Đánh giá hiệu quả của bộ ổn định hệ thống điện (PSS) có cấu trúc theo chuẩn IEEE 421 5 2005 trong vấn đề ổn định góc rô to máy phát điện

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Đỗ Thị Phương Nhung

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
(PSS) CÓ CẤU TRÚC THEO CHUẨN IEEE 421.5-2005
TRONG VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH GÓC RÔ TO MÁY PHÁT ĐIỆN
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. Nguyễn Hiền Trung

Thái Nguyên – 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hướng
dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả
nghiên cứu là trung thực.
Thái Nguyên, ngày tháng 5 năm 2014
Học viên

Đỗ Thị Phương Nhung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................................ii
MỤC LỤC .................................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ...................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................................
1
1. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu........................................................................................................ 2
3. Phương pháp nghiên cứu................................................................................................. 2
4. Những kết quả đạt được .................................................................................................. 3
5. Cấu trúc của luận văn ...................................................................................................... 3
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ........................................
4
1.1. Giới thiệu cấu trúc hệ thống điện.................................................................................. 4
1.2. Điều khiển hệ thống điện ............................................................................................. 6
1.2.1. Nhiệm vụ điều khiển HTĐ .................................................................................................6
1.2.2. Cấu trúc điều khiển HTĐ ...................................................................................................8

1.3. Ổn định góc tải (góc rotor) ......................................................................................... 13
1.3.1. Góc tải (góc rotor) ............................................................................................................13

1.3.2. Ổn định các tín hiệu nhỏ...................................................................................................15

1.4. Bộ ổn định HTĐ – PSS .............................................................................................. 17
1.5. Những phương pháp thiết kế PSS .............................................................................. 19
1.6. Kết luận chương 1 ...................................................................................................... 23
Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN.......................................................................................................................... 24
2.1. Mô hình máy phát điện đồng bộ ................................................................................ 26
2.1.1. Phương trình biểu diễn trên hệ trục toạ độ dq0 ................................................................27
2.1.2. Phương trình với mạch từ tuyến tính................................................................................30

2.2. Mô hình máy phát điện kinh điển .............................................................................. 31
2.2. Mô hình kích từ và bộ điều chỉnh điện áp .................................................................. 35
2.4. Mô hình turbine và bộ điều chỉnh tốc độ ................................................................... 38
2.4.1. Mô hình turbine ................................................................................................................38
2.4.2. Mô hình bộ điều tốc .........................................................................................................40

2.5. Mô hình của hệ máy phát kết nối với HTĐ................................................................ 41
2.5.1. Phương trình ràng buộc điện áp trong hệ đơn vị tương đối..............................................41

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

4

2.5.2. Mô hình multi–time–scale của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 8) ...............41

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

5

2.5.3. Mô hình bỏ qua quá độ stator của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 6) ..........44
2.5.4. Mô hình two-axis của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 4).............................46
2.5.5. Mô hình flux–decay của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 3).........................47
2.5.6. Mô men damping .............................................................................................................49

2.6. Kết luận chương 2 ...................................................................................................... 49
Chương 3. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA PSS..................................................................... 50
3.1. Xây dựng mô hình tín hiệu nhỏ của hệ máy phát kết nối với HTĐ ........................... 50
3.2. Phân tích ảnh hưởng của PSS đối với ổn định tín hiệu nhỏ ....................................... 55
3.3. Phân tích cấu trúc các PSS ......................................................................................... 60
3.3.1. PSS đầu vào đơn – PSS1A ...............................................................................................60
3.3.2. PSS đầu vào kép ...............................................................................................................61

3.4. Phân tích các thành phần trong PSS2A/2B ................................................................ 64
3.4.1. Tín hiệu tốc độ..................................................................................................................64
3.4.2. Tín hiệu công suất điện ....................................................................................................65
3.4.3. Tín hiệu công suất cơ .......................................................................................................65
3.4.4. Bù pha và lựa chọn tín hiệu ổn định.................................................................................66
3.4.5. Khâu giới hạn điện áp đầu cực .........................................................................................67

3.5. Kết luận chương 3 ...................................................................................................... 67
Chương 4. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA PSS ĐỐI VỚI ỔN ĐỊNH GÓC TẢI .................... 68
4.1. Phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink...................................................................... 68
4.2. Xây dựng sơ đồ mô phỏng trong Matlab/Simulink.................................................... 68
4.2.1. Thông số các phần tử trong mô phỏng (pu) .....................................................................69
4.2.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................................................77

4.3. Thí nghiệm trên Card R&D DS1104 thời gian thực .................................................. 78
4.3.1. Giới thiệu về Card điều khiển R&D DS1104 của hãng dSPACE [7], [8] ........................78
4.3.2. Xây dựng bàn thiết bị thí nghiệm .....................................................................................79
4.3.3. Thiết lập môi trường làm việc dùng cho thí nghiệm online .............................................81
4.3.5. Kết quả thí nghiệm ...........................................................................................................87

4.4. Kết luận chương 4 ...................................................................................................... 88
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................................. 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 90

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Biểu diễn

Ghi chú tiếng anh

PSS

Bộ ổn định HTĐ

Power System Stabilizer

AVR

Tự động điều chỉnh điện áp

Automatic Voltage
Regulator

LFO

Dao động tần số thấp

Low Frequency Oscillation

LFC

Điều khiển tần số–tải

Load–frequency Control
Automatic Generation
Control

AGC
FACTS

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh Flexible AC Transmission
Systems
hoạt

HVDC

Truyền tải điện một chiều cao áp

High Voltage Direct Current

SVC

Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh

Static Var Compensator

HTKT

Hệ thống kích từ

Excitation Systems

CSTD

Công suất tác dụng

Active Power

CSPK

Công suất phản kháng

Reactive Power

HTĐ

Hệ thống điện

Power System

MBA

Máy biến áp

Transformer

AC

Xoay chiều

DC

Một chiều

p.u

Đơn vị tương đối

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Per unit

/>

7

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các phần tử cơ bản của một HTĐ ----------------------------------------------------------- 5
Hình 1.2. Các thành phần điều khiển liên quan trong một trạm phát điện [11] ------------------- 7
Hình 1.3. Cấu trúc điều khiển HTĐ --------------------------------------------------------------------- 8
Hình 1.4. Mô hình kích từ không chổi than AC ----------------------------------------------------- 10
Hình 1.5. Mạch kích từ xoay chiều -------------------------------------------------------------------- 10
Hình 1.6. Mô hình kích từ một chiều DC1A --------------------------------------------------------- 11
Hình 1.7. Mô hình kích từ ST1A ---------------------------------------------------------------------- 12
Hình 1.8. Điều khiển tần số và phân phối CSTD trong HTĐ-------------------------------------- 13
Hình 1.9. Đặc tính công suất của máy phát ---------------------------------------------------------- 14
Hình 1.10. Phân loại ổn định HTĐ -------------------------------------------------------------------- 15
Hình 1.11. Dao động cục bộ ---------------------------------------------------------------------------- 16
Hình 1.12. Dao động liên khu vực ----------------------------------------------------------------------- 16
Hình 1.13. Sơ đồ khối điều khiển HTKT có PSS --------------------------------------------------- 17
Hình 1.14. Cấu trúc cơ bản của một PSS ------------------------------------------------------------- 19
Hình 2.1. Sơ đồ khối một máy phát điện đồng bộ trong HTĐ------------------------------------- 25
Hình 2.2. Sơ đồ máy điện đồng bộ hai cực từ ------------------------------------------------------- 26
Hình 2.3. Mô hình hệ thống máy phát điện kinh điển nối lưới ------------------------------------ 32
Hình 2.4. Sơ đồ khối máy phát điện kinh điển------------------------------------------------------- 34
Hình 2.5. Sơ đồ mạch máy kích từ một chiều độc lập ---------------------------------------------- 35
Hình 2.6. Sơ đồ mạch máy kích từ một chiều tự kích thích---------------------------------------- 36
Hình 2.7. Mô hình HTKT IEEE loại 1 ---------------------------------------------------------------- 38
Hình 2.8. Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc cơ khí - thủy lực ------------------------------------- 40
Hình 2.9. Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc điện tử - thủy lực ------------------------------------ 40
Hình 2.10. Mô hình hệ thống turbine và điều tốc đơn giản ---------------------------------------- 41
Hình 2.11. Sơ đồ động học siêu quá độ của máy phát [15] ---------------------------------------- 44
Hình 2.12. Mô hình hai trục (two-axis) của hệ máy phát [15]------------------------------------- 46
Hình 2.13. Mô hình động học flux-decay của máy phát điện [15]-------------------------------- 48
Hình 3.1. Sơ đồ khối điều chỉnh kích từ máy phát nối lưới---------------------------------------- 50
Hình 3.2. Mô hình HTKT IEEE loại 1 với tín hiệu nhỏ -------------------------------------------- 54

Hình 3.3. HTKT thyristor ST1A với AVR ----------------------------------------------------------- 54
Hình 3.4. Sơ đồ khối đã tuyến tính của máy phát bao gồm kích từ & AVR -------------------- 55
Hình 3.5. Đáp ứng tự nhiên của góc tải δ với các nhiễu nhỏ -------------------------------------- 56
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

vii

Hình 3.6. Đồ thị vector các thành phần mô men với AVR----------------------------------------- 57
Hình 3.7. Sơ đồ khối đã tuyến tính hệ máy phát nối lưới với kích từ, AVR và PSS ----------- 57
Hình 3.8. Đồ thị vector các thành phần mô men với AVR & PSS-------------------------------- 60
Hình 3.9. Sơ đồ khối của PSS1A – loại đầu vào đơn ----------------------------------------------- 61
Hình 3.10. Sơ đồ khối PSS2A (IEEE 421.5.1995) -------------------------------------------------- 63
Hình 3.11. Sơ đồ khối của PSS2B --------------------------------------------------------------------- 63
Hình 3.12. Sơ đồ khối của PSS3B --------------------------------------------------------------------- 63
Hình 3.13. Sơ đồ khối của PSS4B (Multi-band PSS)----------------------------------------------- 64
Hình 3.14. Khâu lọc thông cao ------------------------------------------------------------------------- 65
Hình 3.15. Khâu lọc thông cao và tích phân đã rút gọn -------------------------------------------- 65
Hình 3.16. Các cấu hình khâu lọc đối với công suất cơ -------------------------------------------- 66
Hình 3.17. Khâu khuếch đại và bù pha --------------------------------------------------------------- 66
Hình 4.1. Hệ thống kích từ ST1A trong sơ đồ mô phỏng ------------------------------------------ 70
Hình 4.2. Sơ đồ lấy kết quả mô phỏng ---------------------------------------------------------------- 71
Hình 4.3. Sơ đồ khối của PSS1A trong mô phỏng Matlab ----------------------------------------- 72
Hình 4.4. Sơ đồ khối của PSS2A trong mô phỏng Matlab ----------------------------------------- 72
Hình 4.5. Sơ đồ mô phỏng hệ thống khi không có PSS -------------------------------------------- 74
Hình 4.6. Sơ đồ mô phỏng hệ thống với PSS1A ---------------------------------------------------- 75
Hình 4.7. Sơ đồ mô phỏng hệ thống với PSS2A ---------------------------------------------------- 76
Hình 4.8. Đáp ứng góc tải------------------------------------------------------------------------------- 77
Hình 4.9. Đáp ứng sai lệch tốc độ --------------------------------------------------------------------- 77

Hình 4.10. Đáp ứng sai lệch CSTD ------------------------------------------------------------------- 78
Hình 4.11. Hình ảnh mặt trên và mặt dưới của Card điều khiển R&D DS1104 ---------------- 79
Hình 4.12. Cổng kết nối và connector của Card điều khiển R&D DS1104 --------------------- 79
Hình 4.13. Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển và thiết bị ngoại vi --------------------- 80
Hình 4.14. Sơ đồ bàn thiết bị thí nghiệm ------------------------------------------------------------- 81
Hình 4.15. Màn hình khởi động Matlab và lựa chọn file mô phỏng------------------------------ 82
Hình 4.16. Thiết lập cho môi trường Solver chạy thời gian thực --------------------------------- 83
Hình 4.17. Thiết lập cho môi trường Optimazation chạy thời gian thực------------------------- 83
Hình 4.18. Thiết lập cho môi trường Real–Time Workshop chạy thời gian thực -------------- 84
Hình 4.19. Màn hình hiển thị khi quá trình Build đã thành công --------------------------------- 85
Hình 4.20. Chọn file .sdf chạy thời gian thực -------------------------------------------------------- 86
Hình 4.21. Các thao tác lấy kết quả thí nghiệm------------------------------------------------------ 87
Hình 4.22. Đáp ứng theo thời gian thực -------------------------------------------------------------- 88

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm qua, với sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và từng bước công
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhu cầu sử dụng điện của nước ta tăng trưởng
không ngừng. Các nội dung thiết kế vận hành đường dây siêu cao áp 500 kV Bắc
Trung Nam đã gắn liền với những tính toán phân tích có tính chất quyết định về
phương diện ổn định hệ thống. Sự suất hiện trong tương lai những nhà máy điện lớn
(Thủy điện Sơn La, Lai Châu, Trung tâm nhiệt điện Phú Mỹ…) nối vào HTĐ bằng
đường dây 500 kV, dự án liên kết HTĐ Việt Nam với các nước trong khu vực đang đòi
hỏi phải nghiên cứu sâu sắc tỉ mỉ hơn về phương diện ổn định HTĐ trong quá trình

vận hành.
Theo quan điểm truyền thống, vấn đề ổn định là duy trì sự hoạt động đồng bộ.
Điều kiện cần thiết để HTĐ hoạt động bình thường là tất cả các máy phát duy trì đồng
bộ với nhau. Về khía cạnh này ổn định HTĐ chịu ảnh hưởng của đặc tính động học
góc rotor và quan hệ công suất - góc [10], [13].
Mối quan tâm trong việc đánh giá ổn định là phản ứng của HTĐ khi chịu nhiễu
loạn tức thời. Nhiễu này có thể lớn hoặc nhỏ. Các nhiễu nhỏ là dạng tương tác giữa các
máy phát hay thay đổi tải diễn ra thường xuyên trong quá trình vận hành, và hệ thống
phải tự điều chỉnh để thích ứng với các điều kiện đó. Hệ thống phải có khả năng hoạt
động dưới các điều kiện này và cung cấp đủ công suất cho tải. Đồng thời hệ thống phải
có khả năng chịu được các nhiễu lớn như ngắn mạch trên đường dây tải điện, mất máy
phát, mất tải lớn, hoặc mất liên lạc giữa 2 hệ thống. Cũng chính vì sự phức tạp này mà
nhiều giả thiết thường được sử dụng để làm đơn giản bài toán và chỉ tập trung vào các
nhân tố ảnh hưởng đến loại đặc tính của ổn định [10].
Việc sử dụng các bộ kích từ đáp ứng nhanh có ảnh hưởng bất lợi với ổn định các
nhiễu nhỏ tương ứng với các dao động cục bộ do tạo ra sự cản âm [10]. Một nguồn
khác gây nên mất ổn định dạng dao động là hệ quả của kết nối các HTĐ với nhau, của
một nhóm lớn các máy phát gần nhau liên kết bằng đường truyền yếu. Với công suất
truyền tải lớn, hệ thống như vậy sẽ tạo ra các dao động liên khu vực tần số thấp [12].
Để giải quyết các vấn đề này có thể sử dụng bộ ổn định hệ thống điện – PSS.
Theo IEEE, PSS chia ra hai loại: Bộ ổn định dựa trên tín hiệu tốc độ và bộ ổn
định đầu vào kép (tín hiệu tốc độ và công suất) [9]. Trên thế giới PSS đã được rất
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

2

nhiều các tác giả quan tâm nghiên cứu, tuy nhiên trong nước thì rất ít tác giả hay có tài
liệu viết về PSS [1], [2], [4], [5]. Ở Việt Nam, nó được lắp đặt trong các nhà máy nhiệt

điện Phả Lại, Phú Mỹ; nhà máy thủy điện Thác Bà, Yaly và Sơn La… Vì nhiều lý do
khác nhau trong đó có vấn đề về kỹ thuật mà ở các nhà máy này chức năng PSS tích
hợp trong hệ thống kích từ cho máy phát điện đã không được sử dụng.
Với những lý do nêu trên, tác giả đã mạnh dạn tìm hiểu nghiên cứu, đánh giá bộ
ổn định PSS theo chuẩn IEEE 421.5-2005 để làm sáng tỏ vấn đề ổn định góc rô to máy
phát điện với hy vọng PSS sẽ được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, góp phần nâng cao
hiệu quả hoạt động của các trạm phát điện hiện có.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chung:
Đề tài này đặt mục tiêu chính là qua phân tích ổn định của HTĐ và phân tích các
cấu trúc của PSS theo chuẩn IEEE 421.5-2005, thấy được sự cần thiết của PSS đối với
việc nâng cao ổn định của HTĐ. Đồng thời đánh giá được hiệu quả của các loại PSS
trong vấn đề ổn định góc rôto máy phát điện.
Mục tiêu cụ thể:
1. Tổng quan ổn định của HTĐ, trong đó đi sâu nghiên cứu ổn định góc rô to, tiếp
cận theo hướng ổn định các nhiễu nhỏ.
2. Lựa chọn hệ thống kích từ AVR dùng trong nghiên cứu và PSS.
3. Xây dựng mô hình toán học của trạm phát điện trong HTĐ.
4. Phân tích cấu trúc điển hình của PSS, tính chọn các thông số cơ bản của một
loại PSS.
5. Tiến hành mô phỏng trong Matlab so sánh hiệu quả của các loại PSS sản xuất
theo chuẩn IEEE 421.5-2005. Kết quả nghiên cứu còn được kiểm chứng bằng
thí nghiệm trên Card R&D DS1104 thời gian thực.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên
cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành;
nghiên cứu cấu trúc và phương pháp lựa chọn thông số PSS.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

3

- Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu cấu trúc các PSS đang lắp đặt trong các nhà
máy điện hiện nay ở Việt Nam, rồi phân tích lý giải so sánh. Kiểm chứng bộ điều
khiển PSS bằng mô phỏng trong Matlab R2010a & Simulink và thí nghiệm trên Card
R&D DS1104 của hãng dSPACE.
4. Những kết quả đạt được
Luận văn đã đánh giá được hiệu quả của các bộ PSS trong vấn đề ổn định góc
rôto của máy phát điện, cụ thể:
- Xây dựng các bước để thiết lập mô hình toán học tuyến tính hóa của HTĐ gồm
một máy phát điện nối với thanh cái qua đường dây tải điện.
- Mô phỏng thành công ảnh hưởng của hai loại PSS theo chuẩn IEEE 421.5-2005
đối với ổn định góc tải.
- Kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng thí nghiệm trên Card R&D DS1104 theo
thời gian thực của hãng dSPACE tại phòng thí nghiệm Điện – Điện tử trường đại học
KTCN.
- Là nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học tập và giảng dạy trong nhà trường;
Làm tài liệu tham khảo cho các chuyên gia và cán bộ kỹ thuật ngành Điện lực.
5. Cấu trúc của luận văn
Tính cấp thiết của đề tài được trình bày ở phần mở đầu của luận văn. Chương I
của luận văn trình bày tổng quan vấn đề ổn định của HTĐ, trong đó đi sâu nghiên cứu
ổn định góc rôto, tiếp cận theo hướng ổn định các nhiễu nhỏ. Chương II xây dựng mô
hình toán học của trạm phát điện trong HTĐ. Chương III phân tích cấu trúc điển hình
của PSS, xây dựng mô hình toán tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc của HTĐ
nghiên cứu. Các kết quả mô phỏng ổn định góc rôto với PSS theo chuẩn IEEE 421.52005 được trình bày trong chương IV của luận văn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

4

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH
CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. Giới thiệu cấu trúc hệ thống điện
Hình 1.1 minh họa các phần tử cơ bản của một HTĐ hiện đại. Điện năng được
tạo ra ở trạm phát điện và được truyền tải đến hộ tiêu thụ thông qua mạng lưới điện
phức tạp bao gồm các đường dây truyền tải, các MBA, các thiết bị đóng cắt…Ta có
thể phân mạng lưới điện thành các hệ thống như sau:
- Hệ thống truyền tải
- Hệ thống truyền tải trung gian
- Hệ thống phân phối
Hệ thống truyền tải liên kết tất cả các trạm phát điện chính với các trung tâm phụ
tải trong hệ thống. Nó tạo ra xương sống của HTĐ hợp nhất và hoạt động ở các cấp
điện áp cao nhất (điển hình là 220kV và cao hơn). Vì điện áp đầu ra của máy phát
thường trong khoảng từ 10,5 đến 35kV, nên những điện áp này sẽ được nâng lên cao
bởi MBA trước khi truyền tải đi xa đến các trạm truyền tải trung gian, tại đây điện áp
được hạ xuống cấp điện áp truyền tải trung gian (thường là 69kV đến 138kV).
Hệ thống truyền tải trung gian truyền năng lượng điện với công suất nhỏ hơn từ
các trạm truyền tải đến các trạm phân phối. Các hộ tiêu thụ điện lớn công nghiệp được
cung cấp điện trực tiếp từ hệ thống truyền tải. Ở một số hệ thống, không có ranh giới
rõ ràng giữa mạng điện truyền tải và mạng truyền tải trung gian.
Hệ thống phân phối tượng trưng cho giai đoạn cuối trong việc truyền tải điện
năng tới các hộ tiêu thụ riêng lẻ. Điện áp phân phối sơ cấp thường nằm trong khoảng
6kV đến 35kV. Các hộ tiêu thụ điện công nghiệp nhỏ được cung cấp điện trực tiếp từ
các đường dây ở cấp điện áp này. Các hộ tiêu thụ điện sinh hoạt và thương mại thì tiêu
thụ ở phía thứ cấp MBA với điện áp 380/220V.
Các trạm phát điện nhỏ đặt gần phụ tải thường được kết nối trực tiếp tới hệ thống
truyền tải phụ hoặc hệ thống phân phối. Còn sự liên kết giữa các HTĐ gần nhau

thường được thực hiện ở cấp hệ thống truyền tải.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

5

HTĐ như mô tả ở trên đây tạo nên sự phức tạp về cấu trúc cũng như độ tin cậy,...
Một mặt, HTĐ này cho phép khai thác tối đa các ưu điểm vận hành kinh tế (phối hợp
với các nguồn thuỷ – nhiệt điện, tối ưu hoá công suất nguồn…); cho phép hệ thống
chống lại được các sự cố bất thường mà không làm gián đoạn việc cung cấp điện cho
các hộ tiêu thụ. Mặt khác, là tiền đề thuận lợi cho việc phát triển các nguồn điện công
suất lớn và việc đấu nối vào hệ thống. Tuy nhiên, cũng làm nảy sinh vấn đề về ổn định
HTĐ [1].
GS
220kV
15,75kV

500kV

220kV

500kV

220kV

HÖ
thèng
truyÒn

t¶i
500
Kv
500kV

220kV

500kV
220kV

110kV
§•êng
d©y
truyÒn
t¶i
trung
gian

Phô t¶i
c«ng
nghiÖp

§•êng
d©y
truyÒn
t¶i
trung
gian

Tr¹m truyÒn

t¶i

KÕt nèi
víi
®•êng
d©y
bªn
c¹nh

KÕt nèi víi
HT§
bªn
c¹nh

HÖ
thèng
truyÒn
t¶i
220K
v

GS

Phô t¶i
c«ng
nghiÖp

110kV
Tr¹m ph©n
phèi

Tr¹m ph¸t
®iÖn
nhá

6/10/22kv

§•êng
d©y
trung
¸p

0,4 kV
380/220V
Phô t¶i
sinh
ho¹t

Phô t¶i
th•¬n
g m¹i

Hình 1.1. Các phần tử cơ bản của một HTĐ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

1.2. Điều khiển hệ thống điện
1.2.1. Nhiệm vụ điều khiển HTĐ

Chức năng của một HTĐ là biến đổi năng lượng từ một dạng tự nhiên sang dạng
điện và truyền tải đến các điểm tiêu thụ. Sự tiện lợi của năng lượng điện là dễ truyền
tải và điều khiển với hiệu suất và độ tin cậy cao. Trong quá trình vận hành HTĐ cần
đảm bảo các yêu cầu sau đây:
1. Hệ thống phải có khả năng đáp ứng một cách liên tục với sự thay đổi nhu cầu
tải CSTD và CSPK. Không giống như các dạng năng lượng khác, điện năng không thể
tích trữ với dung lượng lớn được. Bởi vậy, rất nhiều thiết bị và bộ điều khiển được sử
dụng để duy trì cân bằng công suất tiêu thụ và công suất phát.
2. Chất lượng điện năng phải đảm bảo các tiêu chuẩn sau đây:
- Tần số hệ thống không đổi
- Điện áp nút không đổi

Hình 1.21. Các hệ thống điều khiển con và điều khiển
liên quan của một trạm phát điện


TÇn sè

§iÒu ®é kÕ
ho¹ch
s¶n
xuÊt

Trao
®æi
c«ng
suÊt

HÖ thèng
®iÒu

khiÓn m¸y
ph¸t
§iÒu tèc
vµ
®iÒu
khiÓn

HÖ
thèng
kÝch tõ
vµ
®iÒu
khiÓn

C«ng
suÊt
m¸y
ph¸t

Dßng
®iÖn
kÝch
tõ
§iÖn
¸p

HÖ
thèng
kÝch tõ
Tèc

vµ
®é
®iÒu
khiÓn

Khèi
®iÒu
khiÓn
m¸y
kh¸c vµ
®iÒu
khiÓn
liªn
quan

§iÒu khiÓn ®•êng d©y t¶i ®iÖn
TÇn sè
Trao
®æi
c«ng
suÊt

C«ng
suÊt
m¸y
ph¸t

Hình 1.2. Các thành phần điều khiển liên quan trong một trạm phát điện [11]

Hình 1.2 mô tả một số khối điều khiển của một trạm phát điện trong HTĐ. Trong
mỗi khối điều khiển máy phát có chứa khối điều tốc và khối điều khiển kích từ. Khối
điều tốc có nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ và điều khiển một số biến cung cấp năng lượng
như áp suất hơi, nhiệt độ và luồng năng lượng. Chức năng của khối điều khiển kích từ
là điều chỉnh điện áp và CSPK đầu ra máy phát.
- Mục đích của hệ thống điều khiển máy phát là để cân bằng công suất phát với
công suất tải cùng các tổn thất. Bởi vậy, tần số và CSTD có quan hệ mật thiết với
nhau.


- H thng iu khin ng dõy truyn ti bao gm cỏc thit b iu khin cụng
sut v in ỏp, nh thit b bự tnh SVC, mỏy bự ng b, t in, khỏng in úng
ct, b iu ỏp MBA, MBA dch pha v cỏc thit b iu khin ng dõy HVDC.
Mc ớch l duy trỡ in ỏp, tn s cng nh cỏc thụng s khỏc ca h thng nm
trong gii hn cho phộp.
Cỏc h thng iu khin mụ t trờn õy gúp phn tho món s lm vic ca HT.
Chỳng cú nh hng ỏng k n c tớnh ng hc ca h thng v kh nng i phú
vi cỏc nhiu lon.
Cỏc mc ớch iu khin c da trờn ch lm vic ca HT. Trong cỏc
iu kin bỡnh thng, mc ớch iu khin l m bo in ỏp v tn s gn vi
giỏ tr nh mc. Khi phỏt sinh iu kin khỏc thng, mc ớch iu khin l a h
thng v ch bỡnh thng.
1.2.2. Cu trỳc iu khin HT

Hỡnh 1.3 l s cu trỳc iu khin HT, phõn chia lm hai khi: cỏc b iu
khin lp t phớa nh mỏy in v cỏc b iu khin lp t phớa ng dõy truyn ti
in:
Các bộ điều
khiển HTĐ

Phía truyền tải điện
Phía nhà máy điện
FACT
S
(nhan
h)

Bộ điều khiển
cơ khí
(chậm)

Turbine Điều khiển
tần số tải
(LFC)
(chậm)

Kích từ
AVR
(nhan
h)

Hỡnh 1.3. Cu trỳc iu khin HT

- Khi iu khin phớa nh mỏy cú hai b phn c bn: mt l iu khin tn s
ti (LFC) hay iu tc turbine, dựng gi tn s ca mỏy phỏt giỏ tr nh mc
(50Hz), mt b phn quan trng khỏc l h thng iu khin kớch t. B phn LFC
khụng nhanh ci thin n nh ca h thng, vỡ hng s thi gian ca nú ln; cũn
iu khin kớch t cú th hot ng rt nhanh vỡ hng s thi gian ca nú rt nh.

- Trong khi HTKT dùng để cải thiện ổn định cho máy phát đồng bộ, thì các thiết
bị FACTS dùng để ổn định các dao động trên các đường dây truyền tải điện. FACTS
được định nghĩa là việc sử dụng kỹ thuật điện tử công suất lớn điện áp cao, với các bộ


vi xử lý, các thiết bị vi điện tử để điều khiển HTĐ. FACTS được thiết kế đã vượt qua
các giới hạn về mặt cơ khí của đường dây truyền tải điện xoay chiều. FACTS đã góp
phần gia tăng khả năng truyền tải, khả năng điều khiển công suất và dập tắt các dao
động trong HTĐ.
Ngoài các khối điều khiển nêu trên, trong HTĐ Việt Nam còn có trung tâm điều
độ HTĐ quốc gia (A0), dưới đó là các điều độ miền Bắc, miền Nam và miền Trung để
chỉ huy vận hành HTĐ đáp ứng yêu cầu sản xuất và tiêu thụ điện năng.
Sau đây ta sẽ phân tích phương pháp điều khiển hai thông số quan trọng của chế
độ HTĐ là điện áp và tần số.
1.2.2.1. Điều khiển điện áp
Để điều khiển điện áp người ta thực hiện điều khiển việc sản xuất, tiêu thụ
CSPK ở tất cả các cấp trong HTĐ. Các máy phát là phương tiện cơ bản để điều khiển
điện áp, trong đó việc điều khiển dòng điện kích từ thông qua AVR sẽ duy trì được
điện áp ở đầu cực các máy phát điện. Các phương tiện thêm vào để điều khiển điện áp
có thể phân loại như sau:
- Nguồn CSPK, như tụ bù ngang, kháng bù ngang, máy bù đồng bộ và SVC
- Bù kháng đường dây, như tụ bù dọc
- MBA điều chỉnh, như MBA có điều chỉnh điện áp dưới tải và MBA tăng áp.
HTKT (bao gồm máy kích từ và AVR) là một trong các hệ thống thiết bị quan
trọng nhất quyết định đến sự làm việc an toàn của máy phát điện. Nó có nhiệm vụ
cung cấp dòng điện một chiều cho cuộn dây kích từ của máy phát điện đồng bộ.
Khi máy phát chưa nối vào lưới điện, việc thay đổi dòng điện kích từ chỉ thay đổi
điện áp đầu cực máy phát. Tuy nhiên khi máy phát điện được nối vào lưới điện có
công suất rất lớn so với máy phát, việc tăng giảm dòng kích từ hầu như không làm
thay đổi điện áp lưới. Tác dụng của HTKT khi đó là điều khiển CSPK của máy phát.

Để tự động điều chỉnh dòng kích từ của máy phát điện đồng bộ, người ta sử dụng
hệ thống tự động điều chỉnh kích từ có bộ phận điều khiển chính là thiết bị tự động
điều chỉnh điện áp – AVR. Thiết bị này có nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu cực máy phát
là không đổi (với độ chính xác nào đó) khi phụ tải thay đổi và nâng cao giới hạn
truyền tải công suất của máy phát vào HTĐ, đặc biệt khi máy phát được nối với hệ
thống qua đường dây dài. Những yêu cầu chung với hệ thống tự động điều chỉnh kích
từ là: đảm bảo ổn định tĩnh (với nhiễu nhỏ) và nâng cao tính ổn định động (với nhiễu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

lớn); cần có chế độ kích thích cưỡng bức khi máy làm việc ở chế độ sự cố (như ngắn
mạch trong lưới).
Sau đây là một số mô hình theo phân loại của Hiệp hội các kĩ sư điện điện tử
(IEEE) [9]. Trên cơ sở tham khảo một số mô hình để rút ra những ưu điểm và nhược
điểm cũng như vi phạm ứng dụng của chúng trong thực tế.
a) Mô hình AVR cho các hệ kích từ xoay chiều

Vf

Bé kÝch
tõ kh«ng
chæi
than AC
V'ef

If

Hình 1.4. Mô hình kích từ không chổi than AC

EX

)



ex

M¸y ph¸t ®iÖn
xoay
chiÒu ( bé kÝch
tõ)

Bé ch Ønh l•u ®ièt

Hình 1.5. Mạch kích từ xoay chiều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>



Mô hình này được áp dụng để điều khiển máy phát xoay chiều phụ có dùng hệ
thống chỉnh lưu diode. Nó bao gồm các tín hiệu phản hồi là điện áp máy phát chính và
điện áp máy phát phụ đồng thời có các giới hạn thiếu kích thích và quá kích thích.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

Ngoài ra có thể có thêm tín hiệu VPSS từ PSS đưa đến. Tuy nhiên, hệ thống kích từ
xoay chiều thường có giá thành đắt và cấu tạo khá phức tạp (đặc biệt là hệ thống kích
từ không chổi than).
b. Mô hình bộ AVR cho các hệ kích từ một chiều

Hình 1.6. Mô hình kích từ một chiều DC1A

Mô hình này thường áp dụng cho hệ thống kích từ có sử dụng máy phát điện một
chiều. Bộ điều chỉnh chính là một bộ PID sau đó đuợc khuếch đại và điều khiển máy
phát một chiều cung cấp cho mạch kích từ. Mô hình này không có các khối bảo vệ
thiếu kích thích và quá kích thích nên độ tin cậy không cao và thường chỉ dùng với các
máy phát cỡ nhỏ đặc biệt là các máy phát tự dùng trong các nhà máy.
c) Mô hình bộ AVR cho các hệ kích từ tĩnh
Mô hình ST1A là một mô hình khá phổ biến được sử dụng rộng rãi trong thực tế.
Với các giới hạn thiếu kích thích và quá kích thích. Có khả năng điều chỉnh công suất
phản kháng khi phân phối công suất giữa các tổ máy. Có bổ sung tính năng ổn định hệ
thống - PSS. Tuy nhiên, ST1A có một số hạn chế về chức năng do thiếu hạn chế khi
thiếu kích thích và độ tin cậy có thể không đảm bảo khi máy phát làm việc với phụ tải
có tính chất dung kháng, có thể gây mất ổn định khi làm việc. Sơ đồ trên đây là sơ đồ
nguyên lý chưa đầy đủ các chi tiết.


V Imax

V ref
+

VC
V ss

V ref
V Imin

V amax
(1 + sT C )(1 + sT C
) (1 + sT B)(1 + sT
B)
V FF

KA
1 + sT A

E t V rmin - KCI F

V OEL
+

VF

LV gate

V amin
E tV

sK F
1 + sT E

rmin

+ If

K LR
I LR

Field current limiter

Hình 1.7. Mô hình kích từ ST1A

1.2.2.2. Điều khiển tần số
Quá trình điều khiển tần số gắn liền với điều khiển tốc độ của máy phát điện
đồng bộ. Tần số của hệ thống được đảm bảo dựa trên sự cân bằng CSTD. Trong hệ
thống có nhiều tổ máy, nhiều nhà máy điện nên cần có sự phân phối công suất giữa các
tổ máy với nhau. Bộ điều chỉnh tốc độ turbine (governor) của mỗi máy phát làm chức
năng điều chỉnh tốc độ sơ cấp, trong khi bộ điều khiển thứ cấp làm nhiệm vụ phân
phối công suất (AGC) [10].
Tần số là một trong những tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điện năng. Độ lệch tần
số khác với độ lệch điện áp ở chỗ là tất cả các điểm đang làm việc đồng bộ của hệ
thống là giống nhau. Sự thay đổi tần số xảy ra do sự mất cân bằng công suất tổng của
turbine và phụ tải của máy phát.
Rõ ràng khi tăng hoặc giảm phụ tải hay khi sự cố tổ máy sẽ xuất hiện mất cân
bằng công suất dẫn đến thay đổi tần số trong hệ thống. Tần số được điều chỉnh bằng
cách thay đổi lượng hơi nước (nước) đưa vào turbine máy phát. Như vậy việc điều
chỉnh tần số trong HTĐ liên quan mật thiết với điều chỉnh CSTD giữa các tổ máy và
nhà máy điện.
Trong hệ thống liên kết có hai hay nhiều khu vực điều khiển độc lập nhau,
ngoài bộ điều khiển tần số nguồn phát trong mỗi khu vực còn phải điều khiển để duy
trì lượng công suất giữa các khu vực theo kế hoạch định trước. Điều khiển nguồn phát
và tần số thông thường được biết đến với thiết bị điều khiển tần số–tải (LFC).

Năng lợng
sơ
cấp

Thay đổi tốc độ
HT điều
khiển
turbine sơ
cấp

Van hay
cổng cam
hớng

Máy phát

Turbine

Tốc độ
Tải, HT truyền tải
các tổ máy
khác

Bộ điều
khiển thứ
cấp AGC

Công suất truyền tải trên
đờng dây

Hỡnh 1.8. iu khin tn s v phõn phi CSTD trong HT

S iu khin tn s v phõn phi CSTD t ng trong HT c mụ t nh
hỡnh 1.8. Ngy nay, cỏc thit b t ng iu khin cho phộp duy trỡ tn s h thng kt
hp phõn b kinh t cụng sut gia cỏc t mỏy ni song song, ng thi iu khin
dũng cụng sut cũn thiu ht gia HT v nh mỏy.
1.3. n nh gúc ti (gúc rotor)
1.3.1. Gúc ti (gúc rotor)

n nh gúc rụto kh nng ca cỏc MP ng b trong mt HT liờn kt vn
cũn gi c s ng b húa sau khi tri qua cỏc kớch ng cú th xy ra trong HT.
Nú liờn quan n kh nng duy trỡ/phc hi s cõn bng gia mụ men in t v mụ
men c khi ca mi mỏy phỏt in ng b trong HT. S mt n nh cú th xy ra
khi cú s tng lờn ca gúc rụto ca mt s MP dn n s mt ng b húa so vi
cỏc MP khỏc trong HT. n nh gúc cú th c phõn loi thnh 2 loi: n nh
gúc vi nhiu lon nh (small - signal stability), v n nh gúc khi quỏ (transient
stability) [12].
~

Gúc ti (gúc rotor) l gúc gia vector sc in ng bờn trong E g do t thụng
~

dũng in kớch t sinh ra vi vector in ỏp trờn thanh cỏi u cc V t V t
Xột mt HT n gin cho trờn hỡnh 1.9a. Bao gm mỏy phỏt ng b kt ni
vi HT qua ng dõy ti in cú in khỏng l Xe. Hỡnh 1.9b l s thay th lý
tng (ó b qua in tr v in dn cỏc phn t) xỏc nh mi quan h gia cụng


suất với góc. Hình 1.9c biểu diễn đồ thị vector pha giữa máy phát và hệ thống. Ở chế

độ xác lập công suất đầu ra của máy phát cho bởi Hình 1.9d
Pe 

E Vg

t



sin

(1.1)

Xg
Xg V V 

Đường dây

t

Xe
V

t

V 0
S

S

HT
G

I

E g

a) Sơ đồ HTĐ

b) Sơ đồ thay thế lý tưởng

Eg

P

IXg

Pma

Điểm làm việc

x



Pm
a

Vt
IXe



VS
I

δ0

90

0

180

0

d) Đặc tính công suất - góc

c) Sơ đồ vector

Hình 1.9. Đặc tính công suất của máy phát

Đáp ứng của mối quan hệ công suất và góc δ được biểu diễn như hình 1.9d. Với
các mô hình được lý tưởng hoá sử dụng để biểu diễn máy phát đồng bộ (như đã giả
thiết), thì sự thay đổi công suất theo góc δ có dạng hình sin. Còn với các mô hình máy
phát đòi hỏi sự chính xác cao như xét đến ảnh hưởng của quá trình điện từ, thì mối
quan hệ công suất góc có thể lệch khỏi dạng sin, tuy nhiên dạng chung là giống nhau.
Khi góc bằng không, công suất bằng không. Nếu góc tăng, công suất truyền tải sẽ tăng
0
tới giá trị cực đại thường được đảm bảo bằng 90 , sau đó nếu góc tiếp tục tăng công

suất sẽ giảm. Còn tiếp tục tăng góc nữa sẽ dẫn tới mất ổn định.
1.3.2. Nguyên nhân gây ra dao động góc tải