Một phương pháp nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện sử dụng đồng thời bộ ổn định công suất(PSS) và thiết bị bù ngang tĩnh (SVC)

Phạm Thị Hồng Anh

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

99(11): 3 - 8

MỘT PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR MÁY PHÁT ĐIỆN
SỬ DỤNG ĐỒNG THỜI BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT(PSS)
VÀ THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH (SVC)
Phạm Thị Hồng Anh*
Trường Đại học Công nghệ Thông tin &Truyền thông – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT
Sự mất ổn định của hệ thống điện (HTĐ) thường do phụ tải của hệ thống thay đổi, công suất làm
việc của máy phát cần thay đổi theo. Do có sụt áp trên điện kháng trong, điện áp đầu cực máy phát
bị biến thiên, lệch khỏi trị số định mức. Nếu không có biện pháp điều chỉnh, độ lệch sẽ rất đáng kể
ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.
Để đảm bảo cho hệ thống làm việc tốt thì cần phải loại bỏ được hoặc làm suy giảm tới mức tối
thiểu những nhiễu loạn trên hệ thống. Mất ổn định góc rotor máy phát điện đã được xem như là
một trong những nguyên nhân chính dẫn đến một số sự cố tan rã HTĐ gần đây. Đứng trên quan
điểm phòng ngừa sự cố mất ổn định góc rotor máy phát điện, cần phải nâng cao hệ thống điều
khiển bằng cách lắp đặt thêm các thiết bị cản hay thêm các mô men cản khi có dao động công suất
như: các thiết bị ổn định công suất ở các máy phát điện (power system stabilizers-PSS) hoặc các
thiết bị bù thông minh (Flexible AC Transmission Systems-FACTS)… Bài báo đề xuất sử dụng
đồng thời bộ ổn định công suất (PSS) và thiết bị bù ngang SVC cho mục đích này.
Từ khóa: PSS, SVC, ổn định hệ thống điện, PSS/E, máy phát điện

ĐẶT VẤN ĐỀ*
Các hệ thống điện (HTĐ) nói chung và HTĐ
Việt Nam đang phải đối mặt với nhiều thách
thức như: sự tăng lên quá nhanh của nhu cầu

phụ tải, cạn kiệt về tài nguyên thiên nhiên như
than đá, dầu mỏ… (kể cả tiềm năng về nguồn
thủy điện). Tất cả các yếu tố này làm cho
HTĐ ngày càng trở lên rộng lớn về qui mô,
khó khăn trong quản lý, vận hành và phối hợp
điều khiển. Chính vì vậy mà một số HTĐ có thể
đang được vận hành gần với giới hạn ổn định.
HTĐ trở lên “nhạy cảm” với các sự cố có thể
xảy ra và có thể dẫn đến mất ổn định. Trong
đó có rất nhiều sự cố liên quan trực tiếp đến
hiện tượng mất ổn định góc rotor máy phát
điện. Chính vì vậy mà việc nghiên cứu về
nâng cao ổn định HTĐ là một nhu cầu cấp
thiết đối với HTĐ nói chung và HTĐ Việt
Nam nói riêng [1], [2], [3].
Sự cố mất ổn định góc rotor máy phát điện đã
được xem như là một trong những nguyên
nhân chính dẫn đến một số sự cố tan rã HTĐ
gần đây. Đứng trên quan điểm phòng ngừa sự
cố mất ổn định góc rotor máy phát điện, cần
phải nâng cao hệ thống điều khiển bằng cách
*

Tel: 0985 504561, Email:

lắp đặt thêm các thiết bị cản hay thêm các mô
men cản khi có dao động công suất như: các
thiết bị ổn định công suất ở các máy phát điện
(power system stabilizers-PSS) hoặc các thiết
bị bù thông minh (Flexible AC Transmission

Systems-FACTS)…Trong đó thiết bị PSS,
SVC đã được chứng minh là có tác dụng rất
lớn trong việc nâng cao ổn định góc rotor.
Trong thực tế, HTĐ thường là rộng lớn, với
nhiều đường dây liên lạc trong khi số lượng
các thiết bị điều khiển thì thường hạn chế về
số lượng vì lý do kinh tế và kỹ thuật, do đó
một vấn đề đặt ra là phải lựa chọn thiết bị tối
ưu để nâng cao ổn định. Do vậy, bài báo đề
cập đến vấn đề sử dụng đồng thời bộ ổn định
công suất PSS và thiết bị bù ngang tĩnh SVC
nhằm nâng cao khả năng ổn định góc rotor
máy phát điện.
ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ GÓC ROTO

Hình 1: Góc rotor phản ứng với một nhiễu loạn
thoáng qua

3


Phạm Thị Hồng Anh

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

Ổn định góc rotor IEEE/CIGR: liên quan đến
khả năng của các máy phát điện (MPĐ) đồng
bộ trong một HTĐ liên kết vẫn còn giữ được
sự đồng bộ hóa sau khi trải qua các kích động
có thể xảy ra trong HTĐ. Nó liên quan đến

khả năng duy trì, phục hồi sự cân bằng giữa
mô men điện từ và mô men cơ khí của mỗi
máy phát điện đồng bộ trong HTĐ. Sự mất ổn
định có thể xảy ra khi có sự tăng lên của góc
rotor của một số MPĐ dẫn đến sự mất đồng
bộ hóa so với các MPĐ khác trong HTĐ. Ổn
định góc có thể được phân loại thành 2 loại:
ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ (small signal
stability), và ổn định góc khi quá độ (transient
stability).
THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT –
POWER SYSTEM STABILIZER (PSS)
Mô hình thiết bị

Hình 2: Sơ đồ điển hình về hệ thống kích từ

Mô hình ví dụ về PSS được Kundur mô tả như
hình vẽ.

99(11): 3 - 8

không thay đổi. Không có nó những thay đổi
ổn định về tốc độ sẽ dẫn đến thay đổi điện áp
đầu cuối.
- Khối khuếch đại ổn định (stabilizer gain 3)
KSTAB để khuếch đại tín hiệu, và xác định
giá trị của các momen cản được đưa vào bởi
hệ thống kích từ chính. Lý tưởng khối khuếch
đại thiết lập tại một giá trị tương ứng với giá
trị cản lớn nhất.

Sử dụng PSS để nâng cao ổn định
Chức năng của thiết bị PSS là thêm momen
cản để giảm dao động của rotor máy phát
điện. Điều này đạt được bằng cách điều chỉnh
kích thích máy phát điện để cải thiện một
thành phần của mô- men điện đồng pha với
độ lệch tốc độ rotor. Tốc độ trục rotor, tích
phân công suất và tần số cuối một trong các
tín hiệu đầu vào thường được sử dụng để đưa
vào PSS.
THIẾT BỊ SVC
SVC là thiết bị bù ngang dùng để tiêu thụ
công suất phản kháng có thể điều chỉnh bằng
cách tăng hay giảm góc mở của thyristor,
được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản:
- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt
công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu
thụ công suất phản kháng tùy theo chế độ
vận hành).
- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị
điện tử như thyristor hoặc tri ác có cực điều
khiển, hệ thống điều khiển góc mở dùng các
bộ vi điều khiển như 8051, PIC 16f877,
VAR...

Hình 3: Sơ đồ một hệ thống kích từ đơn giản với
thiết bị AVR và PSS

Trong đó PSS gồm 3 khối sau:
- Khối bù pha (phase compensation 5): cung

cấp đặc tính sớm pha tương thích để bù sự trễ
pha giữa đầu vào bộ kích từ và mô men điện
từ máy phát (khe hở không khí).
- Khối lọc cao tần (signal washout 4) với hằng
số thời gian TW đủ lớn để cho phép tín hiệu
ghép nối với dao động trong bộ lọc cao tần
4

Hình 4: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị SVC

Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải
của đường dây một cách đáng kể mà không
cần dùng đến những phương tiện điều khiển
đặc biệt và phức tạp trong vận hành. Các chức
năng chính của SVC bao gồm:


Phạm Thị Hồng Anh

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

- Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể
cố định giá trị điện áp.
- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng
tại nút được bù.
- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện
áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch...)
trong HTĐ.
- Tăng cường tính ổn định của HTĐ
- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự

cố trong HTĐ như ngắn mạch, mất tải đột
ngột... Ngoài ra, SVC còn có các chức năng
phụ đem lại hiệu quả khá tốt trong quá trình
vận hành HTĐ như:
- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh
- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây
- Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả
năng vận hành của đường dây
- Giảm tổn thất công suất ra và điện năng.
MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN
Để mô phỏng ứng dụng của PSS và SVC
trong việc nâng cao ổn định góc rotor với ổn
định quá độ, trong phần này tác giả giới thiệu
mô hình hệ thống điện chuẩn theo Kundur
như hình 5.
Trong mô hình này, hệ thống ba pha 50 Hz,
230 kV chỉ thể hiện một pha như hình vẽ, bao
gồm 4 máy phát điện có công suất 900MVA
và điện áp 20kV, được chia thành hai hệ
thống điện con nối với nhau thông qua đường
dây tải điện kép có chiều dài 220km.
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG HTĐ
Qua tính toán và phân tích quá trình ổn định
góc rotor cho HTĐ chuẩn theo IEEE. Chương
trình PSS/E [6] được dùng để mô phỏng động
hệ thống điện. Các thông số của HTĐ chuẩn
Kundur bao gồm các thông số trào lưu công
suất, thông số động của các MPĐ cũng như
hệ thống kích từ, điện áp tại thanh cái cũng
được mô phỏng.

Như đã phân tích ổn định quá độ ta thấy
nguyên nhân chính của mất ổn định góc roror
máy phát điện liên quan trực tiếp đến hiện
tượng thiếu mô men cản dao động trong
HTĐ, và dao động công suất. Vì vậy, để giảm
nguy cơ mất ổn định thì cần phải có thêm các
thiết bị cung cấp mô men cản dao động và

99(11): 3 - 8

thiết bị chống dao động công suất vào HTĐ.
Ở đây ta xét đồng thời ảnh hưởng của thiết bị
PSS và SVC trên hệ thống điện nghiên cứu.
Mô hình PSS được lấy bởi model STAB1
trong thư viện của PSS/E với các thông số
điển hình và mô hình SVC được lấy bởi
model tụ điện tĩnh CSTATT trong thư viện
PSS/E.

Hình 5: Mô hình hệ thống

Hệ thống điện khi chưa có thiết bị PSS và SVC
Tại thời điểm t=1s thì xảy ra ngắn mạch trên
đường dây 8-9 mạch 2, sau đó 0,3s thì đường
dây bị cắt ra. Kết quả là góc rotor của các
máy phát điện thay đổi và do đó điện áp tại
thanh góp 8 của hệ thống và công suất trên
đường dây cũng dao động. Hình vẽ mô phỏng
cho ta thấy rõ sự thay đổi của góc rotor các
máy phát điện, điện áp trên thanh góp 8 và

dòng công suất trên đường dây 7-8, 8-9 mạch
1 khi có sự cố ngắn mạch trên đường dây 8-9
mạch 2. Theo đó ta thấy, tín hiệu góc của
máy phát G1 và G2 có hình dáng giống nhau,
góc rotor là ổn định ở hai chu kỳ đầu tiên,
nhưng dao động và trở nên bất ổn định sau
hai chu kỳ là kết quả của các biên độ dao
động ngày càng tăng và trạng thái cuối cùng
là tăng tốc và mất ổn định hoàn toàn. Tương
tự như vậy là góc rotor của máy phát G3 và
G4 có hình dạng giống nhau, góc rotor là ổn
định ở hai chu kỳ đầu tiên, nhưng sau hai chu
kỳ các biên độ dao động ngày càng tăng và
trạng thái cuối cùng là mất ổn định hoàn toàn,
góc rotor lúc này giảm thấp.
Điện áp tại thanh góp 8, khi xảy ra ngắn mạch
giảm từ 0,98 (pu) xuống 0,2 (pu), sau khi cắt
ngắn mạch giá trị điện áp tại đây tăng lên và
ổn định ở hai chu kỳ đầu tiên, nhưng sau đó
dao động với biên độ ngày càng tăng với giá
trị lớn nhất là 1,8(pu) và tần số dao động nhỏ.
Sự mất ổn định ở góc rotor máy phát làm cho
công suất trên đường dây cũng dao động,
5


Phạm Thị Hồng Anh

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

được thể hiện trên hình 8, 9; giá trị công suất
trên 2 đường dây này trước khi xảy ra ngắn
mạch là 200 MVA, khi ngắn mạch xảy ra
công suất giảm về không. Sau khoảng thời
gian 0,3s (cắt ngắn mạch), lúc này công suất
nhảy vọt: công suất trên đường dây 7-8 nhảy
vọt lên giá trị khoảng 275 MVA, và dao động
với biên độ lớn nhất là 325 MVA, dao động
tăng dần và mất ổn định
Như vậy, giá trị góc rotor máy phát điện, điện
áp và công suất trên đường dây đều dao động
với biên độ ngày càng tăng, và kết quả cuối
cùng là mất ổn định hoàn toàn.
Mô phỏng động trước và sau khi sử dụng
thiết bị PSS, và SVC.
Chương trình PSS/E được dùng để mô phỏng
đáp ứng đồng thời của hệ thống khi không
trang bị và có trang bị PSS,SVC với giả thiết
sự cố ngắn mạch 3 pha trên đường dây 8-9
mạch 2. Sự dao động của tham số giảm và tắt
dần sau khi xảy ra sự cố chứng tỏ tác dụng
cản dao động của thiết bị PSS/SVC. Góc rotor
máy phát G1, G2, G3, G4 dao động trong 2
chu kỳ đầu tiên sau đó dần trở nên ổn định, và
đạt đến giá trị đồng bộ sau khoảng 10 giây.
Nếu so sánh sự ổn định của hệ thống khi
không có PSS/SVC và khi có PSS/SVC, thì
các hình 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 chỉ ra rằng: khi
chưa có PSS/SVC, thì góc rotor máy phát
điện, điện áp trên thanh góp và dòng công

suất trên đường dây 7-8, 8-9 mạch 1 (basecase: đường màu đỏ) dao động khá lớn và
trạng thái cuối cùng là mất ổn định hoàn toàn.
Khi có PSS/SVC thì dao động tắt nhanh hơn
và nhanh chóng đạt tới giá trị ổn định sau
khoảng 5s.

99(11): 3 - 8

Hình 7: Góc rotor máy phát G2 trong hai trường
hợp không và có sử dụng PSS/SVC

Hình 8: Góc rotor máy phát G3 trong hai trường
hợp không và có PSS/SVC

Hình 9: Điện áp trên thanh góp 8 khi không và có
sử dụng PSS/SVC

Hình 10: Công suất trên đường dây 7-8 mạch 1
khi không và có sử dụng PSS/SVC

Hình 6: Góc rotor máy phát G1 trong hai trường
hợp không và có sử dụng PSS/SVC

6

Hình 11: Công suất trên đường dây 8-9 mạch 1
khi không và có sử dụng PSS/SVC


Phạm Thị Hồng Anh

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

Để làm rõ thêm tác dụng của hai thiết bị
PSS/SVC thì ta xét ba trường hợp, khi không
có PSS/SVC (đường màu xanh nước biển),
khi chỉ có PSS (đường màu xanh lá cây) và
khi có cả PSS/SVC (đường màu đỏ). Từ hình
vẽ ta thấy rằng khi dùng đồng thời PSS và
SVC (đường màu đỏ) có hiệu quả cao hơn
trong việc nâng cao ổn định quá độ. Trong
hình vẽ 12, 13 đã chứng tỏ hiệu quả của PSS
và SVC trong việc cản dao động góc rotor và
công suất truyền tải giữa hai hệ thống con.
Trong trường hợp cơ bản dao động nhiều hơn
và nhanh chóng mất ổn định, và khi có PSS
thì dao động ít hơn và nhanh chóng đến trạng
thái ổn định với giá trị xấp xỉ giá trị ban đầu
khi chưa xảy ra ngắn mạch, đặc biệt khi thêm
SVC thì dao động tắt nhanh hơn và giá trị
điện áp đạt giá trị tốt hơn (bằng giá trị điện áp
khi chưa xảy ra ngắn mạch) hay nói cách
khác là hệ thống điện an toàn hơn.

99(11): 3 - 8

nghiên cứu tính toán, thiết kế cũng như vận
hành hệ thống điện. Đặc biệt là khi chúng ta
đầu tư lắp đặt đồng thời thiết bị PSS, SVC sẽ
cho hiệu quả tốt trong việc nâng cao ổn định

hệ thống điện.

Hình 13: Điện áp tại thanh góp 8 trong các
trường hợp không có PSS/SVC, khi chỉ có PSS, và
khi có cả PSS/SVC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Hình 12: Công suất trên đường dây 8-9 mạch 1
trong các trường hợp không có PSS/SVC, khi chỉ
có PSS, và khi có PSS/SVC

KẾT LUẬN
Bài báo đã giới thiệu về cấu tạo và nguyên lý
làm việc, các mô hình cũng như lợi ích của
việc sử dụng đồng thời PSS và SVC. Các kết
quả mô phỏng sử dụng phần mềm PSS/E là
công cụ dùng để tính toán, chứng minh hiệu
quả của thiết bị PSS, SVC trong việc nâng
cao ổn định góc rotor máy phát điện. Các kết
quả này sẽ giúp ích rất lớn trong công tác

[1].Prabha Kundur, Power System Stability and
Control. New York: McGraw-Hill, 1994.
[2].Carson. W. Taylor, Power System Voltage
Stability. New York: McGraw-Hill, 1994.
[3].Sami Repo, "On-Line Voltage Stability
Assessment of Power System – An Approach of
Black-Box Modelling," Doctoral thesis at
Tampere University of Technology, available at

[4].Brant Eldridge, "August 2003 Blackout
Review," available at website:
/>4/IEC%20Program%20Agenda%202004.html.
[5]."2003 North America Blackout," available at
website:
/>[6]. Đại học Điện lực Hà Nội (2007), Áp dụng
PSS/ADEAPT 5.0 trong lưới điện phân phối.
[7]. Binns, D.F (1986), Economics of electrical
power engineering, Electricial logic power Ltd.,
PO Box 14, Manchester M16
7QA.

7