Khảo sát bộ PSS điều khiển ổn định máy phát trong hệ thống

Đề tài :Khảo Sát Bộ PSS Điều Khiển Ổn Định Máy Phát Điện Trong Hệ Thống

MỤC LỤC
PHẦN I: ...............................................................................................................................I.5
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................................... I.5

0.1
ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................................. I.5
0.2
MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN ............................................................ I.5
0.2.1 Các mục tiêu .................................................................................................................... I.5
0.2.2 Các nhiệm vụ cụ thể ........................................................................................................ I.6
0.3
PHẠM VI NGHIÊN CỨU: .............................................................................................. I.6
0.4
GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ..............................................................................I.6
0.5
NỘI DUNG LUẬN VĂN................................................. Error! Bookmark not defined.

PHẦN II: ............................................................................................................................ II.7
KHẢO SÁT bộ pss điều khiển ổn định máy phát điện trong hệ thống ĐIỆN ..................... II.7
Chương 1: ..............................................................................................................................................II.8
LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH VÀ PHÂN LOẠI.............................................................................. II.8
1.1
KHÁI NIỆM VỀ ỔN ĐỊNH : .........................................................................................II.8
1.1.1 Mở đầu : ..........................................................................................................................II.8
1.1.2 Ổn định điện áp ...............................................................................................................II.9
1.1.3 Sụp đổ điện áp ................................................................................................................II.9
1.1.4 Ổn định tónh và nguyên nhân mất ổn định....................................................................II.10
1.1.5 Ổn định động của hệ thống điện ...................................................................................II.13
1.1.6 Ổn định trung hạn và dài hạn.......................................................................................II.14

1.2
PHÂN LOẠI: ................................................................................................................II.15
Chương 2: ............................................................................................................................................II.17
MÔ HÌNH VẬT LÝ CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ..................................................................... II.17
2.1
MẠCH ROTOR VÀ KÝ HIỆU: ..................................................................................II.17
2.2
TỪ TRƯỜNG ROTOR .................................................................................................II.19
2.2.1 Từ trường cuộn kích từ: .................................................................................................II.19
2.2.2 Từ trường cuộn đệm dọc Wkd: (nằm cùng trục Wf) ......................................................II.19
2.2.3 Từ trường cuộn đệm ngang Wkq:...................................................................................II.19
2.2.4 Từ trường stato: .............................................................................................................II.19
2.2.5 quan hệ [ ψ abc ] với [iabc]:..............................................................................................II.20
2.3
TỔNG TỪ TRƯỜNG CỦA CÁC CUỘN DÂY-HỆ PHƯƠNG TRÌNH ĐẦY ĐỦ ......II.20
2.4
HỆ PHNG TRÌNH TRONG HỆ TOẠ ĐỘ ROTOR:...............................................II.21
2.4.1 Hệ phương trình rotor: ...................................................................................................II.21
2.4.2 Hệ phương trình stato: ...................................................................................................II.21
2.4.3 Nhận xét đặc điệm hổ cảm theo hai trục d,q:...............................................................II.22
2.5
QUY ĐỔI DÂY QUẤN ROTOR VỀ PHÍA STATO:...................................................II.23
2.5.1 Hệ phương trình cân bằng từ thông...............................................................................II.23
2.5.2 Hệ phương trình cân bằng điện áp:...............................................................................II.23
2.5.2.1 Hệ phương trình rotor:........................................................................................II.23
2.5.2.2 Hệ phương trình stato: ........................................................................................II.24
2.6
CÔNG SUẤT VÀ MÔ MEN ĐIỆN TỪ .......................................................................II.24
2.6.1 CÔNG SUẤT ................................................................................................................II.24
2.6.1.1 Của Rôto: ...........................................................................................................II.24

2.6.1.2 Của Stato: ...........................................................................................................II.24
2.6.2 MÔ MEN ĐIỆN TỪ......................................................................................................II.25
Chương 3: ............................................................................................................................................II.27
MÔ HÌNH MÁY PHÁT TRONG KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH........................................................... II.27
3.1
Các giả thiết ..................................................................................................................II.27

Cao học hệ thống ñieän K14

I.2


CBHDKH: TS Hồ Văn Hiến

Học viên thực hiện: Trần Hoài Nam

3.2
Mô hình khi từ thông móc vòng hằng số ......................................................................II.27
3.3
Giới hạn khả năng phát của MF và biện pháp hiệu chỉnh trong chế độ xác lập .........II.28
3.4
Các chế độ giới hạn : ....................................................................................................II.28
3.4.1 Giới hạn dòng điện phần ứng........................................................................................II.28
3.4.2 Giới hạn dòng điện kích từ ............................................................................................II.29
3.4.3 Giới hạn nhiệt vùng biên ..............................................................................................II.31
3.5
Đường cong V và đường cong kết hợp .........................................................................II.32
Chương 4: ............................................................................................................................................II.34
ỔN ĐỊNH TĨNH-TIÊU CHUẨN KHẢO SÁT .............................................................................. II.34
4.1

MỞ ĐẦU : ....................................................................................................................II.34
4.2
ỔN ĐỊNH CỦA HỆ MỘT MÁY LÀM VIỆC VỚI THANH CÁI VÔ HẠN. ..............II.34
4.2.1 Mô hình thay thế máy phát ...........................................................................................II.35
4.2.2 Ảnh hưởng động học của mạch kích từ ........................................................................II.40
4.2.2.1 Phương trình mạch ngoài: ..................................................................................II.41
4.2.2.2 Phương trình mô tả hệ thống tuyến tính hóa :...................................................II.42
4.2.2.3 Giản đồ khối của hệ thống:................................................................................II.44
4.2.2.4 Ảnh hưởng sự thay đổi từ thông kích từ lên ổn định:.........................................II.45
4.2.3 Ảnh hưởng của hệ thống kích từ ...................................................................................II.49
4.3BỘ ỔN ĐỊNH PSS (POWER SYSTEM STABILIZER)........................................................II.53
4.3.1 Ma trận trạng thái khi xét đến cuộn cản.......................................................................II.63
4.4ỔN ĐỊNH HỆ NHIỀU MÁY .................................................................................................II.74
Chương 5: ............................................................................................................................................II.78
PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT BỘ PSS............................................................. II.78
5.1PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ .................................................................................................II.78
5.2MÔ PHỎNG TÁC DỤNG CỦA BỘ PSS TRONG VIỆC ĐIỀU KIỂN ỔN ĐỊNH HỆ MỘT
MÁY LÀM VIỆC VỚI THANH CÁI VÔ CÙNG. ....................................................................II.84
5.2.1 Nhận xét chung: ............................................................................................................II.89
5.3 TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG HỆ HAI MÁY LÀM VIỆC VỚI THANH CÁI VÔ CÙNG...II.89
5.4 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CHO HỆ NHIỀU MÁY ............................................................II.96
Chương 6: ............................................................................................................................................II.98
ỔN ĐỊNH ĐỘNG-CÁC TIÊU CHUẨN KHẢO SÁT .................................................................. II.98
6.1
Khái niệm .....................................................................................................................II.98
6.2
Tiêu chuẩn diện tích .....................................................................................................II.98
6.3
Tiêu chuẩn năng lượng .................................................................................................II.98
6.4

Sự tương đương tiêu chuẩn năng lượng và tiêu chuẩn diện tích cho hệ một máy làm việc
với thanh cái vô hạn. ................................................................................................................II.100
6.5
Hàm năng lượng cho hệ thống 2 máy công suất tương đương ..................................II.101
6.6
hàm năng lượng khảo sát cho hệ nhiều máy ..............................................................II.103
6.7
Một Số Ví Dụ Mô Phỏng............................................................................................II.104
6.8
Ví dụ 5.1......................................................................................................................II.104
6.8.1.1 Ngắn mạch tại bus 1:.......................................................................................II.106
6.8.1.1.a_ Ngắn mạch 1 pha, thời gian duy trì ngắn mạch 0.1s..................................II.106
6.8.1.1.b_ Ngắn mạch 1 pha, thời gian duy trì ngắn mạch 0.2s..................................II.107
6.8.1.1.c_ Ngắn mạch 2 pha, thời gian duy trì ngắn mạch 0.1s..................................II.108
6.8.1.1.d_ Ngắn mạch 3 pha, thời gian duy trì ngắn mạch 0.05s................................II.109
6.8.1.2 Ngắn mạch tại bus 3:.......................................................................................II.110
6.8.1.2.a_ Ngắn mạch 1 pha, thời gian ngắn mạch 0.1s .............................................II.110
6.8.1.2.b_ Ngắn mạch 1 pha, thời gian ngắn mạch 0.2s.............................................II.111
6.8.1.2.c_ Ngắn mạch 2 pha, thời gian ngắn mạch 0.1s .............................................II.112
6.8.1.2.d_ Ngắn mạch 2 pha, thời gian ngắn mạch 0.05s ...........................................II.113
6.8.1.3 Nhận xét:..........................................................................................................II.114
6.9
Ví dụ 6.2......................................................................................................................II.114
6.9.1 Sự cố tại bus1: .............................................................................................................II.117

Cao học hệ thống điện K14

I.3

Đề tài :Khảo Sát Bộ PSS Điều Khiển Ổn Định Máy Phát Điện Trong Hệ Thống
6.9.1.1 Ngắn mạch 1 pha, thời gian 0.8s......................................................................II.117
6.9.1.2 Ngắn mạch 3 pha, thời gian 0.2s......................................................................II.119
6.9.2 Sự cố tại bus 3: ............................................................................................................II.121
6.9.2.1 Ngắn mạch 2 pha tại bus 3, thời gian 0.2s .......................................................II.121
6.9.3 Sự cố tại bus 4 .............................................................................................................II.124
6.9.3.1 Ngắn mạch 1 pha tại bus 4, thời gian duy trì 0.2s............................................II.124
6.9.3.2 Ngắn mạch 2 pha tại bus 4, thời gian duy trì 0.1s............................................II.126

PHẦN III: .....................................................................................................................III.131
PHẦN KẾT LUẬN LUẬN VĂN VÀ HƯỜNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..........................III.131
a.

PHẦN KẾT LUẬN VĂN ...............................................................................................III.132

b.

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................................................................III.133

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................................III.1

PHẦN IV:..........................................................................................................................IV.2
PHẦN PHỤ LỤC ........................................................................................................................ IV.2

0.1
PHỤ LỤC 4.2, 4.3 (VÍ DỤ 4.2, 4.3) ............................................................................. IV.2
0.2
PHỤ LỤC 4.4 (VÍ DUÏ 4.4) ........................................................................................... IV.7
0.3
PHUÏ LUÏC 5.3.............................................................................................................. IV.12

0.4
PHUÏ LUÏC 5.4.............................................................................................................. IV.23
0.5
PHUÏ LỤC 6.1.............................................................................................................. IV.39
0.6
PHỤ LỤC 6.2.............................................................................................................. IV.41
0.6.1 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ................................................................................ IV.41
0.6.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................................................................................. IV.46
0.6.2.1 Sự cố tại bus1: .................................................................................................. IV.46
0.6.2.1.a_ Ngắn mạch 1 pha, thời gian 0.1s................................................................ IV.46
0.6.2.1.b_ Ngắn mạch 1 pha, thời gian 0.5s................................................................ IV.48
0.6.2.1.c_ Ngắn mạch 1 pha, thời gian 0.8s................................................................ IV.51
0.6.2.1.d_ Ngắn mạch 3 pha, thời gian 0.1s................................................................ IV.53
0.6.2.1.e_ Ngắn mạch 3 pha, thời gian 0.2s................................................................ IV.56
0.6.2.2 Sự cố tại bus 3: ................................................................................................. IV.58
0.6.2.2.a_ Ngắn mạch 1 pha tại bus 3, thời gian 0.1s ................................................. IV.58
0.6.2.2.b_ Ngắn mạch 2 pha tại bus 3, thời gian 0.2s ................................................. IV.61
0.6.2.3 Sự cố tại bus 4 .................................................................................................. IV.63
0.6.2.3.a_ Ngắn mạch 1 pha tại bus 4, thời gian duy trì 0.2s...................................... IV.63
0.6.2.3.b_ Ngắn mạch 2 pha tại bus 4, thời gian duy trì 0.1s...................................... IV.67

Cao học hệ thống điện K14

I.4


CBHDKH: TS Hồ Văn Hiến

Học viên thực hiện: Trần Hoài Nam

PHẦN I:

MỞ ĐẦU
0.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Vấn đề điều khiển và cải thiện ổn định hệ thống điện đã được quan tâm từ
rất sớm, ngay từ khi ngành khoa học điện lực ra đời.Trải qua lịch sử vận hành
hệ thống điện của các quốc gia trên thế giới cũng như ở nước ta đã có những
sự cố nghiêm trọng dẫn đến tan rã một phần hoặc toàn bộ hệ thống, đe doạ
đếni2 an ninh năng lượng và gây thiệt hại lớn cho nền kinh tế. Vì vậy, vấn đề
giử ổn định cho hệ thống điện ngày càng được quan tâm đúng mức hơn.
Điều khiển và cải thiện ổn định hệ thống điện cho đến nay đã có nhiều
phương pháp [1]. Để đạt được hiệu quả tốt nhất, người ta sẽ kết hợp các
phương pháp trên. Trong đó việc sử dụng bộ PSS (Power System Stabilizer) để
điều khiển ổn định máy phát điện trong hệ thống là một phương pháp quan
trọng và hiệu quả.
Ở nước ta trong điều kiện nền kinh tế đang trên đà phát triển mạnh, kéo
theo việc mở rộng hệ thống điện lực là một nhu cầu tất yếu làm cho tính phức
tạp của hệ thống ngày càng gia tăng. Ngoài ra, xu thế phát triển thị trường điện
thì việc điều khiển ổn định hệ thống điện trong môi trường điện cạnh tranh sẽ
khó khăn và đặt ra nhiều thách thức hơn .
Hệ thống điện lực Việt Nam phát triển chậm so với hệ thống điện của nhiều
quốc gia trên thế giới, nên việc điều khiển các thiết bị phụ trợ khác [1] cho đến
nay là chưa khả thi, hoặc có nhưng chưa đáng kể. Xét trên cả hai khía cạnh về
tính kinh tế và tính hiệu quả thì việc sử dụng bộ PSS lắp đặt tại các nhà máy
điện điều khiển ổn định máy phát điện trong hệ thống điện vẫn là phương tiện
điều khiển chủ lực.

0.2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN
0.2.1 Các mục tiêu
•

Nghiên cứu các phương pháp khảo sát ổn định

•

Khảo sát toán học tác dụng bộ PSS trong việc phân tích ổn định
nhiễu nhỏ

•

Nghiên cứu các phương pháp thiết kế và xác lập các thông số bộ PSS

•

Khảo sát tác dụng của bộ PSS trong việc điều khiển ổn định máy
phát điện trong hệ thống điện bằng phần mềm matlab.

Cao học hệ thống điện K14

I.5


Đề tài :Khảo Sát Bộ PSS Điều Khiển Ổn Định Máy Phát Điện Trong Hệ Thống
•

Đánh giá định tính mức độ cải thiện của PSS đối với ổn định động.

•

Mô phỏng ứng dụng của bộ PSS trong việc điểu khiển ổn định máy

phát trong một số mạng đơn giản bằng phần mềm matlab.

0.2.2 Các nhiệm vụ cụ thể
•

Nghiên cứu các phương pháp khảo sát ổn định

•

Ngiên cứu mô hình của các bộ PSS

•

Thiết kế và xác lập các thông số bộ PSS

•

Khảo sát ảnh hưởng của bộ PSS trong việc điều khiển ổn định máy
phát điện trong hệ thống bằng phần mềm Matlab.

0.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU:
•

Nghiên cứu tác dụng của bộ PSS trong việc điều khiển ổn định máy
phát điện trong hệ thống.

0.4 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
•

Qua việc phân tích, đánh giá định lượng ảnh hưởng của bộ PSS đối

với ổn định nhiễu nhỏ ta hiểu được bản chất, tác dụng cũng như mức
độ, khả năng cải thiện ổn định tỉnh hệ thống của bộ PSS.

•

Thông qua đề tài này tác giả đã hệ thống hoá và bổ sung thêm mô
hình không gian trạng thái hệ thống một máy khi xét đến tác dụng của
các cuộn đệm dọc trục và ngang trục. Từ đó hiểu thêm được tác dụng
của các cuộn đệm đối với ổn định.

•

Thông qua đề tài này ,tác giả đã tổng hợp và đưa phương pháp tính
toán hiệu chỉnh các thông số của một số bộ PSS, từ đó có thể áp
dụng vào các máy phát điện trong hệ thống điện thực tế.

•

Đối với ổn định động, mặc dù tác giả chưa đưa ra mô hình toán học
trong việc đánh giá mức độ cải thiện ổn định nhưng qua các kết quả
mô phỏng cho thấy tác dụng của bộ PSS đối với ổn đinh động là rất
lớn ngay cả đối với các sự cố nặng nề nhất.

•

Qua kết quả mô phỏng, chúng ta có thể đánh giá định tính mức độ cải
thiện ổn định động của bộ PSS đối với các hệ thống điện lực trong
thực tế, từ đó đề nghị thêm các các phương tiện điều khiển hỗ trợ cần
thiết khác.

Cao học hệ thống điện K14

I.6


CBHDKH: TS Hồ Văn Hiến

Học viên thực hiện: Trần Hoài Nam

PHẦN II:

KHẢO SÁT BỘ PSS ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MÁY
PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Cao học hệ thống điện K14

II.7


Đề tài :Khảo Sát Bộ PSS Điều Khiển Ổn Định Máy Phát Điện Trong Hệ Thống

CHƯƠNG 1:
LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH VÀ PHÂN LOẠI
1.1 KHÁI NIỆM VỀ ỔN ĐỊNH :
1.1.1 Mở đầu :

Ổn định của hệ thống điện lực là khả năng duy trì số bình thường của các
thông số ở các nút lúc chế độ làm việc của hệ thống có những biến đổi ngẫu nhiên
, đột ngột, có thể rất bé hoặc có thể rất lớn .
Hệ thống điện mất ổn định có thể thể hiện theo nhiều cách tuỳ thuộc vào

cấu trúc và chế độ làm việc của hệ thống. Quan điểm truyền thống xem vấn đề ổn
định được hiểu là khả năng duy trì đồng bộ giữa các máy phát điện trong hệ thống
với nhau. Ở khía cạnh này, ổn định của hệ thống ảnh hưởng bởi tính động học của
góc rotor và mối quan hệ góc-công suất. Các quan điểm hiện đại khi xét đến vấn
đề ổn định của hệ thống điện là xem toàn hệ thống là một thể thống nhất. Người
ta phân biệt ổn định tónh và định động .
Ổn định tónh của hệ thống điện thường được định nghóa là khả năng hệ thống
trở lại những thông số ban đầu những lúc thông số này bị lệch không đáng kể khỏi
những trị số ban đầu (sau khi hệ thống bị những kích thích nhỏ)
Nếu cho rằng chế độ xác lập của hệ thống điện tương ứng với vị trí cân bằng thì có
thể phán đoán ổn định tónh của nó theo một trong những điều kiện sau :
1. Lúc đặt vào hệ những lực tác động đủ bé thì biến đổi của các thông số chế
độ (các tọa độ) cũng đủ bé. Những biến đổi thông số này có thể làm cho bé xuống
đến mức tùy ý bằng cách chọn lực tác động đủ bé .
2. Lúc độ lệch của các thông số của chế độ của hệ đối với những trị số ứng
với vị trí cân bằng đủ bé thì những biến đổi tiếp theo của các thông số cũng sẽ đủ
bé. Những biến đổi nảy có thể làm cho bé xuống đến mức tùy ý bằng cách chọn trị
số của các độ lệch ban đầu đủ bé .
Đối với hệ thống điện hai điều kiện này thực tế tương đương nhau. Lúc đặt vào hệ
đang ở vị trí cân bằng những lực tác động bé thì hệ sẽ chuyển sang một vị trí cân
bằng mới bên cạnh (lực tác động càng bé, vị trí cân bằng mới gần bằng vị trí cũ ) .
Vì chúng ta giả thiết các lực tác động các lực tác động vào đột ngột nên ở thời
điểm ban đầu hệ thống lệch khỏi vị trí cân bằng mới. Điều đó tương đương với các
thông số của chế độ của hệ đột ngột lệch khỏi trị số của vị trí cân bằng cũ và mới
khác nhau . Nhưng thực tế chúng rất gần nhau lác xét các lực tác động vô cùng bé .
Đặc điểm của điều kiện làm việc của hệ thống điện là sự xuất hiện thường
xuyên những tác động nhỏ không chu kỳ. Nếu do những tác động đó các thông số
của hệ biến đổi rất chậm và không chu kỳ thì hệ có ổn định tónh. Đó là định nghóa
ổn định tónh của hệ thống điện .
Cao học hệ thống điện K14

II.8


CBHDKH: TS Hồ Văn Hiến

Học viên thực hiện: Trần Hoài Nam

Dựa vào những điều trình bày trên , lúc kiểm tra ổn định ta sẽ dùng hai
phương pháp tương đương nhau : khảo sát các tác động bé hoặc các độ lệch thông
bé ở trạng thái ban đầu và sau đó đối với cả hai trường hợp, nghiên cứu tiếp những
diễn biến của chế độ .
1.1.2 Ổn định điện áp

Ổn định điện áp là khả năng của hệ thống điện giữ được điện áp tại tất cả các nút
trong hệ thống nằm trong giới hạn cho phép trong các điều kiện vận hành bình
thường cũng như khi có nhiễu xảy ra. Ta nói hệ thống điện rơi vào trạng thái mất
ổn định điện áp nếu như khi có nhiễu xảy ra, sự gia tăng phụ tải, hoặc khi có sự
thay đổi về điều kiện vận hành hệ thống gây ra sự giảm nhanh và mất khả năng
điều khiển điện áp. Nguyên nhân chính gây ra mất ổn định điện áp là do hệ thống
không thể đáp ứng được nhu cầu công suất phản kháng của tải.
Hệ thống ổn định điện áp trong điều kiện vận hành đã cho nếu như đối với tất cả
các nút trong hệ thống biên độ điện áp nút tăng lên khi công suất phản kháng bơm
vào nút đó tăng lên. Ngược lại, hệ thống mất ổn định điện áp nếu như có ít nhất
một nút trong hệ thống mà điện áp tại nút đó giảm xuống khi công suất phản
kháng bơm vào nút tăng lên. Nói cách khác, hệ thống ổn định điện áp nếu độ nhạy
⎛ ∂V ⎞
⎟⎟ của tất cả các nút trong hệ thống là dương và hệ thống mất ổn định
⎝ ∂Q ⎠

V-Q ⎜⎜

điện áp nếu độ nhạy V-Q của ít nhất một nút trong hệ thống là âm.
1.1.3 Sụp đổ điện áp

Khi nhu cầu công suất phản kháng trong hệ thống gia tăng đột ngột do tình
trạng khẩn cấp nào đó, các máy phát và các thiết bị bù trong hệ thống sẽ cung cấp
phần công suất phản kháng tăng thêm này. Nói chung các nguồn công suất phản
kháng dự trữ trong hệ thống có thể đáp ứng được và hệ thống sẽ thiết lập lại mức
điện áp ổn định. Tuy nhiên trong một số trường hợp có thể do một số điều kiện nào
đó, hệ thống không thể đáp ứng được nhu cầu công suất phản kháng tăng thêm và
điều này dẫn đến sụp đổ điện áp, làm rã lưới một phần hoặc toàn bộ hệ thống.
Sau đây là một số trường hợp thường dẫn đến sụp đổ điện áp:
• Hệ thống làm việc trong điều kiện bất thường khi mà các máy phát công suất
lớn gần trung tâm phụ tải tách khỏi vận hành. Điều này làm cho các đường
dây truyền tải cao áp bị quá tải và nguồn công suất phản kháng giảm đến
mức tối thiểu.
• Việc cắt một số đường dây đang mang tải sẽ dẫn đến phụ tải tăng cao ở các
đường dây lân cận. Điều này làm tăng tổn thất công suất kháng trên đường
dây (tổn thất công suất phản kháng trên đường dây tăng nhanh khi tải trên
đường dây lớn hơn tải sóng), do đó làm cho nhu cầu công suất phản kháng
trong hệ thống tăng mạnh.
Cao học hệ thống điện K14

II.9


Đề tài :Khảo Sát Bộ PSS Điều Khiển Ổn Định Máy Phát Điện Trong Hệ Thống

• Khi đường dây truyền tải cao áp bị cắt ra, điện áp ở gần trung tâm phụ tải sẽ

giảm xuống do nhu cầu công suất phản kháng tăng lên. Điều này làm cho
công suất tiêu thụ của tải giảm xuống và công suất truyền trên đường dây
cao áp cũng giảm, do đó giúp hệ thống ổn định trở lại. Tuy nhiên, bộ tự động
điều chỉnh điện áp của máy phát sẽ nhanh chóng phục hồi lại điện áp đầu
cực máy phát bằng cách tăng dòng kích từ. Do đó công suất phản kháng
truyền qua máy biến áp và đường dây tăng lên làm cho sụt áp qua các phần
tử này tăng lên.
• Việc sụt áp trên đường dây truyền tải cao áp sẽ ảnh hưởng đến hệ thống
phân phối. Máy biến áp có điều áp dưới tải sẽ phục hồi lại điện áp phân phối
và tải trở về giá trị ban đầu trong thời gian 2 đến 4 phút. Mỗi lần chuyển đầu
phân áp, tải trên đường dây cao áp tăng lên làm tăng tổn thất trên đường dây
XI2 và RI2, điều này làm cho điện áp trên đường dây cao áp tiếp tục giảm
mạnh hơn. Nếu như đường dây cao áp mang tải lớn hơn tải sóng SIL, mỗi
MVA truyền tải tăng thêm trên đường dây sẽ gây ra vài MVAr tổn thất công
suất phản kháng.
• Với mỗi nấc chuyển đầu phân áp công suất phản kháng phát ra từ máy phát
truyền tải qua hệ thống sẽ tăng lên, dần dần các máy phát sẽ lần lượt đạt đến
giới hạn khả năng phát công suất phản kháng (đặc trưng bởi dòng điện kích
từ cực đại). Khi máy phát đầu tiên đạt đến kích từ giới hạn, điện áp đầu cực
của nó sẽ giảm xuống. Khi điện áp đầu cực máy phát giảm xuống việc giữ cố
định công suất tác dụng đầu ra sẽ làm cho dòng điện phần ứng tăng lên. Điều
này làm giới hạn công suất phản kháng của máy phát giảm xuống để giữ
dòng điện phần ứng trong giới hạn cho phép. Do đó tải kháng sẽ được chuyển
sang máy phát khác làm cho nhiều máy phát khác nhanh chóng bị quá tải.
Nếu có ít máy phát có bộ tự động điều chỉnh kích từ, hệ thống sẽ dễ mất ổn
định điện áp.
1.1.4 Ổn định tónh và nguyên nhân mất ổn định

ỔÂn định tónh của chế độ xác lập luôn luôn tồn tại, nếu tồn tại chế độ xác lập
đó. Chế độ không ổn định tónh không thể tồn tại lâu dài, vì những tác động nhỏ (ví

dụ như phụ tải thay đổi) sẽ nhanh chóng dẫn đến mất ổn định. Trị số dự trữ ổn định
tónh có một ý nghóa thực tế rất quan trọng. Lúc thay đổi chế độ làm việc của hệ
thống, có thể tiến đến một chế độ giới hạn theo điều kiện ổn định tónh. Quá trình
tiến đến chế độ giới hạn này gọi là sự tiến dần đến mất ổn định của hệ thống. Dự
trữ ổn định tónh trong quá trình này xác định khả năng tiến dần đến mất ổn định
tónh.
Trong rất nhiều trường hợp, quá trình tiến dần này là quá trình tăng công
suất tác dụng và công suất phản kháng của các phụ tải hệ thống. Do đó, góc lệch
Cao học hệ thống điện K14

II.10


CBHDKH: TS Hồ Văn Hiến

Học viên thực hiện: Trần Hoài Nam

giữa rôto của một số máy phát điện đối với bộ phận còn lại của hệ thống sẽ tăng
lên. Lúc dự trữ công suất phản kháng trong hệ thống chưa sử dụng hết thì có thể
duy trì được mức điện áp bình thường. Trong trường hợp này chỉ có độ tăng của góc
lệch của rôto các máy phát điện mới cho phép phán đoán đến sự tiến dần đến mất
ổn định trên quan điểm ổn định tónh. Nếu không còn dự trữ công suất phản kháng
thì trong quá trình tiến dần này, điện áp sẽ giảm xuống, đó cũng là một trong
những nguy cơ làm mất ổn định tónh.
Như vậy trị số dự trữ ổn định tónh có thể được kiểm tra bằng trị số các góc
lệch của rôto máy phát điện và của điện áp trong hệ thống.
Để tránh mất ổn định tónh, ở chế độ làm việc bình thường, góc lệch rôto của
các máy phát phải được hạn chế trong giới hạn nhất định và điện áp ở các nút chủ
yếu trong hệ thống không được giảm thấp hơn mức độ quy định. Do đó lúc điều
chỉnh chế độ làm việc của hệ thống xuất hiện những vấn đề sau:

1. Quy định góc lệch giới hạn của rôto máy phát hoặc cũng chíng là giới hạn
công suất truyền tải.
2. Quy định điện áp giới hạn theo điều kiện ổn định tónh ở các nút chủ yếu.
Lúc tiến gần đến giới hạn ổn định tónh, người điều hành cần phải thận trọng
và phải dùng tất cả những biện pháp cần thiết để tránh đi đến mất ổn định. Do đó
vấn đề có một dự trữ ổn định tónh đủ lớn ở chế sau sự cố, có một ý nghóa đặc biệt
quan trọng đối với tính làm việc đảm bảo của hệ thốùng. Nếu chế độ xác lập sau sự
cố có những thông số vận hành cho phép thì điều đó cũng chưa đảm bảo được rằng
sự cố sẽ không mang lại hậu quả nguy hiểm vì chế độ sau sự cố này chưa đủ dự
trữ ổn định tónh. Dữ trự này cần vì có khả năng mất ổn định trong vài phút sau sự
cố, lúc điều hành viên còn chưa kịp sử dụng những biện pháp cần thiết để nâng cao
ổn định. Thông thường khả năng mất ổn định có thể do phụ tải trong hệ thống tăng
lên nếu sự cố xảy ra vào lúc phụ tải đang tăng hoặc do đóng cắt các động cơ đã cắt
ra vì ngắn mạch.
Khả năng ổn định tónh ở chế độ sau sự cố là một trong những điều kiện chủ
yếu để hệ thống thoát khỏi tình trạng sự cố. Do đó lúc sự cố, trước khi nghiên cứu
ổn định động cần phải khẳng định được rằng sẽ có ổn định sau sự cố. Điều này đặc
biệt quan trọng trong trường hợp nếu vì sự cố mà phải cắt một rong những phần tử
chủ yếu của hệ thống, ví dụ một mạch của đường dây tải điện đi xa.
Các thông số sự cố không phải đơn trị. Điều này có thể giải thích qua ví dụ đơn
giản: Xét hệ thống trong một máy phát làm việc với đường dây tải điện 2 mạch.
Sau sự cố,một mạch bị cắt,đường đặc tính công suất cơ của tuabin và đặc tính công
suất điện sau sự cố cắt nhau tại hai giá trị δ, trong đó có một giá trị δ1 là điểm ổn
định và giá trị kia δ2 có thể ổn định hoặc không ổn định.
Lúc các đường đặc tính có giao nhau,chúng ta sẽ lấy để tính toán điểm ứng
với chế độ ổn định,mặc dầu giao điểm chỉ mới nói đến khả năng có thể ổn định ở
chế độ sau sự cố. Còn vấn đề trong hệ thống có làm việc tại điểm đó hay không thì
Cao học hệ thống điện K14

II.11

Đề tài :Khảo Sát Bộ PSS Điều Khiển Ổn Định Máy Phát Điện Trong Hệ Thống

cần phải nghiên cứu toàn bộ quá trình quá độ từ lúc bắt đầu sự cố cho đến dao
động cắt hoàn toàn,việc nghiêu cứu lúc này rất khó khăn và đối với hệ thống tương
đối phức tạp chỉ có thể thực hiện trên mô hình tính toán tónh hoặc động.Thực tế
trên mô hình tính toán tónh chỉ có thể nghiên cứu ổn định ở chu kỳ dao động đầu
tiên.Ởû chu kỳ kế tiếp theo,người ta gia ûthuyết rằng nhờ tác động của tự điều chỉnh
kích từ và điều chỉnh tốc độ ,ổn định được đảm bảo và do đó , hệ thống sẽ đi đến
ổn định sau sự cố . Do đó,lúc xác định thông số của chế độ sau sự cố khi giữ được
ổn định động ở chu kỳ giao động đầu tiên trong trường hợp không phải nghiệm
đơn trị, người ta lấy các thông số ứng với chế độ ổn định, tức là lấy những giá trị
điện áp lớn hơn và giá trị góc bé hơn.
Ổn định tónh của chế độ làm việc bình thường của hệ thống được bảo đảm và
có dự trữ nếu góc δ hoặc công suất truyền tải bé hơn trị số giới hạn, còn điện áp
kiểm tra tại các nút kiểm tra của hệ thống thì lớn hơn trị số giới hạn. Dự trữ ổn định
tónh trong chế độ làm việc bình thường cần được xác định đúng đắn không nên quá
lớn không cần thiết nhưng không làm giảm độ tin cậy làm việc của hệ thống.
Góc giới hạn hoặc công suất giới hạn của máy phát được chọn thế nào để máy
phát đó không thể mất đồng bộ với hệ thống với mọi sự giảm áp ngẫu nhiên hoặc
với các đột biến của điện áp. Loại và đặc tính tự động điều chỉnh kích từ sơ đồ nối
dây của nhà máy điện và cách liên hệ giữa nhà máy điện và hệ thống đóng vai trò
quan trọng lúc chọn trị số góc giới hạn .
Các biện pháp ổn định tónh của hệ thống điện :
+Dùng tự động điều chỉnh kích từ
+Hạn chế giảm điện áp ở các nút chủ yếu của hệ thống ;
+Hạn chế góc lệch rôto các máy phát điện ;
+Dùng tự động giảm tải theo tần số ;
+Đảm bảo đủ dự trữ công suất tác dụng và phản kháng .

Lúc chọn góc lệch cực đại cho phép của rôto máy phát và điện áp cực tiểu cho
phép ,do có tự động điều chỉnh kích từ nên cho phép căn cứ không phải trên dòng
điện thực tế của rôto trong chế độ đó ,mà dòng điện cực đại cho phép lâu dài ,bởi
vì lúc góc tăng và điện áp giảm ,bộ tự động điều chỉnh sẽ đảm bảo tăng kích từ ở
tất cả các máy phát.
Đồng thời tự động điều chỉnh kích tư øcòn tạo nên dự trữ ổn định tónh lúc điện
áp biến đổi đột ngột trong thời gian ngắn do kích từ tăng cưỡng bức đến giá trị số
giới hạn .Ta thấy tự động điều chỉnh kích từ là biện pháp chủ yếu nâng cao ổn
định tónh bằng cách sử dụng toàn bộ dự trữû công suất phản kháng trong hệ thống .
Dự trữû công suất phản kháng trông hệ thống là yếu tố đặc biệt quan trọng xác định
dự trữ ổn định tónh của chế độ làm việc bình thường .Nếu giảm dự trữ û công suất
phản kháng ,điện áp tới hạn sẽ tăng .Do đó đối với những hệ thống không có dự
trữ công suất phản kháng ,đặc biệt cần thiết phải xác định trị số điện áp tới hạn .
Để đề phòng mất ổn định tónh lúc sự cố nặng cần sử dụng giảm tải theo tần số .
Cao học hệ thống điện K14

II.12


CBHDKH: TS Hồ Văn Hiến

Học viên thực hiện: Trần Hoài Nam

Sử dụng các biện pháp vận hành như tự động điều chỉnh kích từ ,tự động giảm tải
,hạn chế một cách hợ lý trị số cực tiểu của điện áp và trị số cực đại của công suất
hoặc góc δ của máy phát ,rõ ràng có thể đảm bảo ổn định tónh của hệ thống điện
.Đồng thời không nên quên ý nghóa đối với việc nâng cao độ tin cậy của hệ thống
của các biện pháp tích cực như tăng dự trữ công suất tác dụng ,công suất phản
kháng và phát triển đúng đắn mạng điện . Lúc có dự trữû công suất thì không cần
thiết phải giảm tải hoặc chỉ cần giảm ít ở chế độ sau sự cố . Phát triển đúng đắn

mạng điện sẽ nâng cao độ tin cậy làm việc của hệ thống điện .
1.1.5 Ổn định động của hệ thống điện

Ổn định động của hệ thống là khả năng của hệ thống sau khi chịu tác động của
những biến đổi tạm thời lớn và đột ngột có thể chuyển về một chế độ xác lập mà
trị số các thông số chế độ tại các nút gần với bình thường.
Tất nhiên, nếu hệ thống có khả năng chịu những biến đối lớn mà không mất
ổn định thì cũng sẽ ổn định với những biến đổi nhỏ. Do đó, lúc hệ thống đã có dự
trữ ổn định động thì cũng sẽ có một dự trữ ổn định tónh nhất định nào đó. Nhưng
cũng có ngoại lệ trong trường hợp muốn nâng cao ổn định động người ta dùng
những biện pháp đặc biệt không có tác dụng nâng cao ổn định tónh, như tự động cắt
một số máy phát và điện kháng lúc sự cố.
Như vậy, sự khác nhau giữa mất ổn định tónh và ổn định động là do sự khác
nhau giữa các mức độ biến đổi (mức độ của nhiễu kích động). Tuy nhiên trong cả
hai trường hợp lúc thuận lợi đều dẫn đến cùng một kết quả là giữ được thông số
bình thường ở các nút của hệ thống
Biến đổi lớn đột ngột, ví dụ cắt một trong những phần tử quan trọng của hệ
thống, thay đổi lớn chế đôï làm việc ở một số khâu của hệ thống, cắt một mạch của
đường dây hai mạch, tách hệ thống ra từng phần, tái cấu trúc hệ thống v…v. có thể
làm mất ổn định động của hệ thống. Nhưng thông thường, nguy hiểm nhất là ngắn
mạch trong mạng điện của hệ thống. Lúc ngắn mạch cũng như lúc cắt các phần tử,
xuất hiện những quá trình quá độ phức tạp mà sau đó hệ thống chuyển sang chế độ
sau sự cố. Nếu thông số tại các nút ở chế độ sau sự cố không khác nhiều với các
thông số lúc bìmh thường thì có thể xem hệ thống không mất ổn định động. Lúc
mất ổn định tónh hoặc ổn định động có thể sẽ xuất hiện chế độ không đồng bộ được
đặc trưng bởi sự khác nhau của tần số các máy phát điện hoặc có thể trong toàn hệ
thống xảy ra trường hợp điện áp giảm nhiều và đột ngột, không cho phép đối với
một số lớn phụ tải.
Khi nghiên cứu ổn định tónh ta đã xét tính làm việc ổn định của hệ thống
trong điều kiện bình thường, nghóa là nó chỉ tồn tại những dao động nhỏ.

Một hệ thống có ồn định tónh chưa chắc đã khẳng định được nó có ổn định động,
nghóa là không đảm bảo hệ thống đó có thể làm việc được hay không khi trong hệ
thống xảy ra những dao động lớn.

Cao học hệ thống điện K14

II.13


Đề tài :Khảo Sát Bộ PSS Điều Khiển Ổn Định Máy Phát Điện Trong Hệ Thống

Những dao động lớn (còn gọi là đột biến) thường bao gồm các lọai: cắt phụ tải đột
ngột, cắt đường dây, máy phát hoặc máy biến áp đang mang tải. Đặc biệt nguy
hiểm là sự cố ngắn mạch các loại, trong đó ngắn mạch ba pha xảy ra đầu cực các
nhà máy có công suất phát lớn ít xảy ra nhưng do tính nguy hiểm đối với ổn định
nên phải xét đến khi thiết kế hệ thống điện.
Những đột biến nêu trên thường dẫn đến thay đổi cấu trúc của hệ thống ở tình
trạng sự cố và nói chung làm giảm thấp đường đặc tính công suất truyền tải. Chẳng
hạn cắt đột ngột một lộ của đường dây kép làm tăng gấp đôi tổng trở của đường
dây do đó hạ thấp giới hạn công suất Pmax truyền tải, hoặc ngắn mạch các lọai trên
đường dây tải điện đều làm điện áp nơi ngắn mạch giảm thấp và giá trị Pmax cũng
giảm đi. Lúc đó coi như ngắn mạch đã làm khó khăn việc tải công suất từ nguồn
vào hệ thống. Đặc biệt trong trường hợp ngắn mạch ba pha, do điện áp nơi ngắn
mạch tụt xuống gần bằng không nên tòan bộ công suất điện không truyền đi được
(P≈0) mà công suất cơ P0 không kịp giảm nên làm rô to lồng lên, nếu không cắt
nhanh để loạitrừ ngắn mạch thì hệ thống sẽ có nguy cơ mất ổn định.
Mất ổn định tónh hoặc ổn định động thường gây nên tổn thất lớn đối với nền
kinh tế quốc dân, vì sẽ dẫn đến ngừng cung cấp địên cho rất nhiều phụ tải. Do đó
việc tiến hành các biện pháp loại trừ hoặc hạn chế đến mức thấp nhất khả năng
mất ổn định luôn luôn có lợi về mặt kinh tế.

1.1.6 Ổn định trung hạn và dài hạn

Ổn định trung hạn và dài hạn là vấn đề liên quan đến ổn định hệ thống cần
phải được xem xét, nghiên cứu và tìm lời giải các vấn đề liên quan đến đáp ứng
động của hệ thống do các kích động nghiêm trọng. Các kích động này làm thay đổi
lớn điện áp, tần số, phân bố công suất. Thời gian của các diễn tiến sẽ kéo dài
khoảng vài giây (đáp ứng của các thiết bị như hệ thống điều khiển và bảo vệ máy
phát) đến vài phút (đáp ứng của các thiết bị như hệ thống điều chỉnh động cơ sơ
cấp và hệ thống điều chỉnh điện áp trên tải).
Trong phân tích ổn định dài hạn giả sử rằng dao động công suất của các máy
phát trong hệ thống được dập, tần số của hệ thống sẽ được đồng bộ ngay sau đó.
Vấn đề quan tâm là hiện tượng kéo dài hoặc rút ngắn kèm theo các kích động lớn
và mất cân bằng công suất trong hệ thống. Các hiện tượng này bao gồm: Đáp ứng
động học của các nồi hơi của các nhà máy nhiệt điện, đáp ứng động học của đường
dẫn áp lực và cửa van của các nhà máy thuỷ điện, hệ thống điều khiển tự động
máy phát, hệ thống điều khiển và bảo vệ đường dây truyền tải, hiện tượng bảo hoà
mạch từ, và ảnh hưởng tần số khác định mức đối với hệ thống tải.
Đáp ứng trung hạn thể hiện sự chuyển tiếp giữa đáp ứng ngắn hạn và dài hạn.
Trong khảo sát ổn định trung hạn, vấn đề quan tâm là dao động công suất giữa các
máy phát, tính đến ảnh hưởng của một số diễn tiến ngắn hơn, và có thể độ lệch
điện áp và tần số lớn.
• Ổn định ngắn hạn hoặc quá độ thời kéo dài 0 đến 10s
Cao học hệ thống điện K14

II.14


CBHDKH: TS Hồ Văn Hiến

Học viên thực hiện: Trần Hoài Nam

• Ổn định trung hạn thời gian kéo dài từ 10s đến vài phút.
• Ổn định dài hạn kéo dài từ vài phút đến 10 phút.
Tuy nhiên cần chú ý sự khác biệt giữa ổn định trung hạn và dài hạn là trước tiên
dựa vào diễn tiến được phân tích và mô hình hệ thống sử dụng. Thông thường,
người ta quan tâm tới dao động giữa các máy phát và dao động quá độ hơn là thời
gian duy trì diễn tiến.
Nói chung, các vấn đề ổn định trung hạn và dài hạn có thể do đáp ứng không
thỏa mãn của các thiết bị, sự phối hợp kém giữa các thiết bị điều khiển và bảo vệ,
và thiếu dự trữ công suất trong hệ thống điện .
1.2 Phân loại:

Cao học hệ thống điện K14

II.15


Đề tài :Khảo Sát Bộ PSS Điều Khiển Ổn Định Máy Phát Điện Trong Hệ Thống
Power system Stability

Voltage Stability

Angle Stability
-Ability to maintain
synchronism
-Torque balance of
synchronous machines
Transient
Stability
-Large

disturbance
-First-swing
aperiodic drift
-Study period
up to 10 s

-Ability to maintain
steady acceptable voltage
-Reactive power balance

Mid-term
Stability

-Severe upsets; large voltage and
frequency excursions
-Fast and slow
dynamics
-Study period
to several min.

Small-signal
Stability

Non-oscillatory
Instability

Cao học hệ thống điện K14

-Uniform system
frequency

-Slow dynamics
-Study period to
ten min.

-Insufficient
damping torque
-Unstable control
action

Interarea
Modes

LargeDisturbance
Voltage
Stability
-Large disturbance
-Switching events
-Dynamic of
ULTC, loads
-Coordination of
protection s and
control
SmallDisturbance
Voltage
Stability

oscillatory
Instability

-Insufficient

synchronizing
torque

Local Plant
Modes

Long-term
Stability

Control
Modes

-Steady-state
P/Q-V relations
-Stability
margins

Torsional
Modes

II.16


CBHDKH: TS Hồ Văn Hiến

Học viên thực hiện: Trần Hoài Nam

CHƯƠNG 2:
MÔ HÌNH VẬT LÝ CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ
Các máy phát điện trong hệ thống là nguồn cung cấp công suất và có khả năng điều khiển

các chế độ làm việc của hệ thống điện. Vì vậy việc hiểu các đặc tính và mô hình chính
xác, chi tiết quá trình động học của máy điện đồng bộ là vấn đề quan trọng cơ bản khi
nghiên cứu quá trình quá độ và ổn định của máy phát cũng như hệ thống điện.

2.1 MẠCH ROTOR VÀ KÝ HIỆU:
Mạch rôto gồm có cuộn dây kích từ và các cuộn cản. Cuộn dây kích từ được nối với
nguồn một chiều để tạo ra từ trường. Dòng điện trong cuộn cản được giả sử chạy trong 2
tập mạch kín : một tập có từ trường dọc trục (d-axis) và tập kia là từ trường ngang trục (qaxis). Giả sử chỉ có một cuộn cản ở mỗi trục. Mỗi dây quấn được thay bằng cuộn dây có
một vòng.

X = τ; γ = +900 cơ

q

Dây quấn đệm (cản dịu)
S
N

if

X
N

X
=γ
R

d

S

uf
Rđc

X = -τ; γ = -900 cơ
Hình 2.1
Khi quá độ xuất hiện dòng trong các thanh dẫn, tuy áp vào là một chiều nhưng
dòng kích từ If có thành phần xoay chiều.
Ta có:
γ = X / R :góc cơ ( 0cơ, rad cơ )
α = pγ : góc điện ( 0điện, rad điện )
p = 2 đôi
q : trục ngang cực từ
d : trục dọc cực từ

Cao học hệ thống điện K14

II.17


Đề tài :Khảo Sát Bộ PSS Điều Khiển Ổn Định Máy Phát Điện Trong Hệ Thống

q
Stato

τ/2

τ

π

π/2

S

2’ 1’

d
0
if

N

1 2

2 1

Dây quấn đệm

1’ 2’

ikd qua wkd
Dây quấn dọc (Kd)
Dây quấn ngang (Kq)
ikq qua wkq
Trục B

Hình 2.2
q
iq

is

isq
ikq

d

isd

id
uA

ikd

Trục A ≡ +1δ

if
uf
Trục C
- Phương trình trên cuộn Stato:
[uabc]= rs[iabc]+

Hình 2.3

d
[ψ abc ]
dt

(2.1)

- Phương trình trên cuộn Rotor:
uf= rf if +

d
[ψ f ]
dt

Cuộn đệm dọc trục: ukd = 0 = rkdikd +

Cao học hệ thống điện K14

(2.2)
d
[ψ kd ]
dt

(2.3)

II.18


CBHDKH: TS Hồ Văn Hiến

Cuộn đệm ngang trục:ukq = 0 = rkqikq +

Học viên thực hiện: Trần Hoài Nam

d
[ψ kq ]
dt

(2.4)

Ta có hệ phương trình 12 ẩn, để khử ẩn ta dùng quan hệ:
- Stato: [ψ abc ] quan hệ [iabc]
-

Rotor: ψ f ,kd ,kq quan heä if,kd,kq
ψ a = Laaia + Labib+ Lacic+ Lafif+ La,kdikd+ La,kqikq

Các hệ số tự cảm, hỗ cảm Laa, Lab,…. Laf… là hàm của θ . Dẫn đến khi Rotor thay
đổi (quay) hỗ cảm sẽ liên tục thay đổi.
2.2 TỪ TRƯỜNG ROTOR
2.2.1 Từ trường cuộn kích từ:

Từ thông cuộn kích từ móc vòng với pha a,b,c cuûa stato:
+ pha A: ψ af = Lsfcos( θ )if = Lafif
+ pha B: ψ bf = Lsfcos( θ -1200)if = Lbfif

(2.5)

+ pha C: ψ cf = Lsfcos( θ +1200)if = Lcfif
μ
2
(Lsf= τl 0 (Wfkf) (Wkdq))
δ
π
2.2.2 Từ trường cuộn đệm dọc Wkd: (nằm cùng trục Wf)

Từ thông cuộn đệm dọc trục móc vòng với pha a,b,c của stato:

⎧ψ a ,kd = La ,kd ikd = Ls ,kd cos θikd
⎪
0
⎨ψ b ,kd = Lb ,kd ikd = Ls ,kd cos(θ − 120 ).ikd
0
⎪ψ
⎩ c ,kd = Lc ,kd ikd = Ls ,kd cos(θ + 120 ).ikd
Ls,kd =

2

π

τl

(1.6)

μ0
(Wkdkf) (Wkdq)
δ

2.2.3 Từ trường cuộn đệm ngang Wkq:

Từ thông cuộn đệm ngang trục móc vòng qua pha stato không đồng trục:
+ pha A: ψ a,kq = Ls,kqcos( θ +900)ikq = -Ls,kqsin( θ )ikq
+ pha B: ψ b ,kq = -Ls,kqsin( θ -1200)ikq

(2.7)

+ pha C: ψ c ,kq = -Ls,kqsin( θ +1200)ikq

μ
2
Ls,kq= τl 0 (Wkqkkq) (Wkdq)
δ
π
2.2.4 Từ trường stato:

Viết lại ở dạng ma trận:
⎤
− Lmq sin θ
Lmd cos θ
0 ⎤ ⎡ia ⎤ ⎡
⎡ψ as ⎤ ⎡ Lts 0
i
⎢
⎢ψ ⎥ = ⎢ 0 L
⎥
⎢
⎥
0
0 ⎥⎡ d ⎤
+
−
−
−
0
cos(
θ
120
)

sin(
θ
120
)
i
L
L
⎢
bs
ts
b
md
mq
⎥ i ⎥
⎢ ⎥ ⎢
⎥⎢ ⎥ ⎢
0
0 ⎥⎣ q ⎦
⎢
⎢⎣ψ cs ⎥⎦ ⎢⎣ 0
Lts ⎥⎦ ⎢⎣ic ⎥⎦ ⎣ Lmd cos(θ + 120 ) − Lmq sin(θ + 120 )⎦
Cao hoïc hệ thống điện K14

(2.8)

II.19


Đề tài :Khảo Sát Bộ PSS Điều Khiển Ổn Định Máy Phát Điện Trong Hệ Thống

s: Chỉ từ thông các pha a,b, c do các cuộn dây stato gây nên.
2.2.5 quan hệ [ ψ abc ] với [iabc]:

⎧ψ aR = La , f i f + La ,kd ikd + La ,kq ikq
⎪
⎨ψ aR = Lb , f i f + Lb ,kd ikd + Lb ,kq ikq
⎪ψ = L i + L i + L i
c, f f
c ,kd kd
c , kq kq
⎩ aR

(2.9)

2.3 Tổng từ trường của các cuộn dây-hệ phương trình đầy đủ
Của cuộn dây pha A stato:
ψ a = ψ as + ψ aR = ( L'aa ia + Lab ib + Lac ic ) + ( La , f i f + La ,kd ikd + La ,kq ikq ) = ψ

rò+ tự cảm +ψ hổ cảm pha (a)

với các pha (b),(c) +ψ hổ cảm pha (a) với các cuộn rotor

Tương tự viết ở dạng ma traän:

La ,kd
⎡ψ a ⎤ ⎡ L'a ,a La ,b La ,c La , f
⎢ψ ⎥ ⎢
'
Lb,kd
⎢ b ⎥ ⎢ Lb,a Lb,b Lb,c Lb, f

'
⎢ψ c ⎥ ⎢ Lc ,a Lc ,b Lc ,c Lc , f
Lc ,kd
⎢ ⎥=⎢
⎢ψ f ⎥ ⎢ L f ,a L f ,b L f ,c L f , f L f ,kd
⎢ψ kd ⎥ ⎢ Lkd ,a Lkd ,b Lkd ,c Lkd , f Lkd ,kd
⎢ ⎥ ⎢
0
0
⎢⎣ψ kq ⎥⎦ ⎢⎣ Lkq ,a Lkq ,b Lkq ,c
⎡u a ⎤ ⎡rs 0 0 0 0 0 ⎤ ⎡ia ⎤
⎢u ⎥ ⎢ 0 r 0 0 0 0 ⎥ ⎢i ⎥
s
⎥⎢ b ⎥
⎢ b⎥ ⎢
⎢uc ⎥ ⎢ 0 0 rs 0 0 0 ⎥ ⎢ic ⎥ d
⎥⎢ ⎥ +
⎢ ⎥=⎢
0
0
0
0
0
r
u
f
f
⎥ ⎢i f ⎥ dt
⎢ ⎥ ⎢
⎢

⎢0 ⎥
0 0 0 0 rkd 0 ⎥ ⎢ikd ⎥
⎥⎢ ⎥
⎢
⎢ ⎥
⎣⎢0 ⎦⎥ ⎢⎣ 0 0 0 0 0 rkq ⎥⎦ ⎢⎣ikq ⎥⎦

Trong đó:

La ,kq ⎤ ⎡ia ⎤
⎥⎢ ⎥
Lb ,kq ⎥ ⎢ib ⎥
Lc ,kq ⎥ ⎢ic ⎥
⎥⎢ ⎥
0 ⎥ ⎢i f ⎥
0 ⎥ ⎢ikd ⎥
⎥⎢ ⎥
Lkq ,kq ⎥⎦ ⎢⎣ikq ⎥⎦
⎡ψ a ⎤
⎢ψ ⎥
⎢ b ⎥
⎢ψ c ⎥
⎢ ⎥
⎢ψ f ⎥
⎢ψ kd ⎥
⎢ ⎥
⎢⎣ψ kq ⎥⎦

(2.11)

(2.12)

2
[Lmdcos2 θ + Lmqsin2 θ ] =
3

Laa =

L md + L mq

2

+

L md − L mq

3

cos2 θ = L0 + L~cos2 θ , L'aa = Lts + Laa = Lts + L0 + L≈ cos 2θ

Lbb = L0 + L~cos(2 θ -1200), L'bb = Lts + Lbb = Lts + L0 + L≈ cos(2θ − 120 0 )
Lcc = L0 + L~cos(2 θ +1200), L'cc = Lts + Lcc = Lts + L0 + L≈ cos(2θ + 120 0 )
Lab =

L
2
[Lmdcos( θ -120) + Lmqsin( θ -120)]=- 0 + L~cos(2 θ - 120)= Lba
2
3

Lac =

L
2
[Lmdcos( θ +120) + Lmqsin( θ +120)]= - 0 + L~cos(2 θ + 120)= Lca
3
2

Cao học hệ thống điện K14

II.20


CBHDKH: TS Hồ Văn Hiến

Học viên thực hiện: Trần Hoài Nam

La,kd = Ls,kd cos( θ )=Lkd,a ;Lb,kd = Ls,kd cos( θ -1200)= Lkd,b ;Lc,kd = Ls,kd cos( θ +1200)=
Lkd,c
π
π 2π
La,kq = Ls,kqcos( θ + ) =-Ls,kq sin( θ )=Lkq,a ;Lb,kq = Ls,kqcos( θ + − ) = -Ls,kq sin( θ 2

2 3
π
2
1200)= Lkq,b ;Lc,kq = Ls,kqcos( θ + + ) =-Ls,kq sin( θ +1200)= Lk,cq
2
3
Laf =Lsfcos( θ )=Lfa; Lbf =Lsfcos( θ -1200)=Lfb; Lcf=Lsfcos( θ +1200)=Lfc

μ
μ
μ
2
2
2
Lsf= τl 0 (Wfkf) (Wkdq); Ls,kd= τl 0 (Wkdkf) (Wkdq); Ls,kq= τl 0 (Wkqkkq)

π

2m

π

π

δ

(Wkdq)
Lmd=

π

2

τl

δ

π

δ

μ0
μ
2m
(Wkdq)2 kd; Lmq= 2 τl 0 (Wkdq)2 kq
δp
δp
π

2.4 HỆ PHNG TRÌNH TRONG HỆ TOẠ ĐỘ ROTOR:
2.4.1 Hệ phương trình rotor:

dψ f
⎧
⎪u f = r f i f +
dt
⎪
dψ kd
⎪
(2.13)
⎨0 = u kd = rkd ikd +
dt
⎪
⎪0 = u = r i + dψ kq
kq
kq kq
⎪⎩
dt

Các từ thông biểu diển theo dòng điện:
⎧ψ f = ψ fS + ψ fR = Lsf ia cosθ + Lsf ib cos(θ − 120 0 ) + Lsf ic cos(θ + 120 0 ) + L ff i f + L f ,kd ikd
⎪
0
0
⎨ψ kd = ψ kdS + ψ kdR = Ls ,kd ia cosθ + Ls ,kd ib cos(θ − 120 ) + Ls ,kd ic cos(θ + 120 ) + Lkd ,kd ikd + L f ,kd i f
⎪ψ = ψ + ψ = − L i sin θ − L i sin(θ − 120 0 ) − L i sin(θ + 120 0 ) + L i
kqs
kqR
s , kq a
s , kq b
s , kq c
kq ,kq kq
⎩ kq
(2.14)
2.4.2 Hệ phương trình stato:

2
[iacos θ + ibcos( θ - 1200) + iccos( θ + 1200)]
(2.15)
3
2
iq = - [iasin θ + ibsin( θ - 1200) + icsin( θ + 1200)]
(2.16)
3
⎡
⎤
cos(θ − 1200 ) cos(θ + 1200 ) ⎥
⎢ cosθ
2

Goïi [T (θ )] = ⎢− sin θ − sin(θ − 1200 ) − sin(θ + 1200 )⎥ là ma trận chuyển đổi
⎥
3⎢ 1
1
1
⎢
⎥
2
2
⎣ 2
⎦
⎡ia ⎤
⎡id ⎤
⎥
⎢
⇒ ⎢iq ⎥ = [T (θ )]⎢⎢ib ⎥⎥ hay viết ở dạng khaùc idq 0 = [T (θ )][iabc ]
⎢⎣ic ⎥⎦
⎢⎣ i0 ⎥⎦

id =

[ ]

Cao học hệ thống điện K14

II.21


Đề tài :Khảo Sát Bộ PSS Điều Khiển Ổn Định Máy Phát Điện Trong Hệ Thống

Hay biến đổi ngược lại :
cosθ
1⎤ ⎡id ⎤
− sin θ
⎡
⎢
−1
0
0
[iabc ] = [T (θ )] idq 0 = ⎢cos(θ − 120 ) − sin(θ − 120 ) 1⎥⎥ x ⎢⎢iq ⎥⎥
⎢⎣cos(θ + 120 0 ) − sin(θ + 120 0 ) 1⎥⎦ ⎢⎣i0 ⎥⎦

[ ]

(2.19)

[u abc ] = rs [iabc ] + d [ψ abc ]

dt
Thực hiện phép biến hình [abc ] → [dq 0] bằng cách nhân 2 vế của (4.2.1) với ma trận
chuyển ñoåi:
d
⇒ u dq 0 = rs idq 0 + ψ dq 0 + ω ψ dq
(2.20)
dt
⎡− ψ ⎤
dθ
Trong đó: ω =
, ψ dq = ⎢ q ⎥
dt

⎣ ψd ⎦

[ ]

[ ]

[

] [ ]

[ ]

[ψ ] = L [i ]
dq 0

ts

dq 0

⎡ Lmd id + Lsf i f + Ls ,kd ikd ⎤
⎥
+ ⎢⎢
Lmq iq + Ls ,kd ikq
⎥
⎢⎣
⎥⎦
0

(2.21)

2.4.3 Nhận xét đặc điệm hổ cảm theo hai trục d,q:
Hệ phương trình cân bằng áp viết ở dạng ma trận:
d
u dq 0 = rs idq 0 + ψ dq 0 + ω ψ dq , hay diễn dãi ra:
dt

[ ]

[ ]

[

] [ ]

d
⎧
ψ d − ωψ q
=
+
u
r
i
d
s
d
⎪
dt
⎪
d
⎪

⎨u q = rs iq + ψ q + ωψ d
dt
⎪
d
⎪
⎪u 0 = rs i0 + dt ψ 0 ;ψ 0 = Lts i0
⎩
Trong đo:ù

(2.22)

Thành phần - ωψ q là điện áp do thành phần từ thông ngang trục hổ cảm lên thành phần
dọc trục, có chiều ngược với thành phần điện áp dọc trục.
Thành phần ωψ d là điện áp do thành phần từ thông dọc trục hổ cảm lên thành phần
điện áp ngang trục, có chiều cùng chiều với thành phần điện áp ngang trục.
Hệ phương trình cân bằng từ thông chiếu theo phương dọc trục:

⎧
⎪ψ d = Lts i d + Lmd i d + Lsf i f + Ls ,kd i kd
⎪
3
⎪
⎨ψ f = Lsf id + L ff i f + L f ,kd ikd
2
⎪
3
⎪
⎪⎩ψ kd = 2 Ls ,kd id + L f ,kd i f + Lkd ,kd ikd
Cao học hệ thống điện K14

(2.23)

II.22


CBHDKH: TS Hồ Văn Hiến

Học viên thực hiện: Trần Hoài Nam

Hệ phương trình cân bằng từ thông chiếu theo phương ngang truïc:
⎧ψ q = Lts iq + Lmq iq + Ls ,kq ikq
⎪
⎨
3
⎪ψ kq = Ls ,kq iq + Lkq ,kq ikq
2
⎩
Nhận xét:

(2.24)

Các ma trận điện cảm theo phương dọc trục và ngang trục không phải là dạng ma trận
đối xứng, do các hệ số tự cảm đối xứng hai bên đường chéo không bằng nhau. Điều
này do 2 cuộn dây d,q ở stato là ảo tương đương 3 pha stato đã được đề cập ở phần
trước. Vì vậy từ các hệ phương trình dọc trục, ngang trục (2.24)và (2.25) không thể lập
được mạch điện thay thế tương đương.

2.5 QUY ĐỔI DÂY QUẤN ROTOR VỀ PHÍA STATO:
2.5.1 Hệ phương trình cân bằng từ thông

Theo phương dọc trục:
⎧ψ d = L d i d + L md i 'f + L md i 'kd
⎪ '
'
' '
'
⎨ψ f = i kd i d + L ff i f + L md i kd
⎪ '
'
'
'
⎩ψ kd = L md i d + L md i f + L kd ,kd i kd

Trong đó:
• L d = L md + L ts

•

L'ff = L md + L tf

•

L'kd ,kd = L md + L t ,kd

Theo phương ngang trục:
⎧⎪ψ q = L q i q + L mq i 'kq
⎨ '
'
'
⎪⎩ψ kq = L mq i q + L kq ,kq i kq

Trong đó:
• L q = L mq + L ts

•

L' kq ,kq = L mq + L t ,kq

2.5.2 Hệ phương trình cân bằng điện áp:

2.5.2.1

Hệ phương trình rotor:

⎧ '
dψ
' '
⎪ u f = rf i f +
dt
⎪
d
ψ 'kq
⎪ '
' '
u
=
r
i
+
⎨ kd kq kq
dt

⎪
'
d
ψ
⎪ '
kq
' '
u
=
r
i
+
⎪ kd kq kq
dt
⎩
'
f

Cao học hệ thống ñieän K14

II.23


Đề tài :Khảo Sát Bộ PSS Điều Khiển Ổn Định Máy Phát Điện Trong Hệ Thống

2.5.2.2

Hệ phương trình stato:

d

⎧
⎪u d = rs id + dt ψ d − ωψ q
⎪
d
⎪
⎨u q = rs iq + ψ q + ωψ d
dt
⎪
d
⎪
⎪u 0 = rs i0 + dt ψ 0 ;ψ 0 = Lts i0
⎩

+

id

rd

ωψq
-

ud

r’kd

+

d
ψd

dt

-

Lts
+
-

i’kd

L’tkd

Lmd

ψd

L’tf
r’f
u’f

rq

iq

ωψd
+

-

d

ψq
dt

uq

Lts

L’tkq

ψq

Lmd

r’kq

+

i’kq

ψ’kq

Sơ đồ thay thế:

Hình2. 7
2.6 CÔNG SUẤT VÀ MÔ MEN ĐIỆN TỪ
2.6.1 CÔNG SUẤT

2.6.1.1

Của Rôto:

PR(t) = uf*if
2.6.1.2

(2.30)

Của Stato:

⎡i a ⎤
PS(t) = [ ua, ub, uc ] ⎢⎢i b ⎥⎥ =[ uabc ]T*[ iabc ]
⎢⎣i c ⎥⎦

[ T ( θ ) ]*[ uabc ] = [ udq0 ] => [ uabc ] = [ T-1 ( θ ) ]*[ udq0 ]
=> PS(t) = [ udq0 ]T*[ T-1 ( θ ) ]T*[ T-1 ( θ ) ]*[ idq0 ]
Cao hoïc hệ thống điện K14

II.24


CBHDKH: TS Hồ Văn Hiến

Học viên thực hiện: Trần Hoài Nam

[T-1( θ )]T*[T-1( θ )] =
⎡cos(θ ) cos(θ - 1200 ) cos( θ + 1200 )⎤ ⎡cos(θ )
- sin(θ)
⎥
⎢
⎢
0

0
0
0
⎢- sin(θ) - sin( θ - 120 ) - sin(θ - 120 ) ⎥ * ⎢cos(θ − 120 ) - sin( θ - 120 )
⎥ ⎢cos(θ + 1200 ) -sin(θ + 1200 )
⎢ 1
1
1
⎦ ⎣
⎣
⎡3/2
PS(t) = [ ua, ub, uc ] ⎢⎢0
⎢⎣0

0
3/2
0

0⎤
0⎥⎥
3 ⎥⎦

1⎤
⎥
1⎥
1⎥⎦

⎡i a ⎤
⎢i ⎥ = 3 ( u i + u i ) + 3 u i
d* d

q* q
0* 0
⎢ b⎥
2
⎢⎣i c ⎥⎦

(2.31)

2.6.2 MÔ MEN ĐIỆN TỪ

WH : Năng lượng từ trường
WH =

1
1
[ iabc ]T*[ ψ abc] + [ if, kd, kq ]T*[ ψ f, kd, kq]
2
2

=

1 3
( [ ikq ]T*[ ψ dq] + [ if, kd, kq ]T*[ ψ f, kd, kq])
2 2

Mô men điện từ:
M=
γ=

∂w

∂w
= p. H
∂γ ipha = const
∂θ

θ
: góc cơ
p

0
0
⎡i ⎤ ⎡cos(θ ) cos(θ - 120 ) cos( θ + 120 )
Chú ý: ⎢ a ⎥ = ⎢
0
0
⎣i b ⎦ ⎢⎣- sin(θ) - sin( θ - 120 ) - sin(θ - 120 )

⎤
⎥
⎥⎦

⎡i a ⎤
⎢i ⎥ Thay đổi theo θ dù [ i
abc
⎢ b⎥
⎢⎣i c ⎥⎦

]=const.
M=
if =

M=
kq])

d
d
p 3 d
3
(
[ idq ]T*[ ψ dq] + [ idq ]T +
[ ψ dq] + [ if, kd, kq ]T* [ ψ f, kd, kq])
2 2 dθ
2
dθ
dθ
i' ψ '
i'f
i' ψ 'f
ψ'
, ψ f = f , if* ψ f = f
= f* f
m if
mif m ψf
m ψf
2/3
d
d
d
p 3
([ ψ dq]T
[ idq ] + [ idq ]T [ ψ dq] + [ if, kd, kq ]T + [ i’f, kd, kq ]T* [ ψ ’f, kd,

2 2
dθ
dθ
dθ

⎡ψ 'a ⎤
[ ψ ’f, kd, kq] = ⎢⎢ψ 'b ⎥⎥ =
⎢⎣ψ 'c ⎥⎦

⎡L md i d + L'ff i'f + L md i'kd ⎤
⎢
⎥
⎢L md i d + L mdi'f + L'kd,kd i'kd ⎥
⎢ L i + L'
⎥
kq , kq i'kq
⎣ mq q
⎦

Cao hoïc hệ thống điện K14

II.25


Đề tài :Khảo Sát Bộ PSS Điều Khiển Ổn Định Máy Phát Điện Trong Hệ Thống
∂ ⎤
⎡
⎢L mdi d ∂θ i d ⎥
⎢
⎥

d
∂ ⎥
⎢
[ ψ ’f, kd, kq] = L mdi d i d
⎢
∂θ ⎥
dθ
⎢
⎥
⎢L mqi q ∂ i q ⎥
⎢⎣
∂θ ⎥⎦
∂ ⎤
⎡
⎢L mdi d ∂θ i d ⎥
⎢
⎥
d
d
d
∂ ⎥
T⎢
[ i’f, i’kd,i’kq ] L mdi d i d = (i’f + i’kd)Lmd id + i’q iq + [ i’f, i’kd,i’kq ]T
[ idq ]
⎢
∂θ ⎥
dθ
dθ
dθ
⎢

⎥
⎢L mqi q ∂ i q ⎥
⎢⎣
∂θ ⎥⎦
⎡L mdi d + L'ff (i'f +i'kd )⎤
⎥
⎦

[ ψ dq] = ⎢
⎣L qi q + L mdi'kq
⎡ d ⎤
⎢Ld dθ i d ⎥
d
[ ψ dq] = ⎢
⎥
dθ
⎢L d i ⎥
⎢⎣ q dθ q ⎥⎦

⎡ d ⎤
⎢Ld dθ i d ⎥
d
p 3
T d
T
([ ψ dq]
[ idq ] + [ idq ] ⎢
m=
⎥ + [(i’f + i’kd)] [i kq ]
2 2

dθ
dθ
⎢L d i ⎥
q
q
⎢⎣ dθ ⎥⎦

m=

3
3
p([ ψ dq]T [ idq ] = p( ψ diq - ψ qid ), idq =
2
2

⎡i q ⎤
⎢ ⎥
⎣− i d ⎦

Số phức:
M=

3
*
p*Im[ ψ s*idq ],
2

⎧⎪is = i d + ji q
⎨ *
⎪⎩ψ s = ψ d − jψ q

(2.32)

Nhận xét:
M=

3
p( ψ diq - ψ qid ) : là biểu thức tổng quát đúng ở mọi máy, mọi chế độ.
2

Nếu là máy đồng bộ:Mạch rôto đối xứng, mạch từ đối xứng => δ = const

Cao học hệ thống điện K14

II.26