Khảo sát quá trình động học hệ thống máy phát động cơ sơ cấp làm việc với lưới điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------o0o--------

ĐỖ TẤN DINH

KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH ĐỘNG HỌC
HỆ THỐNG MÁY PHÁT - ĐỘNG CƠ SƠ CẤP
LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN

CHUYÊN NGÀNH : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
MÃ SỐ NGÀNH : 60.52.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, 07 - 2006


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 1: .....................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2: .....................................................................................

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ……… tháng ……… năm 2006.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
Tp.HCM, ngày ......tháng ........ năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: ĐỖ TẤN DINH
Phái: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 22/06/1982
Nơi sinh: Bạc Liêu
Chuyên ngành: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN
MSHV: 01804475
I -TÊN ĐỀ TÀI : Khảo sát quá trình động học hệ thống máy phát – động cơ sơ cấp làm
việc với lưới điện.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 17/1/2006
VI- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/6/2006
V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Hữu Phúc.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ
CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.

Ngày ………… tháng ……… năm 2006
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


LỜI CÁM ƠN
Luận văn này đã được hoàn thành với sự giúp đỡ rất nhiều của quý
thầy cô, anh chị và bạn bè. Trước hết tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
đến thầy Nguyễn Hữu Phúc, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt
quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin trân trọng biết ơn những chỉ bảo quý giá, những sự giúp đỡ
nhiệt tình của các thầy cô trong bộ môn Hệ Thống Điện và các thầy cô
của trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, những người đã cho tôi có được
những kiến thức cơ bản, giúp tôi thực hiện thành công luận văn ngày hôm
nay.
Tôi xin trân trọng biết ơn Ban Giám Hiệu, lãnh đạo Khoa Điện –
Điện tử, bộ môn Hệ Thống Điện trường Đại Học Bán Công Tôn Đức
Thắng đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong quá
trình học tập cũng như trong giai đoạn thực hiện luận văn.
Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến bạn bè, các đồng
nghiệp và gia đình về những gó p ý chân tình và là những người đã tạo
điều kiện tốt, đã cùng nhau gánh vác, chia sẽ công việc để giúp tôi hoàn
thành tốt luận văn này.

Trân trọng


Tóm tắt luận văn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng cao về số lượng, quy
mô cũng như chất lượng của khách hàng, đòi hỏi ngành điện phải không ngừng
tăng cường công suất phát, mở rộng phạm vi cung cấp, đặc biệt chú ý đến chất
lượng và an ninh điện năng cung cấp cho khách hàng. Để thành công cần phải
biết nghiên cứu áp dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật hiện đại, đưa công
nghệ thông tin vào trong sản xuất cũng như vận hành lưới điện, để kịp thời
phân tích, đánh giá tình trạng vận hành lưới điện một cách nhanh chóng, từ đó
đưa ra những giải pháp vận hành hệ thống điện tối ưu nhất, đảm bảo điện năng
cung cấp cho khách hàng đạt tiêu chuẩn tốt nhất về số lượng, chất lượng, độ tin
cậy và có chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối nhỏ nhất.
Quá trình động học trong hệ thống điện chi tiết được mô tả bằng hệ
phương trình vi phân phi tuyến rất phức tạp, để có được lời giải tốt đòi hỏi rất
nhiều thông số và mất thời gian rất nhiều nếu giải bình thường. Để cải thiện,
ngày nay người ta thường dùng phương pháp số, với sự trợ giúp của máy tính
để giải các phương trình đó.
Luận văn này tập trung tìm hiểu, nghiên cứu các chế độ, các quá trình
động học và ổn định trong hệ thống điện. Tìm hiểu các phương pháp thông
dụng nghiên cứu ổn định hệ thống điện ( phương pháp diện tích, phương pháp
tích phân số, … ). Tìm hiểu và thành lập các mô hình toán, mô hình động học
của các phần tử trong hệ thống điện xoay chiều ( turbine, máy phát đồng bộ,
các bộ kích từ, bộ ổn định hệ thống điện PSS, máy biến áp, đường dây truyền
tải, phụ tải,…). Theo đó tiến hành xây dựng các mô hình hệ thống ( hệ thống
một máy phát kết nối với thanh cái vô hạn, hệ thống nhiều máy phát kết nối
với nhau từ đơn giản đến phức tạp ) và thực hiện mô phỏng với sự trợ giúp của
công cụ SIMULINK trong phần mềm MATLAB. Từ đó có những nhận xét,
đánh giá trực quan các kết quả mô phỏng.


Mục lục

GVHD : TS.NGUYỄN HỮU PHÚC

MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Mục lục
Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG HỌC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ....1
1.1 Khái niệm chung về hệ thống điện và mạng điện ......................................1
1.2

Các chế độ của hệ thống điện ....................................................................1

1.3

Hiện tượng động học và ổn định trong hệ thống điện ................................5

1.4

Các dao động điện cơ................................................................................10
1.4.1. Máy đồng bộ nối với thanh cái vô hạn .......................................10
1.4.2. Mô hình cổ điển trong hệ thống điện với nhiều máy phát .........14
1.4.3. Mô hình tổng quát quá trình quá độ điện – cơ ...........................18

1.5

Phương pháp diện tích – nghiên cứu ổn định hệ thống điện ....................21
1.5.1. Tăng công suất đột ngột trên máy phát ...................................... 22
1.5.2. nh hưởng thời gian cắt ngắn mạch...........................................23

1.6

1.7

Các phương pháp phân tích số ..................................................................25
1.6.1.

Phương pháp EULER ..............................................................25

1.6.2.

Phương pháp Runge – Kuta(R – K) ........................................26

1.6.3.

Phương pháp phân loại gián tiếp.............................................27

Kết luận ..................................................................................................28

Chương 2 – MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC TURBINE – MÁY PHÁT ..................30
2.1 Giới thiệu về máy phát đồng bộ ................................................................30
2.2 Thông số máy phát ....................................................................................31
2.3 Những phương trình rôtor...........................................................................32
2.3.1 Những phương trình trục d.................................................................32
2.3.2 Mạch tương đương trục d...................................................................33


Mục lục

GVHD : TS.NGUYỄN HỮU PHÚC

2.3.3 Những phương trình trục q.................................................................35
2.3.4 Mạch tương đương trục q...................................................................36
2.4 Những phương trình stator..........................................................................38
2.5 Ghép nối máy phát với mạng điện ............................................................38
2.5.1 Phương pháp cuộn dây giả tưởng......................................................40
2.5.2 Tính toán nguồn dòng máy phát .......................................................41
2.6 Momen điện từ ..........................................................................................43
2.7 Những phương trình chuyển động..............................................................43
2.8 Tính toán điều kiện đầu ............................................................................44
2.9 Biến đổi của mô hình 2.2 ...........................................................................46
2.10 Quán tính trung tâm (COI) .........................................................................47
2.11 Giới thiệu về hệ thống turbine và bộ điều tốc ..........................................48
2.12Mô hình turbine...........................................................................................48
2.12.1 Mô hình turbine khí .......................................................................48
a. Quá trình động học cơ bản trong gas turbine ....................................50
b. Mô hình hệ thống điều khiển gas turbine .........................................50
c. Biểu diễn toán học của gas turbine ..................................................52
2.12.2 Mô hình Turbine hơi........................................................................55
2.12.3 Mô hình Turbine thủy lực ...............................................................59
2.13 Mô hình của hệ thống điều tốc ..............................................................64
2.13.1 Hệ thống điều tốc cho turbine thủy lực ........................................64
2.13.2 Hệ thống điều tốc cho turbine hơi...................................................66
2.14 Kết luận ..................................................................................................67


Mục lục

GVHD : TS.NGUYỄN HỮU PHÚC

Chương 3 – MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CÁC PHẦN TỬ LƯỚI ĐIỆN .......... 68

3.1 Giới thiệu ...................................................................................................68
3.2 Các phần tử chính của hệ thống kích từ ..................................................... 68
3.2.1. Hệ thống kích từ một chiều dc .....................................................70
3.2.2. Hệ thống kích từ xoay chiều ac.....................................................71
3.2.3. Hệ thống kích từ tónh ...................................................................75
3.3 Giới thiệu về bộ ổn định hệ thống PSS .....................................................78
3.4 Những dạng của bộ ổn định hệ thống........................................................78
3.5 Bộ ổn định PSS một đầu vào .....................................................................79
3.5.1 Bộ PSS với tín hiệu vào là độ lệch tốc độ rôto ..............................79
3.5.2 Bộ PSS tín hiệu vào tần số ........................................................... 80
3.5.3 Bộ PSS tín hiệu vào công suất ....................................................... 81
3.6 Bộ PSS hai đầu vào....................................................................................81
3.7 Giới thiệu về mô hình mạng truyền tải .....................................................82
3.8 Đường dây truyền tải .................................................................................83
3.9 Máy biến áp ..............................................................................................83
3.10 Mô phỏng sự cố .........................................................................................84
3.11 Giới thiệu về mô hình tải .......................................................................84
3.12 Mô tả đa thức tải ....................................................................................85
3.13 Mô hình tải phụ thuộc tần số...................................................................86
3.14 Mạch tương đương tải ..............................................................................86
3.15 Hiệu chỉnh những đặc tính tải dạng hằng số công suất .........................87
3.16 Một phương pháp để tránh giải lặp của những phương trình đại số ......87
3.17 Kết luận ...................................................................................................88


Mục lục

GVHD : TS.NGUYỄN HỮU PHÚC

Chương 4 – MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG ĐIỆN ....................................89

4.1 Giới thiệu về MATLAB – SIMULINK và lưu đồ giải thuật ...............................89
4.2 Mô phỏng hệ thống máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn ..............................92
4.3 Mô phỏng hệ thống điện 10 nút, 4 máy phát ......................................................97
4.4 Hệ thống điện IEEE 145 nút, 50 máy phát ........................................................ 113
4.5 Kết luận ............................................................................................................. 132

Chương 5 – TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................. 133
5.1 Tổng kết .................................................................................................. 133
5.2 Đề nghị hướng phát triển cho đề tài ........................................................ 134


Chương 1

GVHD: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG HỌC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1.

Khái niệm chung về hệ thống điện và mạng điện
Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất trong tất cả

các lónh vực hoạt động kinh tế và đời sống con người.
Điện năng được sản xuất trong các nhà máy điện bao gồm: nhà máy
nhiệt điện, nhà máy thủy điện, nhà máy điện nguyên tử, …
Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây
tải điện và các thiết bị khác (thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ, …) được
nối kết với nhau thành hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân
phối điện năng.
Mạng điện là một tập hợp gồm các trạm biến áp, trạm đóng cắt, các

đường dây trên không và các đường dây cáp. Mạng điện dùng để truyền tải và
phân phối điện năng từ các nhà máy điện đến hộ tiêu thụ.
Điện năng truyền tải đến các hộ tiêu thụ phải thỏa mãn các tiêu chuẩn
về chất lượng phục vụ (gồm chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện)
và có chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối nhỏ nhất.
1.2.

Các chế độ của hệ thống điện
Các chế độ làm việc của hệ thống điện (HTĐ) được chia làm 2 loại

chính: chế độ xác lập (CĐXL) và chế độ quá độ (CĐQĐ). Chế độ xác lập là
chế độ trong đó các thông số hệ thống không thay đổi, hoặc trong những
khoãng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ xung quanh các trị số định
mức. Chế độ làm việc lâu dài của HTĐ là chế độ xác lập. Chế độ sau sự cố, hệ
thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng là CĐXL. Ở các CĐXL sau sự

Trang 1


Chương 1

GVHD: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

cố thông số ít biến thiên nhưng có thể lệch khỏi trị số định mức, do đó cần phải
nhanh chóng khắc phục.
Chế độ quá độ là chế độ trung gian chuyển từ CĐXL này sang CĐXL
khác. CĐQĐ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao tác đóng cắt các phần
tử đang mang công suất (kích động lớn). CĐQĐ gọi là bình thường nếu nó tiến
đến CĐXL mới sau một thời gian nhất định. Ngược lại, có thể diễn ra CĐQĐ
với thông số hệ thống biến thiên mạnh sau đó tăng đến vô hạn hoặc dẫn đến

không, gọi là CĐQĐ sự cố.
Từ các khái niệm nêu trên, ta thấy rằng điều kiện tồn tại CĐXL gắn liền
với sự tồn tại điểm cân bằng công suất. Khi đó thông số hệ thống mới giữ
không đổi (máy phát duy trì được tốc độ quay đồng bộ). Tuy nhiên, thực tế
luôn tồân tại những kích động ngẫu nhiên (như thay đổi công suất phụ tải, đóng
cắt thiết bị điện,…) làm lệch thông số khỏi điểm cân bằng (tuy rất nhỏ). Trong
trường hợp đó hệ thống vẫn phải duy trì được độ lệch nhỏ của các thông số,
nghóa là đảm bảo tồn tại chế độ xác lập. Khả năng này phụ thuộc vào tính ổn
định tónh của hệ thống. Xét trạng thái cân bằng công suất của hệ thống như
hình 1.1.
MBA

XD

U

G

P
P(δ)

Pm
a

P

0

b

δ01
δ02
Hình 1.1

Trang 2

P1

o2


Chương 1

GVHD: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Công suất turbine được coi là không đổi, công suất máy phát có dạng:
P (δ ) =

EU
sin δ = Pm sin δ
XH

(1.1)

Trong đó: XH = XMF +XMBA +XD/2
Tại hai điểm cân bằng a và b ứng với các trị số góc lệch δ01 và δ02:
δ01 = arcsin(PT/Pm)

; δ02= 1800 – arcsin(PT/Pm)

Tuy nhiên chỉ có điểm cân bằng a là ổn định và tạo nên chế độ xác lập .
Để đưa ra khái niệm ổn định động, hãy xét các đặc trưng quá trình quá
độ (QTQĐ) diễn ra trong hệ thống sau những kích động lớn, ví dụ xét hệ thống
điện như hình 1.1, một trong hai đường dây đột ngột cắt ra. Đặc tính công suất
được biểu diễn như hình 1.2. Quá trình quá độ đó có thể chuyển thành CĐXL
tại δ’01 hoặc không, phụ thuộc vào tính chất của hệ thống và mức độ kích
động. Nếu quá trình dao động của hệ thống tắt dần đến điểm cân bằng δ’01
của chế độ xác lập mới (hình 1.2(a)), xác định hệ thống ổn định động. Ngược
lại, cũng với hệ thống trên, xét trường hợp trị số điện kháng đường dây chiếm
tỉ lệ lớn hơn trong điện kháng hệ thống (đường dây dài). Đặc tính công suất khi
một đường dây bị cắt sẽ hạ thấp hơn như trong hình 1.2(b). Trường hợp này dao
động của hệ thống không tắt dần ở δ’01 dẫn đến mất đồng bộ tốc độ quay của
máy phát. Hệ thống mất ổn định động. Ta có các định nghóa cụ thể về ổn định
như sau :
Ổn định tónh là khả năng của hệ thống sau những kích động nhỏ phục
hồi được chế độ ban đầu hoặc rất gần với chế độ ban đầu (trường hợp
kích động không được loại trừ).

Trang 3


Chương 1

GVHD: TS NGUYỄN HỮU PHÚC
Ổn định động là khả năng của hệ thống sau những kích động lớn
phục hồi dược trạng thái ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu
(trạng thái vận hành cho phép).
P

P

Pm1

Pm1

1

Pm2
PT

2

a

Pm2
PT

b

1
a

2

δ

δ
0

δ δ δmax

δ

t

b

0

δ δ δ

δ

t
(b)

(a)

Hình 1.2 Khảo sát ổn định động của hệ thống

Khi hệ thống rơi vào trạng thái mất ổn định sẽ kéo theo các sự cố
nghiêm trọng có tính chất hệ thống:
Các máy phát sẽ làm việc ở trạng thái không đồng bộ, cần phải cắt
ra làm mất những lượng công suất lớn.
Tần số hệ thống bị thay đổi lớn làm ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ.
Điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các
nút phụ tải.
Do hậu quả nghiêm trọng của sự cố mất ổn định, nên khi thiết kế và vận
hành HTĐ cần phải đảm bảo các yêu cầu cao về tính ổn định:
Hệ thống cần có ổn định tónh trong mọi tình huống vận hành bình

thường và sau sự cố.

Trang 4


Chương 1

GVHD: TS NGUYỄN HỮU PHÚC
Cần có độ dự trữ ổn định tónh cần thiết để HTĐ có thể làm việc bình
thường với những biến động thường xuyên của các thông số chế độ.
Hệ thống cần đảm bảo ổn định động trong mọi tình huống thao tác,
vận hành và kích động của sự cố. Trong điều kiện sự cố, để giữ ổn
định động có thể áp dụng các biện pháp điều chỉnh điều khiển (kể cả
biện pháp thay đổi cấu trúc hệ thống, cắt một số các phần tử không
quan trọng).

1.3.

Hiện tượng động học và ổn định trong hệ thống điện.
Trong một hệ thống điện, một trong số các hiện tượng mà sự khác biệt

của nó ở một vài khía cạnh có nguồn gốc từ vật lý, chẳng hạn như phổ tần của
nó có thể được quan sát. Hệ thống ở trong trạng thái động nếu đạo hàm theo
thời gian của một vài biến số hệ thống là khác không. Khi độ lớn của tải luôn
thay đổi một cách tự phát, nó có thể gây ra tình trạng mất ổn định trong hệ
thống điện. Thực tế, để giải quyết các bài toán như vậy thường rất khó. Do
vậy, hầu hết các trường hợp trong nghiên cứu khoa học và các ứng dụng các
kiến thức khoa học vào việc thiết kế, nhiều hay ít đều lý tưởng hoá các chế độ
và những mô hình đơn giản phải được nghiên cứu và phân tích kỹ lưỡng. Sự
đơn giản hoá và lý tưởng hoá thuận tiện cho việc phân tích hệ thống và góp

phần đạt được kết quả và giúp cho việc nghiên cứu và đưa ra lời giải thích một
cách dễ dàng hơn. Vì vậy có thể hoàn toàn chấp nhận các giả thiết rằng tải,
môment quay turbine, điện áp đầu cực máy phát là không đổi. Trạng thái đó
được xem như là “trạng thái bền vững”.
Hiện tượng động bắt đầu từ nhiễu của hệ thống hoặc bởi sự biến đổi của
các biến hệ thống. Sự nhiễu loạn có thể xuất phát khi xảy ra sự cố, hoặc từ
việc hoạt động đóng cắt điện. Thông thường, người ta mong muốn sự nhiễu

Trang 5


Chương 1

GVHD: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

loạn sinh ra do người điều khiển hệ thống hoặc từ các bộ điều khiển sẽ không
gây nguy hiểm đến ổn định hệ thống. Sự nhiễu loạn bắt nguồn từ một vài sự cố
pha chạm đất hoặc sự cố ngắn mạch có thể gây ra sự biến đổi lớn về trạng thái
hệ thống điện, mà trường hợp xấu nhất có thể làm cho hệ thống hoặc một phần
của hệ thống mất ổn định. Vì hệ thống điện là một hệ thống phi tuyến, độ ổn
định của hệ thống sau nhiễu phụ thuộc vào mức độ và đặc tính của nhiễu đó.
Hệ thống tuyến tính, không phụ thuộc vào nhiễu, được phân ra là hệ thông ổn
định hoặc không ổn định. Nghóa là độ ổn định là một thuộc tính của hệ thống.
Từ đó không cho phép một hệ thông điện, nơi có độ ổn định cao phụ thuộc vào
nhiễu. Một cách tổng quát, ổn định hệ thống được định nghóa như sau.
Hệ thống điện được gọi là ổn định với nhiễu nếu hệ thống đó đạt được
trạng thái bền vững nào đó trong một thời gian giới hạn sau nhiễu. Trạng thái
bền vững đó phải đảm bảo được chấp nhận trong vận hành. Ngược lai, gọi là
hệ thống không ổn định.
Hệ thống không nhất thiết phải trở về trạng thái ổn định như trước khi

nhiễu. Chẳng hạn một vài thành phần (như đường dây hoặc máy phát) tách ra
khỏi hệ thống do bị nhiễu, lúc đó hệ thống sẽ trỡ về trạng thái ổn định mới.
Hiện tượng động trong hệ thống đươcï phân loại như sau:
• Quá độ (điện từ) nhanh : (100Hz – MHz)
• Dao động điện cơ (dao động của rôto trong máy phát) (0.1 – 3Hz).
•

Hiện tượng động không điện, ví dụ nhiệt động lực hoặc các hiện
tượng cơ khí khác (khoảng 10Hz).

Một sự kiện nhiễu khởi đầu trong hệ thống điện có thể gây ra hiện tượng
động trong cả 3 nhóm nêu trên. Một sự phóng điện trên đường dây truyền tải
có thể gây ra quá điện áp, phá hỏng cách điện, dẫn đến sự cố chạm đất, gây ra

Trang 6


Chương 1

GVHD: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

dao động mạnh của rôto máy phát đồng bộ. Có thể cắt phần tử hệ thống có khả
năng gây nhiễu, làm cho môment của một số máy phát trong hệ thống có sự
thay đổi và xuất hiện sự mất cân bằng công suất giữa nguồn phát và tải tiêu
thụ, tần số trong hệ thống sụt giảm và cần phải tăng cường công suất các tổ
máy tham gia điều khiển tần số. Như vậy hiện tượng phóng điện ban đầu đã
khởi tạo quá trình động trong cả 3 nhóm nêu trên.
Cách khác để phân loại hiện tượng động như hình 1.3. Sự phân loại này
dựa theo tỷ lệ thời gian của hiện tượng và mô hình toán được sử dụng để phân
tích.

phân bố công suất

D

(phương trình
đại số)

độ méo của hài

C

dòng điện sự cố
(phương trình đại số và
vi phân)

ổn định dài hạn
ổn định ngắn hạn
quá độ stato

B

cộng hưởng và bão hoà từ
(phương trình vi phân)
quá độ đóng cắt

A

quá độ phóng điện

10-6

1

10-3

(lý thuyết truyền sóng)
t(s)

103

Hình 1.3 Các trạng thái động trong hệ thống điện. Các nhóm được phân
chia như sau: A: quá độ điện từ nhanh. B: động học trong máy đồng bộ. C: hiện
tượng ở trạng thái gần bền vững. D: hiện tượng ở trạng thái bền vững.
Thực tế không thể thiết lập được mô hình mà có thể mô tả đúng tất cả
các hiện tượng động học xảy ra trong hệ thống tại cùng một thời điểm. Thông
Trang 7


Chương 1

GVHD: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

thường, một mô hình biểu diễn chỉ cho một vài sự kiện, hoặc chỉ cho hiện
tượng cần được nghiên cứu để sử dụng. Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu,
mô hình tương ứng của một phần tử nào đó trong hệ thống điện có thể khác
nhau. Rõ ràng rằng nếu mục đích nghiên cứu liên quan đến dao động công suất
giữa các máy phát trong hệ thống, hoàn toàn khác với các mô hình phân tích
ảnh hưởng xung sét trong dây quấn của máy phát đồng bộ. Cụ thể, hình 1.4 cho
thấy các mô hình khác nhau của một máy phát. Thể hiện các thông tin về
phạm vi tần số ứng với các mô hình khác nhau được sử dụng.

Mặc dù về mặt lý thuyết có thể phát triển một mô hình hoàn chỉnh thể
hiện tất cả các hiện tượng động trong hệ thống điện, đó là một vấn đề phải
được xem xét nếu như có một mô hình hữu dụng như thế. Trước tiên, một mô
hình như thế sẽ yêu cầu một số lượng rất lớn các dữ liệu đầu vào phải được xác
định. Thứ hai, kết quả thu được từ mô hình như thế sẽ rất khó để phân tích và
hiểu được. Ngoài ra, nó đòi hỏi cần có sự đầu tư lớn về công sức. Hơn nữa, trí
tuệ con người khó để có thể phiên dịch và đánh giá tới hạn các kết quả mà một
mô hình phức tạp cho ra. Đánh giá tới hạn và hiểu được kết quả là điều cần
thiết cho việc nghiên cứu khoa học của người kỹ sư. Ngày nay, tất cả các tính
toán và mô phỏng đều được thực hiện với sự trợ giúp của máy tính, điều đó rất
quan trọng để đạt được mong muốn về các kết quả đầu ra hợp lý. Như vậy, các
lỗi thông thường do bị sai ở các cơ sở dữ liệu đầu vào, lỗi trong mô hình, sai giả
thiết,… có thể được loại trừ tới một phạm vi rất lớn. Hệ số con người là yếu tố
quan trọng nhất trong phân tích và mô phỏng trên máy tính.

Trang 8


Chương 1

Máy phát

~

GVHD: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Nhóm I

Nhóm II

Nhóm III

0.1 – 3Hz

50/60Hz–30Hz

10kHz – 3MHz

Các phương
trình MF thực
hiện mô
phỏng trong
Mô phỏng

R(f)

L
E

~

C/2

hệ trục dq

La

Lk

Lb

Rk

Rb Ra

Ck Cb

Nhóm IV
100kHz –
50MHz

Z
Cs Rd

Ca

Cs

L

Z=Z(f) : ft=1/(2πLtCt)1/2

Bảo hoà từ
Kích từ
Môment cơ
khí
Chuyển tiếp

Rất quan

Chỉ quan trọng

từ siêu quá

trọng nếu có

trong trường hợp sự

độ đến quá

các hiện

suy giảm dòng

độ và đến

tượng đóng

ngắn mạch là

đồng bộ.

cắt

không đáng kể

Điều khiển

Rất quan

điện áp

trọng

Điều khiển
tốc độ
Các thông
số phụ
thuộc tần số
Điện dung

Quan trọng

Rất quan
trọng
Bỏ qua

Bỏ qua

Boû qua

Boû qua

Boû qua

Boû qua

Boû qua

Boû qua

Boû qua

Boû qua

Boû qua

Boû qua

Quan trọng

Rất quan trọng

Rất quan trọng

Hình 1.4 Mô hình của máy phát đồng bộ với các vùng tần số khác nhau.

Trang 9


Chương 1

GVHD: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Các mô tả trong bản tóm tắt này dùng nghiên cứu hiện tượng động trong
hệ thống điện, đặc biệt nhấn mạnh hiện tượng điện – cơ, bên cạnh đó những
hiện tượng khác cũng được xem xét nghiên cứu.
Các mô hình, về nguyên lý cơ bản có thể có sai sót theo hai cách khác
nhau. Đầu tiên, có thể sai về cấu trúc. Nó có thể là do quá đơn giản khi xem
xét các tác động và các quá trình xử lý hoặc mô hình không chính xác về

chúng. Điều này rất quan trọng và nó có thể dẫn đến kết quả bất lợi. Thứ hai,
nhập sai các thông số đầu vào cũng sẽ dẫn đến kết quả không đúng. Trong một
hệ thống lớn như hệ thống điện, có đến hàng ngàn thông số đầu vào cần được
xác định cho một hệ thống hoàn chỉnh. Điều đó rất khó khăn, nhưng cũng hết
sức quan trọng và nó cần được lưu trữ, cập nhật một cách chắc chắn để phục vụ
cho công việc mô phỏng của người kỹ sư.
1.4.

Các dao động điện – cơ
Như đã đề cập ở trên, dao động điện – cơ là một hiện tượng quan trọng

khi các sự kiện động xảy ra trong một hệ thống điện. Nhiều hiện tượng sẽ được
nghiên cứu xuất phát từ sự dao động rôtor của máy điện đồng bộ và phương
trình mô tả hiện tượng đó, đôi khi kết hợp cùng với các mối tương quan khác để
phân tích các sự kiện tức thời. Chúng ta sẽ bắt đầu với việc thành lập phương
trình dao động của máy điện đồng bộ trong một mạng lớn và tiếp tục với mô
hình cổ điển cho trường hợp nhiều máy kết nối cùng hệ thống. Cuối cùng sẽ đi
đến kết luận với một mô hình tổng quát hơn mô tả sự dao động của rôtor trong
một hệ thống điện.
1.4.1 Máy đồng bộ nối với thanh cái vô hạn
Khảo sát hệ thống được mô tả như hình 1.5.

Trang 10


Chương 1

GVHD: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Hệ thống bao gồm máy phát đồng bộ qua máy biến áp, cung cấp cho

phụ tải địa phương và kết nối với thanh cái vô hạn qua đường dây truyền tải.
Phương trình dao động của máy điện đồng bộ có thể được viết:
2 H dω
⋅
+ Dω = Pm − Pe
ω 0 dt

(1.2)

Với các tham số:
H : hằng số quán tính (H – hệ số) [MWx/MVA = s]
D : hằng số suy giảm [pu/(rad/s)]
Pm : công suất cơ tại turbin [pu]
Pe : công suất điện máy phát [pu]
ω : tần số góc dao động của rôtor [rad/s]
ω0 : tần số góc điện danh định (=2πf0 [rad/s])
θ : vị trí góc của rôtor [rad]

~

Máy phát đồng bộ

đường dây

tải

Thanh cái
vô cùng lớn

Hình 1.5 Kết nối máy phát đồng bộ với

Phương trình (1.2) có thể viết theo một vài dạng khác nhau, phụ thuộc
vào hệ thống đơn vị sử dụng. Phương trình vi phân (1.2) nhận được từ giả thiết
rằng tần số dao động của rôtor nhỏ hơn tần số danh định của hệ thống . Tần số
góc ω được định nghóa dựa theo máy phát chuẩn với tốc độ quay không đổi.
Dao động rôtor điều chỉnh về chuyển động bình thường của rôtor và nếu biên
độ dao động là nhỏ, thì điện áp và dòng điện sinh ra trong hệ thống với tần số

Trang 11


Chương 1
góc

GVHD: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

(ω0 ± ω) cộng thêm so với tần số cơ bản bình thường. Theo cấu hình thực

tế, tần số của dao động xuất hiện trong phương trình (1.2) nhỏ hơn 3 Hz.
Để phân tích và giải phương trình (1.2), các đại lượng D, Pm và Pe được
biểu thị như là các hàm số của vị trí góc quay rôtor θ và tốc độ góc rôtor ω.
Nếu các qua hệ này phức tạp, sẽ gặp khó khăn để giải phương trình (1.2), va
khi đó kỹ thuật giải bằng phương pháp số cần được áp dụng. Một số giả thiết
đơn giản hoá là rất cần thiết để tìm ra một số lời giải tổng quát. Sau đây là
những giả thiết thông thường được áp dụng.
•

Sự suy giảm là không đáng kể. Nghóa là đặt D=0. Để nghiên cứu ổn
định, đây là giả thiết bình thường cần duy trì.

•

Giả sử công suất cơ của máy điện Pm là hằng số. Đó là điều đáng tin
cậy, nếu sự khảo sát, nghiên cứu được giới hạn với các sự kiện chỉ
xảy ra một vài giây sau biến động lớn.

•

Máy điện đồng bộ có thể được mô hình như sau: một nguồn áp không
đổi (emf) E theo sau đó là điện kháng. Điện kháng này thường được
giả thiết tương đương với x’d, và góc tại sức điện động hằng số được
giả thiết theo góc rôtor θ. Từ lý thuyết máy đồng bộ ta có được mô
hình đơn giản hoá của máy điện.

•

Phân bố công suất trong lưới điện thì được giả thiết là đối xứng và
cân bằng và được xác định bằng phương trình phân bố tải tónh và các
giả thiết ở các mục trước:

Với các giả thiết nêu trên, phương trình (1.2) được viết lại như sau:
⎧ 2H dω
⎪⎪ ω ⋅ dt = f 1 ( Pm , E , θ )
0
(1.3)
⎨
⎪ dθ = ω
⎪⎩ dt

Trang 12

Chương 1

GVHD: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Với các hằng số Pm và E được xác định từ trạng thái ban đầu của hệ
thống và hàm f1, cho ta phân bố công suất trong hệ thống. Phương trình (1.3) có
thể được viết ngắn lại dưới dạng véc tơ như sau:
⎧ x1 = ω
⎨
⎩ x2 = θ

Đặt :

(1.4)

Và phương trình (1.3) được viết laïi:
ω0
⎧
f1 ( Pm , E , x 2 )
⎪ x1 =
2H
⎨
⎪⎩ x 2 = x1

(1.5)

Hoặc ngắn gọn hơn nữa: x = g ( x, v)

(1.6)

Với x = ( x1 , x 2 ) T

(1.7)

Hàm g là một hàm vectơ. v là một vectơ chứa các thông số định nghóa
hệ thống, như điện kháng máy đồng bộ, điện kháng đường dây, môment quay
turbin, …

E ∠ x2
x2 = θ

~

x’d

xe

~

U∠ 0

Hình 1.6: Sơ đồ tương đương của hệ thống đơn giản
Nếu tải tại máy phát là không đáng kể và đường dây được thay thế bởi
duy nhất điện kháng xe (bỏ qua tổn thất và dẫn nạp đường dây, điện kháng
máy biến thế tại đầu cực máy phát bao gồm trong xe). Sơ đồ tương đương như
trong hình 1.6.

Trang 13

Chương 1

GVHD: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Phương trình dao động của hệ thống được viết lại như sau:
⎧
ω0
⎪ x1 =
2H
⎨
⎪ x = x
1
⎩ 2

⎛
⎞
EU
⎜⎜ Pm −
sin x 2 ⎟⎟
xd + xe
⎝
⎠

(1.8)

Giaûi hệ phương trình (1.8) bằng phương pháp tích phân giản lược, nhưng
nó thường dễ dàng hơn nếu giải phương trình trên băng phương pháp số. Để
xác định hệ thống có ổn định hay không, có thể áp dụng tiêu chuẩn diện tích
tương đương.

Phần bên phải của phương trình thứ nhất của hệ phươn trình (1.8) có ảnh
hưởng quyết định đến đáp ứng của hệ thống sau nhiễu. Biểu thức đó được xác
định bởi đường cong hình 1.7. Điểm cân bằng là điểm giao giữa Pe và Pm xác
định trạng thái ổn định hệ thống. Điểm bên trái là điểm ổn định, trong khi đó
điểm bên phải thì không ổn định.
Pe(x2)

Pe =

a

E.U
⋅ sin θ
x + xe
'
d

b

Pm

x2(θ)
0
Hình 1.7 Đồ thị của Pm và Pe cho phương trình (1.8) khi hàm x2=θ.
1.4.2. Mô hình cổ điển trong hệ thống điện với nhiều máy phát.
Mô hình đơn giản được đề cập trong phần trước tất nhiên sẽ rất hạn chế
trong việc nghiên cứu hệ thống thực tế. Nhân tố chính thúc đẩy việc phân tích
một mô hình đơn giản là nắm bắt và hiểu sâu hơn về vấn đề. Hơn nữa, mô hình
có thể được sử dụng cho những tính toán được đơn giản hoá. Trong phần này

Trang 14


Chương 1

GVHD: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

chúng ta sẽ mở rộng mô hình được sử dụng trong phần trước cho hệ thống với
nhiều hơn một máy phát đồng bộ. Với các giả thiết để thực hiện mô hình.
•

Sự suy giảm không đáng kể (bỏ qua)

•

Công suất cơ, như công suất turbin, Pm là hằng số.

•

Máy đồng bộ được mô hình điện như là một nguồn điện áp
không đổi nối với điện kháng quá độ x’d. Góc pha của điện áp
nguồn thì giả thiết cùng pha với góc pha của rôtor.

•

Tải được thay thế với trở kháng bằng đúng như trở kháng tải
trong trạng thái trước nhiễu.

Hệ thống trong hình 1.8 với n nguồn máy phát, hình thành từ các tổ máy
phát. Từ những nguồn cung cấp này, dòng điện vào có thể được viết như sau:

I = Y .E

Với

I = (I1 , I 2 ,..., I n )

(1.9)

E = (E1 , E2 ,..., En )

(1.10)

Ma trận Y là ma trận dẫn nạp nút với các phần tử:
Yij = Yij < δ ij = Gij + jBij

(1.11)

Mô tả một mạng thụ động và các phụ tải nhìn từ bên trong sức điện
động trong các máy phát. Như vậy, tải được bao gồm trong ma trận dẫn nạp
nút, mà phần thực của nó Gij có thể khác không, nếu điện trở đường dây được
bỏ qua.
Công suất thực của máy phát thứ i là: Pei = R( Ei .I i )

(1.12)

Cũng có thể được viết bởi
Pei = R( Ei .(∑ Yij .E j ))
j

= Ei2Gii + ∑ Ei .E j .Yij cos(δ ij − θ i + θ j )

i≠ j

Trang 15

(1.13)


Chương 1

GVHD: TS NGUYỄN HỮU PHÚC
= Ei2Gii + ∑ Ei .E j ( Bij sin(θ i − θ j ) + Gij cos(θ i − θ j ))
i≠ j

Lúc này phương trình dao động máy phát thứ i là:
ω0
⎧
⎪ω i = 2 H ( Pmi − Pei )
i
⎨
⎪θ = ω
i
⎩ i

(1.14)

Tải 1
Máy
phát 1

~

Hệ thống
truyền tải
Tải n

Máy
phát n

~

Hình 1.8 Sơ đồ biểu diễn mô hình cổ điển cho hệ thống nhiều máy
Với Pei được xác định từ phương trình (1.13). Từ đó Pei cũng phụ thuộc
vào nhiều góc khác hơn góc của máy phát thứ i. Hệ thống được mô tả bởi 2n
cặp phương trình vi phân bậc nhất. Từ đây, hệ thống có thể được mô tả bởi
vectơ trạng thái.
x = (ω1 , θ1 ,..., ωn ,θ n )T

(1.15)

Thỏa mãn phương trình vi phân
(1.16)

x = f (x)

Hàm vectơ f phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của hệ thống và nó là
hàm phi tuyến, từ các công thức (1.13), (1.14).

Trang 16