Tóm tắt luận văn đánh giá bộ ổn định PSS theo chuẩn IEEE 421 5 2005 để làm sáng tỏ vấn đề ổn định góc rô to máy phát điện

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.. Một nguồnkh

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 côngnghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhu cầu sử dụng điện của nước ta tăng trưởngkhông ngừng Các nội dung thiết kế vận hành đường dây siêu cao áp 500 kV BắcTrung Nam đã gắn liền với những tính toán phân tích có tính chất quyết định vềphương 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 bằngđường dây 500 kV, dự án liên kết HTĐ Việt Nam với các nước trong khu vực đang đòihỏi phải nghiên cứu sâu sắc tỉ mỉ hơn về phương diện ổn định HTĐ trong quá trìnhvận 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 họcgóc rotor và quan hệ công suất - góc [10], [13]

Mối quan tâm trong việc đánh giá ổn định là phản ứng của HTĐ khi chịu nhiễuloạn tức thời Nhiễu này có thể lớn hoặc nhỏ Các nhiễu nhỏ là dạng tương tác giữa cácmáy phát hay thay đổi tải diễn ra thường xuyên trong quá trình vận hành, và hệ thốngphải tự điều chỉnh để thích ứng với các điều kiện đó Hệ thống phải có khả năng hoạtđộng 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 máyphát, mất tải lớn, hoặc mất liên lạc giữa 2 hệ thống Cũng chính vì sự phức tạp này mànhiều giả thiết thường được sử dụng để làm đơn giản bài toán và chỉ tập trung vào cácnhân 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 cácnhiễu nhỏ tương ứng với các dao động cục bộ do tạo ra sự cản âm [10] Một nguồnkhác gây nên mất ổn định dạng dao động là hệ quả của kết nối các HTĐ với nhau, củamột nhóm lớn các máy phát gần nhau liên kết bằng đường truyền yếu Với công suấttruyền 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 ổnđịnh đầu vào kép (tín hiệu tốc độ và công suất) [9] Trên thế giới PSS đã được rấtnhiều các tác giả quan tâm nghiên cứu, tuy nhiên trong nước thì rất ít tác giả hay có tài

liệu viết về PSS [1], [2], [4], [5] Ở Việt Nam, nó được lắp đặt trong các nhà máy nhiệtđiện Phả Lại, Phú Mỹ; nhà máy thủy điện Thác Bà, Yaly và Sơn La… Vì nhiều lý dokhác nhau trong đó có vấn đề về kỹ thuật mà ở các nhà máy này chức năng PSS tíchhợp trong hệ thống kích từ cho máy phát điện đã không 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 rô 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 cáccấu trúc của PSS theo chuẩn IEEE 421.5-2005, thấy được sự cần thiết của PSS đối vớiviệc nâng cao ổn định của HTĐ Đồng thời đánh giá được hiệu quả của các loại PSStrong vấn đề ổn định góc rôto máy phát điện

Mục tiêu cụ thể:

1 Tổng quan ổn định của HTĐ, trong đó đi sâu nghiên cứu ổn định góc rô to, tiếpcận theo hướng ổn định các nhiễu nhỏ

2 Lựa chọn hệ thống kích từ AVR dùng trong nghiên cứu và PSS

3 Xây dựng mô hình toán học của trạm phát điện trong HTĐ

4 Phân tích cấu trúc điển hình của PSS, tính chọn các thông số cơ bản của mộtloại PSS

5 Tiến hành mô phỏng trong Matlab so sánh hiệu quả của các loại PSS sản xuấttheo chuẩn IEEE 421.5-2005 Kết quả nghiên cứu còn được kiểm chứng bằngthí 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 công trình nghiên

cứu được công 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

khiển PSS bằng mô phỏng trong Matlab R2010a & Simulink và thí nghiệm trên CardR&D DS1104 của hãng dSPACE.

- 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 Icủa 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 môhình toán học của trạm phát điện trong HTĐ Chương III phân tích cấu trúc điển hìnhcủa PSS, xây dựng mô hình toán tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc của HTĐnghiên cứu Các kết quả mô phỏng ổn định góc rôto với PSS theo chuẩn IEEE 421.5-

2005 được trình bày trong chương IV của luận văn

CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN1.1 Giới thiệu cấu trúc hệ thống điện

Hình 1.1 minh họa các phần tử cơ bản của một HTĐ hiện đại Điện năng đượctạo ra ở trạm phát điện và được truyền tải đến hộ tiêu thụ thông qua mạng lưới điệnphức tạp bao gồm các đường dây truyền tải, các MBA, các thiết bị đóng cắt…Ta cóthể phân mạng lưới điện thành các hệ thống như sau:

500kV

15,75kV 500kV

220kV GS

380/220V

110kV 110kV

Phô t¶i th ¬ng m¹i

Phô t¶i sinh ho¹t

Hình 1.1 Các phần tử cơ bản của một HTĐ

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 nhiờn sang dạngđiện và truyền tải đến cỏc điểm tiờu thụ Sự tiện lợi của năng lượng điện là dễ truyềntải và điều khiển với hiệu suất và độ tin cậy cao Trong quỏ trỡnh vận hành HTĐ cầnđảm bảo cỏc yờu cầu sau đõy:

1 Hệ thống phải cú khả năng đỏp ứng một cỏch liờn tục với sự thay đổi nhu cầutải CSTD và CSPK Khụng giống như cỏc dạng năng lượng khỏc, điện năng khụng thểtớch trữ với dung lượng lớn được Bởi vậy, rất nhiều thiết bị và bộ điều khiển được sửdụng để duy trỡ cõn bằng cụng suất tiờu thụ và cụng suất phỏt

2 Chất lượng điện năng phải đảm bảo cỏc tiờu chuẩn sau đõy:

- Tần số hệ thống khụng đổi

- Điện ỏp nỳt khụng đổi

Điều độ kế hoạch sản xuất

Tần số công suấtTrao đổi Công suấtmáy phát

Hệ thống điều khiển máy phát

Điều tốc và

điều khiển

Khối điều khiển máy khác và

điều khiển liên quan

Hệ thống kích từ và

điều khiển

Dòng điện kích từ

công suất Công suấtmáy phát

Điều khiển đ ờng dây tải điện

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 điềukhiển lắp đặt phía nhà máy điện và các bộ điều khiển lắp đặt phía đường dây truyền tảiđiện:

Turbine §iÒu khiÓn tÇn sè t¶i (LFC) (chËm)

KÝch tõ AVR (nhanh)Hình 1.3 Cấu trúc 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 thụCSPK ở tất cả các cấp trong HTĐ Các máy phát là phương tiện cơ bản để điều khiểnđiện áp, trong đó việc điều khiển dòng điện kích từ thông qua AVR sẽ duy trì đượcđiện áp ở đầu cực các máy phát điện

a) Mô hình AVR cho các hệ kích từ xoay chiều

b Mô hình bộ AVR cho các hệ kích từ một chiều

c) Mô 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 điệnđồng bộ Tần số của hệ thống được đảm bảo dựa trên sự cân bằng CSTD Trong hệthống có nhiều tổ máy, nhiều nhà máy điện nên cần có sự phân phối công suất giữa các

tổ máy với nhau Bộ điều chỉnh tốc độ turbine (governor) của mỗi máy phát làm chứcnăng điều chỉnh tốc độ sơ cấp, trong khi bộ điều khiển thứ cấp làm nhiệm vụ phânphối công suất (AGC) [10]

1.3 Ổn định góc tải (góc rotor)

1.3.1 Góc tải (góc rotor)

Ổn định góc rôto 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 mô men điện từ và mômen cơ khi của mỗi máy phát điện đồng bộ trong HTĐ Sự mất ổn định có thể xảy rakhi có sự tăng lên của góc rôto của một số MPĐ dẫn đến sự mất đồng bộ hóa so vớicác MPĐ khác trong HTĐ Ổn định góc có thể được phân loại thành 2 loại: ổn địnhgóc với nhiễu loạn nhỏ (small - signal stability), và ổn định góc khi quá độ (transientstability) [12]

Góc tải (góc rotor) δ là góc giữa vector sức điện động bên trong E~gdo từ thôngdòng 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 suấtvới góc Hình 1.9c biểu diễn đồ thị vector pha giữa máy phát và hệ thống Ở chế độxác lập công suất đầu ra của máy phát cho bởi Hình 1.9d

Hỡnh 1.4 Đặc tớnh cụng suất của mỏy phỏt

1.3.2 Nguyờn nhõn gõy ra dao động gúc tải

Khi cú tải yờu cầu đến một trạm cú nhiều tổ mỏy, bộ phận phõn phối cụng suất(AGC) sẽ làm nhiệm vụ phõn cụng suất cho cỏc tổ mỏy để hướng tới sự cõn bằng Tuynhiờn do động học của mỗi mỏy phỏt là khỏc nhau, gõy nờn cỏc luồng cụng suất traođổi trong nội bộ trạm phỏt, hoặc giữa mỏy phỏt với hệ thống qua đường truyền Nhữngtỏc động xen kờnh này khiến cho rotor mỏy phỏt dao động xung quanh điểm làm việc Một nguồn khỏc gõy nờn dao động gúc tải là việc sử dụng cỏc bộ kớch từ đỏp ứngnhanh với AVR hệ số khuếch đại lớn cú tỏc dụng cải thiện giới hạn ổn định tĩnh và ổnđịnh động, nhưng lại làm giảm thành phần mụ men damping, gõy bất lợi với ổn địnhtớn hiệu nhỏ

- Tỏc hại của dao động:

Khi gúc tải dao động khiến tốc độ rotor khụng cũn là tốc độ đồng bộ nữa, gúc tải

cú thể vượt quỏ 900 điện (hỡnh 1.9d), làm cho hoạt động mỏy phỏt bị mất đồng bộ,trong trường hợp khụng được khống chế kịp thời, nú rất cú thể bị cộng hưởng vớinhững dao động khỏc gõy nờn mất đồng bộ nghiờm trọng giữa cỏc mỏy phỏt và lướiđiện thậm chớ gõy tan ró HTĐ Hỡnh 1.10 là sơ đồ tổng quỏt phõn loại ổn định HTĐ[12] Đường nột đậm chỉ hướng nghiờn cứu của đề tài

ổn định hệ thống điện

ổn định tín hiệu nhỏ ( nhiễu nhỏ)

ổn định quá độ (nhiễu lớn)

dụng các bộ điều khiển điện áp tự động khuếch đại lớn có thể tạo nên việc thiếu hãmđối với các dao động hệ thống.

Lý thuyết ổn định tín hiệu nhỏ được dùng để nhận dạng và phân tích các daođộng cơ điện (dao động tần số thấp) trong HTĐ Các dao động này làm cho góc rotorcủa máy phát tăng lên hoặc giảm đi so với điểm làm việc và là nguyên nhân của sựthiếu mô men đồng bộ hoặc mô men damping Dao động tần số thấp gồm có các dạngsau 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 haytrung tâm phụ tải Tần số dao động trong khoảng 0,7–2Hz Những dao động này gâyphiền 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 đườngtruyền 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

Tương tự, với giá trị dương của Tc các ộ phận của mômen hãm sẽ tỉ lệ nghịch vớigóc rôtor so với điểm vận hành ổn định Một máy phát sẽ duy trì sự ổn định miễn là có

Kh©u läc

Kh©u bï lead - lag Kh©u läc xo¾n Kh©u giíi h¹n

Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản của một PSS

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

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 Mô hình máy phát điện đồng bộ

S

N

Hình 2.7 Sơ đồ máy điện đồng bộ hai cực từ

2.2 Mô hình máy phát điện kinh điển

Với máy phát điện đồng bộ để mô phỏng được chúng ta phải mô hình hóa, quátrình đó có thể bỏ qua những đại lượng nhỏ Trong mô hình máy phát điện kinh điểncác điện trở nhỏ hơn rất nhiều so với điện kháng nên bị bỏ qua, mô hình hệ thống nhưtrên hình 2.3

E là điện áp phía trước điện kháng X/d Giả thiết cường độ E là không 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 rôto dao động

2.2 Mô hình kích từ và bộ điều chỉnh điện áp

Hình 2.10 Sơ đồ mạch máy kích từ một chiều tự kích thích

2.4 Mô hình turbine và bộ điều chỉnh tốc độ

2.4.1 Mô hình turbine

2.4.2 Mô hình bộ điều tốc

2.5 Mô 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 Mô hình multi–time–scale của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 8)

2.5.3 Mô hình bỏ qua quá độ stator của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 6)

2.5.4 Mô hình two-axis của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 4)

2.5.5 Mô hình flux–decay của hệ máy phát kết nối với HTĐ (mô hình bậc 3)

I d

Eg

jX

+ +

Hình 2.11 Mô hình động học flux-decay của máy phát điện [15]

2.5.6 Mô men damping

Trong các phương trình ở trên đều xét đến một thành phần mô men ma sát khe

hở không khí TFW Có chiều ngược với chiều quay rotor, thành phần mô men này có dạng

Chương 3 PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA PSS

3.1 Xây dựng mô 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 nốivới thanh cái hệ thống công suất vô cùng lớn như hình 3.1, trong sơ đồ không cần biểudiễn bộ phận điều tốc vì đáp ứng của nó tương đối chậm so với đáp ứng của HTKT

Mô hình toán học tổng quát xem xét là mô hình flux–decay như đã trình bày trongmục 2.5.5 Khi phân tích, điện trở đường dây Re và điện trở stator R s bằng không;không có tải trên thanh cái, góc pha đầu của điện áp trên thanh cái θvs = 0

Hình 3.12 Sơ đồ khối điều chỉnh kích từ máy phát nối lưới

+ +

E

E fd

E fd min

Hình 3.14 HTKT thyristor ST1A với AVR

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 vớinhau sau khi chịu các nhiễu loạn nhỏ Vấn đề này dựa trên khả năng duy trì điểm cânbằng 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 xungquanh điểm làm việc có thể chia ra làm hai thành phần:

này có được do trễ pha hay sớm pha của dòng kích từ

Hình 3.5 là đáp ứng tự nhiên của hệ thống đối với các nhiễu nhỏ, đáp ứng nàyphụ thuộc vào một số các yếu tố như điểm làm việc ban đầu, khả năng của hệ thốngtruyền tải, loại điều khiển kích từ được sử dụng Khi một máy phát kết nối với HTĐlớn, mà không 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 mômen tổng T e

phải nằm ở góc phần tư thứ nhất, hay nói cách khác cả ∆TS và ∆TD phảidương