phân tích ổn định của HTĐ và phân tích các cấu trúc của PSS theo chuẩn IEEE 421 5 2005,

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm qua, với sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và từng bước cơng
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhu cầu sử dụng điện của nước ta tăng trưởng
không ngừng. Các nội dung thiết kế vận hành đường dây siêu cao áp 500 kV Bắc
Trung Nam đã gắn liền với những tính tốn phân tích có tính chất quyết định về
phương diện ổn định hệ thống. Sự suất hiện trong tương lai những nhà máy điện lớn
(Thủy điện Sơn La, Lai Châu, Trung tâm nhiệt điện Phú Mỹ…) nối vào HTĐ bằng
đường dây 500 kV, dự án liên kết HTĐ Việt Nam với các nước trong khu vực đang đòi
hỏi phải nghiên cứu sâu sắc tỉ mỉ hơn về phương diện ổn định HTĐ trong quá trình
vận hành.
Theo quan điểm truyền thống, vấn đề ổn định là duy trì sự hoạt động đồng bộ.
Điều kiện cần thiết để HTĐ hoạt động bình thường là tất cả các máy phát duy trì đồng
bộ với nhau. Về khía cạnh này ổn định HTĐ chịu ảnh hưởng của đặc tính động học
góc rotor và quan hệ cơng suất - góc [10], [13].
Mối quan tâm trong việc đánh giá ổn định là phản ứng của HTĐ khi chịu nhiễu
loạn tức thời. Nhiễu này có thể lớn hoặc nhỏ. Các nhiễu nhỏ là dạng tương tác giữa các
máy phát hay thay đổi tải diễn ra thường xuyên trong quá trình vận hành, và hệ thống
phải tự điều chỉnh để thích ứng với các điều kiện đó. Hệ thống phải có khả năng hoạt
động dưới các điều kiện này và cung cấp đủ công suất cho tải. Đồng thời hệ thống phải
có khả năng chịu được các nhiễu lớn như ngắn mạch trên đường dây tải điện, mất máy
phát, mất tải lớn, hoặc mất liên lạc giữa 2 hệ thống. Cũng chính vì sự phức tạp này mà
nhiều giả thiết thường được sử dụng để làm đơn giản bài toán và chỉ tập trung vào các
nhân tố ảnh hưởng đến loại đặc tính của ổn định [10].
Việc sử dụng các bộ kích từ đáp ứng nhanh có ảnh hưởng bất lợi với ổn định các
nhiễu nhỏ tương ứng với các dao động cục bộ do tạo ra sự cản âm [10]. Một nguồn
khác gây nên mất ổn định dạng dao động là hệ quả của kết nối các HTĐ với nhau, của
một nhóm lớn các máy phát gần nhau liên kết bằng đường truyền yếu. Với công suất
truyền tải lớn, hệ thống như vậy sẽ tạo ra các dao động liên khu vực tần số thấp [12].

Để giải quyết các vấn đề này có thể sử dụng bộ ổn định hệ thống điện – PSS.
Theo IEEE, PSS chia ra hai loại: Bộ ổn định dựa trên tín hiệu tốc độ và bộ ổn
định đầu vào kép (tín hiệu tốc độ và cơng suất) [9]. Trên thế giới PSS đã được rất
nhiều các tác giả quan tâm nghiên cứu, tuy nhiên trong nước thì rất ít tác giả hay có tài


2

liệu viết về PSS [1], [2], [4], [5]. Ở Việt Nam, nó được lắp đặt trong các nhà máy nhiệt
điện Phả Lại, Phú Mỹ; nhà máy thủy điện Thác Bà, Yaly và Sơn La… Vì nhiều lý do
khác nhau trong đó có vấn đề về kỹ thuật mà ở các nhà máy này chức năng PSS tích
hợp trong hệ thống kích từ cho máy phát điện đã khơng được sử dụng.
Với những lý do nêu trên, tác giả đã mạnh dạn tìm hiểu nghiên cứu, đánh giá bộ
ổn định PSS theo chuẩn IEEE 421.5-2005 để làm sáng tỏ vấn đề ổn định góc rơ to máy
phát điện với hy vọng PSS sẽ được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, góp phần nâng cao
hiệu quả hoạt động của các trạm phát điện hiện có.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chung:
Đề tài này đặt mục tiêu chính là qua phân tích ổn định của HTĐ và phân tích các
cấu trúc của PSS theo chuẩn IEEE 421.5-2005, thấy được sự cần thiết của PSS đối với
việc nâng cao ổn định của HTĐ. Đồng thời đánh giá được hiệu quả của các loại PSS
trong vấn đề ổn định góc rơto máy phát điện.
Mục tiêu cụ thể:
1. Tổng quan ổn định của HTĐ, trong đó đi sâu nghiên cứu ổn định góc rơ to, tiếp
cận theo hướng ổn định các nhiễu nhỏ.
2. Lựa chọn hệ thống kích từ AVR dùng trong nghiên cứu và PSS.
3. Xây dựng mơ hình tốn học của trạm phát điện trong HTĐ.
4. Phân tích cấu trúc điển hình của PSS, tính chọn các thơng số cơ bản của một
loại PSS.
5. Tiến hành mô phỏng trong Matlab so sánh hiệu quả của các loại PSS sản xuất

theo chuẩn IEEE 421.5-2005. Kết quả nghiên cứu cịn được kiểm chứng bằng
thí nghiệm trên Card R&D DS1104 thời gian thực.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các cơng trình nghiên
cứu được cơng bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành;
nghiên cứu cấu trúc và phương pháp lựa chọn thông số PSS.
- Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu cấu trúc các PSS đang lắp đặt trong các nhà
máy điện hiện nay ở Việt Nam, rồi phân tích lý giải so sánh. Kiểm chứng bộ điều


3

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

hình tốn học của trạm phát điện trong HTĐ. Chương III phân tích cấu trúc điển hình
của PSS, xây dựng mơ hình tốn tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc của HTĐ
nghiên cứu. Các kết quả mơ phỏng ổn định góc rơto với PSS theo chuẩn IEEE 421.52005 được trình bày trong chương IV của luận văn.


4

1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH
CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. Giới thiệu cấu trúc hệ thống điện
Hình 1.1 minh họa các phần tử cơ bản của một HTĐ hiện đại. Điện năng được
tạo ra ở trạm phát điện và được truyền tải đến hộ tiêu thụ thông qua mạng lưới điện
phức tạp bao gồm các đường dây truyền tải, các MBA, các thiết bị đóng cắt…Ta có
thể phân mạng lưới điện thành các hệ thống như sau:
- Hệ thống truyền tải
- Hệ thống truyền tải trung gian
- Hệ thống phõn phi
GS
220kV

15,75kV

500kV

500kV

220kV

220kV

Hệ thống
truyền tải
500 Kv

Kết nối với HTĐ
bên cạnh

Hệ thống
truyền tải
220Kv

GS

500kV

220kV

Đ-ờng dây
truyền tải
trung gian

Trạm truyền tải

Phụ tải công
nghiệp

Đ-ờng dây
truyền tải
trung gian

110kV

220kV

Phụ tải công
nghiệp

110kV
Trạm phân phối
Trạm phát điện
nhỏ

6/10/22kv
Đ-ờng dây
trung áp

0,4 kV
380/220V
Phụ tải sinh
hoạt

Phụ tải th-ơng
mại

Hỡnh 1.1. Cỏc phn t c bn ca mt HT

Kết nối với
đ-ờng dây
bên cạnh

500kV


5

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

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

Tần số
Điều độ kế
hoạch sản
xuất

Trao đổi
công suất

Công suất
máy phát

Hệ thống điều khiển
máy phát

Điều tốc và
điều khiển

Hệ thống
kích từ và
điều khiển

Khối điều
khiển máy
khác và
điều khiển
liên quan

Hệ thống
kích từ và
điều khiển

Dòng điện
kích từ
Điện áp

Tốc độ

Điều khiển đ-ờng dây tải điện
Tần số

Trao đổi
công suất

Công suất
máy phát


6

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

Hình 1.3 là sơ đồ cấu trúc điều khiển HTĐ, phân chia làm hai khối: các bộ điều
khiển lắp đặt phía nhà máy điện và các bộ điều khiển lắp đặt phớa ng dõy truyn ti
in:
Các bộ điều khiển HTĐ

Phía truyền tải điện

FACTS
(nhanh)

Phía nhà máy điện

Bộ điều khiển cơ khí
(chậm)

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

Kích từ AVR
(nhanh)

Hỡnh 1.3. Cu trỳc điều khiển HTĐ

1.2.2.1. Điều khiển điện áp
Để điều khiển điện áp người ta thực hiện điều khiển việc sản xuất, tiêu thụ
CSPK ở tất cả các cấp trong HTĐ. Các máy phát là phương tiện cơ bản để điều khiển
điện áp, trong đó việc điều khiển dịng điện kích từ thơng qua AVR sẽ duy trì được
điện áp ở đầu cực các máy phát điện.
a) Mơ hình AVR cho các hệ kích từ xoay chiều
b. Mơ hình bộ AVR cho các hệ kích từ một chiều
c) Mơ hình bộ AVR cho các hệ kích từ tĩnh
1.2.2.2. Điều khiển tần số
Quá trình điều khiển tần số gắn liền với điều khiển tốc độ của máy phát điện
đồng bộ. Tần số của hệ thống được đảm bảo dựa trên sự cân bằng CSTD. Trong hệ
thống có nhiều tổ máy, nhiều nhà máy điện nên cần có sự phân phối cơng suất giữa các
tổ máy với nhau. Bộ điều chỉnh tốc độ turbine (governor) của mỗi máy phát làm chức
năng điều chỉnh tốc độ sơ cấp, trong khi bộ điều khiển thứ cấp làm nhiệm vụ phân
phối công suất (AGC) [10].


7

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

Ổn định góc rơto khả năng của các MPĐ đồng bộ trong một HTĐ liên kết vẫn
còn giữ được sự đồng bộ hóa sau khi trải qua các kích động có thể xảy ra trong HTĐ.
Nó liên quan đến khả năng duy trì/phục hồi sự cân bằng giữa mơ men điện từ và mô

men cơ khi của mỗi máy phát điện đồng bộ trong HTĐ. Sự mất ổn định có thể xảy ra
khi có sự tăng lên của góc rơto của một số MPĐ dẫn đến sự mất đồng bộ hóa so với
các MPĐ khác trong HTĐ. Ổn định góc có thể được phân loại thành 2 loại: ổn định
góc với nhiễu loạn nhỏ (small - signal stability), và ổn định góc khi quá độ (transient
stability) [12].
~

Góc tải (góc rotor) δ là góc giữa vector sức điện động bên trong E g do từ thơng
~

dịng điện kích từ sinh ra với vector điện áp trên thanh cái đầu cực V t V t 
Xét một HTĐ đơn giản cho trên hình 1.9a. Hình 1.9b là sơ đồ thay thế lý tưởng
(đã bỏ qua điện trở và điện dẫn các phần tử) để xác định mối quan hệ giữa công suất
với góc. Hình 1.9c biểu diễn đồ thị vector pha giữa máy phát và hệ thống. Ở chế độ
xác lập công suất đầu ra của máy phát cho bởi Hình 1.9d
Equation Section 1
Xg V V  Xe V V 0
t
t
S
S

Đường dây

HT
G

a) Sơ đồ HTĐ

I

Eg

b) Sơ đồ thay thế lý tưởng

E

P

g

IXg

Điểm làm việc

P

max

a

P



m

Vt

IXe



VS
I
c) Sơ đồ vector

δ0

900

1800

d) Đặc tính cơng suất - góc

Hình 1.4. Đặc tính cơng suất của máy phát


8

1.3.2. Nguyên nhân gây ra dao động góc tải
Khi có tải yêu cầu đến một trạm có nhiều tổ máy, bộ phận phân phối công suất
(AGC) sẽ làm nhiệm vụ phân công suất cho các tổ máy để hướng tới sự cân bằng. Tuy
nhiên do động học của mỗi máy phát là khác nhau, gây nên các luồng công suất trao
đổi trong nội bộ trạm phát, hoặc giữa máy phát với hệ thống qua đường truyền. Những
tác động xen kênh này khiến cho rotor máy phát dao động xung quanh điểm làm việc.
Một nguồn khác gây nên dao động góc tải là việc sử dụng các bộ kích từ đáp ứng
nhanh với AVR hệ số khuếch đại lớn có tác dụng cải thiện giới hạn ổn định tĩnh và ổn
định động, nhưng lại làm giảm thành phần mô men damping, gây bất lợi với ổn định
tín hiệu nhỏ
- Tác hại của dao động:

Khi góc tải dao động khiến tốc độ rotor khơng cịn là tốc độ đồng bộ nữa, góc tải
có thể vượt q 900 điện (hình 1.9d), làm cho hoạt động máy phát bị mất đồng bộ,
trong trường hợp khơng được khống chế kịp thời, nó rất có thể bị cộng hưởng với
những dao động khác gây nên mất đồng bộ nghiêm trọng giữa các máy phát và lưới
điện thậm chí gây tan rã HTĐ. Hình 1.10 là sơ đồ tổng quát phân loại ổn định HTĐ
[12]. Đường nét m ch hng nghiờn cu ca ti.
ổn định hệ thống điện

ổn định góc tải

ổn định tần số

ổn định tín hiệu nhỏ
( nhiễu nhỏ)

ổn định điện áp

ổn định quá độ
(nhiễu lín)

Hình 1.5. Phân loại ổn định HTĐ
1.3.3. Ổn định các tín hiệu nhỏ

Ổn định tín hiệu nhỏ được định nghĩa như khẳ năng của HTĐ để duy trì ổn định
khi có sự xuất hiện của các tác động nhỏ. Những tác động nhỏ này có thể thay đổi rất ít
về phụ tải hay máy phát trong hệ thống. Nếu mô men hãm khơng đủ, kết quả có thể
làm cho dao động góc rotor thay đổi với biên độ lớn hơn. Các máy phát trong mạng sử
dụng các bộ điều khiển điện áp tự động khuếch đại lớn có thể tạo nên việc thiếu hãm
đối với các dao động hệ thống.

9

Lý thuyết ổn định tín hiệu nhỏ được dùng để nhận dạng và phân tích các dao
động cơ điện (dao động tần số thấp) trong HTĐ. Các dao động này làm cho góc rotor
của máy phát tăng lên hoặc giảm đi so với điểm làm việc và là nguyên nhân của sự
thiếu mô men đồng bộ hoặc mô men damping. Dao động tần số thấp gồm có các dạng
sau đây [10]
Các dao động cục bộ: Những dao động này thường liên quan đến một hoặc
nhiều máy phát đồng bộ quay với nhau tại một nhà máy điện so với một HTĐ lớn hay
trung tâm phụ tải. Tần số dao động trong khoảng 0,7–2Hz. Những dao động này gây
phiền toái khi nhà máy ở tải cao với hệ thống ường truyền có điện kháng lớn.
Các dao động liên khu vực: Những dao động này thường liên quan đến việc kết hợp
rất nhiều máy phát tại một phần của HTĐ đối với phần khác của HTĐ thông qua đường
truyền yếu. Tần số các dao động liên khu vực thường nhỏ hơn 0,5 Hz.

Các dao động toàn cầu: Những dao động này liên quan đến nhiều HTĐ lớn kết
nối với nhau trên diện rộng. Tần số dao động nhỏ hơn 0,2Hz
1.4. Bộ ổn định HTĐ – PSS
PSS là một thiết bị tăng momen hãm các dao động điện cơ trong máy phát, các
thiết bị này được dùng cho các máy phát lớn trong vài thập kỷ qua, cho phép sử dụng
để cải tiến các hạn chế vận hành cưỡng bức ổn định [10], [2].

Te  K s   K c 

(1.1)

Tại đó sự hãm mơ men điện được phân tích thành các thành phần đồng bộ và
hãm:
Ks - hệ số đồng bộ

Kd - hệ số hãm
 - sai lệch góc rơto

Từ phương trình (1.1) có thể nhận thấy rằng với giá trị dương của Ts, thành phần
của mômen đồng bộ thay đổi tỉ lệ nghịch với góc rơtor từ điểm cân bằng( ví dụ góc
rơto tăng lên sẽ kéo theo sự thay đổi về giảm mô men đồng bộ, làm cho thiết bị chậm
dần,cho tới khi góc rơto khơi phục điểm cân bằng,  =0).
Tương tự, với giá trị dương của Tc các ộ phận của mômen hãm sẽ tỉ lệ nghịch với
góc rơtor so với điểm vận hành ổn định. Một máy phát sẽ duy trì sự ổn định miễn là có
đủ sự tác động của các mơ men đồrng bộ và mô men hãm hoạt động trong các rôto
dưới mọi điều kiện vận hành.


10

Theo chuẩn IEEE 421.5–2005 [9], PSS chia ra: PSS1A đây là loại có một đầu
vào như sai lệch tốc độ  , sai lệch tần số f , công suất điện Pe ; PSS đầu vào kép,
thường là sai lệch tốc độ  và công suất điện Pe (PSS2A, PSS2B, PSS3B v PSS4B).
Khâu lọc

sTw
1+sTw

Khâu bù
lead - lag

T(s)

Khâu lọc xoắn

Khâu giới h¹n

FILT (s)

Hình 1.6. Cấu trúc cơ bản của một PSS

1.5. Những phương pháp thiết kế PSS
1.5.1.1. Phương pháp tiếp cận mô men damping
1.5.1.2. Phương pháp tiếp cận đáp ứng tần số.
1.5.1.3. Phương pháp tiếp cận giá trị riêng và biến trạng thái
1.6. Kết luận chương 1
- Trong chương này đã trình bày tổng quan vấn đề điều khiển HTĐ như điều
khiển điện áp, điều khiển tần số.
– Phân tích nguyên nhân gây ra dao động, ổn định góc tải, ổn định các tín hiệu
nhỏ.
Từ đó đưa ra vấn đề sử dụng bộ ổn định HTĐ - PSS hoạt động thông qua AVR
để dập các dao động góc rotor của máy phát điện.
– Phân tích các vấn đề nghiên cứu về PSS, bao gồm các phương pháp tiếp cận
mô men damping, đáp ứng tần số hay giá trị riêng và ma trận trạng thái.


11

Chương 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA TRẠM
PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
2.1. Mơ hình máy phát điện đồng bộ
Trôc pha b
b

S

Trôc q

c
1d
fd

Trôc pha a

1q

Trôc pha c

1q N

a
Trôc d

Hình 0.1. Sơ đồ máy điện đồng bộ hai cực từ

2.2. Mơ hình máy phát điện kinh điển
Với máy phát điện đồng bộ để mô phỏng được chúng ta phải mơ hình hóa, q
trình đó có thể bỏ qua những đại lượng nhỏ. Trong mơ hình máy phát điện kinh điển
các điện trở nhỏ hơn rất nhiều so với điện kháng nên bị bỏ qua, mơ hình hệ thống như
trên hình 2.3
Et
It
Xd
E

0

XE
ES



Hình 0.2. Mơ hình hệ thống máy phát điện kinh điển nối lưới

E / là điện áp phía trước điện kháng X/d. Giả thiết cường độ E / là khơng đổi, về
trị số góc δ là góc lệch pha giữa E / và E s (điện áp thanh cái). Khi góc δ thay đổi thì
sẽ làm cho rơto dao động.


12

2.2. Mơ hình kích từ và bộ điều chỉnh điện áp
- Kích từ một chiều độc lập

i in1

rs

L s1

rf1

+

+

PhÇn øng

+

e in2

Lf1

K s1 1 s1

v fd

Hình 0.3. Sơ đồ mạch máy kích từ một chiều độc lập

- Kích từ một chiều tự kích thích
+
rf1

rs1

Lf1

L s1

+

e in2

v fd

K s1 1 s1

+

Hình 0.4. Sơ đồ mạch máy kích từ một chiều tự kích thích

2.4. Mơ hình turbine và bộ điều chỉnh tốc độ
2.4.1. Mơ hình turbine
2.4.2. Mơ hình bộ điều tốc
2.5. Mơ hình của hệ máy phát kết nối với HTĐ
2.5.1. Phương trình ràng buộc điện áp trong hệ đơn vị tương đối
2.5.2. Mơ hình multi–time–scale của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mơ hình bậc
8)


13

2.5.3. Mơ hình bỏ qua q độ stator của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mơ hình
bậc 6)
2.5.4. Mơ hình two-axis của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mơ hình bậc 4)
2.5.5. Mơ hình flux–decay của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mơ hình bậc 3)
( I d+jIq )e

j( -/2)

jX'd

Rs

Re

jX e

+
+

Eg

(Vd+jVq )e

j( -/2)

+

Vs e

j es

Hình 0.5. Mơ hình động học flux-decay của máy phát điện [15]
2.5.6. Mơ men damping

Trong các phương trình ở trên đều xét đến một thành phần mơ men ma sát khe
hở khơng khí TFW. Có chiều ngược với chiều quay rotor, thành phần mơ men này có
dạng.
T FW  K FW 

(1.2)

Trong một số tài liệu [13], thành phần này được tính đến trong mô men damping
T D  K D   0 

(1.3)

Mơ men damping có thể dương hoặc âm tuỳ vào tốc độ máy phát
2.6. Kết luận chương 2
Trong chương này ta đã xây dựng được mơ hình tốn học tổng qt của máy phát
điện đồng bộ, mơ hình kích từ và AVR, turbine và điều tốc.
Mơ hình tốn học của máy phát điện đồng bộ trong nghiên cứu ổn định là khá
phức tạp từ bậc 8, bậc 6, bậc 4, bậc 3 việc chọn mơ hình nào là cịn tùy thuộc vào
chủng loại máy phát, quan điểm trong vấn đề phân tích ổn định. Vì chế độ HTĐ mà ta
đang xét là chế độ bình thường nên tất cả các thông số đều gần định mức, ta cũng chỉ
xét đến ảnh hưởng của các nhiễu nhỏ. Do đó ta sẽ sử dụng mơ hình tốn học tổng qt
trong nghiên cứu là mơ hình bậc 3.


14

Chương 3. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA PSS
3.1. Xây dựng mơ hình tín hiệu nhỏ của hệ máy phát kết nối với HTĐ
Trong nghiên cứu này ta khảo sát sơ đồ nguyên lý của một máy phát điện đơn nối
với thanh cái hệ thống công suất vô cùng lớn như hình 3.1, trong sơ đồ khơng cần biểu
diễn bộ phận điều tốc vì đáp ứng của nó tương đối chậm so với đáp ứng của HTKT.
Mơ hình tốn học tổng qt xem xét là mơ hình flux–decay như đã trình bày trong
mục 2.5.5. Khi phân tích, điện trở đường dây Re và điện trở stator Rs bằng khơng;
khơng có tải trên thanh cái, góc pha đầu của điện áp trên thanh cái θvs = 0.
Vt

TM

Turbine

Re

0

jX e

 vs

Vs

Efd
KÝch tõ

Vt

VR

VPSS



AVR


PSS

Pe
+ Vref

Hình 0.1. Sơ đồ khối điều chỉnh kích từ máy phát nối lưới
+

Vref
+
Vt

VR

KA



1+sTA

1
K E + sTE

VF

sK F
1+sTF

Hình 0.2. Mơ hình HTKT IEEE loại 1 với tín hiệu nhỏ

Vref
+
Vt



KÝch tõ & AVR

E fd max
E fd

KA
1+sTA
E fd min

Hình 0.3. HTKT thyristor ST1A với AVR.

Efd


15

3.2. Phân tích ảnh hưởng của PSS đối với ổn định tín hiệu nhỏ
Ổn định tín hiệu nhỏ là khả năng các máy phát đồng bộ duy trì tính đồng bộ với
nhau sau khi chịu các nhiễu loạn nhỏ. Vấn đề này dựa trên khả năng duy trì điểm cân
bằng giữa mô men điện từ và mô men cơ của mỗi máy phát nối với HTĐ. Sự thay đổi
mô men điện từ của mỗi máy phát đồng bộ trong giai đoạn có sự thay đổi nhỏ xung
quanh điểm làm việc có thể chia ra làm hai thành phần:
Te  K S   K D 

(1.4)

trong đó:
K S  là thành phần mô men thay đổi cùng pha với sai lệch góc rotor và được coi

như thành phần mơ men đồng bộ, K S là hệ số mô men đồng bộ. Thành phần mô men
này tăng sức hút giữa rotor và từ thơng stator, làm giảm góc δ và hạn chế nguy cơ sự
cố.

K D  là thành phần mô men thay đổi cùng pha với sai lệch tốc độ và được coi
như thành phần mô men damping, K D là hệ số mô men damping. Thành phần mô men
này có được do trễ pha hay sớm pha của dịng kích từ.
Hình 3.5 là đáp ứng tự nhiên của hệ thống đối với các nhiễu nhỏ, đáp ứng này
phụ thuộc vào một số các yếu tố như điểm làm việc ban đầu, khả năng của hệ thống
truyền tải, loại điều khiển kích từ được sử dụng. Khi một máy phát kết nối với HTĐ
lớn, mà khơng có AVR (ví dụ điện áp kích từ là hằng số) sự mất ổn định là do thiếu
mô men đồng bộ. Theo lý thuyết ổn định để máy phát vận hành ổn định thì vector mơ
men tổng T e phải nằm ở góc phần tư thứ nhất, hay nói cách khác cả ∆TS và TD phi
dng.




ổn định

TS d-ơng

TD

Te

TD d-ơng

t

TS


16





TS


ổn định

TS d-ơng
TD d-ơng

TD

Te

t

Hỡnh 0.4. ỏp ng t nhiờn ca góc tải δ với các nhiễu nhỏ

Hình 3.6 là sơ đồ vector các thành phần mô men khi không xét đến AVR và khi
xét đến AVR nhanh (TA nhỏ), mạnh (KA lớn) [10], vector mơ men AVR có xu hướng
gần với - 900 hơn, vì tần số dao động điển hình là khoảng 0,1 – 2Hz, nằm trong vùng 900 đến - 200. Bởi vậy, ta thường biểu diễn nó xung quanh - 800 [3], [14]. Theo phân

tích ở trên, trường hợp này máy phát bị mất ổn định.
T1



Vector m« men khi ch-a kể
đến AVR

TD
TS

TS +TS(AVR)


TS(AVR)
TS +TS(AVR)

TD(AVR)

Vector mô men tổng víi AVR

Vector m« men cđa AVR

Texc

Hình 0.5. Sơ đồ khối đã tuyến tính hệ máy phát nối lưới với kích từ, AVR và PSS

Hình 3.8 là đồ thị vector các thành phần mơ men khi có PSS. Sơ đồ thể hiện nếu
bù góc pha hợp lý có thể nâng hệ số mô men damping tổng của hệ thống này lên. Hay
nói cách khác trong trường hợp này PSS đã điều khiển góc pha của sức điện động cảm

ứng bên trong máy phát phù hợp với ∆ω có xét đến sự trễ pha của HTKT. Từ phát hiện
này, nếu trong quá trình hệ thống làm việc mà vẫn đảm bảo cho vector mơ men tổng
ln nằm ở góc phần tư thứ nhất thì hệ thống sẽ giữ được ổn định.


17



Vector mô
men của
PSS

TD(PSS)
Vector mô men tổng với AVR và
PSS

TD +TD(AVR) +TD(PSS)

T1
TD

TS

Vector mô men khi ch-a kể
đến AVR

TS +TS(AVR)+TS(PSS)

S

T
+TS(AVR)


TD(PSS)

TS(AVR)
Vector mô men tỉng víi AVR

TS +TS(AVR)

TD(AVR)

Vector m« men cđa AVR

Texc

Hình 0.6. Đồ thị vector các thành phần mô men với AVR & PSS

3.3. Phân tích cấu trúc các PSS
Về chức năng nhiệm vụ của PSS đã phân tích ở trên. Ở đây chỉ quan tâm cấu trúc
của PSS. Hầu hết các hãng sản xuất đều đưa ra các giải pháp của riêng mình,tuy nhiên
theo chuẩn IEEE 421.5.2005 [9] chúng có thể chia ra như sau: PSS đầu vào đơn và
PSS đầu vào kộp.
3.3.1. PSS u vo n PSS1A
Khâu lọc thông cao


f
Pe

1
1+sT6

K

PSS

Khâu lọc xoắn

sT w
1+sTw

1
1+A1s+A2s2

Khâu bù lead - lag

1+sT1
1+sT2

1+sT1
1+sT2

VS

VPSSmax
VPSS
VPSSmin

Hỡnh 0.7. S khối của PSS1A – loại đầu vào đơn

3.3.2. PSS đầu vào kép


18

3.3.2.1. PSS2A
Các khâu lọc thông cao



sTw1
1+sTw1

sT w2
1+sTw2

+

1
1+sT6

sTw3
1+sTw3

(1+sT8 ) N +

(1+sT9 )M

+

K S1 1+sT1
1+sT2

1+sT3
1+sT4

VPSSmax
VPSS
VPSSmin

K s3

Các khâu lọc thông cao

Pe

Hệ số khếch đại và
v-ợt pha

Khâu lọc xoắn

sT w4
1+sTw4

K s2
1+sT7

Hỡnh 0.8. S khi PSS2A (IEEE 421.5.1995)

3.3.2.2. PSS2B
Các khâu lọc thông cao



sT w1
1+sTw1

sTw2
1+sTw2

1
1+sT6

+


+

(1+sT8 ) N +

(1+sT9 )M

VPSSmax

K S1 1+sT1
1+sT2

1+sT3
1+sT4

1+sT3
1+sT4

1+sT3
1+sT4

VPSS
VPSSmin

K s3

Các khâu lọc thông cao

Pe

Hệ số khếch đại và v-ợt pha

Khâu lọc xoắn

sT w3
1+sTw3

sTw4
1+sTw4

K s2
1+sT7

Hình 0.9. Sơ đồ khối của PSS2B

3.3.2.3. PSS3B

P

e

1
1  sT 1

K PSS 1

sT w1
1  sT w1

+
+

Δω

1
1  sT 2

sT 3
1  sT w3

K PSS 2



sT w2
1  sT w2

1  A1s  A 2s 2
1  A3s  A 4s 2

1  A5s  A6s 2
1  A7s  A8s 2

Hình 0.10. Sơ đồ khối của PSS3B

V

V

PSSmax

V

S

V

PSSmin

PSS

19

3.3.2.4. PSS4B



K L1

K L11+sTL1
1+sT L2

1 +sT L 3
1+sT L 4

1 +sT L 5
1+sT L 6

K L2

K L17 +sTL7
1+sT L8

1 +sT L 9
1+sT L 10

1 +sT L 11
1+sT L 12

+



L

L-I

V PSS max

K I1

K I11 +sTI1
1+sT I2

1 +sT I 3
1+sT I 4

1 +sT I 5
1+sT I 6

+



I

+

+


V PSS

+

V PSS min



K I2

K I17 +sTI7
1+sT I8

1 +sT I 9
1+sT I 10

1 +sT I 11
1+sT I 12

K H1

K H11+sTH1
1+sT H2

1 +sT H 3
1+sT H 4

1 +sT H 5
1+sT H 6

K H2

K H17+sTH7
1+sT H8

1 +sT H 9
1+sT H 10

1 +sT H 11
1+sT H 12

H

+



H

Hình 0.11. Sơ đồ khối của PSS4B (Multi-band PSS)

PSS4B cho phép làm việc trên ba dải tần số tách biệt nhau tương ứng với các
dao động tần số thấp, tần số trung và tần số cao. Chúng sử dụng tín hiệu đầu vào là sai
lệch tốc độ ∆ω
3.4. Phân tích các thành phần trong PSS2A/2B
3.4.1. Tín hiệu tốc độ

Tốc độ trục có thể được đo trực tiếp, hoặc thu được từ tần số của một tín hiệu
điện áp bù xuất phát từ cực máy biến điện áp và biến dòng điện. Ở những máy phát
này, tốc độ ln được lấy từ một tín hiệu tần số bù.

sTw1
1+sTw1

sTw2
1+sTw2

Hình 0.12. Khâu lọc thơng cao


20

3.4.2. Tín hiệu cơng suất điện

sTw3
1+sTw3

sTw4
1+sTw4

K S2

1
1+sT7

Hình 0.13. Khâu lọc thơng cao và tích phân đã rút gọn

Cơng suất điện đầu ra của máy phát nhận được từ điện áp thứ cấp biến áp đo
lường và các dòng điện thứ cấp biến dịng đo lường. Cơng suất này được lọc qua hai
khâu lọc thơng cao để tạo ra tín hiệu sai lệch cơng suất cần thiết. Sau đó tín hiệu này

được tích phân và chia cho hằng số quán tính máy phát 2H để tạo ra tín hiệu tích phân
sai lệch cơng suất điện.
3.4.3. Tín hiệu cơng suất cơ
3.4.4. Bù pha và lựa chọn tín hiệu ổn định
3.4.5. Khâu giới hạn điện áp đầu cực

3.5. Kết luận chương 3
Chương này đã giải quyết được các vấn đề sau:
- Xây dựng được mơ hình tốn học tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc của
hệ máy phát kết nối với HTĐ khi bị nhiễu loạn nhỏ tác động, sẽ dùng cho việc mô
phỏng PSS sau này.
– Trên đồ thị vector giải thích bản chất vật lý các thành phần mơ men khi chưa có
AVR và khi có AVR. Kết quả phân tích cho thấy nhược điểm của việc sử dụng AVR
độ nhạy cao do tạo nên thành phần mô men damping tăng theo chiều âm, khiến hoạt
động của máy phát không ổn định. Bằng việc bổ sung thêm một thành phần vector mô
men cùng pha với sai lệch tốc độ Δω sẽ khắc phục được nhược điểm của AVR. Thành
phần vector này chính là của PSS tạo nên.
– Giới thiệu các cấu trúc của PSS theo chuẩn IEEE 421.5.2005, phân tích các
thành phần trong cấu trúc của PSS2A/2B, đó là tín hiệu tốc độ, tín hiệu cơng suất điện,
tín hiệu cơng suất cơ, mạch bù pha, khâu giới hạn điện áp đầu cực. Từ đó chọn ra
PSS1A và PSS2A sẽ là hai loại PSS dùng trong nghiên cứu này.


21

Chương 4. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA PSS ĐỐI VỚI ỔN ĐỊNH
GĨC TẢI
4.1. Phần mềm mơ phỏng Matlab/Simulink
Matlab là phần mềm phục vụ thiết kế mô phỏng quen thuộc đối với kỹ sư điều
khiển. Phần mềm cung cấp môi trường cần thiết cho mô phỏng hệ thống bao gồm tập

hợp các cơng cụ tính tốn, đồ hoạ 2D, 3D. Đây cũng là phần mềm có thể lập trình
được, đặc điểm này làm cho môi truờng Matlab ngày càng trở lên phong phú.
Simulink là phần mềm hoạt động trong môi trường Matlab, chun dùng cho
việc mơ hình hố, mơ phỏng và phân tích hệ thống. Có thể sử dụng cơng cụ này cho
việc mơ phỏng tuyến tính, phi tuyến.... trong miền liên tục hay gián đoạn.
Simulink là một toolboox làm việc tương thích trong matlab. toolboox này cung
cấp cho người sử dụng thư viện về điện tử công suất và hệ truyền động rất phong phú,
từ mơ hình vật lý của đối tượng sau đó áp dụng thuật tốn đã được xây dựng để điều
khiển mơ hình này. Điều này cho phép việc mơ hình hố gần với thực tế.
4.2. Xây dựng sơ đồ mô phỏng trong Matlab/Simulink
4.2.1. Thông số các phần tử trong mô phỏng (pu)


22


23

4.2.2. Kết quả mơ phỏng
34.405
Without PSS
PSS1A
PSS2A

34.4048

34.4044

34.4042

34.404

34.4038

34.4036

0

1

2

3

4

5
Thoi gian (s)

6

7

8

9

10

Hình 0.1. Đáp ứng góc tải

-6

2

x 10

Without PSS
PSS1A
PSS2A

1.5

Sai lech toc do rotor (pu)

Goc tai (do)

34.4046

1

0.5

0

-0.5

-1

0

1

2

3

4

5
Thoi gian (s)

6

Hình 0.2. Đáp ứng sai lệch tốc độ

7

8

9

10


24

-5

Sai lech CSTD cua may phat (pu)

2

x 10

Without PSS
PSS1A
PSS2A

1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2

0

1

2

3

4

5
Thoi gian (s)

6

7

8

9

10

Hình 0.3. Đáp ứng sai lệch CSTD

Hình 4.8 – 4.10 là kết quả mô phỏng với điện áp trên thanh cái hệ thống

V s  1pu ; công suất S  0,8  j 06pu ; trở kháng đường dây Re  0; X e  0,1pu . Thời
gian quan sát (0–10s), tại thời điểm 1s xuất hiện dao động. Ta thấy, khi khơng sử dụng
PSS, góc tải, tốc độ, CSTD đầu ra máy phát dao động nhiều (trong khoảng thời gian
quan sát còn chưa ổn định). Trường hợp sử dụng PSS1A thì góc tải dao động nhỏ xung
quanh điểm làm việc, nhưng sau khoảng 4s góc tải đã trở về điểm làm việc ban đầu
(góc 34,40); tốc độ rơto ổn định rất nhanh, điện áp trên thanh cái và CSTD máy phát có
sự xáo trộn chút ít nhưng cũng nhanh chóng trở về giá trị ban đầu.
Hiệu quả ổn định HTĐ xung quanh điểm làm việc còn được cải thiện hơn nữa
nếu ta dùng PSS2A. Hình 4.8 cho thấy, khi dùng PSS2A góc tải tăng cao nhất khoảng
34,40490 chỉ sau 2,5s góc tải ổn định ở 34,40430 trong khi dùng PSS1A thì phải sau 4s
góc tải mới ổn định. Chất lượng ổn định tốc độ rôto và CSTD máy phát cũng tốt hơn
so với khi dùng PSS1A.
4.3. Thí nghiệm trên Card R&D DS1104 thời gian thực
4.3.1. Giới thiệu về Card điều khiển R&D DS1104 của hãng dSPACE [7], [8]

Card R&D DS1104 là một thiết bị điều khiển số hiện đại được sử dụng trong

nhiều lĩnh vực: điều khiển động cơ, điều khiển robot, các thực nghiệm về máy bay, ô
tô,… Card R&D DS1104 cho phép rút ngắn quá trình thực nghiệm nhờ sự kết nối trực


25

tiếp với phần mền mô phỏng Matlab – Simulink, Card R&D DS1104 hỗ trợ hầu hết
các khối và hàm định nghĩa bởi Matlab – Simulink trong các lĩnh vực kể trên.
Card R&D DS1104 cung cấp một thư viện Real–time trong Simulink, theo đó
các cổng I/O của Card R&D DS1104 được biểu diễn bằng các khối tương tự như các
khối hỗ trợ trong Simulink. Để hiệu chỉnh tín hiệu xuất nhập ta chỉ cần hiệu chỉnh các
thông số của các khối tương ứng. Do đó việc truy xuất tín hiệu trở nên đơn giản hơn
rất nhiều so với các phương pháp truyền thống. Hình ảnh của Card R&D DS1104 lắp
đặt trong máy tính như hình 4.11.

Hình 0.4. Hình ảnh mặt trên và mặt dưới của Card điều khiển R&D DS1104

Hình 0.5. Cổng kết nối và connector của Card điều khiển R&D DS1104

4.3.2. Xây dựng bàn thiết bị thí nghiệm

Sơ đồ khối mô tả mối liên hệ giữa các phần mền điều khiển và thiết bị ngoại vi
như hình 4.13