“Phân tích ổn định hệ thống điện mạng 5 nút bằng phần mềm PSSE”.

LỜI CẢM ƠN
Được sự phân công của bộ môn Hệ thống điện, khoa Điện – Điện tử Trường Đại
học Bách Khoa và sự đồng ý hướng dẫn của thầy ThS. Đặng Tuấn Khanh, em đã thực
hiện đề tài luận văn tốt nghiệp: “Phân tích ổn định hệ thống điện mạng 5 nút bằng
phần mềm PSS/E”.
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu nhà trường, các
thầy cô trong trường, đặc biệt là quý thầy cô thuộc khoa Điện – Điện tử trường Đại học
Bách Khoa TP.HCM đã tận tình chỉ dạy và truyền đạt cho em những kiến thức cơ bản
và nâng cao trong suốt những năm em ngồi trên ghế giảng đường.
Em xin chân thành cảm ơn thầy ThS. Đặng Tuấn Khanh đã tận tình chỉ dạy,
hướng dẫn cho em trong thời gian qua. Thầy đã cung cấp nhiều tài liệu quý, tổng hợp
những kiến thức cơ bản, bổ sung những kiến thức chuyên sâu và dành nhiều thời gian
quan tâm theo dõi, chia sẻ những khó khăn, vướng mắc, động viên và hỗ trợ em hoàn
thành luận văn tốt nghiệp này.
Em cũng xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè luôn ở bên cạnh ủng hộ và
tạo điều kiện tốt nhất giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Khi thực hiện luận văn tốt nghiệp, em đã cố gắng tìm đọc, phân tích tổng hợp và
tham khảo một số tài liệu chuyên môn cả trong và ngoài nước nhằm đạt kết quả nghiên
cứu tốt nhất. Tuy nhiên, do thời gian và tài liệu tham khảo có hạn nên những thiếu sót
là không thể tránh khỏi, kính mong quý thầy cô đóng góp những ý kiến quý báu để luận
văn được hoàn thiện hơn.

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 12 năm 2016.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trọng Tuấn.

i


TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Trong thời đại công nghiệp hoá – hiện đại hoá hiện nay ở nước ta, lưới điện truyền
tải không ngừng phát triển để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng. Bên cạnh

đó, yêu cầu cung cấp điện đòi hỏi phải ổn định, liên tục với chất lượng điện năng ngày
càng cao để phục vụ cho nền kinh tế và các thành phần sử dụng điện khác. Sự phát triển
nhảy vọt về công suất và quy mô lãnh thổ của hệ thống điện Việt Nam trong những năm
qua đã tạo ra yêu cầu cấp bách cho việc nghiên cứu sự ổn định của hệ thống điện nói
chung và mạng lưới truyền tải công suất lớn nói riêng. Do đó, việc tính toán, phân tích
hệ thống điện và nghiên cứu về tính ổn định của nó là một yêu cầu hết sức cần thiết đối
với một kỹ sư điện. Những kết quả có được trong quá trình phân tích, tính toán hệ thống
điện giúp người kỹ sư rất nhiều trong công tác qui hoạch, thiết kế, quản lý vận hành
cũng như đảm bảo được tính ổn định của hệ thống điện. Việc tính toán, phân tích hệ
thống điện là mảng rất lớn, luận văn này chỉ tập trung đề cập đến vấn đề phân tích tính
ổn định động của hệ thống lưới điện truyền tải, ví dụ cụ thể là mạng 5 nút.
Với khả năng mô phỏng mạnh mẽ, kết quả trực quan và dễ hiểu, phần mềm PSS/E
hết sức phù hợp và có đầy đủ khả năng cũng như công cụ để giúp chúng ta phân tích
tính ổn định của lưới truyền tải một cách thuận tiện. Vì vậy, trong luận văn này, em xin
phép được dùng phần mềm PSS/E để mô phỏng và làm rõ hơn các kết quả phân tích và
nghiên cứu của mình.
Luận văn “Phân tích ổn định hệ thống điện mạng 5 nút bằng phần mềm
PSS/E” đã trình bày được các vấn đề sau đây:
-

Chương I: Giới thiệu chung về ổn định hệ thống điện.

-

Chương II: Mô hình động các phần tử trong hệ thống điện.

-

Chương III: Các phương pháp phân tích ổn định động trong hệ thống điện.

-

Chương IV: Giới thiệu về phần mềm PSS/E.

-

Chương V: Mô phỏng động mạng 5 nút bằng phần mềm PSS/E.

-

Chương VI: Các kịch bản mô phỏng phân tích ổn định.

-

Chương VII: Kết quả mô phỏng và nhận xét.
ii


Nội dung chính trong từng chương:
-

Chương I: Giới thiệu khái niệm về ổn định hệ thống điện và phân loại ổn định hệ
thống điện.

-

Chương II: Giới thiệu tổng quan về mô hình động của các phần tử trong hệ thống
điện được dùng trong phân tích tính ổn định của hệ thống.

-

Chương III: Tìm hiểu về các phương pháp phân tích tính ổn định của hệ thống
điện và ứng dụng.

-

Chương IV: Giới thiệu tổng quan về phần mềm PSS/E.

-

Chương V: Thông số mạng 5 nút, cách khai báo và nhập thông số trên phần mềm,
khảo sát các kịch bản ổn định.

-

Chương VI: Ứng dụng phần mềm PSS/E phân tích tính ổn định động mạng 5 nút
với các kịch bản cụ thể.

-

Chương VII: Phân tích kết quả mô phỏng và nhận xét.. Qua việc ứng dụng phần
mềm này, ta nhận thấy với sự hỗ trợ của máy tính và phần mềm thì việc phân
tích, mô phỏng lưới điện được thực hiện rất đơn giản, nhanh chóng và chính xác.

iii


MỤC LỤC
ĐỀ MỤC

TRANG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... i
TÓM TẮT ĐỀ TÀI .........................................................................................................ii
MỤC LỤC ...................................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................... ix
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... xv
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... xvi
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN ...................... 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN ...............................1
Lịch sử phát triển của hệ thống điện ...........................................................1
Các chế độ làm việc của hệ thống điện .......................................................1
Khái niệm và phân loại về ổn định hệ thống điện .......................................2
GIỚI THIỆU VỀ ỔN ĐỊNH TĨNH VÀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG ..............................6
Ổn định tĩnh.................................................................................................6
Ổn định động ...............................................................................................6
CHƯƠNG II: MÔ HÌNH ĐỘNG CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ......... 8
GIỚI THIỆU ......................................................................................................8
MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN ..........................................................................8
Lý thuyết về mô hình máy phát điện đồng bộ.............................................8
Phép biến đổi dq0 ......................................................................................12
Xây dựng phương trình mô tả máy phát từ phương trình điện áp máy phát.
...................................................................................................................14

iv


Phương trình chuyển động của rotor .........................................................17
Tổng kết về mô hình máy phát ..................................................................18

HỆ THỐNG KÍCH TỪ MÁY PHÁT ..............................................................19
Tổng quan và phân loại .............................................................................19
Hệ thống kích từ một chiều .......................................................................21
Hệ thống kích từ xoay chiều .....................................................................21
Hệ thống kích từ tĩnh .................................................................................23
Mô hình tổng quát của hệ thống kích từ ...................................................24
Các khối chức năng của hệ thống kích từ .................................................24
Một số mô hình hệ thống kích từ khác ......................................................29
BỘ ĐIỀU TỐC (GOVERNOR).......................................................................31
Giới thiệu chung về bộ điều tốc ................................................................31
Mô hình toán của bộ điều tốc (bộ điều tốc hơi nước) ...............................32
Đường đặc tính của bộ điều tốc ................................................................34
BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG PSS (POWER SYSTEM STABILIZER) ...........36
Giới thiệu bổ ổn định PSS .........................................................................36
Mô hình bộ ổn định PSS1A ......................................................................37
Mô hình bộ ổn định PSS2B .......................................................................39
Mô hình bộ ổn định PSS3B .......................................................................40
MÁY BIẾN ÁP ................................................................................................40
Mạch tương đương của một máy biến áp..................................................40
Mô hình hình  của máy biến áp ...............................................................42
MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY ...............................................................................45
Mô hình đường dây có chiều dài trung bình và đường dây ngắn .............45

v


Mô hình đường dây dài .............................................................................50
MÔ HÌNH PHỤ TẢI .......................................................................................51
Khái niệm ..................................................................................................51
Mô hình tải tĩnh .........................................................................................51

Mô hình tải động .......................................................................................53
CHƯƠNG III: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN ............................................................................................................... 55
TỔNG QUÁT ..................................................................................................55
CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍCH PHÂN SỐ ........................................................55
Phương pháp Euler ....................................................................................57
Phương pháp Euler cải tiến .......................................................................58
Phương pháp Runge – Kutta (R-K)...........................................................59
TIÊU CHUẨN CÂN BẰNG DIỆN TÍCH ......................................................60
CHƯƠNG IV: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PSS/E ................................................. 63
TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM PSS/E ..........................................................63
GIAO DIỆN CỦA PHẦN MỀM PSS/E ..........................................................64
CÁC THANH CÔNG CỤ CHÍNH ..................................................................65
Menu bar ...................................................................................................66
Diagram bar ...............................................................................................66
Dynamics Simulation bar ..........................................................................67
PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG BẰNG PSS/E ..............................................67
Tạo hệ thống điện cần khảo sát .................................................................67
Khảo sát phân bố công suất .......................................................................69
Chuyển thông số máy phát và tải để khảo sát ổn định động .....................69
Chuẩn bị thông số động của các máy phát ................................................72
vi


Tạo thông số đầu ra mong muốn khảo sát ................................................73
Khảo sát ổn định động...............................................................................75
Xem kết quả mô phỏng .............................................................................76
CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG ĐỘNG MẠNG 5 NÚT BẰNG PHẦN MỀM PSS/E ...... 77
GIỚI THIỆU MẠNG 5 NÚT ...........................................................................77
THÔNG SỐ MẠNG 5 NÚT ............................................................................78

Thông số đường dây ..................................................................................78
Thông số thanh cái ....................................................................................78
Thông số máy phát ....................................................................................79
Thông số máy biến áp ...............................................................................79
MÔ HÌNH VÀ CÁC THÔNG SỐ CỤ THỂ CỦA MÔ HÌNH TRONG MÔ
PHỎNG ỔN ĐỊNH ĐỘNG........................................................................................80
Mô hình cụ thể của các phần tử trong mô phỏng ổn định động ................80
Thông số các phần tử được sử dụng để mô phỏng....................................85
CHƯƠNG VI: CÁC KỊCH BẢN MÔ PHỎNG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG ....... 96
KHẢO SÁT SỰ TÁC ĐỘNG CỦA BỘ KÍCH TỪ, BỘ ĐIỀU TỐC, BỘ ỔN
ĐỊNH ..........................................................................................................................96
KHẢO SÁT MỘT SỐ KỊCH BẢN SỰ CỐ ĐỐI XỨNG ...............................99
Kịch bản 1: Sự cố 3 pha và cắt đường dây 100-200 .................................99
Kịch bản 2: Sự cố 3 pha và cắt đường dây 100-200 có bộ PSS ................99
Kịch bản 3: Sự cố 3 pha và cắt đường dây 100-200 sau đó tự đóng lại ...99
Kịch bản 4: Sự cố 3 pha và cắt đường dây 100-200 sau đó tự đóng lại, có
bộ PSS ...................................................................................................................99
Kịch bản 5: Sự cố 3 pha và cắt đường dây 100-200, tìm thời gian tới hạn ..
.................................................................................................................100
vii


Kịch bản 6: Sự cố thoáng qua thanh cái 151 ...........................................100
Kịch bản 7: Sự cố thoáng qua thanh cái 151, có bộ PSS ........................100
Kịch bản 8: Cô lập thanh cái 151 sau sự cố thoáng qua .........................100
Kịch bản 9: Cô lập thanh cái 151 sau sự cố thoáng qua, có bộ PSS .......100
KHẢO SÁT KỊCH BẢN SỰ CỐ KHÔNG ĐỐI XỨNG ..............................101
CHƯƠNG VII: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT ....................................... 102
KHẢO SÁT SỰ TÁC ĐỘNG CỦA BỘ KÍCH TỪ, BỘ ĐIỀU TỐC, BỘ ỔN
ĐỊNH ........................................................................................................................102

Đáp ứng góc lệch rotor của hệ thống ......................................................103
Điện áp đầu cực của máy phát ................................................................106
Công suất cơ đầu vào của máy phát ........................................................108
Công suất điện từ của máy phát ..............................................................109
Tác động của bộ kích từ, bộ điều tốc, bộ ổn định ...................................111
KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG ĐỐI VỚI SỰ CỐ ĐỐI XỨNG116
Sự cố 3 pha đường dây 100-200 .............................................................116
Sự cố 3 pha thanh cái 151 .......................................................................121
KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG ĐỐI VỚI SỰ CỐ BẤT ĐỐI XỨNG
........................................................................................................................126
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................. 127
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 129
THÔNG TIN LIÊN HỆ ............................................................................................... 130

viii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Phân loại ổn định HTĐ. ....................................................................................4
Hình 1.2 Phân loại ổn định HTĐ theo ổn định tĩnh và ổn định động. ............................5
Hình 2.1 Cấu trúc của máy điện đồng bộ. .......................................................................8
Hình 2.2 Mạch thay thế stator và rotor của máy phát điện đồng bộ. ..............................9
Hình 2.3 Mạch thay thế stator và rotor máy phát. .........................................................14
Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống kích từ hoàn chỉnh. ........................................................20
Hình 2.5 Hệ thống kích từ một chiều. ...........................................................................21
Hình 2.6 Hệ thống chỉnh lưu cố định. ...........................................................................22
Hình 2.7 Hệ thống chỉnh lưu quay. ...............................................................................23
Hình 2.8 Hệ thống kích từ tĩnh. .....................................................................................23
Hình 2.9 Mô hình tổng quát của hệ thống kích từ. ........................................................24
Hình 2.10 Hệ thống kích từ tĩnh. ...................................................................................25

Hình 2.11 Đặc tính bão hòa của dòng điện và điện áp. .................................................25
Hình 2.12 Quá trình tạo điện áp trên cuộn dây kích từ. ................................................27
Hình 2.13 Khối hiệu chỉnh và khuếch đại hệ thống. .....................................................27
Hình 2.14 Khối tín hiệu hồi tiếp (Washout). .................................................................28
Hình 2.15 Hệ thống kích từ một chiều IEEE loại 1.......................................................29
Hình 2.16 Hệ thống kích từ DC1A. ...............................................................................29
Hình 2.17 Hệ thống kích từ DC2A. ...............................................................................30
Hình 2.18 Hệ thống kích từ AC1A. ...............................................................................30
Hình 2.19 Hệ thống kích từ AC2A. ...............................................................................30
Hình 2.20 Hệ thống kích từ ST1A.................................................................................31
Hình 2.21 Hệ thống kích từ ST2A.................................................................................31
ix


Hình 2.22 Mô hình bộ điều tốc hơi nước. .....................................................................32
Hình 2.23 Khối điều khiển ngõ ra từ sự thay đổi của công suất cơ và tần số. ..............34
Hình 2.24 Khối turbine của bộ điều tốc. .......................................................................34
Hình 2.25 Mô hình toán học của bộ điều tốc hơi nước đơn giản. .................................34
Hình 2.26 Đường đặc tính của bộ điều tốc. ...................................................................35
Hình 2.27 Đường đặc tính mối quan hệ giữa tải và tốc độ............................................36
Hình 2.28 Mô hình bộ ổn định PSS1A. .........................................................................37
Hình 2.29 Bộ PSS1A nếu không có khối Washout. ......................................................38
Hình 2.30 Mô hình bộ ổn định PSS2B. .........................................................................39
Hình 2.31 Mô hình bộ ổn định PSS3B. .........................................................................40
Hình 2.32 Mạch tương đương của một MBA 1 pha 2 cuộn dây trong thực tế. ............41
Hình 2.33 Các mạch tương đương thay thế cho một MBA 1 pha 2 cuộn dây. .............41
Hình 2.34 Mô hình tương đương MBA 1 pha 2 cuộn dây trong hệ đơn vị tương đối. .42
Hình 2.35 Mô hình máy biến áp lí tưởng. .....................................................................42
Hình 2.36 Mô hình máy biến áp có nấc phân áp. ..........................................................44
Hình 2.37 Mô hình máy biến áp khi quy đổi từ sơ cấp sang thứ cấp. ...........................44

Hình 2.38 Mô hình hình  của máy biến áp. ................................................................45
Hình 2.39 Mô hình hình  của máy biến áp dựa theo thông số Ye . .............................45
Hình 2.40 Mô hình tổng quát mạng hai cửa. .................................................................46
Hình 2.41 Mô hình đường dây ngắn..............................................................................46
Hình 2.42 Mô hình hình  đối với đường dây trung bình. ...........................................47
Hình 2.43 Mạch tương đương của đường dây trung bình – ngắn và thông số. .............49
Hình 2.44 Mô hình hình  của đường dây dài. ............................................................50
Hình 2.45 Các thành phần của tải tổng hợp tại một điểm phân bố công suất lớn. ........51
x


Hình 2.46 Mô hình tải tổng hợp. ...................................................................................54
Hình 3.1 Biểu diễn đường cong phi tuyến bằng phương pháp Euler. ...........................57
Hình 3.2 Nhược điểm của phương pháp Euler. .............................................................58
Hình 3.3 Phương pháp Euler cải tiến. ...........................................................................59
Hình 3.4 Tiêu chuẩn cân bằng diện tích. .......................................................................61
Hình 4.1 Giao diện chính của phần mềm PSS/E. ..........................................................64
Hình 4.2 Tuỳ chọn bật/tắt toolbars. ...............................................................................65
Hình 4.3 Menu bar. ........................................................................................................66
Hình 4.4 Diagram bar. ...................................................................................................66
Hình 4.5 Dynamics Simulation bar. ..............................................................................67
Hình 4.6 Tạo một hệ thống điện mới.............................................................................68
Hình 4.7 Khai báo các thông số cần thiết. .....................................................................68
Hình 4.8 Lưu file với đuôi .sav .....................................................................................69
Hình 4.9 Kết quả chạy phân bố công suất. ....................................................................69
Hình 4.10 Bước 1. Convert Loads and Generators. ......................................................70
Hình 4.11 Bước 2. Order Network. ...............................................................................70
Hình 4.12 Bước 3. Factorize admittance matrix. ..........................................................71
Hình 4.13 Bước 4. Solution for Switching Studies. ......................................................71
Hình 4.14 Bước 5. Save file. .........................................................................................72

Hình 4.15 Tạo file dyr. ..................................................................................................72
Hình 4.16 Open file dyr. ................................................................................................73
Hình 4.17 Tạo thông số đầu ra mong muốn. .................................................................74
Hình 4.18 Lưu file snapshot. .........................................................................................74
Hình 4.19 Chọn file ghi kết quả. ...................................................................................75

xi


Hình 4.20 Chạy mô phỏng động....................................................................................75
Hình 4.21 Open file .out ................................................................................................76
Hình 4.22 Vẽ đồ thị các ngõ ra mong muốn. ................................................................76
Hình 5.1 Mạng 5 nút dùng cho mô phỏng. ....................................................................77
Hình 5.2 Mô hình máy phát đồng bộ rotor cực từ ẩn. ...................................................80
Hình 5.3 Mô hình máy phát đồng bộ rotor cực từ lồi....................................................81
Hình 5.4 Mô hình bộ kích từ SCRX. .............................................................................81
Hình 5.5 Mô hình bộ kích từ SEXS. .............................................................................82
Hình 5.6 Mô hình bộ điều tốc HYGOV. .......................................................................83
Hình 5.7 Mô hình bộ điều tốc TGOV1..........................................................................83
Hình 5.8 Mô hình bộ ổn định hệ thống PSS2A. ............................................................84
Hình 5.9 Thông số máy phát đồng bộ rotor cực từ ẩn. ..................................................85
Hình 5.10 Thông số máy phát đồng bộ rotor cực từ lồi. ...............................................87
Hình 5.11 Thông số bộ kích từ SCRX. .........................................................................88
Hình 5.12 Thông số bộ kích từ SEXS. ..........................................................................90
Hình 5.13 Thông số bộ điều tốc HYGOV. ....................................................................91
Hình 5.14 Thông số bộ điều tốc TGOV1. .....................................................................92
Hình 5.15 Thông số bộ ổn định PSS2A. .......................................................................94
Hình 6.1 Sự cố ngắn mạch 3 pha thoáng qua trên đường dây 100–200........................96
Hình 7.1 Đáp ứng của hệ thống khi không có bộ kích từ, điều tốc, PSS. ...................103
Hình 7.2 Đáp ứng của hệ thống khi có bộ kích từ. ......................................................103

Hình 7.3 Đáp ứng của hệ thống khi có bộ điều tốc. ....................................................104
Hình 7.4 Đáp ứng của hệ thống khi có bộ kích từ và bộ điều tốc. ..............................104
Hình 7.5 Đáp ứng của hệ thống khi có cả 3 bộ kích từ, điều tốc, PSS. .......................105

xii


Hình 7.6 So sánh đáp ứng của hệ thống đối với bộ kích từ.........................................105
Hình 7.7 So sánh đáp ứng của hệ thống đối với bộ điều tốc. ......................................106
Hình 7.8 So sánh đáp ứng của hệ thống đối với bộ ổn định........................................106
Hình 7.9 So sánh điện áp đầu cực của máy phát đối với bộ kích từ. ..........................107
Hình 7.10 So sánh điện áp đầu cực của máy phát đối với bộ điều tốc. .......................107
Hình 7.11 So sánh điện áp đầu cực của máy phát đối với bộ kích từ và bộ điều tốc. .108
Hình 7.12 So sánh điện áp đầu cực của máy phát đối với bộ ổn định. .......................108
Hình 7.13 Công suất cơ đầu vào của máy phát STEAM 1, so sánh bộ kích từ. .........109
Hình 7.14 Công suất cơ đầu vào của máy phát STEAM 1, so sánh bộ điều tốc. ........109
Hình 7.15 Công suất điện của MF STEAM 1 khi có và không có bộ kích từ. ...........110
Hình 7.16 Công suất điện của MF STEAM 1 khi có và không có bộ điều tốc. ..........110
Hình 7.17 Công suất điện của MF STEAM 1 khi có bộ kích từ hoặc bộ điều tốc. .....111
Hình 7.18 Đáp ứng của hệ thống đối với sự cố thoáng qua đường dây 100-200 không có
bộ PSS..........................................................................................................................116
Hình 7.19 Đáp ứng của hệ thống đối với sự cố thoáng qua đường dây 100-200 có bộ
PSS...............................................................................................................................116
Hình 7.20 So sánh đáp ứng của hệ thống đối với sự cố thoáng qua trên đường dây 100200. ..............................................................................................................................117
Hình 7.21 Đáp ứng của hệ thống khi tự đóng lại đường dây 100-200 sau sự cố, không
có bộ PSS. ....................................................................................................................118
Hình 7.22 Đáp ứng của hệ thống khi tự đóng lại đường dây 100-200 sau sự cố, có bộ
PSS...............................................................................................................................118
Hình 7.23 So sánh đáp ứng của hệ thống khi tự đóng lại đường dây 100-200 sau sự cố.
.....................................................................................................................................119

Hình 7.24 Thời gian tới hạn để hệ thống vẫn duy trì được sự ổn định. ......................120
Hình 7.25 Đáp ứng của hệ thống khi vượt quá thời gian tới hạn. ...............................120
xiii


Hình 7.26 So sánh đáp ứng của hệ thống với thời gian tới hạn sự cố. ........................121
Hình 7.27 Đáp ứng của hệ thống đối với sự cố thoáng qua thanh cái 151, không có bộ
PSS...............................................................................................................................122
Hình 7.28 Đáp ứng của hệ thống đối với sự cố thoáng qua thanh cái 151, có bộ PSS.
.....................................................................................................................................122
Hình 7.29 So sánh đáp ứng của hệ thống đối với sự cố thoáng qua thanh cái 151. ....123
Hình 7.30 Đáp ứng của hệ thống khi cô lập thanh cái 151 sau sự cố, không có bộ PSS.
.....................................................................................................................................124
Hình 7.31 Đáp ứng của hệ thống khi cô lập thanh cái 151 sau sự cố, có bộ PSS. ......124
Hình 7.32 So sánh đáp ứng của hệ thống khi cô lập thanh cái 151 sau sự cố. ............125
Hình 7.33 So sánh đáp ứng của hệ thống đối với sự cố 1 pha chạm đất trên đường dây
150-200. .......................................................................................................................126

xiv


DANH MỤC BẢNG

Bảng 5.1 Thông số đường dây mạng 5 nút....................................................................78
Bảng 5.2 Thông số thanh cái mạng 5 nút. .....................................................................78
Bảng 5.3 Thông số máy phát mạng 5 nút. .....................................................................79
Bảng 5.4 Thông số máy biến áp mạng 5 nút. ................................................................79
Bảng 5.5 Thông số máy phát đồng bộ rotor cực từ ẩn. .................................................85
Bảng 5.6 Thông số máy phát đồng bộ rotor cực từ lồi. .................................................87
Bảng 5.7 Thông số bộ kích từ SCRX. ...........................................................................88

Bảng 5.8 Thông số bộ kích từ SEXS. ............................................................................90
Bảng 5.9 Thông số bộ điều tốc HYGOV. .....................................................................91
Bảng 5.10 Thông số bộ điều tốc TGOV1. .....................................................................92
Bảng 5.11 Thông số bộ ổn định PSS2A. .......................................................................94
Bảng 7.1 Thời gian tới hạn để hệ thống duy trì sự ổn định. ........................................111

xv


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
HTĐ

Hệ thống điện

CĐXL

Chế độ xác lập

CĐQĐ

Chế độ quá độ

AC

Dòng điện xoay chiều

DC

Dòng điện một chiều

PSS

Power System Stabilizer: Bộ ổn định hệ thống

MF

Máy phát

MBA

Máy biến áp

xvi


Chương I: Giới thiệu chung về ổn định hệ thống điện

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ
ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
Lịch sử phát triển của hệ thống điện
Lịch sử phát triển của hệ thống điện đã trải qua hàng trăm năm với vô số các phát
minh và cải tiến hết sức lớn lao, đặc biệt là những phát minh tiêu biểu đáng được ghi
nhận trong thế kỉ XIX: phát minh ra hệ thống điện xoay chiều ba pha (1883), tải điện
năng đi xa bằng dòng điện xoay chiều (1884), phát minh ra máy biến áp điện lực (1885)
hay đường dây tải điện ba pha lần đầu được vận hành thử nghiệm ở khoảng cách 175
km (1891). Kể từ giai đoạn đó đến nay, sự phát triển của ngành điện gắn liền với sự phát
triển của hệ thống điện xoay chiều ba pha công suất lớn: khoảng cách truyền tải ngày
càng tăng, công suất phát ngày càng lớn và số tổ máy phát làm việc song song ngày càng
nhiều. Chính những điều này đã dẫn đến yêu cầu cấp bách phải nghiên cứu lý thuyết về

hệ thống điện để giải quyết những vấn đề phát sinh. Việc truyền tải điện năng đi xa phát
sinh một vấn đề rằng công suất truyền tải bị giới hạn vì một số yếu tố như khoảng cách
truyền tải, tổn thất công suất, tổn thất điện áp, giới hạn phát nóng dây dẫn, yêu cầu điện
áp cuối đường dây,… và đặc biệt là xuất hiện giới hạn công suất truyền tải theo điều
kiện để đảm bảo tính ổn định hệ thống. Giới hạn ổn định là một trong những điều kiện
cần để tồn tại chế độ xác lập hệ thống. Vì vậy, yêu cầu phát triển lí thuyết ổn định hệ
thống điện là hết sức cần thiết và mang ý nghĩa thực tiễn cao.
Các chế độ làm việc của hệ thống điện
Chế độ làm việc của hệ thống điện được chia ra làm hai loại cơ bản: chế độ xác
lập (CĐXL) và chế độ quá độ (CĐQĐ).
Chế độ xác lập là chế độ mà ở trạng thái đó hệ thống làm việc với các thông số
không thay đổi hoặc chỉ có những nhiễu loạn rất nhỏ xung quanh các trị số xác định
trong một khoảng thời gian tương đối ngắn. Chế độ làm việc bình thường và lâu dài của
hệ thống điện gọi là CĐXL bình thường. Chế độ mà hệ thống được phục hồi và làm việc
tạm thời sau sự cố gọi là CĐXL sau sự cố. Ở các CĐXL sau sự cố, các thông số ít thay
1


Chương I: Giới thiệu chung về ổn định hệ thống điện
đổi nhưng có thể bị sai lệch khỏi các trị số xác định ban đầu khá nhiều do đó cần phải
được khắc phục một cách nhanh chóng.
Chế độ quá độ là các chế độ trung gian trong quá trình hệ thống chuyển tiếp từ
CĐXL này sang CĐXL khác. CĐQĐ thường xuất hiện sau những sự cố nghiêm trọng
hoặc thao tác đóng cắt các phần tử mang công suất lớn của hệ thống. CĐQĐ được gọi
là CĐQĐ bình thường nếu sau đó hệ thống tiến đến một CĐXL mới. Lúc này, các thông
số của hệ thống có thay đổi nhưng sau đó lại trở về trị số gần với định mức và sau đó ít
bị dao động. Ngược lại, nếu các thông số hệ thống thay đổi lớn và sau đó tăng đến vô
cùng hoặc giảm về 0 thì CĐQĐ khi đó của hệ thống được gọi là CĐQĐ sự cố.
Nói tóm lại, yêu cầu quan trọng nhất đối với mọi hệ thống điện là phải đảm bảo
sao cho các CĐQĐ diễn ra bình thường, và nhanh chóng đạt được trạng thái CĐXL mới,

bởi vì CĐQĐ chỉ là một quá trình biến đổi trung gian tạm thời còn CĐXL mới là trạng
thái làm việc cơ bản của hệ thống điện.
Khái niệm và phân loại về ổn định hệ thống điện
1.1.3.1 Giới thiệu về ổn định
Ổn định hệ thống điện đã được công nhận là một vấn đề quan trọng đối với sự an
toàn của hoạt động hệ thống từ những năm 1920. Nhiều sự cố mất điện chủ yếu gây ra
bởi sự mất ổn định hệ thống điện đã minh họa cho tầm quan trọng của hiện tượng này.
Trong lịch sử, sự mất ổn định quá độ đã trở thành vấn đề ổn định chiếm ưu thế trên hầu
hết các hệ thống, và đã trở thành tiêu điểm của sự chú ý của ngành công nghiệp liên
quan đến sự ổn định hệ thống. Khi các hệ thống điện đã phát triển thông qua sự tăng
trưởng liên tục trong các mối liên kết, sử dụng công nghệ mới và điều khiển, các hoạt
động tăng lên trong điều kiện căng thẳng cao, những hình thức khác nhau của hệ thống
không ổn định đã xuất hiện. Ví dụ, ổn định điện áp, ổn định tần số và ổn định góc rotor
đã trở thành mối quan tâm lớn hơn trong quá khứ. Điều này đã tạo ra một nhu cầu để
xem xét các định nghĩa và phân loại ổn định hệ thống điện. Một sự hiểu biết rõ ràng về
các loại khác nhau của sự mất ổn định và làm thế nào chúng có mối quan hệ với nhau là
điều cần thiết cho việc thiết kế và hoạt động đạt yêu cầu của hệ thống điện. Đồng thời,
2


Chương I: Giới thiệu chung về ổn định hệ thống điện
thống nhất sử dụng thuật ngữ là cần thiết cho việc phát triển thiết kế hệ thống, tiêu chí
hoạt động, công cụ phân tích tiêu chuẩn, và thủ tục nghiên cứu.
Ổn định hệ thống điện tương tự như ổn định của bất kỳ hệ thống động nào, và có
nền tảng toán học cơ bản. Định nghĩa chính xác của sự ổn định có thể được tìm thấy
trong các tài liệu với lý thuyết toán học chặt chẽ của ổn định hệ thống động. Mục đích
chính ở đây là để cung cấp một định nghĩa về động lực vật lý của ổn định hệ thống điện
mà trong điều kiện rộng rãi phù hợp với các định nghĩa toán học chính xác.
1.1.3.2 Khái niệm về ổn định
Hệ thống điện là một hệ thống phi tuyến tính hoạt động trong một môi trường

thay đổi liên tục, tải và đầu ra của máy phát và các thông số hoạt động quan trọng thay
đổi liên tục. Khi phải chịu một nhiễu, sự ổn định của hệ thống phụ thuộc vào điều kiện
ban đầu cũng như bản chất của nhiễu.
Ổn định là điều kiện cân bằng giữa các lực ngược chiều nhau. Các máy phát đồng
bộ duy trì đồng bộ với nhau theo một cơ chế nhất định là thông qua các lực hồi phục,
lực này tác động bất cứ khi nào có các lực có khuynh hướng tăng tốc hoặc giảm tốc một
hoặc nhiều máy phát so với các máy phát khác trong hệ thống. Ở trạng thái xác lập, có
sự cân bằng giữa moment cơ đầu vào và moment điện đầu ra của mỗi máy phát, và do
đó tốc độ được duy trì không đổi.
Sự ổn định của một hệ thống điện có thể được định nghĩa một cách tổng quát là
đặc tính của hệ thống điện cho phép nó duy trì trạng thái cân bằng trong chế độ vận hành
bình thường. Trong trạng thái cân bằng đó, sự ảnh hưởng của các nhiễu loạn khác nhau
tồn tại trong hệ thống có thể tác động đến hệ thống, tuy nhiên hệ thống vẫn duy trì được
trạng thái làm việc và đạt đến trạng thái cân bằng mới xung quanh các thông số xác định
với một sai số có thể chấp nhận được.
Hệ thống điện thường xuyên phải chịu một loạt các nhiễu bé và lớn, ta gọi đó là
trạng thái mà hệ thống đang ở trong CĐQĐ. Nhiễu bé là một trong các tình huống mà
công suất của tải thay đổi liên tục, hệ thống phải có khả năng thích nghi với điều kiện
thay đổi và hoạt động một cách ổn định. Ngoài ra, cũng có thể tồn tại nhiều nhiễu có
3


Chương I: Giới thiệu chung về ổn định hệ thống điện
tính chất nghiêm trọng, gọi là nhiễu lớn, như một sự cố ngắn mạch trên đường dây; sự
cố dẫn đến việc cắt một số lượng lớn máy phát hoặc tải lớn; hoặc mất đường dây nối
giữa hai hệ thống con. Một nhiễu lớn có thể dẩn đến những thay đổi về cấu trúc của hệ
thống do nó có thể dẫn đến sự cách ly, cô lập các thành phần sự cố.
Tại một trạng thái cân bằng, một hệ thống có thể ổn định đối với một nhiễu tổng
thể nhất định và không ổn định đối với những cái khác. Sẽ là phi thực tế và phi kinh tế
nếu muốn thiết kế hệ thống ổn định cho mỗi tình huống nhiễu có thể xảy ra. Các thiết

kế dự phòng đối với một số tình huống nhiễu nhất định được lực chọn trên cơ sở tình
huống đó có một xác suất xảy ra tương đối cao. Do đó, sự ổn định nhiễu lớn luôn đề cập
đến một vài kịch bản nhiễu được quy định.
1.1.3.3 Phân loại ổn định
Có rất nhiều cách phân loại khác nhau về ổn định hệ thống điện dẫn đến việc
tồn tại những tên gọi khác nhau. Ví dụ, nếu phân loại theo thông số thay đổi gây ra mất
ổn định hệ thống: ổn định điện áp, ổn định góc rotor máy phát, ổn định tần số; theo tính
chất của tác nhân: ổn định với nhiễu lớn, ổn định với nhiễu bé; theo thời gian khảo sát:
ổn định ngắn hạn, trung hạn, dài hạn,…

Hình 1.1 Phân loại ổn định HTĐ.

4


Chương I: Giới thiệu chung về ổn định hệ thống điện
Tuy nhiên, cách phân chia ra ổn định tĩnh và ổn định động (tương ứng với nhiễu
bé và nhiễu lớn) có ý nghĩa quan trọng và được dùng rộng rãi hơn cả do có sự khác biệt
cơ bản trong phương pháp nghiên cứu và phân tích.

Hình 1.2 Phân loại ổn định HTĐ theo ổn định tĩnh và ổn định động.
Chúng ta đã phân loại sự ổn định của hệ thống điện để thuận lợi trong việc xác
định nguyên nhân của sự mất ổn định, ứng dụng các công cụ phân tích thích hợp, và
phát triển các biện pháp khắc phục trong bất cứ trường hợp nào. Tuy nhiên, bất kỳ sự
mất ổn định nào đều có thể xảy ra không hoàn toàn giống như các trường hợp ta đã đề
cập. Điều này rất đúng trong hệ thống công suất lớn và gây ra hậu quả là thiệt hại hệ
thống. Tuy nhiên, phân biệt giữa các hình thức mất ổn định khác nhau rất quan trọng, từ
đó nắm rõ các nguyên nhân cơ bản để xây dựng và thiết kế các phương thức hoạt động
thích hợp.
Phân loại ổn định hệ thống điện rất thuận tiện và hiệu quả để giải quyết các vấn

đề phức tạp, sự ổn định tổng thể của hệ thống luôn luôn phải được chú ý tới. Nó là yếu
5


Chương I: Giới thiệu chung về ổn định hệ thống điện
tố cần thiết để tìm ra tất cả các khía cạnh của hiện tượng ổn định, và mỗi khía cạnh tìm
ra nhiều hơn một quan điểm.
GIỚI THIỆU VỀ ỔN ĐỊNH TĨNH VÀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG
Ổn định tĩnh
Ổn định tĩnh hay còn gọi là ổn định tín hiệu bé (hoặc nhiễu bé, small-signal
stability) là khả năng của hệ thống điện duy trì chế độ đồng bộ khi chịu tác động của các
nhiễu bé.
Nhiễu được xem là nhiễu bé nếu phương trình mô tả đáp ứng của hệ thống có thể
được tuyến tính hoá xung quanh điểm làm việc cho mục đích giải tích. Tín hiệu nhiễu
bé thường xuyên xảy ra nhất là đóng cắt đột ngột làm thay đổi công suất phụ tải của hệ
thống.
Mất ổn định tín hiệu bé có hai dạng chính:
-

Góc rotor máy phát tăng dần do thiếu moment đồng bộ, dẫn đến mất ổn định dưới
dạng không chu kỳ (Non-oscillatory Instability).

-

Góc rotor dao động với biên độ tăng dần do thiếu moment cản, , dẫn đến mất ổn
định dạng dao động (Oscillatory Instability).
Bản chất của đáp ứng hệ thống đối với nhiễu bé phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao

gồm chế độ làm việc ban đầu, mức tải của đường dây và loại hệ thống kích thích được
sử dụng cho máy phát.

Ổn định động
Ổn định động hay còn gọi là ổn định quá độ (hoặc ổn định tín hiệu lớn, transient
stability) là khả năng của hệ thống điện duy trì chế độ đồng bộ khi chịu tác động của các
nhiễu quá độ nghiêm trọng như sự cố trên hệ thống truyền tải, mất máy phát hoặc mất
phụ tải lớn.
Đáp ứng của hệ thống điện đối với các nhiễu như vậy liên quan đến dao động lớn
của góc rotor máy phát, dòng công suất, điện áp nút và các biến hệ thống khác.

6


Chương I: Giới thiệu chung về ổn định hệ thống điện
Ổn định phụ thuộc vào cả chế độ làm việc ban đầu của hệ thống lẫn mức độ
nghiêm trọng của nhiễu. Thông thường, hệ thống sẽ thay đổi do đó trạng thái xác lập
sau nhiễu khác với trạng thái xác lập trước nhiễu.
Nếu góc tương đối giữa các máy phát trong hệ thống nằm trong giới hạn nhất
định, hệ thống sẽ duy trì chế độ đồng bộ. Ngược lại, hệ thống sẽ mất ổn định.
Mất đồng bộ do mất ổn định quá độ, nếu có, sẽ thể hiện trong khoảng thời gian
từ 2 đến 3 giây sau khi chịu tác động của nhiễu. Do đó, thời gian mô phỏng cần thiết để
xác định khả năng ổn định của hệ thống thường là 5 giây.
Ổn định động trong tài liệu này theo cách định nghĩa nêu trên gắn liền với khả
năng giữ trạng thái làm việc đồng bộ các máy phát nên còn được gọi là ổn định đồng bộ
hệ thống. Đôi khi hệ thống có khả năng trở lại làm việc ở trạng thái đồng bộ sau một vài
chu kỳ mất đồng bộ của máy phát. Khi đó, hệ thống vẫn được coi là ổn định động, người
ta còn gọi là ổn định tái hợp (hay ổn định kết quả) để dễ dàng phân biệt.

7


Chương II: Mô hình động các phần tử trong hệ thống điện

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH ĐỘNG CÁC PHẦN TỬ
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
GIỚI THIỆU
Để có thể phân tích và nghiên cứu ổn định động cần phải dựa vào hệ phương
trình vi phân mô tả quá trình quá độ diễn ra trong hệ thống, do đó mô hình các phần tử
của hệ thống điện được dùng trong phân tích ổn định động đóng một vai trò hết sức quan
trọng. Sau đây, ta sẽ lần lượt tìm hiểu các mô hình này.
MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN
Lý thuyết về mô hình máy phát điện đồng bộ
Máy điện đồng bộ bao gồm 2 phần: phần cảm và phần ứng. Phần cảm đặt ở rotor
và phần ứng đặt ở stator. Cuộn dây ở phần cảm (cuộn kích từ) được cung cấp dòng DC
để tạo ra từ trường quay. Phần ứng gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120 độ trong không
gian.

Hình 2.1 Cấu trúc của máy điện đồng bộ.
Ngoài cuộn dây kích từ, trên rotor còn có các cuộn dây cản có tác dụng làm tắt
dần các dao động tốc độ của máy phát.
Mạch thay thế của rotor và stator được xây dựng với các giả thiết sau:
-

Cuộn dây stator phân bố theo quy luật hình sin dọc theo khe hở giữa stator và
rotor.
8


Chương II: Mô hình động các phần tử trong hệ thống điện

-

Rãnh stator không ảnh hưởng đến sự thay đổi của điện cảm rotor theo vị trí
rotor.

-

Bỏ qua hiện tượng từ trễ.

-

Bỏ qua hiện tượng bão hòa.

Hình 2.2 Mạch thay thế stator và rotor của máy phát điện đồng bộ.
Trong đó:
-

a, b, c: các cuộn dây stator

-

f d : cuộn dây kích từ

-

k d : cuộn cản dọc trục

-

k q : cuộn cản ngang trục

-

k = 1, 2, …, n: là số cuộn cản

-

 : góc trục d vượt trước trục từ trường cuộn dây pha a, tính bằng rad điện

-

r : vận tốc góc rotor, tính bằng rad điện/s

Trong đó: Trục d là thành phần cùng trục với dây quấn kích từ của rotor và được
gọi là trục dọc, trục q là thành phần vượt trước trục d một góc 90° theo chiều quay của
rotor và được gọi là trục ngang. Vị trí tương đối của rotor so với stator được xác định
bởi góc θ hợp bởi trục d và trục từ trường của pha a.
Từ mô hình trên, ta viết được phương trình từ thông móc vòng pha a của stator:
 a  laaia  labib  lacic  lafd i fd  lakd ikd  lakqikq

9

(2.1)