NÂNG CAO ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR MÁY PHÁT ĐIỆN BẰNG BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT (PSS) VÀ THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH (SVC)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





TRẦN THỊ LỆ QUYÊN



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



NÂNG CAO ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR MÁY PHÁT ĐIỆN BẰNG BỘ ỔN
ĐỊNH CÔNG SUẤT (PSS) VÀ THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH (SVC)

Chuyên ngành : Thiết bị, mạng & Nhà máy điện
Mã số : 60.52.50



THÁI NGUYÊN - 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 1
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên
cứu. Trong luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài
liệu tham khảo.

Tác giả luận văn


Trần Thị Lệ Quyên








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

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 2
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn, ngoài nỗ lực bản thân, tác giả đã nhận đƣợc rất
nhiều sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các Thầy, các Cô trong suốt quá
trình giảng dạy và khoa Đào tạo sau đại học trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên, đặc biệt là sự hƣớng dẫn tận tình, chu đáo của thầy TS. Nguyễn
Đăng Toản Trƣờng Đại học Điện lực Hà Nội.

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 6 năm 2012

Trần Thị Lệ Quyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hệ thống điện (HTĐ) đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế
của mỗi quốc gia. Do sự phát triển kinh tế và các áp lực về môi trƣờng, sự cạn kiệt
tài nguyên thiên nhiên, cũng nhƣ sự tăng nhanh nhu cầu phụ tải, sự thay đổi theo
hƣớng thị trƣờng hóa ngành điện làm cho HTĐ ngày càng trở lên rộng lớn về quy
mô, phức tạp trong tính toán thiết kế, vận hành do đó mà HTĐ đƣợc vận hành rất
gần với giới hạn về ổn định. Hiện nay, các HTĐ rất “nhạy cảm” với các sự cố có thể
xảy ra. Theo kết quả nghiên cứu, HTĐ có thể bị sự cố liên quan trực tiếp đến hiện
tƣợng mất ổn định góc rôto máy phát điện. Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây trên
thế giới với những hậu quả to lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này.
Chính vì vậy mà trong đề tài này chúng tôi chủ yếu tập trung vào nghiên cứu các cơ
chế xảy ra sự cố, các yếu tố ảnh hƣởng, các phƣơng pháp nghiên cứu – công cụ
nghiên cứu, các mô hình thiết bị, để từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao mất ổn
định góc rôto máy phát điện.
Trong luận văn này, chúng tôi sẽ dành để phân tích ƣu nhƣợc điểm của các
thiết bị PSS và SVC trong việc nâng cao ổn định góc rôto máy phát điện. Việc
nghiên cứu thành công đề tài sẽ góp phần tìm hiểu về nguyên lý làm việc, các ứng
dụng của các thiết bị mới nhƣ PSS và SVC cũng nhƣ là cơ sở để nâng cao hiệu quả
ổn định của HTĐ nói chung, và là điều kiện tiền đề để khai thác tính năng của các
thiết bị PSS và SVC trong HTĐ Việt Nam. Các nội dung chính của luận văn: Tính
cấp thiết của đề tài đƣợc trình bày trong chƣơng I của luận văn. Chƣơng II của luận
văn tóm tắt một số sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số năm gần
đây. Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định nghĩa, cũng nhƣ là
phƣơng pháp nghiên cứu nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện đƣợc trình bày

cụ thể trong chƣơng này. Chƣơng III, nghiên cứu về thiết bị PSS và SVC dùng để
nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện. Các kết quả mô phỏng với HTĐ chuẩn
đƣợc trình bày trong chƣơng IV của luận văn. Chƣơng V là các kết luận chủ yếu và
các kiến nghị.
Các từ khoá: Tan rã hệ thống điện, ổn định góc rotor máy phát điện, PSS, SVC.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 4
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 1
LỜI CẢM ƠN 2
TÓM TẮT LUẬN VĂN 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7
DANH MỤC CÁC BẢNG 10
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 11
CHƢƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG 13
1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 13
1.2 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 14
1.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã hệ thống điện liên quan đến vấn đề mất ổn định
góc rotor máy phát điện 14
1.2.2 Tìm hiểu phƣơng pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định góc rotor
máy phát điện bằng bộ ổn định công suất PSS và thiết bị FACTS - SVC 15
1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 16
1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN 17
CHƢƠNG II : ĐỊNH NGHĨA VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH GÓC
ROTOR 18
2.1 PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY 18
2.1.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới 18
2.1.2 Các nguyên nhân của sự cố tan rã hệ thống điện 30

2.1.3 Cơ chế xảy ra sự tan rã hệ thống điện 33
2.1.4 Các dạng ổn định hệ thống điện 36
2.2 ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ GÓC ROTO 36
2.2.1 Định nghĩa 36
2.2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến ổn định quá độ 38
2.2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 38
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 5
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
2.2.4 Phƣơng pháp nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện 42
2.3 CÁC ĐỀ XUẤT NGĂN CHẶN CÁC SỰ CỐ TAN RÃ hỆ THỐNG ĐIỆN 44
2.4 KẾT LUẬN 47
CHƢƠNG III : NGHIÊN CỨU VỀ THIẾT BỊ PSS VÀ SVC 49
3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 49
3.2 THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT – POWER SYSTEM STABILIZER- PSS 49
3.2.1 Mô hình thiết bị PSS 49
3.2.2 Sử dụng PSS để nâng cao ổn định 51
3.2.3 Bộ ổn định dựa trên tần số 54
3.3 THIẾT BỊ SVC 55
3.3.1 Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR (thyristor controlled reactor) 57
3.3.2 Tụ đóng mở bằng thyristor TSC (thyristor switch capacitor) 58
3.3.3 Kháng đóng mở bằng thyristor TSR (thyristor switch reactor) 59
3.3.4 Ứng dụng của SVC trong thực tế 60
3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 63
CHƢƠNG IV : MÔ HÌNH THIẾT BỊ VÀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG -PSS/E 65
4.1 PHẦN MỀM PSS/E 65
4.1.1 Giới thiệu chung về PSS/E 65
4.1.2 Giới thiệu tổng quan về chƣơng trình PSS/E 65
4.1.3 Tính toán mô phỏng quá trình quá độ, sự cố bằng PSS/E 68

4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN 72
4.2.1 Mô hình máy phát điện GENROE 74
4.2.2 Mô hình thiết bị kích từ SEXS 75
4.2.3 Mô hình thiết bị PSS 76
4.2.4 Mô hình SVC 78
4.2.5 Máy biến áp 80
4.2.6 Đƣờng dây 81
4.3 MÔ PHỎNG ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN 82
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 6
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
4.3.1 Mô phỏng động hệ thống điện khi chƣa có thiết bị PSS, và SVC 82
4.3.2 Mô phỏng động khi thêm thiết bị PSS, và SVC 87
4.4 KẾT LUẬN 97
CHƢƠNG V : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98
5.1 KẾT LUẬN 98
5.1.1 Nghiên cứu các sự cố 98
5.1.2 Nghiên cứu về PSS, SVC trong việc nâng cao ổn định góc rotor máy phát
điện 98
5.2 KIẾN NGHỊ 99
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 7
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình vẽ II-1: Sụp đổ điện áp trong HTĐ Pháp ngày 12/1/1987 21
Hình vẽ II-2: Quá trình sụp đổ điện áp trên hệ thống 500 kV – WSCC – USA – 1996 23
Hình vẽ II-3: Sơ đồ và trình tự các sự cố dẫn đến tan rã HTĐ WSCC -USA-10/8/1996 23
Hình vẽ II-4: Tổng công suất truyền tải trên đƣờng dây California-Oregon [20] 24

Hình vẽ II-5: Công suất tác dụng trong HTĐ Đan Mạch (vùng Zealand) 27
Hình vẽ II-6: Tần số và điện áp trong HTĐ Đức và Hungary trƣớc và sau khi 3h 25 phút 33 giây
khi HTĐ Italy bị tách rời khỏi HTĐ châu Âu- UCTE 28
Hình vẽ II-7: Tần số của HTĐ châu Âu trƣớc và sau khi tan rã [17] 30
Hình vẽ II-8: Tóm tắt các nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ 33
Hình vẽ II-9: Cơ chế xảy ra sự cố tan rã HTĐ 35
Hình vẽ II-10: Sự phân loại các dạng ổn định HTĐ 36
Hình vẽ II-11: Góc Rotor phản ứng với một nhiễu loạn thoáng qua [1] 37
Hình vẽ II-12: Minh họa phƣơng pháp cân bằng diện tích 40
Hình vẽ II-13: Minh họa phƣơng pháp hàm năng lƣợng quá độ 41
Hình vẽ III-1: Sơ đồ điển hình về hệ thống kích từ 49
Hình vẽ III-2: Sơ đồ một hệ thống kích từ đơn giản với thiết bị AVR và PSS 50
Hình vẽ III-3: Sơ đồ khối bộ ổn định Delta – P – Omega. 54
Hình vẽ III-4: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị SVC 56
Hình vẽ III-5: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCR 57
Hình vẽ III-6: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSC 59
Hình vẽ III-7: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSR 60
Hình vẽ III-8: Hình ảnh SVC đƣợc lắp đặt tại ESKOM – Nam phi 62
Hình vẽ III-9: Hình ảnh SVC đƣợc lắp đặt tại Enelpower, Brazil 63
Hình vẽ IV-1: Sơ đồ khối của PSS/E 68
Hình vẽ IV-2: Mô hình hệ thống điện chuẩn 72
Hình vẽ IV-3: Mô hình máy phát điện GENROE trong thƣ việc PSS/E 74
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 8
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
Hình vẽ IV-4: Mô hình thiết bị kích từ SEXS trong thƣ việc PSS/E 75
Hình vẽ IV-5: Mô hình kích từ 76
Hình vẽ IV-6: Mô hình bộ ổn định công suất STAB1 trong thƣ viện của PSS/E 77
Hình vẽ IV-7: Mô hình bộ ổn định tốc độ 78

Hình vẽ IV-8: Mô hình thiết bị SVC 80
Hình vẽ IV-9: Mô hình máy biến áp 2 dây quấn 81
Hình vẽ IV-10: Mô hình đƣờng dây tải điện 82
Hình vẽ IV-11: Góc rotor máy phát G1 khi không có PSS, SVC 83
Hình vẽ IV-12: Góc rotor máy phát G2 khi không có PSS, SVC 84
Hình vẽ IV-13: Góc rotor máy phát G3 khi không có PSS/SVC 84
Hình vẽ IV-14: Góc rotor máy phát G4 khi ngắn mạch khi không có PSS/SVC 85
Hình vẽ IV-15: Điện áp trên thanh góp 8 của hệ thống điện khi không có PSS/SVC 85
Hình vẽ IV-16: Công suất trên đƣờng dây 7-8 mạch 1 khi không có PSS/SVC 86
Hình vẽ IV-17: Công suất trên đƣờng dây 8-9 mạch 1 khi không có PSS/SVC 86
Hình vẽ IV-18: Góc rotor máy phát G1 khi có thiết bị PSS/SVC 88
Hình vẽ IV-19: Góc rotor máy phát G2 khi có PSS/SVC 88
Hình vẽ IV-20: Góc rotor máy phát G3 khi có PSS/SVC 89
Hình vẽ IV-21: Góc rotor máy phát G4 khi có PSS/SVC 89
Hình vẽ IV-22: Điện áp trên thanh góp 8 khi có PSS/SVC 90
Hình vẽ IV-23: Công suất trên đƣờng dây 7-8 mạch 1 khi có PSS/SVC 90
Hình vẽ IV-24: Công suất trên đƣờng dây 8-9 mạch 1 khi có PSS/SVC 91
Hình vẽ IV-25: Góc rotor máy phát G1 trong hai trƣờng hợp không có và có PSS/SVC 92
Hình vẽ IV-26: Góc rotor máy phát G2 trong hai trƣờng hợp không có và có PSS/SVC 92
Hình vẽ IV-27: Góc rotor máy phát G3 trong hai trƣờng hợp không có và có PSS/SVC 93
Hình vẽ IV-28: Góc rotor máy phát G4 trong hai trƣờng hợp không có và có PSS/SVC 93
Hình vẽ IV-29: Điện áp trên thanh góp 8 khi không có và có PSS/SVC 94
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 9
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
Hình vẽ IV-30: Công suất trên đƣờng dây 7-8 mạch 1 khi không có và có PSS/SVC 94
Hình vẽ IV-31: Công suất trên đƣờng dây 8-9 mạch 1 khi không có và có PSS/SVC 95
Hình vẽ IV-32: Công suất trên đƣờng dây 8-9 mạch 1 trong các trƣờng hợp không có PSS/SVC,
khi chỉ có PSS, và khi có cả PSS/SVC 96

Hình vẽ IV-33: Điện áp tại thanh góp 8 trong các trƣờng hợp không có PSS/SVC, khi chỉ có PSS,
và khi có cả PSS/SVC 96

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

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 10
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng III-1: Danh sách các SVC đã đƣợc lắp đặt trên thế giới 61
Bảng IV-1: Mô tả các biến đầu vào và các biến trạng thái đầu ra của mô hình Máy phát điện 74
Bảng IV-2: Mô tả các biến đầu vào và các biến trạng thái đầu ra của mô hình thiết bị kích từ 75
Bảng IV-3: Mô tả các biến đầu vào và các biến trạng thái đầu ra của mô hình PSS 77
Bảng IV-4: Mô tả các biến đầu vào và các biến trạng thái đầu ra của mô hình SVC 79

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

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 11
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AVR
Automatic Voltage Regulator
(Bộ điều chỉnh điện áp)
CIGRE
Conseil International des Grands Réseaux Électriques
or : International Council on Large Electric systems
(Hiệp hội các hệ thống điện lớn)
ESM
Energy System Management
(Hệ thống quản lý năng lƣợng)
FACTS
Flexible AC Transmission System
(Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt)
HTĐ
Hệ thống điện
HVDC
High Voltage Direct Current
(Đƣờng dây tải điện một chiều)
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
(Viện kỹ thuật Điện điện tử Mỹ)
MPĐ

Máy phát điện
PMU
Phasor Measurement Unit
(Hệ thống đo góc pha)
PSS
Power System Stabilizer
(Bộ ổn định công suất)
PSS/E
Power System Simulation Engineering
(Mô phỏng hệ thống điện)
RTCA
Real Time Contingency Analysis
(Hệ thống đánh giá sự cố ngẫu nhiên thời gian thực)
SE
State Estimator
(Hệ thống đánh giá trạng thái)
SSS
Small Signal Stability
(Ổn định với nhiễu loạn nhỏ)
SVC
Static Var Compensator
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 12
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
(Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh)
TCR
Thyristor Controlled Reactor
(Kháng điều chỉnh bằng thyristor)
TSR

Thyristor Switched Reactor
(Kháng đóng mở bằng thyristor)
TSC
Thyristor Switched Capacitor
(Bộ tụ đóng mở bằng thyristor)
WAMS
Wide Area Measurement Systems
(Hệ thống đo lƣờng trên diện rộng)

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

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 13
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
CHƢƠNG I:
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Các hệ thống điện (HTĐ) nói chung và HTĐ Việt Nam đang phải đối mặt
với các thách thức nhƣ sau: thứ nhất là sự tăng lên quá nhanh của nhu cầu phụ tải do
sự phát triển nhanh về kinh tế. Trong khi đó, chúng ta lại đang phải đối phó với sự
cạn kiệt về tài nguyên thiên nhiên nhƣ than đá, dầu mỏ… (kể cả tiềm năng về nguồn
thủy điện). Các áp lực về việc gìn giữ môi trƣờng cũng làm cho việc xây dựng thêm
các nhà máy điện chạy than gặp nhiều khó khăn. Đồng thời, HTĐ Việt Nam đang
trải qua quá trình thị trƣờng hóa, dẫn đến có sự mua bán điện và liên kết với HTĐ
của các nƣớc bạn. Mặt khác, chúng ta cũng đang ngày càng sử dụng nhiều hơn các
nguồn năng lƣợng tái tạo ở phía trung áp. Tất cả các yếu tố này, làm cho HTĐ ngày
càng trở lên rộng lớn về qui mô, khó khăn trong quản lý, vận hành và phối hợp điều
khiển. Chính vì vậy mà một số HTĐ có thể đang đƣợc vận hành gần với giới hạn ổn
định.
Các HTĐ trở lên “nhạy cảm” với các sự cố có thể xảy ra và có thể dẫn đến
mất ổn định. Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây ở Châu Âu, Bắc Mỹ với những hậu

quả to lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này. Ví dụ nhƣ sự cố xảy ra tại
Bắc Mỹ tháng 08 năm 2003, tổng lƣợng tải bị cắt là 65 GW, với tổng thời gian mất
điện là gần 30 giờ. Sự cố tại Ý vào tháng 09 năm 2003, tổng lƣợng tải bị cắt là 27
GW, và tổng thiệt hại vào khoảng 50 tỉ USD…Trong đó có rất nhiều sự cố liên
quan trực tiếp đến hiện tƣợng mất ổn định góc rôto máy phát điện. Chính vì vậy mà
việc nghiên cứu về nâng cao ổn định HTĐ là một nhu cầu cấp thiết đối với HTĐ nói
chung và HTĐ Việt Nam nói riêng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 14
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
Đã có rất nhiều các nghiên cứu trên thế giới về vấn đề này, chủ yếu tập trung
vào nghiên cứu các cơ chế xảy ra sự cố, các yếu tố ảnh hƣởng, các phƣơng pháp
nghiên cứu – công cụ nghiên cứu, các mô hình thiết bị, để từ đó đề xuất các giải
pháp nâng cao mất ổn định góc rôto máy phát điện. Trong đó, có nhiều tác giả tập
trung vào nghiên cứu khả năng nâng cao ổn định góc rôto máy phát điện bằng thiết
bị ổn định công suất (power system stabilize- PSS) và thiết bị FACTS -SVC.
Từ những năm đầu của thập niên 60, các bộ PSS đƣợc lắp đặt trong hầu hết
các hệ thống kích từ của các MPĐ. Bộ PSS là một khối chức năng của hệ thống
kích từ nhằm bổ xung tín hiệu cản dao động vào đầu vào của hệ thống kích từ để
ngăn chặn dao động công suất trong HTĐ.
Các thiết bị FACTS cũng đã đƣợc dùng từ rất lâu trong các HTĐ. Không
những để nâng cao khả năng truyền tải công suất, điều chỉnh điện áp, mà còn để
nâng cao ổn định nói chung. Trong đó SVC là một thiết bị bù ngang tĩnh, đƣợc lắp
đặt tại các nút để nhanh chóng điều chỉnh điện áp, và cũng có tác dụng nâng cao ổn
định.
Chính vì vậy trong luận văn này sẽ dành để phân tích ƣu nhƣợc điểm của các
thiết bị PSS và SVC trong việc nâng cao ổn định góc rôto máy phát điện. Việc
nghiên cứu thành công đề tài sẽ góp phần tìm hiểu về nguyên lý làm việc, các ứng
dụng của các thiết bị mới nhƣ PSS và SVC cũng nhƣ là cơ sở để nâng cao hiệu quả

ổn định của HTĐ nói chung, và là điều kiện tiền đề để khai thác tính năng của các
thiết bị PSS và SVC trong HTĐ Việt Nam.
1.2 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN
1.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã hệ thống điện liên quan đến vấn đề
mất ổn định góc rotor máy phát điện
Sự cố tan rã HTĐ là một trong những sự cố tồi tệ nhất đối với bất cứ HTĐ
nào bởi vì hậu quả của sự cố là rất lớn khi xem xét dƣới góc độ kinh tế và an ninh
năng lƣợng. Do đó vấn đề này đã đƣợc quan tâm và nghiên cứu từ nhiều thập kỷ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 15
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
qua. Một sự cố tan rã HTĐ thƣờng là kết quả của nhiều nguyên nhân khác nhau, và
là một hiện tƣợng biến động phức tạp, nhiều các nhân tố tham gia đồng thời. Trong
đó việc mất ổn định góc rotor máy phát điện là một trong những nguyên nhân
chính.
Vì vậy, nhiệm vụ đầu tiên của bản luận văn dành để phân tích một số sự cố
tan rã HTĐ trên thế giới trong thời gian gần đây, tập trung chủ yếu vào sự cố mất ổn
định do mất ổn định góc rotor máy phát điện. Một số nguyên nhân chính dẫn đến sự
cố tan rã HTĐ sẽ đƣợc tóm tắt ngắn gọn. Những thông tin khoa học này không
những hữu ích cho việc điều tra nguyên nhân của các sự cố, mà còn giúp cho những
nhà thiết kế, vận hành đề xuất các phƣơng án phòng ngừa và ngăn chặn các sự cố
tan rã HTĐ.
1.2.2 Tìm hiểu phƣơng pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn
định góc rotor máy phát điện bằng bộ ổn định công suất PSS và thiết
bị FACTS - SVC
Sự cố mất ổn định góc rotor máy phát điện đã đƣợc xem nhƣ là một trong
những nguyên nhân chính dẫn đến một số sự cố tan rã HTĐ gần đây. Khi phân tích
sự cố này, có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến sự dao động công suất, các cách thức dao
động khác nhau, nhƣ là: Mô hình máy phát điện (MPĐ), mô hình hệ thống kích từ

(KT), mô hình phụ tải, cấu trúc HTĐ cũng nhƣ các loại sự cố khác nhau. Sự cố mất
ổn định có thể xảy ra khi có sự tăng lên của góc rô to của một số MPĐ dẫn đến sự
mất đồng bộ hóa so với các MPĐ khác trong HTĐ. Ổn định góc có thể đƣợc phân
loại thành 2 loại: ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ (small signal stability), và ổn định
quá độ (transient stability).
Khi nghiên cứu cá c vấ n đề ổn định góc rôto với nhiễu loạn nhỏ , các dạng
nhiễ u loạn thông thƣờ ng đƣợ c coi là đủ nhỏ và phƣơng pháp tuyến tính hóa xung
quanh điểm làm việc cân bằng của HTĐ thƣờng đƣợc á p dụ ng cho việ c nghiên cƣ́ u
và phân tích. Các phƣơng pháp truyền thống dựa trên các phân tích các giá trị riêng
của ma trận trạng thái và các ma trận liên quan, hệ số tham gia.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 16
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
Sự phân tích tính ổn định của ổn định quá độ đƣợc thực hiện bởi sự kết hợp
lời giải của các phƣơng trình đại số mô tả mạng điện, với cách giải bằng phƣơng
pháp số của các phƣơng trình vi phân. Việc giải các phƣơng trình mạng điện dùng
để nhận dạng hệ thống bằng cách lấy điện áp, dòng điện cửa vào hệ thống trong quá
trình quá độ. Phƣơng pháp biến đổi Euler và Runge - Kuta đƣợc thực hiện để giải
các phƣơng trình vi phân trong việc nghiên cứu tính ổn định của quá trình quá độ.
Đứng trên quan điểm phòng ngừa sự cố mất ổn định góc rotor máy phát điện,
chúng tả phải nâng cao hệ thống điều khiển bằng cách lắp đặt thêm các thiết bị cản -
hay thêm các mô men cản khi có dao động công suất nhƣ: các thiết bị ổn định công
suất ở các máy phát điện (power system stabilizers-PSS) hoặc các thiết bị bù thông
minh (Flexible AC Transmission Systems-FACTS) ….Trong đó thiết bị PSS, SVC
đã đƣợc chứng minh là có tác dụng rất lớn trong việc nâng cao ổn định góc rotor.
Trong thực tế, HTĐ thƣờng là rộng lớn, với nhiều đƣờng dây liên lạc trong khi số
lƣợng các thiết bị điều khiển thì thƣờng hạn chế về số lƣợng vì lý do kinh tế và kỹ
thuật, do đó một vấn đề đặt ra là phải lựa chọn thiết bị tối ƣu để nâng cao ổn định.
Trong luận văn này, chúng tôi tập trung phân tích tác dụng của thiết bị PSS

và SVC trong việc nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện. Kết quả đƣợc thực
hiện với HTĐ chuẩn của IEEE chứng minh những hiệu quả của việc sử dụng thiết
bị PSS và SVC.
1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Bản luận văn đƣợc trình bày nhƣ sau:
Tính cấp thiết của đề tài đƣợc trình bày trong chƣơng I của luận văn. Chƣơng
II của luận văn tóm tắt một số sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số
năm gần đây. Trong đó, sự mất ổn định góc rotor máy phát điện là một trong những
nguyên nhân chính. Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định
nghĩa, cũng nhƣ là phƣơng pháp nghiên cứu nâng cao ổn định nhiễu góc rotor máy
phát điện đƣợc trình bày cụ thể trong chƣơng này. Chƣơng III, giới thiệu về thiết bị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 17
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
PSS và SVC dùng để nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện. Các kết quả mô
phỏng với HTĐ chuẩn IEEE đƣợc trình bày trong chƣơng IV của luận văn. Chƣơng
V trình bày các kết luận chủ yếu và các kiến nghị.
1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN
Bản luận văn chỉ đƣa ra phân tích so sánh giữa thiết bị PSS và SVC, và tác
dụng của hai loại thiết bị này đối với nâng cao độ ổn định góc rotor. Phƣơng pháp
thực hiện là mô phỏng theo thời gian các tác động của bộ PSS và SVC khi có sự cố
xảy ra trong HTĐ. Kết quả chỉ đƣợc áp dụng cho HTĐ ví dụ hoặc hệ thống điện
chuẩn của IEEE.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 18
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
CHƢƠNG II:
ĐỊNH NGHĨA VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH

GÓC ROTOR
2.1 PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY
2.1.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới
Trong vòng hơn 20 năm, đã có rất nhiều sự cố tan rã HTĐ xảy ra trên khắp
thế giới với những hậu quả vô cùng to lớn, thậm chí ở các nƣớc phát triển nhƣ Mỹ,
Nhật Bản, Tây Âu…. Trong phần này, một số các sự cố điển hình đƣợc thảo luận
tóm tắt dựa trên các tài liệu tham khảo: [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10],
[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18] và [19]:
 Sự cố tan rã HTĐ ngày 19/12/1978 tại Pháp. Lúc đó HTĐ Pháp đang
nhập khẩu điện năng từ các nƣớc bên cạnh. Phụ tải tăng lên từ khoảng 7 giờ đến 8
giờ là 4600 MW. So với ngày hôm trƣớc thì nhu cầu phụ tải tăng lên là 1600 MW.
Điều này làm cho điện áp giảm xuống trong khoảng từ 8 giờ 5 phút đến 8 giờ 10
phút, các nhân viên vận hành đã khóa bộ tự động điều áp dƣới tải của các MBA trên
lƣới cao áp (EHV/HV). Trong khoảng từ 8 giờ 20 phút, thì điện áp của các nút trên
lƣới truyền tải (400 kV) đã giảm xuống trong khoảng từ 342 kV đến 374 kV. Trong
khi đó một số đƣờng dây đã bị cắt ra do bảo vệ quá dòng, càng làm điện áp bị giảm
thấp thêm nữa, và xảy ra sụp đổ điện áp sau đó. Trong quá trình khôi phục lại HTĐ
đã xảy ra một sự cố sụp đổ điện áp khác. Hậu quả của sự cố là 29 GW tải đã bị cắt,
với tổng năng lƣợng không truyền tải phân phối đƣợc là 100 GWh. Hậu quả về tiền
đƣợc dự tính trong khoảng 200 - 300 triệu đôla. Nguyên nhân chính là sự mất ổn
định và sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian 26 phút [1], [2], [3].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 19
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
 Sự cố tan rã HTĐ ngày 04/08/1982 tại Bỉ: Bắt đầu bằng việc dừng
một tổ máy có công suất 700 MW trong quá trình thí nghiệm nghiệm thu sau bảo
dƣỡng. Sau khoảng 45 phút, bộ phận giới hạn kích từ của hai tổ máy khác đã tác
động để giảm lƣợng công suất phản kháng phát ra. Ba đến bốn phút sau sự cố đầu
tiên, ba tổ máy khác đã bị cắt ra do bảo vệ “Giới hạn công suất phản kháng” của máy

phát điện. Vào lúc 3 phút 20 giây, điện áp trên một số nút của một số nhà máy điện đã
giảm xuống 0.82 pu (đơn vị tƣơng đối). Vào lúc 4 phút 30 giây, hai máy phát khác bị
cắt ra bởi rơle tổng trở, dẫn đến sự sụp đổ điện áp do mất ổn định điện áp trong
khoảng trung và dài hạn [1], [2], [3].
 Sự cố tan rã HTĐ ngày 27/12/1983 tại Thụy Điển: Việc hƣ hỏng một
bộ dao cách ly và sự cố ở một trạm biến áp ở phía tây của Stockholm dẫn đến việc
ngắt toàn bộ trạm biến áp và 2 đƣờng dây 400 kV. Khoảng 8 giây sau, một đƣờng
dây 220 kV bị cắt ra bởi bảo vệ quá dòng. Điện áp của HTĐ bị giảm thấp làm cho
các máy biến áp với bộ điều áp dƣới tải tác động, càng làm cho điện áp trên hệ
thống các đƣờng dây truyền tải giảm thấp, và dòng điện tăng cao trong các đƣờng
dây từ phía Bắc đến phía Nam. Khoảng 55 giây sau sự cố ở trong trạm biến áp, một
đƣờng dây 400 kV bị cắt ra làm cho HTĐ của Thụy Điển bị tách thành hai phần,
Bắc và Nam. Các hiện tƣợng sụp đổ tần số và điện áp xảy ra trong HTĐ. Hệ thống
sa thải phụ tải đã không có hiệu quả trong việc cứu vãn HTĐ khỏi sự sụp đổ. Các tổ
máy hạt nhân trong khu vực HTĐ chia rẽ đã bị cắt ra bởi bảo vệ quá dòng và trở
kháng thấp dẫn đến sự cố tan rã hoàn toàn HTĐ. Tổng lƣợng tải bị cắt ra vào khoảng
11400 MW. Nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ là do sụp đổ tần số và điện áp
trong khoảng thời gian dài sau khi trải qua một sự cố nghiêm trọng [1], [2], [3].
 Sự cố tan rã HTĐ tại Florida - Mỹ ngày 17 tháng 5 năm 1985: Một sự
cố phóng điện dẫn đến việc cắt ba đƣờng dây 500 kV đang mang tải nhẹ dẫn đến
sụp đổ điện áp và tan rã hoàn toàn HTĐ trong vòng vài giây. Lƣợng tải bị mất
khoảng 4292 MW. Nguyên nhân của sự cố tan rã HTĐ là quá trình sụp đổ điện áp
trong khoảng thời gian quá độ [2], [3].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 20
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
 Sự cố tan rã HTĐ Tokyo - Nhật Bản ngày 23 tháng 7 năm 1987: Toàn
bộ thủ đô Tokyo có thời tiết rất nóng, dẫn đến lƣợng tải tiêu thụ do điều hòa nhiệt
độ tăng cao. Sau thời gian buổi trƣa, lƣợng tải tăng lên khoảng 1% /1 phút (tƣơng

đƣơng với 400 MW/1 phút). Mặc dù, các tụ bù đã đƣợc đóng hết, nhƣng điện áp của
HTĐ vẫn bắt đầu giảm thấp trên hệ thống truyền tải 500 kV. Sau khoảng 20 phút, thì
điện áp bắt đầu giảm xuống còn khoảng 0,75 p.u và kết quả là các hệ thống bảo vệ
rơle tác động ngắt một số phần của hệ thống truyền tải và xa thải 8000 MW. Nguyên
nhân chính là quá trình sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian dài hạn. Các đặc tính
phụ tải phụ thuộc điện áp của các thiết bị điều hòa là nguyên nhân chính dẫn sự suy
giảm điện áp [1], [2], [3].
 Sự cố tan rã HTĐ ngày 12/01/1987 tại miền Tây nƣớc Pháp: trong
khoảng 50 phút, bốn tổ máy của nhà máy nhiệt điện Cordemais bị cắt ra, dẫn đến
điện áp trong HTĐ giảm thấp kéo theo 9 tổ máy nhiệt điện khác cũng bị cắt ra trong
vòng 7 phút sau đó, trong đó có 8 tổ máy do bảo vệ quá kích thích tác động. Tuy
nhiên thì điện áp vẫn đƣợc giữ ổn định ở giá trị rất thấp (trong khoảng từ 0.5 pu đến
0.8 pu). Trong khoảng thời gian 6 phút, điện áp giảm thấp đã phải cắt một lƣợng tải
là 1500 MW để cứu vãn sự sụp đổ hoàn toàn HTĐ. Nguyên nhân chính là do sụp đổ
điện áp trong khoảng thời gian dài hạn [1], [2], [3]. Hình vẽ II-1: Sụp đổ điện áp
trong HTĐ Pháp ngày 12/1/1987 mô tả sự biến thiên của điện áp trong quá trình sụp
đổ đối với HTĐ Pháp

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

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 21
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản

Hình vẽ II-1: Sụp đổ điện áp trong HTĐ Pháp ngày 12/1/1987
Sự cố tan rã HTĐ tại Phần Lan 8/1992, HTĐ đƣợc vận hành rất gần với giới
hạn an ninh cho phép, lƣợng công suất nhập khẩu từ Thụy Điển khá lớn, chính vì
vậy mà ở vùng miền Nam của Phần Lan chỉ có 3 tổ máy nối trực tiếp với hệ thống
truyền tải 400 kV. Sự cố mất một tổ máy 735 MW đồng thời với việc bảo dƣỡng
định kỳ một đƣờng dây 400 kV đã làm giảm lƣợng công suất phản kháng truyền tải
dẫn đến điện áp trên lƣới 400 kV giảm xuống còn 344 kV. Điện áp đã đƣợc khôi

phục bằng cách khởi động các nhà máy điện dùng tuabin khí và sa thải một lƣợng
phụ tải [3].
 Sự cố tan rã HTĐ tại các bang miền tây nƣớc Mỹ (Western Systems
Coordination Council - WSCC) ngày 2 tháng 7 năm 1996: Bắt đầu ở trong vùng
Wyoming và Idaho lúc 14 giờ 24 phút 37 giây: Hệ thống đang ở chế độ nặng tải và
nhiệt độ trong vùng miền Nam Idaho và Utah khá cao, khoảng 38°C. Lƣợng công
suất truyền tải từ vùng Pacific về California khá cao cụ thể nhƣ sau:
o Đƣờng dây liên lạc AC: 4300 MW (giới hạn là 4800 MW).
o Đƣờng dây liên lạc DC: 2800 MW (giới hạn là 3100 MW).
o Sau đó có một sự cố ngắn mạch một pha trên đƣờng dây 345 kV từ
nhà máy điện 200 MW Jim Bridger trong vùng Wyoming đến Udaho do phóng điện
từ đƣờng dây vào cây trong hành lang tuyến. Sự cố này dẫn đến việc cắt một đƣờng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 22
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản
dây mạch kép khác do sự tác động sai của bảo vệ rơ le. Việc cắt 2 trong bốn tổ máy
của nhà máy điện Jim Bridger theo tiêu chuẩn ổn định lẽ ra sẽ làm ổn định lại HTĐ.
Tuy nhiên việc sự cố cắt đƣờng dây 220 kV trong miền Đông Oregon đã làm điện
áp giảm thấp trong vùng miền Nam Idaho, và sự suy giảm dần dần trong vùng trung
tâm Oregon. Khoảng 24 giây sau, một đƣờng dây 220 kV khá dài khác từ vùng
miền Tây Montana đến miền Nam của Idaho bị cắt ra do vùng ba của bảo vệ khoảng
cách, điều này làm cho một đƣờng dây kép 161 kV khác bị cắt ra sau đó dẫn đến
việc suy giảm khá nhanh điện áp trong vùng Idaho và Oregon. Khoảng 3 giây sau, 4
đƣờng dây 220 kV từ Hells Canyon đến Boise cũng bị cắt ra, 2 giây sau, hệ thống
truyền tải liên lạc với vùng Pacific bị cắt ra. Sự tan rã HTĐ xảy ra sau khoảng 35
giây từ sự cố đầu tiên. Khoảng 2,2 triệu ngƣời đã bị ảnh hƣởng, lƣợng tải bị mất vào
khoảng 11900 MW. Nguyên nhân chính là sự sụp đổ điện áp [1], [10].
 Sự cố tan rã HTĐ tại các bang miền Tây nƣớc Mỹ: (Western Systems
Coordination Council -WSCC), ngày 10 tháng 8 năm 1996.

o Trong thời gian trƣớc khi xảy ra sự cố, nhiệt độ ở miền Tây Bắc, và
lƣợng công suất truyền tải từ phía Canada về California tăng cao. Trƣớc khi tan rã
hệ thống, ba đƣờng dây 500kV truyền tải công suất từ vùng hạ lƣu sông Columbia
River đến trung tâm phụ tải Oregon đã bị cắt ra do sự cố phóng điện vào cây trên
hành lang tuyến. Đƣờng dây liên lạc California-Oregon truyền tải 4330 MW từ
miền Bắc về miền Nam. Đồng thời đƣờng dây liên lạc một chiều Pacific DC Intertie
truyền tải 2680 MW từ miền Bắc về miền Nam. Dao động công suất tăng dần xảy ra
ở tần số 0.23, sự thiếu các thiết bị điều khiển cản dao động đã dẫn đến việc cắt các
đƣờng dây khác, và làm HTĐ bị chia tách thành bốn vùng riêng biệt.
o Tổng lƣợng tải bị mất là khoảng 30,500 MW, hơn 7,5 triệu ngƣời đã
bị ảnh hƣởng mất điện từ vài phút đến 9 giờ.



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

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 23
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản






Hình vẽ II-2: Quá trình sụp đổ điện áp trên hệ thống 500 kV – WSCC – USA –
1996

Hình vẽ II-3: Sơ đồ và trình tự các sự cố dẫn đến tan rã HTĐ WSCC -USA-
10/8/1996
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 24
Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản

Hình vẽ II-4: Tổng công suất truyền tải trên đƣờng dây California-Oregon [20]
 Sự cố tan rã HTĐ tại các bang Miền Bắc nƣớc Mỹ - Canada (North
American Electricity Reliability Council (NERC-USA) ngày 14/08/2003. Dựa trên
các điều tra của NERC, HTĐ lúc đó đạng vận hành ở trạng thái mang tải nặng và rất
thiếu công suất phản kháng trong vùng Cleveland, Ohio. Hệ thống đánh giá trạng
thái, và phân tích sự cố thời gian thực của vùng Midwest ISO (MISO) (state
estimator -SE và real time contingency analysis RTCA) đã không hoạt động đúng
do có sự cố ẩn bên trong từ khoảng 12 giờ 15 phút đến 16 giờ 04 phút. Điều này đã
ngăn cản MISO đƣa ra các cảnh báo sớm trong việc đánh giá trạng thái của HTĐ.
Tại trung tâm điều khiển HTĐ FE (First Energy control center) đã xảy ra một sự cố
hƣ hỏng phần mềm máy tính trong hệ thống quản lý năng lƣợng (Energy
Management System EMS) lúc 14 giờ 14 phút. Những hƣ hỏng này đã khiến FE
không thể đánh giá đúng đƣợc tình trạng làm việc và đƣa ra những cảnh báo sớm và
biện pháp phòng ngừa. Sự cố đầu tiên xảy ra trong hệ thống FE, lúc 13 giờ 31 phút,
tổ máy số 5 của nhà máy điện Eastlake bị cắt ra do quá kích thích, và một số tổ máy

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