MÔ HÌNH CÁC PHẤN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chương này trình bày mô hình của các phần tử trong mạngđiện nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu ổn định hệ thống điện và mô phỏng.Hệ thống điện bao gồm rất nhiều các phần tử trong hệ thống. Trong khuôn khổ đề tài, các phần tử sau được xét đến:Máy phát đồng bộ, hệ thống điều khiển kích từ, hệ thống tuabin và động cơ sơ cấp, các thiết bị FACTS, bộ điều khiển cuộn cản (SDC), tải. 1.1.Mô hình máy phát: Mô hình máy phát 5 bậc trong hệ trục dq sẽ được khảo sát trong đề tài 1. Các phương trình vi phân mô tả máy phát bao gồm:(chứng minh chi tiết xem phụ lục A.1): Ba phương trình vi phân liên quan đến từ thông rò của Roto: ψ A ψ F I V  r m r m S r    (1.1) Phương trình (1.1) chứa 03 phương trình vi phân nhỏ bên trong bao gồm các từ thông , ,    fd kd kq Phương trình vi phân thứ tư là phươngChương này trình bày mô hình của các phần tử trong mạngđiện nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu ổn định hệ thống điện và mô phỏng.Hệ thống điện bao gồm rất nhiều các phần tử trong hệ thống. Trong khuôn khổ đề tài, các phần tử sau được xét đến:Máy phát đồng bộ, hệ thống điều khiển kích từ, hệ thống tuabin và động cơ sơ cấp, các thiết bị FACTS, bộ điều khiển cuộn cản (SDC), tải. 1.1.Mô hình máy phát: Mô hình máy phát 5 bậc trong hệ trục dq sẽ được khảo sát trong đề tài 1. Các phương trình vi phân mô tả máy phát bao gồm:(chứng minh chi tiết xem phụ lục A.1): Ba phương trình vi phân liên quan đến từ thông rò của Roto: ψ A ψ F I V  r m r m S r    (1.1) Phương trình (1.1) chứa 03 phương trình vi phân nhỏ bên trong bao gồm các từ thông , ,    fd kd kq Phương trình vi phân thứ tư là phương

Chương1

MÔ HÌNH CÁC PHẤN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chương này trình bày mô hình của các phần tử trong mạngđiện nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu

ổn định hệ thống điện và mô phỏng.Hệ thống điện bao gồm rất nhiều các phần tử trong hệ thống Trong khuôn khổ đề tài, các phần tử sau được xét đến:Máy phát đồng bộ, hệ thống điều khiển kích từ, hệ thống tuabin và động cơ sơ cấp, các thiết bị FACTS, bộ điều khiển cuộn cản (SDC), tải

1.1.Mô hình máy phát:

Mô hình máy phát 5 bậc trong hệ trục d-q sẽ được khảo sát trong đề tài [1] Các phương trình vi

phân mô tả máy phát bao gồm:(chứng minh chi tiết xem phụ lục A.1):

Ba phương trình vi phân liên quan đến từ thông rò của Roto:

P : Công suất điện

H : Hằng số quán tính của máyphát, M được tính theo công thức: 2

R

H M

A ,Fm : Các ma trận phụ thuộc vào thông số của máy phát, được tính theo (A.21)

Bên cạnh 5 phương trình vi phân còn có 2 phương trình đại số dùng để tính toán công suất điện

và điện áp của Stato:

Công suất điệnP trong (1.2) có thể được tính theo dòng điện của máy phát như phương trình đại e

Phương trình điện áp Stato thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện Stato và điện áp Stato(chi tiết

chứng minh ở phụ lục A.1) như phương trình đại sau:

s  m r  m s

Với:

m

P và Zm : Các ma trận phụ thuộc vào thông số của máy phát điện, được tính theo (A.17)

1.2.Mô hình bộ điều khiển kích từ và động cơ sơ cấp:

Hệ thống kích từ cần có thông số đầu vào là điện áp đầu cực, giá trị tham chiếu của nó và các tín hiệu từ bộ ổn định PSS Tín hiệu đầu ra của bộ kích từ chínhlà điện áp Phương trình viphânmô tả hệ thống kích từ [2,3] được biểu diễn như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ khối của PSS

Sơ đồ khối của bộ điều khiển PSS gồm có khối độ lợi, các khối sớm/trễ, washout và khối giới hạn.Khối Washout trong cấu trúc PSS phải đảm bảo là PSS chỉ phản ứng khi có các nhiễu loạn và không tác động ở điều kiện xác lập Ở đây, Tín hiệu vận tốc góc Roto được dùng làm tín hiệu đầu vào của bộ PSS Tín hiệu đầu ra của bộ PSS được chuyển thành tín hiệu điện ápV PSS

Phương trình vi phân biểu diễn bộ PSS(chứng minh chi tiết xem phụ lục A.2):

Hình 1.2 Sơ đồ khối của SVC

Các tín hiệu đầu vào đó là điện áp đầu cực của SVC V T , điện áp tham chiếu V T ref , và tín hiệu

bổ sung X SDC từ bộ điều khiển riêng biệt cũng được dùng đến và truyền đến bộ điều khiển chính như trên hình 1.2.Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển SVC là điện nạpB c

Phương trình trạng thái của bộ điều khiển SVC (chứng minh chi tiết xem phụ lục A.3):

bộ điều khiển TCSC được biểu diễn như sau: [8,10,11,12]

Hình 1.3 Sơ đồ khối của TCSC

Tín hiệu đầu racủa bộ TCSC ra là điện kháng X t Sơ đồ khối của TCSC có chứa khối điều khiển chính PI và khối góc kích trễ

Phương trình trạng thái của bộ điều khiển TCSC(chứng minh chi tiết xem phụ lục A.4):

kháng với lưới dựa vào việc điều chỉnh độ lớn điện áp đầu cực của STATCOM Trao đổi công suất tác dụng thì dựa vào việc điều khiển góc lệch pha giữa điện áp đầu cực STATCOM và điện áp lưới Việc trao đổi công suất tác dụng được dùng để điều khiển điện áp DC

Hình 1.4a Sơ đồ kết nối STATCOM vào hệ thống điện Hình 1.4b Quan hệ giữa vecto V C và Vecto V T

Sơ đồ khối của bộ điều khiển STATCOM [6,8]

Hình 1.5 Sơ đồ khối của STATCOM

Khối droop cũng được dùng trong sơ đố khối và tín hiệu đầu vào của khối droop là thành phần dòng điện phản kháng của STATCOM

Phương trình trạng thái của bộ điều khiển STATCOM(chứng minh chi tiết xem phụ lục A.5):

1.4.4 Mô hình bộ UPFC

UPFC là một thiết bị FACTS rất linh hoạt có chức năng cải thiện khả năng vận hành của hệ thống điện [8,14] Sơ đồ kết nối của UPFC vào mạng điện [8,14,15]:

Hình 1.6 Sơ đồ kết nối UPFC

Sơ đồ khối của bộ điều khiển UPFC [8,14,15] được trình bày tại hình 1.7a và hình 1.7b

Sơ đồ khối của UPFC miêu tả hình 1.7a và 1.7b Từ sơ đồ khối hình 1.7a và 1.7b, ta có các

phương trình biểu diễn bộ điều khiển UPFC(chứng minh chi tiết xem phụ lục A.6):

V V

I I

,

T T

V V

u u u u u u u u u u u u u

A , B ,C , D , E ,F ,G , H , J , K ,L , M , N Là các ma trận phụ thuộc vào thông

số của bộ điều khiển UPFC, được tính theo (A.79) và (A.89)

Gom (1.14), (1.15) và (1.16) ta có vectơ biến trạng thái của UPFC là xu  V dc V sh T V se TT

Hình 1.7a Phần mắc shunt của UPFC

Hình 1.7b Phần mắc nối tiếp của UPFC

1.5.Mô hìnhbộ điều khiển đệm bổ sung SDC:

Sơ đồ khối của bộ SCD [6,10,11,12,15] Sơ đồ khối bao gồm khối độ lợi, khối washout, khối sớm/trễ và khối giới hạn

Hình 1.8 Sơ đồ khối của SDC

Có nhiều dạng tín hiệu được đưa vào bộ SDC như tín hiệu góc pha điện áp, tần số, dòng điện hay công suất tác dụng Nhưng chức năng chủ yếu của bộ SDC là cải thiện chế độ đệm liên vùng.Tín hiệu công suất tác dụng được dùng làm tín hiệu đầu vào [10] Vì công suất tác dụng và dao động điện cơ có tương tác đáng kể

Phương trình trạng thái của bộ điều khiển SDC(chứng minh chi tiết xem phụ lục A.7):

Phương trình chuyển động và momen điện từ của động cơ:

r

T T M

G S : Ma trận phụ thuộc vào thông số động cơ, được tính theo (A.110)

Việc có sử dụng thêm mô hình động của động cơ sẽ làm cho số biến trạng thái tăng lên Trên thực tế thì có rất nhiều động cơ kết nối vào mạng điện cho nên việc tương đương các động cơ có cùng đặc tính sẽ được dùng trong đề tài nhằm phân tích và đánh giá [18]

1.7.Tổng kết

Chương này đã trình bày mô hình động của các phần tử trong hệ thống điện như máy phát, động

cơ, phụ tải, các thiết bị FACTS Các phương trình vi phân đại số của từng phần tử cũng được giới thiệu Chương tiếp theo sẽ giới thiệu mô hình động cho nhóm phần tử giống nhau

Chương 2

MÔ HÌNH ĐỘNG NHÓM PHẦN TỬ

Chương trước đã trình bày mô hình động của từng phần tử trong hệ thống điện Chương này sẽ phát triển mô hình động của nhóm phần tửgiống nhau trong hệ thống để phục vụ cho việc nghiên cứu ổn định và mô phỏng hệ thống điệnđể thấy khi có nhóm phần tử này kết nối vào sẽ làm tăng sự ổn định

trận đượctính theo (A.111)

Dựa vào phương trình (1.4), ta suy ra phương trình tính toán công suất điện cho nhóm máy phát:

P Z : Các ma trận được tính toán theo (A.17)

2.2.Mô hình nhóm thiết bị FACTS

Dựa vào các phương trình mô tả một thiết bị FACTS ở chương 1 Gồm có các phương trình trạng thái (1.10) đến (1.12) và (1.14) đến (1.16), ta có:

Đối với UPFC:

Ii i

V V được tính dựa công thức (1.18) và (1.19)

2.3.Mô hình nhóm SDC

Dựa vào phương trình trạng thái (1.20) mô tả cho một SDC, ta mở rộng phương trình trạng thái

biểu diễn cho nhóm ND bộ SDC

suM  suM suM  uM TM

A F :Các ma trận được tính theo (A.107)

Xuất phát từ phương trình đại số (1.22) mô tả điện áp Stato của một động cơ, ta suy rộng ra NI động cơ

sM  mMrM  mM sM

Với:

Chương 3

MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ THIẾT BỊ FACTS

Các chương trước đã trình bày mô hình động của từng phần tử và nhóm phần tử giống nhau trong hệ thống điện Nội dung chương này trình bày mô hình độngcủa hệ thống điện có kết nối với các thiết bị FACTS Các phương trình trạng thái và phương trình đại số mô tả tính động của hệ thống điện sẽ được trình bày để khảo sát vấn đề ổn định

Hình 3.1 Hệ thống điện có NB nút, chứa NG nút máy phát

Tổng quát thì phương trình (3.1) là ở dạng số phức Tuy nhiên, ta có thể tách riêng phần thực, phần ảo và sắp xếp lạiđể có được các phương trình sau với các ma trận hệ số ở dạng thực:

T Chi tiết tham khảo phụ lục B.1 công thức (B.8)

Mô hình hệ thống điện có NB nút, trong đó có chứa NG nút máy phát được biểu diễn bởi 02 phương trình (3.8) và (3.9) Lưu ý rằng các biến VsM, IsM, VLNlà các biến đại số, không phải biến trạng thái

Bây giờ ta xét hệ thống điện có kết nối với các thiết bị FACTS như SVC, STATCOM, TCSC, UPFC

3.2.Mô hình hệ thống điện kết nối nhóm SVC:

Xét hệ thống điện có NB nút, trong đó có chứa NG nút máy phát và NS nút có thiết bị SVC được kết nối vào như hình 3.2

Hình 3.2 Hệ thống điện có NB nút máy phát, chứa NG nút máy phát và NS nút SVC

Mô hình hệ thống điện NB nút, trong đó có chứa NG nút máy phát và NS thiết bị SVC được viết dạng ma trận trong hệ trục D-Q như sau:

1 1

2 2

C C

FS

C C

B B

B B

V I V là các biến đại số, không phải biến trạng thái

3.3.Mô hình hệ thống điện kết nối với nhóm TCSC:

Xét hệ thống điện có NB nút, trong đó có chứa NG nút máy phát và NT nút có thiết bị TCSC được kết nối vào như hình 3.3

2k 1 2k

Hình 3.3 Hệ thống có NB nút máy phát, chứa NG nút máy phát và NT nút TCSC

Mô hình hệ thống điện có NT thiết bị TCSC được viết dưới dạng ma trận như sau:

Vì mỗi TCSC được mắc nối tiếp với đường dây truyền tải điện nên điện kháng TCSC sẽ tăng lên

cả đường chéo và ngoài đường chéo ma trận 2x2 của ma trận tổng dẫn hệthống điện đối với nút có TCSC kết nối vào

3.4.Mô hình hệ thống điện kết nối với nhóm STATCOM:

Xét hệ thống điện có NB nút, trong đó có NG nút máy phát và NC nút có thiết bị STATCOM được kết nối như hình 3.4

Hình 3.4 Hệ thống điện có NB nút máy phát, chứa NB nút máy phát và NC nút STATCOM

Trong hệ trục D-Q, mô hình hệ thống điện có NC thiết bị STATCOM được viết dưới dạng ma trận như sau:

00

Như vậy, hệ thống điện có NC thiết bị STACOM có thể được biểu diễn bằng 04 phương trình (3.8), (3.25), (3.26) và (3.29) Lưu ý rằng các phương trình này chứa cả các biến trạng thái và các biến đại số

3.5.Mô hình hệ thống điện kết nối với nhóm UPFC:

Hình 3.5 Hệ thống điện chứa NB nút, chứa NG nút máy phát và NU nút UPFC

Xét hệ thống điện có NB nút, trong đó có NG nút máy phát và NU nút có thiết bị UPFC được kết nối như hình 3.5

Trong hệ trục D-Q, mô hình hệ thống điện có NU thiết bị UPFC được viết dưới dạng ma trận như sau:

Điện kháng máy biến áp mắc shunt và mắc nối tiếp của UPFClàm tăng ma trận tổng dẫn nút Ma trận YUClà ma trận liên quan đến các dòng điện nút và nguồn điện áp mắc nối tiếp của UPFC (3.33)

1 1

1 2

,NU ,NU

1 1

2 2

,NU ,NU

e e

e e

e e UC

e e

e e

e e

Y Y

Y Y

Y Y

Y Y

Y Y

Y Y

T seN  re V se im V se re V se im V se re V se im V se NU 

T shN  re I sh im I sh re I sh im I sh re I sh NU im I sh NU 

shN UL LN UU shN

Để hoàn thiện mô hình NU thiết bị UPFC kết nối với hệ thống điện cần thêm mối quan hệ giữa

dòng điện nối tiếp của UPFC và điện áp nút hệ thống, nguồn điện áp nối tiếp của UPFC (Chi tiết tính

toán tham khảo phụ lục B.2)

seN  seM se LN  seM seN

Với:

T seN  re I se im I se re I se im I se re I se NU im I se NU 

,

seM se

Y M được tính chi tiết ở phụ lục (B.18) và (B.20)

Chuyển các phương trình (3.37), (3.38) và (3.39) sang thành phần p-q, ta có:

Chương 4

TỔNG KẾT CÁC BIẾN SỐ VÀ PHƯƠNG TRÌNH

Chương này tóm tắt gọn lại các biến trạng thái, biến không trạng thái và các phương trình dùng

để mô hình động của hệ thống điện có nhiều thiết bị FACTS kết nối vào

4.1.Tóm tắt các biến số và các phương trình phi tuyến

Phần này sẽ tóm tắt gọn lại các biến trạng thái và biến không trạng để có thể so sánh và thấy rõ các biến và các phương trình mô hình hệ thống điện có kết nối các thiết bị FACTS

4.1.1 Tổng kết các biến trạng thái và biến không phải biến trạng thái:

Bảng 5.1 tổng hợp các biến trạng thái và các biến không trạng thái

Hệ thống điện Biến trạng thái Biến không trạng thái

Có nhóm UPFC (+nhóm SDC) ψrM,ωrM,δrM,xeM,xgM,xpM,xuM,xsuM VsM,IsM,VLN,VshM,IseM

Bảng4.1 đã bao gồm cả các biến trạng thái và biến không trạng thái của nhóm máy phát điện

và bộ điều khiển kích từ của chúng cùng với các động cơ sơ cấp và các bộ govener

Khi có nhóm STATCOM kết nối vào:

seM se LN   M seM  seM  M seM 

4.2.Hệ thống điện kết nối với các nhóm thiết bị FACTS

Các phương trình mô tả hệ thống điện kết nối với từng loại thiết bị FACTS khác nhau được xem xét ở các phần trước Mở rộng ra khi hệ thống điện kết nối với nhiều loại thiết bị FACTS khác nhau thì các phương trình mô tả cũng sẽ tăng lên tương ứng với thiết bị FACTS được kết nối vào Các phương trình tương ứng đã được trình bày ở các phần trên

Sau đây các phương trình đại số mô tả hệ thống điện kết nối với nhiều loại thiết bị FACTS khác nhau

Hệ thống điện kết nối với nhóm SVC và nhóm TCSC:

Hệ thống điện kết nối với nhóm TCSC và nhóm UPFC:

4.3.Hệ phương trình vi phân – đại số

Mô hình động của hệ thống điện có thiết bị FACTS kết nối vào được biểu diễn bởi các phương trình vi phân – đại số (DAEs) Ta có thể viết gọn lại như sau:

x : Vectơ biến các biến trạng thái

w: Vectơ các biến không trạng thái (biến đại số)

Như vậy, ta có hệ phương trình mới: