một khâu tích phân, kết hợp với

một bộ lọc thông cao, loại các thành phần DC ra khỏi đầu vào của PSS.
Ổn định công suất đầu vào không gây ra sự bất ổn định của chế độ xoắn. Tuy nhiên,
một vấn đề lớn với việc sử dụng công suất điện làm đầu vào, đó là giá trị ổn định của
công suất điện luôn thay đổi, tùy thuộc chế độ vận hành của máy phát. Việc đƣa thêm
bộ lọc thông cao để loại trừ các thay đổi trong chế độ xác lập của công suất sẽ làm
giảm hiệu quả của mạch PSS. Mặt khác, khi công suất phát có sự thay đổi lớn, có thể
làm cho PSS bị bão hòa trong thời gian ngắn.
 Đầu vào tần số [5]

HVTH : Bùi Văn Điệp

21


Độ lệch tần số nút có thể đƣợc sử dụng trực tiếp nhƣ là tín hiệu đầu vào của ổn định
bởi vì nó gần với độ lệch tốc độ rotor. Mặc dù đƣợc ứng dụng rộng rãi, ổn định dựa
trên tần số vẫn bị một số hạn chế:
1. Tín hiệu tần số đo tại các đầu của các tổ máy nhiệt điện chứa các thành phần
xoắn. Về mặt này, ổn định dựa trên tần số có những hạn chế tƣơng tự là ổn định
tốc độ đầu vào.
2. Các tác động đóng cắt trong hệ thống tạo nên các đáp ứng quá độ về tần số, và
sẽ đƣợc thể hiện ra trong đáp ứng của bộ PSS.
3. Các tín hiệu tần số thƣờng có cả các nhiễu trong hệ thống điện gây ra bởi các
phụ tải công nghiệp lớn nhƣ lò hồ quang.
4. Đầu vào tần số nhìn chung chứa ít thông tin về các dao động cục bộ hơn đầu vào
tốc độ. Đặc điểm này là do tần số của hệ thống điện thƣờng mang tính toàn hệ
thống.
 Đầu vào P/
Để khắc phục những vấn đề trên ngƣời ta sử dụng một tín hiệu đầu vào duy nhất
với bộ PSS, một khởi đầu P/ PSS sử dụng tín hiệu đầu vào kép – công suất điện và

tốc độ đã đƣợc đề xuất.
Nguyên tắc ổn định này đƣợc minh họa bằng các mối quan hệ cơ bản giữa công
suất cơ, công suất điện, công suất gia tốc và tốc độ của mỗi máy phát, đƣợc thể hiện
trong (Hình 1.4).

HVTH : Bùi Văn Điệp

22


Hình 1 4 M i qu n hệ gi

ng su t

v

ng su t iện m t ở s

h i

Hoạt động của bộ ổn định này dựa trên việc áp dụng sự biến đổi tín hiệu đo đến
một tín hiệu công suất điện và tốc độ đầu vào để chúng có thể kết hợp và lấy đƣợc một
tín hiệu tỉ lệ với công suất cơ của đơn vị, đƣợc thể hiện trong phƣơng trình sau.
1
1
.Pm   
.Pe
2 Hs
2 Hs

(1-5)

Thông thƣờng, sự thay đổi công suất cơ là khá chậm so với dao động điện.
Chính vì điều này công suất cơ có nguồn gốc tín hiệu từ phƣơng trình (1-5) có thể đƣợc
giới hạn trong 1 dải sử dụng một bộ lọc thông thấp qua G(s) mà không ảnh hƣởng đến
trạng thái của tín hiệu đầu ra của nó cho các biến động bình thƣờng. Lọc nhƣ vậy để
phục vụ việc loại bỏ các tần số cao hơn không mong muốn liên quan đến nhiễu đo
lƣờng hoặc tần số dao động xoắn từ tín hiệu tốc độ đầu vào  . Do đó, tốc độ trục
đầu vào tín hiệu không cần phải đƣợc xử lý một cách riêng biệt để loại bỏ các thành
phần xoắn, vì nó đã đi qua một bộ lọc thông thấp G(s), khi tín hiệu đƣợc kết hợp với
các tín hiệu điện đƣợc tích hợp

1
.Pe , nó vẫn tạo một tín hiệu công suất gia tốc,
2 Hs

tƣơng đƣơng eq . Sơ đồ khối chung của PSS sử dụng P/ đƣợc minh họa trên
(Hình 1.5).

HVTH : Bùi Văn Điệp

23


Hình 1 5 M t

ệ h t n hiệu t

v t n hiệu iện

Cấu trúc điển hình của một PSS thƣờng đƣợc thể hiện trong (Hình 1.6). Nó chủ
yếu bao gồm một khâu “washout”, khâu khuếch đại, khâu giới hạn, và hai hoặc ba giai
đoạn của khâu bù, bình thƣờng trong các hình thức đầu tiên là lead/lag. PSS sử dụng
chức năng lead/lag để cung cấp yêu cầu về bù pha. Đầu ra của PSS đƣợc thêm vào đầu
vào AVR để tổng hợp tín hiệu. Khối lọc không phải lúc nào cũng là cần thiết.

Hình 1 6 C u tr

i n h nh

m t

PSS

Dựa trên cấu trúc của PSS thƣờng, có một số cân nhắc chung để xác định tham số PSS
để tăng cƣờng sự ổn định chung của hệ thống điện.

HVTH : Bùi Văn Điệp

24


 Bù pha:
Yêu cầu bù sớm pha (phase-lead) của PSS là để bù đắp sự trễ pha giữa đầu vào
kích từ và đáp ứng mô-men điện. Đây là khâu quan trọng nhất trong hàm truyền của bộ
PSS, vì góc pha cần bù phải đƣợc xác định một cách hợp lý, đảm bảo PSS làm việc tin
cậy với nhiều chế độ vận hành khác nhau.
PSS thƣờng đƣợc yêu cầu để nâng cao việc giảm dao động của một trong hai chế độ
dao động cục bộ hoặc liên khu vực. Bù pha làm góp phần giảm dao động của cả hai
chế độ dao động.

Đặc tính bù pha thu đƣợc từ nhận dạng đáp ứng tần số của máy phát, khi có các
kích động từ tín hiệu đặt của điện áp Vref. Do cấu trúc và số bậc là hữu hạn, không thể
thực hiện đƣợc bù pha một cách tuyệt đối. Ngƣời thiết kế có thể lựa chọn bù pha thiếu
(tạo ra góc sớm pha nhỏ hơn cần thiết) hoặc bù pha thừa. Theo tài liệu tham khảo [2],
việc bù pha thiếu thƣờng đƣợc sử dụng, vì bên cạnh nâng cao ổn định của các dao
động, bù pha thiếu còn có tác dụng nâng cao mô men đồng bộ của hệ thống ở một mức
độ nhất định.
 Khối vào “washout”:
Việc thực hiện vật lý của khối “washout” đƣợc đặc trƣng bởi các chức năng thể
hiện trong các hình thức sau đây
F ( s) 

sTw
1  sTw

Mục đích của khối này là để lọc các thành phần DC để loại bỏ độ lệch trạng thái
ổn định của đầu ra PSS. Thông thƣờng nó là một bộ lọc thông cao. Giá trị của Tw có
thể đƣợc điều chỉnh trong phạm vi tƣơng đối rộng (từ 2-10s).

HVTH : Bùi Văn Điệp

25