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

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 • Nghi

MỤC LỤCPHẦN 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 tĩnh 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 [ψabc] với [iabc]: II.20 2.3 TỔNG TỪ TRƯỜNG CỦA CÁC CUỘN DÂY-HỆ PHƯƠNG TRÌNH ĐẦY ĐỦ II.20 2.4 HỆ PHUƠNG 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

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

6.9.1.1 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 DỤ 4.4) IV.7 0.3 PHỤ LỤC 5.3 IV.12 0.4 PHỤ LỤC 5.4 IV.23 0.5 PHỤ 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

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

• 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

PHẦN II:

KHẢO SÁT BỘ PSS ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MÁY

PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

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 tĩnh và định động

Ổn định tĩnh của hệ thống điện thường được định nghĩa 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 tĩnh 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 tĩnh Đó là định nghĩa ổn định tĩnh của hệ thống điện

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

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

• 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

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

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 tĩnh và nguyên nhân mất ổn định

ỔÂn định tĩnh của chế độ xác lập luôn luôn tồn tại, nếu tồn tại chế độ xác lập đó Chế độ không ổn định tĩnh 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 tĩnh có một ý nghĩa 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 tĩnh 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 tĩnh trong quá trình này xác định khả năng tiến dần đến mất ổn định tĩnh

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

giöõa rođto cụa moôt soâ maùy phaùt ñieôn ñoâi vôùi boô phaôn coøn lái cụa heô thoâng seõ taíng leđn Luùc döï tröõ cođng suaât phạn khaùng trong heô thoâng chöa söû dúng heât thì coù theơ duy trì ñöôïc möùc ñieôn aùp bình thöôøng Trong tröôøng hôïp naøy chư coù ñoô taíng cụa goùc leôch cụa rođto caùc maùy phaùt ñieôn môùi cho pheùp phaùn ñoaùn ñeân söï tieân daăn ñeân maât oơn ñònh tređn quan ñieơm oơn ñònh tónh Neâu khođng coøn döï tröõ cođng suaât phạn khaùng thì trong quaù trình tieân daăn naøy, ñieôn aùp seõ giạm xuoâng, ñoù cuõng laø moôt trong nhöõng nguy cô laøm maât oơn ñònh tónh

Nhö vaôy trò soâ döï tröõ oơn ñònh tónh coù theơ ñöôïc kieơm tra baỉng trò soâ caùc goùc leôch cụa rođto maùy phaùt ñieôn vaø cụa ñieôn aùp trong heô thoâng

Ñeơ traùnh maât oơn ñònh tónh, ôû cheâ ñoô laøm vieôc bình thöôøng, goùc leôch rođto cụa caùc maùy phaùt phại ñöôïc hán cheâ trong giôùi hán nhaât ñònh vaø ñieôn aùp ôû caùc nuùt chụ yeâu trong heô thoâng khođng ñöôïc giạm thaâp hôn möùc ñoô quy ñònh Do ñoù luùc ñieău chưnh cheâ ñoô laøm vieôc cụa heô thoâng xuaât hieôn nhöõng vaân ñeă sau:

1 Quy ñònh goùc leôch giôùi hán cụa rođto maùy phaùt hoaịc cuõng chíng laø giôùi hán cođng suaât truyeăn tại

2 Quy ñònh ñieôn aùp giôùi hán theo ñieău kieôn oơn ñònh tónh ôû caùc nuùt chụ yeâu

Luùc tieân gaăn ñeân giôùi hán oơn ñònh tónh, ngöôøi ñieău haønh caăn phại thaôn tróng vaø phại duøng taât cạ nhöõng bieôn phaùp caăn thieât ñeơ traùnh ñi ñeân maât oơn ñònh Do ñoù vaân ñeă coù moôt döï tröõ oơn ñònh tónh ñụ lôùn ôû cheâ sau söï coâ, coù moôt yù nghóa ñaịc bieôt quan tróng ñoâi vôùi tính laøm vieôc ñạm bạo cụa heô thoẫng Neâu cheâ ñoô xaùc laôp sau söï coâ coù nhöõng thođng soâ vaôn haønh cho pheùp thì ñieău ñoù cuõng chöa ñạm bạo ñöôïc raỉng söï coâ seõ khođng mang lái haôu quạ nguy hieơm vì cheâ ñoô sau söï coâ naøy chöa ñụ döï tröõ oơn ñònh tónh Döõ tröï naøy caăn vì coù khạ naíng maât oơn ñònh trong vaøi phuùt sau söï coâ, luùc ñieău haønh vieđn coøn chöa kòp söû dúng nhöõng bieôn phaùp caăn thieât ñeơ nađng cao oơn ñònh Thođng thöôøng khạ naíng maât oơn ñònh coù theơ do phú tại trong heô thoâng taíng leđn neâu söï coâ xạy ra vaøo luùc phú tại ñang taíng hoaịc do ñoùng caĩt caùc ñoông cô ñaõ caĩt

ra vì ngaĩn mách

Khạ naíng oơn ñònh tónh ôû cheâ ñoô sau söï coâ laø moôt trong nhöõng ñieău kieôn chụ yeâu ñeơ heô thoâng thoaùt khoûi tình tráng söï coâ Do ñoù luùc söï coâ, tröôùc khi nghieđn cöùu oơn ñònh ñoông caăn phại khaúng ñònh ñöôïc raỉng seõ coù oơn ñònh sau söï coâ Ñieău naøy ñaịc bieôt quan tróng trong tröôøng hôïp neâu vì söï coâ maø phại caĩt moôt rong nhöõng phaăn töû chụ yeâu cụa heô thoâng, ví dú moôt mách cụa ñöôøng dađy tại ñieôn ñi xa

Caùc thođng soâ söï coâ khođng phại ñôn trò Ñieău naøy coù theơ giại thích qua ví dú ñôn giạn: Xeùt heô thoâng trong moôt maùy phaùt laøm vieôc vôùi ñöôøng dađy tại ñieôn 2 mách Sau söï coâ,moôt mách bò caĩt,ñöôøng ñaịc tính cođng suaât cô cụa tuabin vaø ñaịc tính cođng suaât ñieôn sau söï coâ caĩt nhau tái hai giaù trò δ, trong ñoù coù moôt giaù trò δ1 laø ñieơm oơn ñònh vaø giaù trò kia δ2 coù theơ oơn ñònh hoaịc khođng oơn ñònh

Luùc caùc ñöôøng ñaịc tính coù giao nhau,chuùng ta seõ laây ñeơ tính toaùn ñieơm öùng vôùi cheâ ñoô oơn ñònh,maịc daău giao ñieơm chư môùi noùi ñeân khạ naíng coù theơ oơn ñònh ôû

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 tĩnh hoặc động.Thực tế trên mô hình tính toán tĩnh 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 tĩnh 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 tĩnh 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 tĩnh 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 tĩnh 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 tĩnh 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 tĩnh 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 tĩnh lúc sự cố nặng cần sử dụng giảm tải theo tần số

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 tĩnh của hệ thống điện Đồng thời không nên quên ý nghĩa 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 tĩnh 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 tĩnh, như tự động cắt một số máy phát và điện kháng lúc sự cố

Như vậy, sự khác nhau giữa mất ổn định tĩnh 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 tĩnh 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 tĩnh ta đã xét tính làm việc ổn định của hệ thống trong điều kiện bình thường, nghĩa là nó chỉ tồn tại những dao động nhỏ

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

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

nhanh để loạitrừ ngắn mạch thì hệ thống sẽ có nguy cơ mất ổn định

Mất ổn định tĩnh 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

• 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:

Power system Stability

Disturbance Voltage Stability

Large-Transient

Stability

Disturbance Voltage Stability

Small-Mid-termStability Long-termStability

dynamics -Study period

to several min

-Uniform system frequency -Slow dynamics -Study period to ten min

-Large disturbance-Switching events -Dynamic of ULTC, loads -Coordination of protection s and control

Control Modes

Torsional Modes

-Insufficient damping torque -Unstable control action

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

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

(q-axis) Giả sử chỉ có một cuộn cản ở mỗi trục Mỗi dây quấn được thay bằng cuộn dây có một vòng

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

Dây quấn dọc (Kd)

Cuộn đệm ngang trục:ukq = 0 = rkqikq +

dt

Ta có hệ phương trình 12 ẩn, để khử ẩn ta dùng quan hệ:

- Stato: [ψabc] quan hệ [iabc]

- Rotor: ψf,kd,kq quan hệ if,kd,kq

a

ψ = 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

2.2.2 Từ trường cuộn đệm dọc W kd : (nằm cùng trục W f )

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

s kd kd c kd

c

kd kd

s kd kd b kd

b

kd kd

s kd kd a kd

a

i L

i L

i L

i L

i L

i L

)

120cos(

)

120cos(

cos

0 ,

, ,

0 ,

, ,

, ,

,

θψ

θψ

θψ

Ls,kd = τl

π

2δ

μ0 (Wkdkf) (Wkdq)

2.2.3 Từ trường cuộn đệm ngang W kq :

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

md

mq md

b

a ts

ts bs

as

i

i L

L

L L

i

i L

L

)120sin(

)120cos(

sincos

00

00

0

θ

θθ

ψ

ψ

(2.8)

s: Chỉ từ thông các pha a,b, c do các cuộn dây stato gây nên

2.2.5 quan hệ [ψabc] với [i abc ]:

=

++

=

++

=

kq kq c kd kd c f f c

aR

kq kq b kd kd b f f b

aR

kq kq a kd kd a f f a

aR

i L i L i L

i L i L i L

i L i L i L

, ,

,

, ,

,

, ,

2.3 Tổng từ trường của các cuộn dây-hệ phương trình đầy đủ

Của cuộn dây pha A stato:

ψψ

ψ

kq kq a kd kd a f f a c ac b ab a aa aR

kq kq c

kq b kq a kq

kd kd f kd c kd b kd a kd

kd f f f c f b f a f

kq c kd c f c c b a

kq b kd b f b c b a

kq a kd a f a c b a

L L

L L

L L

L L L

L L

L L L

L L

L L L L

L L

L L L L

L L

L L L L

, ,

, ,

, ,

, , ,

, ,

, , ,

, ,

,

' , , ,

, ,

, ,

' , ,

, ,

, , ,

' ,

00

00

kq kd f c b a

kq kd f s s s

i i i i i i

r r r r r r

00000

00

000

000

00

0000

0

00000

00000

=+

L aa ts aa ts

0 ' =L +L =L +L +L≈ θ −

L bb ts bb ts

0 ' =L +L =L +L +L≈ θ +

L + L~cos(2θ + 120)= Lca

La,kd = Ls,kd cos(θ)=Lkd,a ;Lb,kd = Ls,kd cos(θ-1200)= Lkd,b ;Lc,kd = Ls,kd cos(θ+1200)=

ππ

-1200)= Lkq,b ;Lc,kq = Ls,kqcos(θ+ )

3

22

2.4 HỆ PHUƠNG TRÌNH TRONG HỆ TOẠ ĐỘ ROTOR:

2.4.1 Hệ phương trình rotor:

r

u

dt

d i

kq

kq

kd kd

kd

kd

f f

f

f

ψψψ

=

++

++

−+

=+

=

++

++

−+

=+

=

kq kq kq c

kq s b

kq s a

kq s kqR kqs

kq

f kd f kd kd kd c

kd s b

kd s a

kd s kdR kdS

kd

kd kd f f ff c

sf b

sf a

sf fR fS

f

i L i

L i

L i

L

i L i L i

L i

L i

L

i L i L i

L i

L i

L

,

0 ,

0 ,

,

, ,

0 ,

0 ,

,

, 0

0

)120sin(

)120sin(

sin

)120cos(

)120cos(

cos

)120cos(

)120cos(

cos

θθ

θψ

ψ

ψ

θθ

θψ

ψ

ψ

θθ

θψ

12

sin

)120cos(

)120cos(

cos3

2)

0 0

θθ

θ

θθ

θθ

d

i

i T i

i

)(θ hay viết ở dạng khác [ ]i dq0 =[T(θ)][ ]i abc

Hay biến đổi ngược lại :

0

0 0

0 1

1)120sin(

)120cos(

1)120sin(

)120cos(

1sin

cos)]

(

[

i i

i x i

T

d dq

abc

θθ

θθ

θθ

[ ] [ ]abc s abc [ ]abc

dt

d i

+

=

0,

, 0

kd kd s f sf d md dq

ts

i L i L i L i

L

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:

[ ] [ ] [ ] [ ]dq s dq dq dq

dt

d i

=

++

=

−+

=

0 0 0 0

d q

q

s

q

q d

d

s

d

ψψ

ωψψ

ωψψ

=

++

=

++

+

=

kd kd kd f kd f d kd

s

kd

kd kd f f ff d

sf

f

kd kd s f sf d md d

ts

d

i L i L i L

i L i L i

L

i L i L i L i

L

, ,

,

, ,

Hệ phương trình cân bằng từ thông chiếu theo phương ngang trục:

=

kq kq kq q kq

s

kq

kq kq s q mq q

ts

q

i L i

L

i L i L i

L

, ,

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

++

=ψ

++

=ψ

' kd

' kd , kd

' f md d md

'

kd

' kd md

' f

' ff d

' kd

'

f

' kd md

' f md d d d

iLiLiL

iLiLii

iLiLiL

' kq , kq q mq

'

kq

' kq mq q q q

iLiL

iLiL

Trong đó:

• Lq =Lmq +Lts

kq ,

2.5.2 Hệ phương trình cân bằng điện áp:

2.5.2.1 Hệ phương trình rotor:

=

ψ+

=

ψ+

=

dt

di

r

u

dt

di

r

u

dt

di

r

u

' kq '

2.5.2.2 Hệ phương trình stato:

=

++

=

−+

=

0 0 0 0

dt

d i r u

dt

d i r u

dt

d i r u

ts s

d q

q s q

q d

d s d

ψψ

ωψψ

ωψψ

Sơ đồ thay thế:

*[ T-1 (θ) ]*[ idq0 ]

+ -

+

-

+-

L’tkdr’kd

dt

d ψq

+

-uq

Lmd

L’tkq r’kqi’kd

i’kq

θθ

θ

11

1

)120

- sin(

)120-sin(

)120

- cos(

)

cos(

0 0

0 0

θ

θ

−θ

θθ

1 )120-sin(

)120cos(

1 )120-sin(

)120cos(

-1 )sin(

) cos(

-0 0

0 0

0

0 /23 0

0 0 /23

i

=

2

3( ud*id + uq*iq ) + 3 u0*i0 (2.31)

2.6.2 MÔ MEN ĐIỆN TỪ

WH : Năng lượng từ trường

M =

θ

∂

=γ

∂

∂

=

H const

ipha

w.pw

θ

θθ

θ

)120

- sin(

)120-sin(

)sin(

-)120+cos(

)120

- cos(

) cos(

0 0

0 0

d [ψdq] + [ if, kd, kq ]T

*

θd

'ψ

'ψ

ψ =

3/2

''if*ψf

d [ idq ] + [ idq ]T

θd

d [ψdq] + [ if, kd, kq ]T + [ i’f, kd, kq ]T

*

θd

++

++

kq kq , kq q mq

kd kd kd, f md d md

kd md f ff d md

'i'LiL

'iL'i'LiL

i'Li'L'iL

∂

q q mq

d d md

d d md

iiL

iiL

iiL

[ i’f, i’kd,i’kq ]T

∂θ

∂

q q mq

d d md

d d md

iiL

iiL

iiL

= (i’f + i’kd)Lmd

θd

d id + i’q

θd

d iq + [ i’f, i’kd,i’kq ]T

θd

kq md q

q

kd f ff d md

i'Li

L

)i'(i'L'iL

d d

id

dL

id

dL

θ

q q

d d

id

dL

id

dL

+ [(i’f + i’kd)]

θd

=ψ

+

=

q d s

*

q d s

j

jiii

Nhận xét:

M=

2

3p(ψdiq - ψqid ) : là biểu thức tổng quát đúng ở mọi máy, mọi chế độ

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

CHƯƠNG 3:

MÔ HÌNH MÁY PHÁT TRONG KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH

3.1 Các giả thiết

Trong khảo sát ổn định của hệ thống điện, để đơn giản mà vẫn không mất đi tính chính

xác, các giả thiết được đưa ra:

• Bỏ qua các thành phần điện áp pψ trong phương trình điện áp stato theo các trục d-q

• Bỏ qua ảnh hưởng của thay đồi tốc độ lên điện áp stato

• Trong khảo sát ổn định tĩnh bỏ qua tác dụng của điều tốc

• Bỏ qua hiện tượng bảo hoà mạch từ trong máy phát

3.2 Mô hình khi từ thông móc vòng hằng số

Bỏ qua tác dụng của cuộn đệm, mạch tương đương liên hệ với từ thông móc vòng tương đương theo các trục d_q và dòng điện được trình bày ở hình 2.1

Hình 3.1

Từ thông móc vòng stator và rotor là:

ad d l fd

d ad d l

aq q l q

ad q l

q L i L i L i ψ

fd fd ad fd fd fd q ad

)(

fd

fd d ad ad fd fd

ad d ad fd

ad d ad ad

L i L L

L i L i

L i

ψψ

với :

fd ad

ads

L L

L

11

1+

Moment khe hở :

q aq q ad q q q d

Các chế độ làm việc giới hạn của máy phát điện được xác định bởi khả năng động cơ sơ cấp, bởi dòng kích từ giới hạn, giới hạn dòng phần ứng và giới hạn phát nhiệt đầu răng rãnh stator Ba giới hạn sau sẽ giới hạn khả năng phát công suất phản kháng Trong quá trình làm việc cung cấp điện cho tải, máy phát có thể đạt đến chế độ làm việc giới hạn Tuy nhiên, thông thường chỉ có một thông số chế độ giới hạn được đạt đến trong khi các thông số khác còn có một dự trữ đáng kể Điều này hạn chế công suất phản kháng phát ra và giới hạn khả năng điều chỉnh điện áp Biện pháp hợp lý trong trường hợp này là tìm cách điều chỉnh giảm giá trị thông số đã đạt đến giới hạn đồng thời tăng giá trị của các thông số chưa đạt đến giới hạn cho đến khi các thông số đồng thời đạt đến giới hạn Khi đó thường là công suất phản kháng phát ra và điện áp đầu cực máy phát tăng lên Giới hạn ổn định cũng vì vậy được nâng lên

Sau đây sẽ trình bày một biện pháp là thay đổi đầu phân áp máy biến áp tăng áp của máy phát để giảm giá trị thông số đã đạt đến giới hạn kết hợp với việc điều chỉnh các thông số khác của máy phát để đạt được kết quả

Trước tiên chúng ta cần nhắc lại sơ lược các chế độ giới hạn phát công suất phản kháng của máy phát

3.4 Các chế độ giới hạn :

3.4.1 G iới hạn dòng điện phần ứng

Dòng điện phần ứng gây nên tổn thất công suất RI2 và năng lượng sinh ra do tổn thất này sẽ làm tăng nhiệt độ vật liệu và nhiệt độ môi trường xung quanh Vì vậy một trong các giới hạn định mức máy phát là dòng điện phần ứng lớn nhất mà không vượt quá giới hạn nhiệt

Công suất biểu kiến ngõ ra là:

trong đó ϕ là góc hệ số công suất

Vì vậy trong mặt phẳng P-Q giới hạn dòng điện phần ứng được trình bày trên hình 2-1 có dạng đường tròn với tâm tại gốc tọa độ và bán kính bằng công suất biểu kiến định mức Khi vận hành máy phát, điểm vận hành tương ứng với công suất tác dụng và phản kháng phát ra không được vượt ra ngoài hình tròn công suất định mức

Hình 3-2 Giới hạn nhiệt dòng điện phần ứng 3.4.2 Giới hạn dòng điện kích từ

Bởi vì nhiệt lượng phát sinh do tổn thất công suất trong mạch kích từ sẽ làm nóng máy phát, nên dòng điện kích từ giới hạn là giới hạn thứ hai khi vận hành máy phát

Khi kích từ không đổi thì mạch tương đương trạng thái xác lập của máy phát được trình bày trên hình 2-2

Hình 3.3 Mạch tương đương trạng thái xác lập

Trong mô hình trên đã bỏ qua hiệu ứng cực lồi của rotor để đơn giản cho khảo sát nên

Hình 3.4 Giản đồ véc tơ trạng thái xác lập

Chiếu Eq theo phương ngang và thẳng đứng ta được

ϕ

cos)(X ad i fd i =E s +X s I s

s

s i fd s s

ad s

s

X

E i

E X

X I

E Q

ad s

X

X I

E

fd s s

ad E i X

X

0

s

s X

E2

Giới hạn nhiệt dòng kích từ

Công suất và hệ số công suất định mức

Giới hạn nhiệt dòng phần ứng

Giao điểm giới hạn nhiệt do dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ cắt nhau tại A, tương ứng với công suất biểu kiến MVA và hệ số công suất định mức của máy điện

3.4.3 Giới hạn nhiệt vùng biên

Sự phát nóng cục bộ trong vùng biên phần ứng là giới hạn thứ 3 khi vận hành máy điện

đồng bộ Giới hạn này ảnh hưởng khả năng của máy điện trong điều kiện thiếu kích thích Theo sơ đồ dây quấn vùng biên máy phát, từ thông tản đi vào và đi ra theo hướng vuông góc với các lá thép mỏng stato làm phát sinh dòng điện xoáy trong các lá thép và làm phát nóng cục bộ trong vùng biên Khi dòng điện kích từ lớn tương ứng với điều kiện qúa kích từ nhờ vòng duy trì bão hòa, nên từ thông tản vùng biên nhỏ Tuy nhiên, trong miền thiếu kích thích dòng điện kích từ nhỏ và vòng duy trì không bão hòa nên cho phép tăng từ thông tản vùng biên phần ứng Hơn nữa trong điều kiện thiếu kích thích, từ thông sinh

ra bởi dòng điện phần ứng cộng với từ thông sinh ra bởi dòng điện kích từ; vì vậy từ thông vùng biên tăng cao và phát nóng làm giới hạn công suất ngõ ra máy phát, đặc biệt đối với máy điện rôto dây quấn Giới hạn nhiệt vùng biên được trình bày trong hình 2-5 cùng với giới hạn nhiệt do dòng điện phần ứng.

Giới hạn nhiệt dòøng điện phần ứng và dòng điện kích từ vẽ trên mặt phẳng P-Q phụ thuộc vào tham số điện áp phần ứng

Hình 3.6: Đồ thị kết hợp giới hạn dòng phần ứng

Giới hạn dòng điện kích từ

-0.2 -0.4 -0.6

1.0

0.951.364

1.295

với Vs =1.0 với Vs=0.95

Hình 3.7: Giới hạn nhiệt vùng biên

Các giới hạn ở trên khi vận hành máy phát được kết hợp thành khả năng của chính máy điện và được xác định khi thiết kế máy điện Ngoài ra các giới hạn được xác định bởi các giới hạn ổn định hệ thống điện

3.5 Đường cong V và đường cong kết hợp

Đường cong biểu diễn quan hệ giữa dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ khi điện

áp đầu cực và công suất tác dụng ngõ ra không đổi gọi là đường cong V Các đường đứt

nét là qũy tích của hệ số công suất không đổi được gọi là đường cong kết hợp Mỗi đường

cong này cho thấy dòng điện kích từ phải thay đổi như thế nào để duy trì hệ số công suất không đổi.

Hình 2-6 Đường cong V và đường cong kết hợp cho máy phát

ở điện áp phần ứng định mức

Giới hạn nhiệt vùng cuối

Dòng điện kích từ (pu)

Công suất biểu kiến (pu) Biên độ dòng điện phần ứng (pu)

Giới hạn dòng điện kích từ

Q

Giới hạn nhiệt vùng biên

Giới hạn nhiệt dòng điện phần ứng

P

0

Với giá trị P đã cho, dòng điện phần ứng nhỏ nhất tại hệ số công suất bằng 1 Trong

điều kiện này từ trường cung cấp đủ dòng điện từ hóa yêu cầu và dòng điện phần ứng chỉ

có thành phần tác dụng Máy phát không phát hoặc thu công suất phản kháng

Nếu dòng điện kích từ tăng vượt qúa giá trị tương ứng UPF Dòng điện stato gồm có

thành phần phản kháng cộng với thành phần tác dụng sẽ tăng lên và trễ so với điện áp đầu cực stato Công suất phản kháng ngõ ra Q dương và hệ số công suất mang tính trễ Máy phát dưới điều kiện này gọi là qúa kích thích

Nếu dòng điện kích từ giảm so với giá trị tương ứng với UPF, từ trường không đủ để từ

hoá máy điện, và dòng điện từ hóa được thu từ hệ thống Dòng điện stato thu bởi máy phát tăng khi dòng điện kích từ giảm Vì vậy biên độ của dòng điện stato tổng tăng lên Máy điện thu Q, Q ngõ ra mang dấu âm Dòng điện stato vượt trước điện áp và vì vậy hệ số công suất có tính sớm pha Máy phát dưới điều kiện này gọi là dưới kích từ

Ba đoạn AB, BC và CD lần lượt tương ứng với giới hạn dòng điện kích từ, giới hạn dòng

điện phần ứng, và giới hạn nhiệt vùng biên

1) Góc rotor máy phát tăng do thiếu moment đồng bộ hoặc

2) Biên độ dao động rotor tăng do thiếu moment cản cần thiết

Đối với các hệ thống điện thực tế, ổn định nhiểu nhỏ là các dao động có tính tắt dần Ổn định tĩnh sử dụng phương pháp tuyến tính hoá, cung cấp thông tin có thể đánh giá đặc tính động học của hệ thống và hỗ trở cho việc thiết kế hệ thống

4.2 ỔN ĐỊNH CỦA HỆ MỘT MÁY LÀM VIỆC VỚI THANH CÁI VÔ HẠN

Trong phần này chúng ta sẽ khảo sát đáp ứng của hệ một máy nối tới hệ thống vô cùng lớn ( SMIB ) qua đường dây truyền tải như hình 4.1 Việc phân tích hệ thống đơn giản rấtø hữu ích trong việc hiểu các ảnh hưởng và các khái niệm cơ bản

Khi máy phát làm việc với hệ thống công suất vô cùng lớn thì điện áp đầu cực máy

hằng số khi máy phát khảo sát bị kích thích nhỏ Tuy nhiên khi trạng thái xác lập của hệ thống thay đổi, biên độ điện áp EB có thể thay đổi theo

Sau đây chúng ta sẽ phân tích ổn định nhiểu nhỏ hệ thống ở hình 4.2 với mô hình máy phát ở dạng chi tiết

4.2.1 Mô hình thay thế máy phát

Mô hình máy phát làm việc với hệ thống vô cùng lớn trong đó bỏ qua tất cả các điện trở được mô tả trong hình 4.3:

Hình 4.3:

Trong đó: E′=Eto + jX′d I.to : vectơ điện áp trong quá trình quá độ

XT =Xd′ +XE

Xd’: điện kháng quá độ máy phát

Eto : là điện áp đầu cực máy phát trước khi xảy ra kích thích

T

B T

B O to

jX

j E

E jX

E E

=

−

∠+

B t

X

E E E j X

E E I E jQ P

' ' '

' '

+

=+

đầu cực máy phát (P ).Trong đơn vị tương đối, moment khe hở bằng với công suất khe hở (công suất truyền từ rotor sang stator), do đó:

Te = P =

T

B X

E

E '

.sinδ Tuyến tính hóa (4.71) với điều kiện làm việc ban đầu: δ =δ0 thu được:

)(cos

'

δδδ

∂

∂

=Δ

T

B e

e

X

E E T

r

ωω

Với Δωr là độ lệch tố độ ở đơn vị tương đối, δ là góc lệch roto so với thanh cái vô cùng làm chuẩn tính bằng radian điện, ω0là tốc độ điện roto rad/s, và p là toán tử

vi phân d/dt với t tính bằng giây (s)

Tuyến tính hóa Eq 4.73 và thay ΔT e cho bởi Eq 4.72 ta thu được:

X

E E

S D

K H

K dt

10

22

ωω

δ

Eq 4.78 có dạng :x* = Ax+Bu Các phần tử của ma trận A phụ thuộc vào các thông số KD , H , XT, và điều kiện đầu cho bởi E’ và δ0 Sơ đồ khối mô tả Eq 4.78 được trình bày ở hình 4.4 có thể dùng để mô tả đáp ứng nhiểu nhỏ:

−Δ

K H

Δ

−Δ

−

S

T s

K K

ω

Sắp xếp Eq 4.79 lại, thu được:

H H

K s

H

K

2)(2)(2)

H

K s H

K

Eq 4.80 có dạng:

0

2 + n s+ n =

H = Hằng số quán tính ; MWs/MVA

Δωr = Độ lệch tốc độ ; pu (ωr - ω0)/ ω0

Δδ = Độ lệch góc rotor ; electrical rad (Độ điện)

s = Toán tử laplace

ω0 =Tốc độ điện định mức ; electrical rad/s = 2πf0

)0(ΔT m =

D n

D

H K

K H

K

ωω

ξ

22

12

Các giá trị điện kháng trên hình E 4.1 cho ở hệ đơn vị tương đối, hệ đơn vị cơ bản

ở 2220 MVA, 24kV Bỏ qua điện trở của các phần tử

Điểm làm việc trước khi sự cố tính theo đơn vị tương đối ở hệ cơ bản 2220MVA, 24kV

a)Phương trìng trạng thái tuyến tính hóa của hệ Giá trị riêng, tần số dao động, hệ số tắt dần và tần số dao động tự nhiên ứng với các trường hợp hệ số cản sau (pu tonque/pu speed ) :

,1

3,09,0

*

j

j Et

jQ p

=

′+

995,0123,1

T

B S

X

E E

10

22

0

*

*

H H

K H

K

r S D

r

δ

ωω

δ

ω

m T

0,377

108,0143

,0

δ

ωr

D K

m T

Δ

Gía trị riêng của ma trận trạng thái xác định từ:

λ

0,377

108,0143

Tần số dao động tắt dần: ωd =ωn 1−ξ2

Bảng sau là kết quả λ , ξ , ωn ứng với các giá trị K D khác nhau

Tần số dao động tự

Trường hợp K D =10, phương trình trên trở thành:

00

,377

108,043

i

φ

φλλ

Với λ=−0,714+ j6,35,suy ra: Các vectơ riêng bên phải xác định từ:

0)(A−λI φ =

Trường hợp K D =10, phương trình trên trở thành:

00

,377

108,043

i

φ

φλλ

Với λ1 =−0,714+ j6,35, suy ra:

⎩

⎨

⎧

=+

−

−

=

−+

−

0)35,6714,0(377

0108.0)35,6714

,

0

(

21 11

21 11

φφ

φφ

j j

Hệ phương trình trên không độc lập tuyến tính, do đó một trong các véc tơ riêng tương ứng với một trị riêng có thể chọn tuỳ ý,

0168.00019.00

.1

0168.00019.00168.00019

Φ

=Φ

=

056.05.076.29

056.05.076.29)

(

1

j j

j j

21 12 11 11

4.6503.04.6503.0

4.6503.04.6503.0

ψφψφ

ψφψφ

Đáp ứng thời gian cho bởi, ⎢⎡Δ r t ⎥⎤=⎢⎡ ⎥⎤⎢⎡c e 1t⎥⎤

1 12 11)

ω

Với Δδ =50 =0.0873rad vàΔωr =0 tại thời điểm t=0, ta có

0049.00436.00873.0

0056.05.076.29

056.05.076.29)

0(

)0(22

21

12 11

2

1

j

j j

j

j j

c

δ

ωψ

ψ

ψψ

Đáp ứng thời gian độ lệch tốc độ,

pu t e

e c e

c

r( ) 0.0015 0 714 sin(6.35 )

2 12 1

e e

c e

c

t) t t 0.0885 tcos(6.35 0.112)

2 22 1

4.2.2 Ảnh hưởng động học của mạch kích từ

Chúng ta biết rằng hoạt động của hệ thống bị ảnh hưởng do sự thay đổi từ trường kích từ Trong phần này ta bỏ ảnh hưởng của các cuộn đệm dọc trục và ngang trục và điện áp kích từ giả sử giữ không đổi (Kích từ bằng tay)

Sau đây chúng ta sẽ phát triển mô hình không gian trạng thái của hê thống bằng cách tối giản các phương trình mô tả máy phát tới dạng thích hợp và sau đó kết hợp với các phương trình mạch ngoài Các thông số thời gian được đo bằng s, góc đo bằng độ điện và các thông số còn lại đo bằng đơn vị tương đối:

* Phương trình mô tả máy phát:

)(

2

1

r D e m

d e

Bd E

Bq E

B

E

t E

Như đã đề cập ở phần trước, phương trình động học của mạch kích từ:

fd fd fd

adu

fd fd

fd fd

L

R i

R e

d ads d l

aq q l q

ads q l

q L i L i L i ψ

fd fd ad fd fd fd q ads

)(

fd

fd d ads ad

fd fd

ads d ads fd

ads d ads ad

L i L L

L i L i

L i

ψψ

với :

fd ads

ads

L L

L

11

1+

=

Mạch rotor theo phương ngang trục không được xem xét, do đó:

q aqs

aq =−L i

Moment khe hở :

q aq q ad q q q d

4.2.2.1 Phương trình mạch ngoài:

Đối với hệ SMIB, máy phát và mạch ngoài có thể mô tả trong cùng hệ tọa độ d_q của máy phát Điện áp đầu cực máy phát và điện áp EB viết trong hệ toạ độ d_q:

Lads

I

L

q i