Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc thụ động để ngăn ngừa hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc thụ động để
ngăn ngừa hiện tượng cộng hưởng tần số
dưới đồng bộ
PHẠM TUẤN ANH


Ngành Kỹ thuật điện
Chuyên ngành Hệ thống điện

Giảng viên hướng dẫn:
Bộ môn:
Viện:

TS. Lê Đức Tùng
Hệ thống điện
Điện

HÀ NỘI, 07/2020


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Đào Tạo Sau Đại Học, bộ môn Hệ Thống
Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học
tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS. Lê Đức Tùng đã tận tình hướng
dẫn chỉ bảo tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp này.
Tác giả luận văn

Phạm Tuấn Anh


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này do tơi tổng hợp và thực hiện. Các kết quả phân
tích hoàn toàn trung thực, nội dung bản Thuyết minh chưa được cơng bố. Luận
văn có sử dụng tài liệu tham khảo đã nêu trong phần tài liệu tham khảo.
Tác giả luận văn

Phạm Tuấn Anh


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ iii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ
DƯỚI ĐỒNG BỘ ................................................................................................. 1
1.1

Giới thiệu chung......................................................................................... 1

1.2

Các chế độ dao động của hệ trục tuabin – máy phát điện.......................... 1

1.3

Ảnh hưởng của tụ bù dọc đối với hệ trục tuabin – máy phát điện ............. 4

1.4

1.3.1

Đặc điểm hệ thống truyền tải điện có lắp tụ bù dọc ................... 4

1.3.2

Ảnh hưởng của tụ bù dọc đối với trục tuabin – máy phát điện .. 5

Phân loại hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ ............................. 8
1.4.1

Hiệu ứng máy phát điện .............................................................. 8

1.4.2

Tương tác xoắn ........................................................................... 8

1.4.3

Momen xoắn quá độ ................................................................... 9

1.5

Một số phương pháp phân tích hiện tượng SSR ...................................... 10

1.6

Kết luận .................................................................................................... 11

CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI
ĐỒNG BỘ ........................................................................................................... 13
2.1

2.2

2.3

Mơ hình tốn học máy phát điện đồng bộ [8] .......................................... 13
2.1.1

Cấu tạo và nguyên lý ................................................................ 13

2.1.2

Đặc điểm và phân loại .............................................................. 15

2.1.3

Mô hình máy phát trong hệ trục tọa độ abc .............................. 16

2.1.4

Biến đổi các đại lượng stator về tọa độ dq0 của rotor .............. 19

2.1.5

Các phương trình điện áp trong tọa độ dq0 của rotor ............... 20

2.1.6

Momen điện từ của máy điện đồng bộ ..................................... 21

2.1.7

Chuyển sang hệ đơn vị tương đối ............................................. 21

Mơ hình hóa trục tuabin [8] ..................................................................... 23
2.2.1

Các thông số cơ bản của hệ trục tuabin – máy phát điện ......... 23

2.2.2

Mơ hình hóa hệ trục tuabin ....................................................... 25

Phân tích hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ ........................... 28
2.3.1

Phương pháp tính tốn trong phần mền EMTP ........................ 28

2.3.2

Thơng số mơ hình FBM [9] ...................................................... 31

2.3.3

Mơ phỏng hiện tượng SSR đối với mơ hình FBM ................... 34

2.3.4

Thơng số mơ hình SBM [10] .................................................... 39

2.3.5

Mơ phỏng hiện tượng SSR đối với mơ hình SBM.................... 42

CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG BỘ LỌC THỤ ĐỘNG ĐỂ NGĂN NGỪA HIỆN
TƯỢNG CỔNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI ĐỒNG BỘ .................................. 49
3.1

3.2

Tổng quan các giải pháp đối với vấn đề SSR .......................................... 49
3.1.1

Giảm mức độ bù dọc trên đường dây truyền tải [11]................ 49

3.1.2

Đặt cuộn dây cản mặt cực máy phát [12] ................................. 49

3.1.3

Sử dụng bộ lọc thụ động [6]...................................................... 50

3.1.4

Sử dụng bộ lọc tích cực [12] ..................................................... 51

3.1.5

Sử dụng rơ le SSR [12] ............................................................. 52

Ứng dụng bộ lọc thụ động ngăn ngừa hiện tượng SSR ........................... 52
3.2.1

Cấu tạo và nguyên lý bộ lọc thụ động [13] ............................... 52

3.2.2

Tính các thơng số bộ lọc cho mơ hình FBM và SBM .............. 55

3.2.3

Thiết kế bộ điều khiển đóng cắt bộ lọc thụ động ...................... 56

3.2.4

Kết quả mô phỏng ..................................................................... 58

KẾT LUẬN ......................................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 64


DANH MỤC KÝ TỰ, VIẾT TẮT

SSR: Cộng hưởng dưới đồng bộ (SubSynchronous Resonance)

IEEE: Institute of Electrical and Electronic Engineer
FBM: Mô hình chuẩn IEEE First Benchmark
SBM: Mơ hình chuẩn IEEE Second Benchmark
BL: Bộ lọc thụ động (Block filter)
MF: Máy phát
NMNĐ: Nhà máy nhiệt điện
TCSC: Thyristor Controlled Series Compensation
TSR: Torsinal Stress Relay


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Dao động ngang của trục rotor ................................................................ 1
Hình 1.2 Dao động vặn xoắn của trục rotor ........................................................... 2
Hình 1.3 Hình dạng mode dao động xoắn của các khối trục tuabin ...................... 3
Hình 1.4 Mơ hình hệ thống điện đơn giản có tụ bù dọc......................................... 4
Hình 1.5 Tác dụng tăng tính ổn định của tụ bù dọc ............................................... 4
Hình 1.6 Mơ hình đơn giản có tụ bù dọc ............................................................... 5
Hình 1.7 Tuabin –Máy phát với đường dây truyền tải có tụ bù............................. 7
Hình 1.8 Biên độ của dao động momen truc với tổn thất tuổi thọ của trục ........... 9
Hình 2.1 Sơ đồ mơ hình nghiên cứu First Benchmark ........................................ 13
Hình 2.2 Sơ đồ trục turbin mơ hình First BenchMark ......................................... 13
Hình 2.3 Kết cấu máy phát điện đồng bộ ba pha ................................................. 14
Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện máy phát điện lý tưởng.............................................. 16
Hình 2.5 Mơ hình khối tập trung roto máy phát điện .......................................... 24
Hình 2.6 Mơ hình khối LPB – GEN .................................................................... 26
Hình 2.7 Cấu trúc cơ khí của hệ trục tuabin 6 khối ............................................. 27
Hình 2.8. Đường tích phân số y(x)....................................................................... 30
Hình 2.9 Mạch điện tương đương của rotor ......................................................... 32
Hình 2.10 Sơ đồ mơ hình FBM xây dựng trên phần mềm EMTP ....................... 35
Hình 2.11 Đáp ứng dịng điện pha A của máy phát điện khi bù 74,2% .............. 35

Hình 2.12 Đáp ứng điện áp tụ điện bù dọc khi bù 74,2% .................................... 35
Hình 2.13 Đáp ứng momen xoắn trục LPA – LPB khi bù 74,2% ....................... 36
Hình 2.14 Đáp ứng momen xoắn trục GEN – EXC khi bù 74,2% ...................... 36
Hình 2.15 Đáp ứng góc Teta của các khối trục khi bù 74,2% ............................. 36
Hình 2.16 Đáp ứng dịng điện pha A máy phát điện khi bù 20% ........................ 37
Hình 2.17 Đáp ứng điện áp trên tụ bù dọc khi bù 20%........................................ 37
Hình 2.18 Đáp ứng momen xoắn trục HP – IP khi bù 20% ................................. 37
Hình 2.19 Đáp ứng momen xoắn trục IP – LPA khi bù 20% .............................. 38
Hình 2.20 Đáp ứng momen xoắn trục LPA – LPB khi bù 20% .......................... 38
Hình 2.21 Đáp ứng momen xoắn trục LPB – GEN khi bù 20% .......................... 38
Hình 2.22 Đáp ứng momen xoắn trục GEN – EXC............................................. 39
Hình 2.23 Đáp ứng góc quay Teta khi bù 20% .................................................... 39
Hình 2.24 Sơ đồ mạng điện biểu diễn hệ thống 1 của mơ hình SBM.................. 40
Hình 2.25 Sơ đồ mạng điện biểu diễn hệ thống 2 của mơ hình SBM.................. 40
Hình 2.26 Mơ hình trục tuabin của máy phát 1 ................................................... 41
Hình 2.27 Mơ hình trục tuabin của máy phát 2 ................................................... 41


Hình 2.28 Sơ đồ mơ phỏng hệ thống SBM trên phần mềm EMTP ..................... 43
Hình 2.29 Đáp ứng momen của trục EX C – GEN tổ máy 1 khi bù 65% .......... 44
Hình 2.30 Đáp ứng momen của trục GEN - LP tổ máy 1 khi bù 65% ................ 44
Hình 2.31 Đáp ứng momen của trục LP – HP tổ máy 1 khi bù 65% .................. 45
Hình 2.32 Đáp ứng momen của trục GEN - LP tổ máy 2 khi bù 65% ................ 45
Hình 2.33 Đáp ứng momen của trục LP - HP tổ máy 2 khi bù 65% ................... 46
Hình 2.34 Đáp ứng momen của trục EX C – GEN tổ máy 1 khi bù 40% ........... 46
Hình 2.35 Đáp ứng momen của trục GEN - LP tổ máy 1 khi bù 40% ................ 47
Hình 2.36 Đáp ứng momen của trục LP - HP tổ máy 1 khi bù 40% ................... 47
Hình 2.37 Đáp ứng momen của trục GEN - LP tổ máy 2 khi bù 40% ................ 48
Hình 2.38 Đáp ứng momen của trục LP - HP tổ máy 2 khi bù 40% ................... 48
Hình 3.1 Sơ đồ bộ lọc thụ động ........................................................................... 51

Hình 3.2 Các phần tử của bộ lọc thụ động........................................................... 53
Hình 3.3 Cuộn cảm nạp, tụ điện xả...................................................................... 53
Hình 3.4 Cuộn cảm xả, tụ điện nạp...................................................................... 54
Hình 3.5 Vị trí lắp đăt bộ lọc ............................................................................... 55
Hình 3.6 Sơ đồ mơ phỏng có điều khiển đóng cắt bộ lọc đối với mơ hình FBM 56
Hình 3.7 Sơ đồ mơ phỏng có điều khiển đóng cắt bộ lọc đối với mơ hình SBM57
Hình 3.8 Tín hiệu điều khiển đóng cắt bộ lọc khi bù 74,2% ............................... 58
Hình 3.9 Tín hiệu điều khiển đóng cắt bộ lọc khi bù 20% .................................. 58
Hình 3.10 Đáp ứng dịng điện pha A máy phát khi lắp bộ lọc có điều khiển ...... 58
Hình 3.11 Đáp ứng điện áp trên tụ bù dọc khi lắp bộ lọc có điều khiển ............. 59
Hình 3.12 Đáp ứng momen xoắn trên trục LPA – LPB khi lắp bộ lọc có điều
khiển ..................................................................................................................... 59
Hình 3.13 Đáp ứng momen xoắn trên trục GEN-EXC khi lắp bộ lọc có điều
khiển ..................................................................................................................... 59
Hình 3.14 Tín hiệu điều khiển đóng cắt bộ lọc.................................................... 60
Hình 3.15 Đáp ứng momen trục EXC – GEN của tổ máy 1 khi đóng bộ lọc thụ
động...................................................................................................................... 60
Hình 3.16 Đáp ứng momen trục GEN – LP của tổ máy 1 khi đóng bộ lọc thụ
động...................................................................................................................... 61
Hình 3.17 Đáp ứng momen trục LP – HP của tổ máy 1 khi đóng bộ lọc thụ động
.............................................................................................................................. 61
Hình 3.18 Đáp ứng momen trục GEN – LP của tổ máy 2 khi đóng bộ lọc thụ
động...................................................................................................................... 62
Hình 3.19 Đáp ứng momen trục LP – HP của tổ máy 2 khi đóng bộ lọc thụ động
.............................................................................................................................. 62


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Các ký hiệu viết tắt của máy phát đồng bộ
Bảng 2.2 Hệ thống ký hiệu các thông số máy phát

Bảng 2.3 Thông số lưới mô hình First BenchMark
Bảng 2.4 Thơng số máy phát điện đồng bộ
Bảng 2.5 Thông số quá độ máy phát điện đồng bộ
Bảng 2.6 Thơng số tuabin mơ hình Frist Benchmark
Bảng 2.7 Thơng số mơ hình FBM cho trường hợp mơ phỏng quá độ
Bảng 2.8. Thông số trục tuabin của hai tổ máy phát
Bảng 2.9 Thông số điện của tổ máy số 1
Bảng 2.10 Thông số điện của tổ máy số 2
Bảng 2.11 Tần số dao động tự nhiên của hai trục tuabin
Bảng 3.1 Thơng số bộ lọc thụ động mơ hình FBM
Bảng 3.2 Thơng số bộ lọc thụ động mơ hình SBM

18
23
31
32
33
33
34
41
41
42
42
55
56


MỞ ĐẦU
Việc lắp đặt tụ bù dọc trên đường dây truyền tải điện xoay chiều có giá trị
về mặt kinh tế sẽ giúp gia tăng khả năng tải của đường dây, điều khiển sự phân

chia công suất giữa các đường dây song song và đảm bảo sự ổn định của hệ
thống. Tuy nhiên, các tụ bù dọc trên đường dây truyền tải cũng có thể gây nên
hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (Subsynchronous Resonance-SSR) dẫn đến
sự cố phá hỏng trục tuabin máy phát, gián tiếp gây nên mất ổn định hệ thống khi
tần số thấp hơn mức tần số yêu cầu. Vì vậy, ảnh hưởng của hiện tượng cộng
hưởng dưới đồng bộ phải được xem xét phân tích chi tiết khi triển khai các dự án
lắp đặt tụ bù dọc trên lưới. Sự liên quan chính của SSR là khả năng phá hủy trục
tuabin do ứng suất xoắn. Sự phá hủy này có thể là kết quả của quá trình tích lũy
trong thời gian dài của dao động xoắn có biên độ thấp hoặc kết quả trong thời
gian ngắn của mơ men xoắn có biên độ cao. Nhìn chung các nhà máy thủy điện
có các thơng số cơ khí ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng SRR hơn các nhà máy
nhiệt điện. Việc phân tích cộng hưởng dưới đồng bộ trong các hệ thống điện
truyền tải và phân phối có lắp đặt tụ bù dọc là một vấn đề kỹ thuật phức tạp. Khi
phân tích cho thấy rằng điều kiện vận hành hệ thống không ổn định hoặc rủi ro
hỏng thiết bị không thể chấp nhân được khi bị xáo trộn hệ thống. Vì vậy các biện
pháp giải quyết vấn đề trên cần được thực hiện. Các biện pháp bao gồm thay đổi
hệ thống truyền tải, hạn chế tiêu chí vận hành và bổ sung các thiết bị được thiết
kế để chống lại các sự cố. Phân tích tính kinh tế của các giải pháp để tránh hoặc
giái quyết vấn đề SSR là một phần không thể thiếu trong quá trình nghiên cứu.
Trong đồ án này sẽ tập trung nghiên cứu về “Ứng dụng bộ lọc thụ động để
ngăn ngừa hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ”, kết cấu nội dung trình
bày sẽ được chia thành ba chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan về hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ.
Chương 2: Phân tích hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ.
Chương 3: Ứng dụng bộ lọc thụ động để ngăn ngừa hiện tượng cộng hưởng
tần số dưới đồng bộ.
Trong quá trình làm luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ
của các thầy cô, bạn bè và đặc biệt là thầy Lê Đức Tùng, người đã tận tình chỉ
bảo và truyền thụ cho tác giả những kiến thức quý giá trong suốt thời gian qua.
Tuy nhiên, do trình độ cịn hạn chế và thời gian thực hiện khơng dài nên luận văn

có thể cịn nhiều thiếu sót. Vì vậy, em kính mong các thầy, cơ chỉ bảo và cho
những lời khuyên hữu ích.


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ
DƯỚI ĐỒNG BỘ
1.1 Giới thiệu chung
Ứng dụng tụ điện bù dọc vào mạng truyền tải điện lần đầu tiên xuất hiện
vào năm 1930. Đến năm 1937, Charles Concordia đã có báo cáo về khả năng
tương tác bất lợi giữa tụ điện bù dọc và hệ thống tuabin máy phát điện [1], nhưng
các tương tác này chưa bao giờ cụ thể hóa cho đến năm 1970. Hiện tượng cộng
hưởng dưới đồng bộ (SSR) được ghi nhận trên thế giới lần đầu tiên bắt nguồn từ
các sự cố tại nhà máy nhiệt điện Mohave, Hoa Kì vào hai năm liên tiếp 1970,
1971 [2]. Sự cố đã gây hư hỏng nghiêm trọng trục tuabin máy phát. Khi phân tích
các dữ liệu thực tế sự cố ghi lại bởi các thiết bị đo (Oscillographs), người ta nhận
thấy ngồi dịng điện ở tần số đồng bộ cịn có sự xuất hiện của thành phần tần số
điện fer nhỏ hơn tần số đồng bộ. Khi nghiên cứu chi tiết các giá trị tần số thu
được, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy giá trị tần số phụ fr = fo –fer, mà fr trùng với
một tần số dao động tự nhiên của trục tuabin (ở đây, fo là tần số đồng bộ của hệ
thống điện) [3]. Nghiên cứu lý thuyết đã chỉ ra rằng, sự xuất hiện của tần số điện
fer là do tụ bù dọc trên đường dây gây nên.
Vào năm 2015, hệ thống điện Việt Nam đã ghi nhận sự cố đầu tiên, tổ máy
số một của nhà máy nhiệt điện Vũng Áng đã xảy ra sự cố gây nứt trục tuabin và
ngừng hoạt động tổ máy. Trong báo cáo chính thức về sự cố trên, Toshiba chỉ ra
rằng nguyên nhân gốc rễ của hiện tượng nứt gãy trục rotor máy phát là do nứt
gãy mỏi gây ra bởi hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) hình thành do
dao động lực xoắn tương tác với lưới điện [4].
Như vậy trong chương này để tìm hiểu về hiện tượng cộng hưởng dưới
đồng bộ sẽ tập trung vào nghiên cứu hai vấn đề: đó là phân tích các chế độ dao
động của trục tuabin máy phát điện và ảnh hưởng của tụ bù dọc đến dao động của

trục tuabin – máy phát điện.
1.2 Các chế độ dao động của hệ trục tuabin – máy phát điện
Tất cả các cấu trúc cơ học đều sẽ dao động ở một tần số cụ thể khi bị các
tác động bởi các nhiễu loạn. Các giá trị tần số này phụ thuộc chủ yếu vào các đặc
tính khối lượng và độ cứng của từng cấu trúc cụ thể. Một ví dụ điển hình là khi
đánh vào một quả chng sẽ tạo ra một tiếng kêu “ring” với âm điệu ở một tần số
riêng biệt. Một hệ thống truyền động quay lớn cũng khơng khác. Khối trục quay
cũng sẽ có một tần số ưu thích (tần số tự nhiên) mà tại tần số đó khối trục quay
có xu hướng dao động theo chiều ngang (hình 1.1), khối trục quay sẽ uốn vng
góc với trục. Ngồi ra, khối trục quay cũng có tần số ưu thích của dao động xoắn
mà tại đó trục quay có xu thế vặn xoắn (hình 1.2).

Hình 1.1 Dao động ngang của trục rotor
1


Hình 1.2 Dao động vặn xoắn của trục rotor

Một cấu trúc quay điển hình của tuabin máy phát điện lớn bao gồm một số
khối quay của tuabin, một khối rotor của máy phát điện, và thường có một khối
kích từ quay cho rotor được nối đồng trục. Về mặt toán học, cấu trúc quay giống
một hệ thống lò xo, trong đó các trục khớp nối đóng vai trị là lị xo xoắn và
momen qn tính của mỗi phần quay đóng vai trị là khối lượng. Do đó nội tại
khối trục quay tuabin máy phát điện có chế độ dao động rung vặn xoắn. Momen
điện từ của máy phát điện lúc này đóng vai trị như một lực cưỡng bức bên ngồi
để kích thích các chế độ rung xoắn. Ngược lại dao động rung xoắn sẽ điều biến
điện áp đầu cực của máy phát điện và kích thích dao động điện ở tần số bổ sung
cơ bản (50Hz hoặc 60 Hz) của dao động rung xoắn. Ví dụ như dao động rung
xoắn của khối trục tuabin máy phát ở tần số 25Hz được kết nối tới hệ thống điện
tần số 60Hz sẽ có dao động điện là 35Hz. Sự cộng hưởng giữa dao động xoắn

của các khối trục và dao động điện sẽ cho ta tương tác SSR.
Việc phân tích tính chất động học của khối trục rotor, cần phải có mơ hình
tốn học mơ tả được khối trục đó. Các kỹ sư về truyền động đã tạo ra mơ hình
chuyển động quay cho mỗi bộ phận của trục rotor (tuabin hơi, máy phát, kích
từ,...) và sau đó ghép chúng lại với nhau để mơ hình hóa tồn bộ hệ truyền động.
Để tạo ra được mơ hình tốn học mơ tả chính xác cho từng khối của trục rotor
cần có thơng tin chi tiết của từng khối như độ cứng, khối lượng, kích thước của
trục quay, tính chất vật liệu,.... Trong đó thơng tin chính dùng cho phân tích dao
động ngang trục là độ cứng chịu uốn và trọng lượng; đối với việc phân tích dao
động xoắn là độ cứng chịu xoắn và quán tính quay.
Dưới đây là ví dụ minh họa về một mơ hình giả tưởng đơn giản về hệ thống
truyền động tuabin máy phát điện hơi nước, tần số 60Hz, hai cực. Trong hình 1.3
đã chỉ ra quan hệ chuyển động giữa các khối trục tuabin cho từng mode dao động
xoắn.

2


HP

LP-A

LP-B

Gen

Exc

Mode 1
18.5 Hz

Mode 2
22.0 Hz

Mode3
31.1 Hz

Mode 4
43.8 Hz

Hình 1.3 Hình dạng mode dao động xoắn của các khối trục tuabin

Kết quả phân tích động lực học của hệ thống truyền động tuabin đưa ra ba
thông tin cơ bản. Đầu tiên, đó là tần số tự nhiên, tần số mà tại đó đáp ứng dao
động xoắn của cấu trúc khối trục được xác định. Thứ hai là hình dạng các mode
dao động hoặc cách mà cấu trúc của hệ trục sẽ đáp ứng ở một tần số riêng. Cuối
cùng, nếu biết biên độ của các kích thích thì đáp ứng của cấu trúc cũng được xác
định bởi cái được gọi là phân tích phản ứng cưỡng bức.
Như vậy, tất cả các cấu trúc cơ học sẽ có một hoặc nhiều tần số tự nhiên, và
đối với phần lớn các cấu trúc này thì đây khơng phải là vấn đề. Các vấn đề chỉ
phát sinh khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng. Sự cộng hưởng xảy ra khi một cấu
trúc liên tục bị kích thích ở tần số tự nhiên của nó. Hệ thống và kích thích có thể
hoạt động cùng nhau để tạo ra các chuyển vị ngày càng lớn hơn, cho đến khi kích
thích dừng hoặc hệ thống bị lỗi. Nếu hệ thống bị kích thích ở tần số tự nhiên quá
lâu, thiệt hại có thể nhanh chóng xảy ra. Trong hệ thống điện thì các kích thích
đối với trục rotor của máy phát điện thường là các lỗi như sự cố ngắn mạch hoặc
chuyển mạch đường dây. Đặc biệt đối với các đường dây truyền tải điện có lắp tụ
bù dọc sẽ gây ra hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ. Phần tiếp theo ta sẽ đi
phân tích ảnh hưởng của tụ bù dọc trên đường dây truyền tải đối với hệ trục
tuabin - máy phát.

3


1.3 Ảnh hưởng của tụ bù dọc đối với hệ trục tuabin – máy phát điện
Tụ bù dọc được đặt nối tiếp trên đường dây để bù điện kháng của đường
dây. Mục đích là làm giảm điện kháng giữa hai điểm, dẫn đến tăng khả năng
truyền tải và giảm tổn thất trong truyền tải điện năng. Trong hệ thống truyền tải
mà khơng có tụ bù dọc thì các q trình quá độ sẽ gây ra thành phần DC suy
giảm dần về 0 với hằng số thời gian phụ thuộc vào tỷ số L/R. Với lưới truyền tải
có tụ bù dọc, dòng quá độ sẽ bao gồm nhiều tần số, phụ thuộc vào thành phần R,
L, C.
1.3.1 Đặc điểm hệ thống truyền tải điện có lắp tụ bù dọc
Mơ hình một hệ thống điện đơn giản có tụ bù dọc trên đường dây được cho
ở hình 1.4.

XC

1

U1

XL

2

U2

Hình 1.4 Mơ hình hệ thống điện đơn giản có tụ bù dọc

Cơng suất tác dụng truyền tải trên đường dây khi khơng có tụ bù dọc:.
P=

U1U 2
sin δ
XL

PT 1.1

Công suất tác dụng truyền tải trên đường dây khi có tụ bù dọc:
P=

U1U 2
sin δ
X L − XC

PT 1.2

Dễ thấy, khi có tụ bù dọc mắc nối tiếp vào đường dây thì khả năng tải của
đường dây được tăng lên đáng kể. Ta có cơng suất giới hạn truyền tải trên đường
dây:
Pgh P=
=
max

U1U 2
X L − XC

PT 1.3

Hình 1.5 Tác dụng tăng tính ổn định của tụ bù dọc
4


Mặt khác, với mức tải cố định, khi giảm X dẫn đến giảm sinδ hay giảm δ,
làm tăng độ ổn định. Như vậy khi có tụ bù dọc giới hạn truyền tải và độ dự trữ ổn
định tĩnh của đường dây sẽ tăng lên khi có bù dọc. Tỷ lệ bù dọc đối với đường
dây siêu cao áp thường ở mức nhỏ hơn 80%.
Tụ bù dọc có tác dụng cải thiện phân bố điện áp trên đường dây dài siêu cao
áp. Tùy theo tính chất dịng đường dây (cảm hay dung) mà điện áp qua tụ tăng
hay giảm. Trong chế độ tải nặng, tụ bù dọc có tác dụng rất tốt trong việc tăng
điện áp cuối đường dây. Ngoài ra, tụ bù dọc cịn có tác dụng phân bố tải trên các
mạch vòng do thay đổi tổng trở của đường dây.
Tụ bù dọc cũng có nhược điểm là dịng ngắn mạch qua tụ lớn nên cần có
các thiết bị bảo vệ tụ khi có ngắn mạch đường dây (ví dụ khe hở phóng điện...).
Với những ưu điểm nổi bật trên, tụ bù dọc đóng vai trị cực kì quan trọng và
là thiết bị khơng thể thiếu trong q trình truyền tải điện năng.
1.3.2 Ảnh hưởng của tụ bù dọc đối với trục tuabin – máy phát điện
Hệ thống điện có mơ hình rất phức tạp bao gồm nhiều phần tử khác nhau.
Để có thể nhận diện sơ lược nguyên nhân của SSR, ta xem xét một mơ hình đơn
giản của đường dây truyền tải có tụ bù dọc như hình 1.6:
R

XL

XC

V(t)

Hình 1.6 Mơ hình đơn giản có tụ bù dọc

2π f1L
X
ω=
=
L
1L
XC
=
=
V (t )

1
1
=
ω1C 2π f1C

PT 1.4

2V sin (ω1t + θ )

Z ( jω1 ) =+
R jω1L + ( jω1C )

−1

Trong đó:
-

Tần số tự nhiên: ωn =

-

Tỉ số tắt dần: ζ =

1
LC

-

R C
2 L
Tốc độ tắt dần: σ = −ζωn

-

Tần số tắt dần : ω2 = ωn 1 − ζ 2

5


Áp dụng tốn tử Laplace ngược biến đổi dịng điện I(s) về dạng biểu diễn
trong miền thời gian thực:
PT 1.5
- Điện áp
s.sinθ + ω1cosθ
V ( s ) = 2V .
s 2 + ω12
- Tổng trở Z

Z ( s ) =R + sL +

PT 1.6

1
sC

Dòng điện trong mạch:
sV ( s )
sV ( s )
V (s)
L =
L =
I (s) =
=
Z ( s ) s2 + R s + 1
s 2 + 2ζωn s + ωn2
L
LC

sV ( s )
L
2
(s − a) + ω2

PT 1.7

Áp dụng toán tử Laplace biến đổi điện áp và tổng trở ta được:
=
i ( t ) K  Asin (ω1t + ψ 1 ) + Be −ζω2t sin (ω2t + ψ 2 ) 

Trong đó:
K=

2ω2CVcosθ

(ω2 2 − ω12 ) + 4ζ 2ω12ω2 2 



B = ω1

2

=
A ω2 1 + a 2ω12

d
=

PT 1.8

1 − 2aζω2 + a 2ω2 2
1− ζ 2

1− ζ 2

 ad ω2 

−2d ζω2 2
−1 

− tan 
ψ 2 tan 
−1  2ζω1ω2  =


2
2
2
ψ 1= θ + tan  2
2 
 1 − aζω2 
 2ζω2 + ω1 − ω2 
 ω2 − ω1 
−1

Nhận xét: Thành phần dịng điện gồm có hai thành phần:
ω1 là thành phần dao động hình sin tần số đồng bộ (50Hz hoặc 60
•
Hz)
•

ω2 =

1 4 L − R 2C
là thành phần dao động tắt dần hình sin
2L
C

Hai thành phần này đều chạy vào phần stator của máy phát, sinh ra dòng
cảm ứng phản hồi ngược vào rotor máy phát. Quá trình này được mơ tả thơng

qua ma trận truyền Park.





=
P 





1
3

1
3

2
cosθ
3

2 
2π 
cos  θ − 
3 
3 

2

sinθ
3

2 
2π 
sin  θ − 
3 
3 




2 
2π  
cos  θ +

3 
3 
2 
2π  
sin  θ +

3 
3  
1
3

PT 1.9

6

Với θ = ω1t + δ + π
2
Khi đó, dịng điện trong rotor sẽ có thành phần: cosθ .sinω2t

1
cosθ .sinω2t =  sin (θ + ω2t ) − sin (θ − ω2t ) 
2
PT 1.10
1
cos (ω1 + ω2 ) t + δ  − cos (ω1 − ω2 ) t + δ 
= 
2
Thành phần dịng có tần số 𝜔𝜔2 ban đầu đã bị biến đổi sang dịng có tần số
trên đồng bộ ( ω1 + ω2 ) và dưới đồng bộ ( ω1 − ω2 ). Dòng điện dưới đồng bộ này
sinh ra momen xoắn tác động lên trục rotor tuabin - máy phát làm rotor dao động
ở tần số dưới đồng bộ. [5]
Mặt khác, như ta đã biết trong trục tuabin máy phát nhiệt điện có nhiều
đoạn trục nối giữa các khối như tuabin cao áp, hạ áp, rotor máy phát, kích từ với
nhau. Chính vì cấu tạo gồm nhiều đoạn trục – khối nên bản thân các đoạn trục có
các tần số dao động tự nhiên của chính nó. Để tránh các hiện tượng cộng hưởng ở
tần số cao, người ta thường chế tạo các đoạn trục tuabin có tần số tự nhiên nằm
trong khoảng từ 10 đến 40 Hz đối với nhà máy nhiệt điện và dưới 10 Hz đối với
nhà máy thủy điện.

{

}

Khi tần số tương ứng ( ω1 − ω2 ) có giá trị gần với một tần số dao động tự
nhiên nào đó của trục turbin thì trục sẽ dao động ở tần số tự nhiên này nhưng với
biên độ tăng dần và trở thành hiện tượng cộng hưởng. Các nhà nghiên cứu gọi
hiện tượng này gọi là cộng hưởng dưới đồng bộ có thể gây ra mỏi trục và nguy
hiểm hơn là gây phá hủy hoặc hỏng hóc trục tuabin máy phát.
Như vậy định nghĩa cộng hưởng dưới đồng bộ là điều kiện vận hành của hệ
thống điện mà ở đó có trao đổi năng lượng giữa hệ thống với tuabin máy phát
một vài tần số dưới đồng bộ. Sự dao động của năng lượng trao đổi có thể được
giảm sóc nhẹ hoặc khơng thể giảm sóc được, thậm trí giảm sóc bị âm. Một sơ đồ
mạch cộng hưởng đơn giản bao gồm hệ trục tuabin – máy phát điện với hệ thống
truyền tải có bù dọc được biểu diễn như trong sơ đồ hình 1.7.
D12

Tm

Máy phát

Máy biến áp
Rdd

X’’
Te
K12
D1

XT

Xdd

Tụ bù dọc

Đường dây
truyền tải

XC

Nút vơ cùng lớn

Tuabin

D2

Hình 1.7 Tuabin –Máy phát với đường dây truyền tải có tụ bù

Đối với sơ đồ mạch cộng hưởng như trong hình 1.7 sẽ có một tần số tự
nhiên duy nhất, với hệ thống truyền tải có bù phức tạp hơn và sẽ dẫn đến nhiều
hơn một tần số tự nhiên. Các thuật ngữ không đồng bộ và siêu đồng bộ được sử

7


dụng để biểu thị tần số dưới và trên tần số tương ứng với tốc độ rotor trung bình
(fo). Do đó, fer biểu thị tần số tự nhiên khơng đồng bộ của hệ thống điện.
Tần số hệ thống điện cho một hệ thống điện quay đơn giản (như trong hình
1.7) được tính bằng cơng thức sau:

f er = f 0

XC
X "+ X T + X dd

PT 1.11

Với điện kháng X được định nghĩa ở tần số fo, tần số điện tương ứng với tốc
độ quay trung bình của roto. Tần số fo bằng với tần số đồng bộ ở điều kiện lý
tưởng.
Thành phần dịng điện có tần số cộng hưởng (fer) trong hệ thống điện sinh
ra một dòng điện với tần số fr = fo ± fer trong rotor của máy phát. Điều này được
giải thích như sau, dịng điện ba pha có tần số fer chảy trong phần ứng của máy
phát sẽ tạo từ trường quay dương và âm trong máy đồng bộ. Sự phân bố thời gian
của các dịng pha cùng với sự phân bố khơng gian của các cuộn dây phần ứng
gây ra sự quay dương và âm với vận tốc điện góc là 2πfer. Tần số của dòng điện
rotor do các trường này gây ra được chi phối bởi vận tốc tương đối giữa phần
ứng và roto. Các thành phần chuỗi dương của dòng điện stator tạo ra dịng rotor ở
tần số khơng đồng bộ fr = fo – fer, Các thành phần thứ tự nghịch của dòng điện
stator tạo ra dòng rotor ở tần số siêu đồng bộ fr = fo + fer.
1.4 Phân loại hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ
Ba khía cạnh phân biệt để phân tích SSR đã được xác định và được định
nghĩa đó phân tích là hiệu ứng máy phát điện cảm ứng, tương tác xoắn và momen
quá độ. Trong một số tài liệu thì khác niệm SSR ở trạng thái ổn định dùng để chỉ
dao động do cả hiệu ứng máy phát và tương tác xoắn. [3]
1.4.1 Hiệu ứng máy phát điện
Hiệu ứng máy phát điện cảm ứng chỉ liên quan đến động lực hệ thống điện.
Dòng điện phần ứng của máy phát ở tần số không đồng bộ (fer) tạo ra một thành
phần lực điện từ quay trong khe hở khơng khí với vận tốc góc 2πfer, lực điện từ
này tương tác với lực điện từ tổng của khe hở khơng khí để tạo ra các momen ở
tần số dưới đồng bộ (fo – fer) và ở tần số siêu đồng bộ (fo + fer). Nếu tần số chế độ
xoắn của rotor máy phát fn khác với tần số mô men xoắn dưới đồng bộ (fo – fer)
thì tương đối ít xảy ra tương tác xoắn. Tuy nhiên, do các mạch rotor quay nhanh
hơn tốc độ quay lực điện từ, nên điện trở đối với dòng điện dưới đồng bộ nhìn từ

phần ứng của máy phát là âm được hiểu theo lý thuyết máy điện cảm ứng. Khi
điện trở âm này vượt quá tổng điện trở phần ứng và điện trở mạng điện ở tần số
cộng hưởng (fer) thì dịng điện phần ứng có thể được duy trì hoặc tăng trưởng.
Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng máy phát điện cảm ứng. [3]
1.4.2 Tương tác xoắn
Tương tác xoắn bao gồm cả động học của hệ thống điện và hệ cơ máy phát
điện. Dao động của rotor máy phát ở tần số chế độ xoắn (fn) tạo ra các thành phần
điện áp phần ứng có tần số không đồng bộ (fen = fo – fn) và tần số siêu đồng bộ
8


(fen = fo + fn). Khi tần số của thành phần không đồng bộ của điện áp phần ứng
(fen) gần với tần số tự nhiên của hệ thống điện (fer), kết quả dòng điện ở tần số
dưới đồng bộ sẽ tạo ra một momen xoắn cùng pha làm duy trì dao động của
rotor. Nếu thành phần momen xoắn dưới đồng bộ cùng pha với độ lệch vận tốc
rotor bằng hoặc vượt quá momen giảm xóc vốn có của hệ thống quay thì hệ
thống sẽ trở nên tự kích thích. Sự tương tác giữa hệ thống điện và cơ khí này
được gọi là tương tác xoắn. Các vấn đề tương tác xoắn có thể xảy ra khi tần số
cộng hưởng điện gần với mức bổ sung của tần số gây ra cộng hưởng xoắn của hệ
trục tuabin – máy phát điện. [3]
Điều quan trọng là phải nhận ra rằng hiệu ứng máy phát điện cảm ứng và
tương tác xoắn không loại trừ lẫn nhau và sẽ cùng tồn tại, nhưng thường được
tách ra để dễ phân tích. Tương tác xoắn thường chiếm ưu thế khi tần số momen
xoắn dưới đồng bộ (fo-fer) gần với tần số của một trong các chế độ xoắn (fn). Hiệu
ứng máy phát điện cảm ứng thường chiếm ưu thế khi tần số momen xoắn dưới
đồng bộ (fo-fer) được tách ra khỏi tần số xoắn (fn). Không có tiêu chí cắt rõ ràng
nào để chỉ ra loại tự kích thích nào chiếm ưu thế và trên thực tế, cả hai hiệu ứng
đều có thể đáng kể.
1.4.3 Momen xoắn quá độ
Vấn đề của các momen xoắn trục quá độ, sau một sự xáo trộn trong hệ

thống điện, đã được nhận ra từ rất sớm trong cuộc nghiên cứu về hiện tượng
SSR. Nhà sản xuất máy điện đã trang bị các khả năng của trục ở dạng đường
cong mỏi trục như trong Hình 1.8. Đường cong này cho thấy phần trăm mất tuổi
thọ cho mỗi sự cố thoáng qua đối với dao động momen xoắn cực đại (từ một nửa
cực đại đến cực đại) được quan sát thấy trong đường cong phản ứng. Có thể thấy
rằng giảm xóc trục có thể được dự kiến cho một sự cố thống qua với cường độ
momen dao động lớn hơn B (mức một lần trong đời). Cũng có thể thấy rằng một
số lượng vơ hạn các sự cố thống qua với cường độ momen dao động nhỏ hơn A
(mức tuổi thọ vô hạn) có thể xảy ra mà khơng có thiệt hại trục. Đối với bất kỳ mo
men dao động nhất thời giữa B và A, sẽ giảm tuổi thọ trục. Dữ liệu này dựa trên
các ước tính tốt nhất cho các dao động ở chế độ thuần túy với giảm chấn theo cấp
số nhân. Dữ liệu trường nhỏ có sẵn về sự mệt mỏi theo chu kỳ của trục máy phát
tuabin. [6]
Mức tuổi thọ một lần

B

Mức tuổi thọ vô cùng

A

0

100
60
80
20 40
Phần trăm tuổi thọ/sự cố

Hình 1.8 Biên độ của dao động momen truc với tổn thất tuổi thọ của trục

9


Phân tích momen xoắn quá độ là nghiên cứu về đáp ứng của hệ thống trục
tuabin – máy phát điện đối với các nhiễu loạn có biên độ lớn như ngắn mạch trên
hệ thống điện. Đối với hệ thống điện truyền tải có các tụ bù dọc thì momen q
độ điện có thể bao gồm thành phần tần số gây ra biên độ lớn, tần số này gần với
tần số cộng hưởng của trục tuabin. Điều này dẫn đến làm cho momen xoắn trên
các trục sẽ cao có thể làm hỏng nghiêm trọng hệ trục tuabin – máy phát. Trong
các nghiên cứu momen xoắn quá độ của trên trục máy phát Navajo cho thấy rằng
momen xoắn trên trục kích từ - máy phát có mức cao gấp mười lần so với mức
một lần trong đời khi sự cố ba pha xảy ra tại một vị trí quan trọng. Tương tự,
momen xoắn của trục tuabin áp suất thấp - máy phát điện được tìm thấy cao gấp
2,5 lần trong một vịng đời. Những trường hợp xấu nhất này được tìm thấy đối
với các lỗi tại các vị trí có dịng điện sự cố từ các máy phát Navajo chảy qua
mạch bù dọc với tần số cộng hưởng gần với một trong các chế độ xoắn tương
ứng và mức hiện tại thông qua các tụ điện ở mức thấp hơn một chút . Một yếu tố
khác ảnh hưởng đến momen xoắn cực đại, đặc biệt đối với các máy tải nặng, là
thời gian xóa lỗi. Xóa lỗi ở một số lẻ của một nửa chu kỳ của chế độ xoắn chiếm
ưu thế thường sẽ cung cấp các điểm cực đại. Điều này khơng áp dụng khi sử
dụng bộ lọc vì bộ lọc phá vỡ các chế độ tự nhiên. [6]
Thông thường, đáp ứng trục khơng phải là hình sin với một thành phần tần
số duy nhất, nhưng chứa các đóng góp từ tất cả các chế độ xoắn. Nói chung, với
cùng một mức momen xoắn cực đại, mức tiêu thụ tuổi thọ mỏi xoắn sẽ thấp hơn
đáng kể đối với đáp ứng đa phương thức so với đáp ứng chế độ đơn.
1.5 Một số phương pháp phân tích hiện tượng SSR
Khi nghiên cứu về SSR, việc thực hiện các thí nghiệm hay thực nghiệm là
không thể. Các nhà nghiên cứu tập trung sử dụng ba phương pháp để phân tích
hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ đó là phương pháp quét tần số; phương
pháp trị riêng; phương pháp mô phỏng miền thời gian thực.

a) Phương pháp quét tần số
Phương pháp quét tần số được sử dụng để nghiên cứu sơ bộ hiện tượng
SSR với kích thước lớn gồm nhiều nhà máy. Cơ sở phương pháp này là
tính tốn nhiều lần trở kháng và cảm kháng tương đương nhìn từ đầu cực
của máy phát vào hệ thống theo tần số với nhiều điều kiện khác nhau. Kết
quả của phương pháp sẽ chỉ ra được các nhà máy nào có xác suất xảy ra
SSR cao, từ đó tiếp tục sử dụng phương pháp trị riêng và phương pháp mô
phỏng miền thời gian thực để nghiên cứu chi tiết. [6]
b) Phương pháp trị riêng
Phương pháp trị riêng (Eigenvalue Analysis) mơ tả tồn bộ các phần tử hệ
thống bằng các phương trình vi phân phi tuyến, sau đó tuyến tính hóa để
đưa về hệ phương trình tuyến tính. Tiếp theo bằng cách đánh giá trị riêng
và vectơ riêng của hệ phương trình vi phân tuyến tính này người ta sẽ
phân tích được hiện tượng SSR. Phương pháp trị riêng có ưu điểm là tính
được chính xác tần số dao động và thể hiện rõ được mức độ tắt dần của
các dao động đó. [6]
10


c) Phương pháp mô phỏng miền thời gian thực
Phương pháp mô phỏng miền thời gian thực sử dụng các mô hình đầy đủ
ba pha của các phần tử trong hệ thống, thường có sẵn trong các phần mềm
mơ phỏng. Kết quả mô phỏng hệ thống được đưa ra đưới dạng đồ thị theo
thời gian thực. Phương pháp này đưa ra được kết quả trực quan, thích hợp
để phân tích diễn biến sự cố theo thời gian, nhưng sẽ phức tạp nếu phải
xây dựng mơ hình các phần tử khơng có sẵn. [6]
1.6 Kết luận
Các phương pháp phân tích khác nhau đã được sử dụng cho các khía cạnh
khác nhau của vấn đề SSR. "Chương trình quét tần số" cung cấp tất cả thơng tin
cần thiết để phân tích hiệu ứng máy phát cảm ứng. Loại chương trình này cung

cấp điện trở và điện kháng tương đương với tần số như được xem từ các cực của
máy phát. Nếu có một hoặc nhiều tần số trong đó điện kháng tương đương bằng
không và điện trở tương đương là âm, các dao động tự duy trì sẽ được dự kiến do
hiệu ứng máy phát cảm ứng. Một chương trình quét tần số cũng cung cấp các dấu
hiệu cho thấy các vấn đề tương tác xoắn và momen xoắn quá độ. Các vấn đề
tương tác xoắn được chỉ định trong nghiên cứu quét tần số khi có tần số cộng
hưởng hoặc tần số phản ứng tối thiểu gần tần số tương ứng với một trong các chế
độ xoắn tự nhiên của máy phát tuabin. Các vấn đề momen xoắn quá độ tiềm năng
được biểu thị bằng chương trình qt tần số khi có tần số cộng hưởng nối tiếp
gần với tần số tương ứng với chế độ xoắn tự nhiên.
Để nghiên cứu vấn đề tương tác xoắn của hiện tượng SSR. Trong các đồ án
trước đây đã được nghiên cứu [7], đã tập trung vào sử dụng phương pháp trị
riêng để phân tích hệ thống. Bằng cách xây dựng các mơ hình hóa các phần tử
trong hệ thống điện. Dựa trên các phương trình tốn của các phần tử sẽ tiến hình
xây dựng mơ hình hóa và ghép nối các phần tử đó trên phần mềm Matlab.
Phương pháp trị riêng tính được chính xác tần số dao động. Cùng với đó, dựa vào
phương pháp trị riêng ta có thể xác định được tần số điện và tần số bổ sung do tụ
bù dọc gây nên, từ đó có thể xác định được tương tác xoắn SSR xảy ra ở mode
nào. Việc phân tích trị riêng có lợi trong việc giúp hiểu rõ hơn về việc đánh giá
tần số gây cộng hưởng với máy phát. Tuy nhiên, việc xây dựng mơ hình tốn rất
nhiều thời gian trong quá trình làm đồ án và bất tiện cho các nghiên cứu về sau
khi mơ hình máy phát trở nên cũng như hệ thống lưới điện và bù dọc ngày càng
trở nên phức tạp hơn nên khó cho việc xây dựng mơ hình cũng như cải tiến mơ
hình.
Phân tích momen xoắn q độ được thực hiện bởi việc áp dụng bởi phương
pháp phân tích mơ phỏng miền thời gian thưc. Phương pháp mô phỏng thời gian
thực tuy khơng có thể xác định được chính xác mức độ bù cũng như tần số được
sinh ra tương ứng với mức bù đó nhưng lại có thể cho quan sát quá độ trên miền
thời gian rất tốt. Từ đó các thể biết được độ lớn của biên độ momen quá độ theo
thời gian, vì thế sẽ đưa ra giải pháp giảm thiểu và ngăn ngừa hiện tượng rất tốt.

Có rất nhiều chương trình để mơ phỏng q độ của hệ thống một trong những
phần mềm đó phần mềm EMTP. Việc mô phỏng trên phần mềm EMTP cũng dễ
11


dàng hơn đối với các hệ thống phức tạp. Do đó, đồ án sẽ tập trung nghiên cứu
ứng dựng bộ lọc thụ động để ngăn ngừa hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ
bằng cách sử dụng phương pháp mô phỏng thời gian thực trên phần mềm EMTP.
Nội dung chính của của đồ án là nghiên cứu hiện tượng SSR bằng sử dụng
hai mơ hình mẫu là: First BenchMark (FBM) và Second BenchMark (SBM).
Việc phân tích hiện tượng SSR trên mơ hình FBM và SBM được thực hiện bằng
phương pháp mơ phỏng trên phần mềm EMTP. Từ các kết quả phân tích sẽ làm
cơ sở để xây dựng bộ lọc thụ động cho mơ hình FBM và SBM. Do đó trong nội
dung chương tiếp theo sẽ đi sâu vào việc thực hiện phân tích hiện tượng SSR đối
với hai mơ hình trên.

12


CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI
ĐỒNG BỘ
Sơ đồ dùng để phân tích sẽ sử dụng mơ hình FBM bao gồm một máy phát
điện đồng bộ, một máy biến áp tăng áp, đường dây truyền tải có tụ bù dọc, đường
dây này kết nối máy phát điện với một nút vô cùng lớn – đặc trưng cho hệ thống
điện. Hệ cơ của hệ thống này là mơt đoạn trục gồm sáu khối.

Hình 2.1 Sơ đồ mơ hình nghiên cứu First Benchmark

Mơ hình chuẩn First BenchMark được IEEE đưa ra nhằm mục đích nghiên
cứu hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ (Hình 2.1). Việc nghiên cứu trên

mơ hình chuẩn rất thuận lợi vì thơng số đã cho rất phù hợp với thông số thực tế,
hơn nữa IEEE cũng đã đưa ra kết quả nghiên cứu sơ bộ, từ đó giúp cho các nhà
nghiên cứu có cơ sở để so sánh và kiểm tra kết quả làm tiền đề cho các nghiên
cứu tiếp theo.

Hình 2.2 Sơ đồ trục turbin mơ hình First BenchMark

Mơ hình này gồm một máy phát, tuabin gồm 6 khối HP, IP, LPA, LPB,
GEN và EXC, nối tiếp với một máy biến áp tăng áp, một đường dây có gắn tụ bù
dọc và cuối cùng là nút vơ cùng lớn.
2.1 Mơ hình tốn học máy phát điện đồng bộ [8]
Máy phát đồng bộ còn được gọi là máy phát điện xoay chiều. Các máy phát
công suất lớn dùng để sản xuất ra điện ở các nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt
điện…đều là máy phát điện đồng bộ. Hiệu suất và tính kinh tế cao khiến cho máy
phát điện đồng bộ công suất lớn được sử dụng rộng rãi.
2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý
Phần tĩnh (Stator): Phần tĩnh có dạng hình trụ trịn, rỗng gồm mạch từ
được ghép bằng những lá thép kỹ thuật điện và cuộn dây ba pha AX, BY, CZ đặt
lệch nhau trong khơng gian một góc 120 độ điện.
Phần quay (Rotor): Phần quay là nam châm điện có một hay một số đơi
cực với cuộn dây được kích từ bằng dòng điện một chiều

13


A
Y

N

n

Z
T

S
C

B

G
Tmech

Tem

X
a)

b)

Hình 2.3 Kết cấu máy phát điện đồng bộ ba pha

Máy phát điện G được quay bởi tuabin T. Tuabin cung cấp cho máy điện
momen cơ Tmech có tính phát động làm cho máy phát điện quay với vận tốc n.
Máy phát điện nhận momen cơ của tuabin và biến thành momen điện Te xác định
bởi tích số của cơng suất P và vận tốc góc đồng bộ ω0 ( Te = Pω0 ). Trong chế độ
làm việc bình thường vận tốc rotor không đổi và luôn bằng vận tốc đồng bộ. Do
đó, tổng momen tác dụng lên trục rotor phải cân bằng:

Tmech + Te =

0

PT 2.1

Vì vậy, Tmech = −Te , tức là momen điện và momen cơ ngược chiều nhau.
Như vậy, momen điện có tính chất hãm. Một tải tiêu thụ công suất P, tức là tải đã
tạo nên một momen điện có tính hãm trên trục rotor của máy phát điện có giá trị
bằng tích số P nhân với vận tốc góc đồng bộ ω0 .
Momen điện và cơ đều đặc trưng cho năng lượng hữu ích nên ln có dấu
dương vì vậy điều kiện cân bằng momen được viết lại là:

Tmech = Te

PT 2.2

Khi đó momen thừa trên trục roto:

Tth= Tmech − Te= 0

PT 2.3

Vấn đề quan trọng nhất của vận hành máy phát điện là đảm bảo cho vận tốc
luôn không đổi và bằng tốc độ đồng bộ. Muốn vậy phải đảm bảo sự cân bằng
giữa momen cơ và momen điện. Trong vận hành, sự cân bằng này ln có xu thế
bị phá vỡ vì tải thay đổi và vì nhiều nguyên nhân khác. Mỗi khi tải tăng lên,
momen hãm trên trục rotor tăng lên khiến rotor bị hãm tốc, khi đó cần phải tăng
thêm năng lượng vào tuabin để tăng momen cơ đến bằng momen điện. Nếu tải
giảm xuống, tức là momen hãm giảm xuống thì thao tác đối với tuabin phải
ngược lại.
Trong chế độ làm việc bình thường, dịng ba pha phần tĩnh I , I , I lệch

A

B

C

pha nhau về thời gian một góc bằng 120 độ, trong khi đó cuộn dây ba pha AX,
BY, CZ lại đặt lệch nhau trong không gian một góc 120 độ, kết quả là từ trường
tổng hợp của dòng ba pha phần tĩnh là từ trường quay với vận tốc đồng bộ và
14


cùng chiều với vận tốc rotor ωR . Do từ trường phần tĩnh và rotor quay đồng bộ
với nhau, từ trường quay phần tĩnh khơng qt rotor, vì vậy, trong rotor khơng có
dịng cảm ứng mà chỉ có dịng kích từ một chiều [8].
2.1.2 Đặc điểm và phân loại
Trong nghiên cứu này ta chỉ khảo sát các máy phát điện công suất lớn làm
việc trong hệ thống điện. Trong hệ thống điện có hai loại máy phát là máy phát
nhiệt điện và máy phát thủy điện.
a) Máy phát nhiệt điện
Máy phát nhiệt điện thuộc loại quay nhanh, có vận tốc lớn. Khi vận tốc
quay lớn, kích thước máy sẽ nhỏ (giảm được tiêu hao vật liệu trên một
đơn vị công suất) và hiệu suất máy cao. Vận tốc quay n của máy phát điện
có quan hệ với tần số f và số đôi cực p như sau:

n=

60 f
p

PT 2.4

Do vận tốc quay lớn nên rotor phải có độ bền cao, phải được gia cơng
bằng rèn liền khối và có dạng cực ẩn. Đường kính của nó khơng thể lớn vì
lực ly tâm tỷ lệ với đường kính. Do khe hở khơng khí giữa rotor và stator
khơng thể lớn nên đường kính trong của stator cũng nhỏ. Vì vậy, nhìn
chung kích thước của máy phát nhiệt điện nhỏ gọn. Máy phát nhiệt điện
có thể chế tạo hàng loạt theo tiêu chuẩn. Ứng với thang công suất định
mức nhất định của máy phát điện, người ta chế tạo thang công suất định
mức của tuabin tương ứng.
Trong vận hành không thể tăng đột ngột công suất của máy phát nhiệt
điện. Tốc độ tăng cơng suất của nó bị hạn chế bởi sự giãn nở nhiệt của
phần tuabin và hệ thống cung cấp hơi. Sau khi khởi động, để tăng công
suất đến định mức phải mất hàng giờ. Hiện nay phần lớn các nhà máy
nhiệt điện thường làm việc theo sơ đồ khối “lò hơi – tuabin – máy phát
điện”. Do đó các máy phát nhiệt điện không thể làm việc với phụ tải thấp
tùy ý. Trong vận hành, máy phát nhiệt điện phải phát công suất lớn hơn
hay bằng công suất cực tiểu kỹ thuật. Đó là cơng suất xác định bởi điều
kiện cho phép làm việc của phần nhiệt (lò hơi và tuabin). Nếu vận hành
với công suất nhỏ hơn cực tiểu kỹ thuật thì lị hơi làm việc khơng ổn định
và có thể tắt nếu khơng phun bổ sung thêm nhiên liệu. Công suất cực tiểu
kỹ thuật của máy phát nhiệt điện bằng khoảng 30 – 40% công suất định
mức.
b) Máy phát thủy điện
Ngược lại với máy phát nhiệt điện, máy phát thủy điện thuộc loại quay
chậm vì vận tốc quay của máy phát thủy điện phụ thuộc vào lưu lượng
dòng chảy và chiều cao cột nước hiệu dụng tại nơi đặt nhà máy. Do vận
tốc quay nhỏ nên số đôi cực của máy phát thủy điện lớn hơn nhiều so với
máy phát nhiệt điện. Vì có nhiều cực nên rotor phải có dạng lắp ghép và
15