Nguyên cứu ứng dụng pss để ổn định công suất cho hệ thống máy phát điện nhà máy lọc dầu dung quất

Đề tài trình bày cấu trúc hệ thống điện NMLD Dung Quất tổng quan các vấn đề liên quan dao động hệ thống điện cấu trúc các bộ PSS và cải thiện dao động trong hệ thống bởi các bộ ổn định công suất PSS Trên cơ sở dữ liệu các thông số thiết bị và vận hành của nhà máy đề tài đã thực hiện xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phát điện nhà máy lọc dầu Dung Quất trong chế độ nối lưới Mô phỏng dao động của hệ thống điện trong các trường hợp sự cố lưới được thực hiện qua đó đánh giá hiệu quả của các bộ PSS1A và PSS4B đối với cải thiện dao động hệ thống Kết quả mô phỏng cho thấy các bộ PSS thể hiện được hiệu quả trong việc nâng cao khả năng ổn định của hệ thống trong các nhiễu loạn nhỏ cũng như sự cố hệ thống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

ĐOÀN NGUYỄN QUỐC HÙNG

NGUYÊN CỨU ỨNG DỤNG PSS ĐỂ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT

CHO HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN NHÀ MÁY

LỌC DẦU DUNG QUẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Quảng Ngãi, năm 2018

ĐOÀN NGUYỄN QUỐC HÙNG

NGUYÊN CỨU ỨNG DỤNG PSS ĐỂ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT

CHO HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN NHÀ MÁY

LỌC DẦU DUNG QUẤT

Chuyên ngành: Kỹ Thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HOÀNG MAI

Quảng Ngãi, năm 2018

Tôi xin cam đoan Đề tài “Nguyên cứu ứng dụng PSS để ổn định công suất cho

hệ thống máy phát điện Nhà máy lọc dầu Dung Quất” là công trình nghiên cứu của

riêng cá nhân tôi

Các kết quả tính toán, số liệu trong luận văn thực tế, đảm bảo theo yêu cầu của đề tài và chưa từng được ai nghiên cứu, công bố trong các công trình nghiên cứu nào khác trong nhà máy lọc dầu Dung Quất

Người thực hiện

Đoàn Nguyễn Quốc Hùng

NGUYÊN CỨU ỨNG DỤNG PSS ĐỂ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG MÁY

PHÁT ĐIỆN NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT

Học viên: Đoàn Nguyễn Quốc Hùng Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và

Tự động hóa

Tóm tắt: Đề tài trình bày cấu trúc hệ thống điện NMLD Dung Quất, tổng quan các

vấn đề liên quan dao động hệ thống điện, cấu trúc các bộ PSS và cải thiện dao động trong hệ thống bởi các bộ ổn định công suất PSS Trên cơ sở dữ liệu các thông số thiết bị và vận hành của nhà máy, đề tài đã thực hiện xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phát điện nhà máy lọc dầu Dung Quất trong chế độ nối lưới Mô phỏng dao động của hệ thống điện trong các trường hợp sự cố lưới được thực hiện qua đó đánh giá hiệu quả của các bộ PSS1A và PSS4B đối với cải thiện dao động hệ thống Kết quả mô phỏng cho thấy các bộ PSS thể hiện được hiệu quả trong việc nâng cao khả năng ổn định của hệ thống trong các nhiễu loạn nhỏ cũng như sự cố

hệ thống

Từ khóa: Điều khiển máy phát, bộ điều khiển công suất, điều khiển kích từ

STUDY TO APPLY PSS IN POWER SYSTEM OF DUNG QUAT REFINERY TO

STABILIZE POWER OSCILLATION

Student: Doan Nguyen Quoc Hung Specialization: Control and Automation

Engineering Course: 34 Da Nang University of Technology - DUT

Abstract: The subject represent s structure of power system of Dung Quat Refinery

system, overview power system oscillation and stability, the structure of the PSS and improvement of the oscillation in power system by PSSs Based on the parameters of equipment and operation of the power system, the project has conducted modeling Dung Quat power system in the EVN connection mode Simulation of system oscillation in case of grid malfunction is implemented to evaluate the effectiveness of PSS1A and PSS4B for system oscillation improvement Simulation results show that PSSs are effective in improving system stability in small disturbances as well as system failures

Key words: Generator control, PSS controller, AVR control

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

LỜI CẢM ƠN ix

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do lựa chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Nội dung nhiệm vụ nghiên cứu 2

5 Phương pháp, nguyên lý, biện pháp nghiên cứu 2

6 ngh a khoa học và thực tiễn của đề tài 2

Chương I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN 4

NMLD DUNG QUẤT 4

1.1 Tổng quan về hệ thống điện Nhà Máy Lọc Dầu Dung Quất (NMLD) 4

1.1.1 Nguồn điện: 4

1.1.2 Hệ thống phân phối: 4

1.1.3 Tải tiêu thụ: 4

1.1.4 Độ tin cậy vận hành của hệ thống: 6

1.1.5 Nhu cầu năng lượng trong nâng cấp, mở rộng nhà máy: 6

1.2 Giới thiệu Tua-bin hơi tại phân xưởng phát điện NMLD 6

1.3 Giới thiệu các máy phát điện STG của NMLD 8

1.4 Giới thiệu bộ kích từ của Máy phát điện STG 9

1.5 Giới thiệu hệ thống điều chỉnh tốc độ Tua-bin Woodward 505E 11

1.6 Giới thiệu vòng điều khiển công suất và điện áp máy phát 15

1.7 Các nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước 17

Chương II: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 23

2.1 Khái niệm và định ngh a 23

2.2 Các hình thức bất ổn định: 23

2.3 Phân loại ổn định: 24

2.4 Phương trình dao động: 31

2.5 Mô hình một máy phát nối lưới vô hạn (single-machine infinite-bus SMIB): 32 2.6 Giới thiệu thiết bị PSS 34

2.6.1 Giới thiệu tổng quan thiết bị PSS 34

2.6.4 Chỉnh định thông số PSS 39

3.1 Xây dựng mô hình cụm Tuabin hơi 40

3.1.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình Tuabin hơi: 40

3.1.2 Các căn cứ và số liệu xây dựng mô hình: 41

3.1.3 Xây dựng mô hình mô hình hệ điều khiển tuabine trong chế độ nối lưới: 46

3.2 Mô hình máy phát đồng bộ của thư viện SimPowerSystems-Matlab 47

3.2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình: 47

3.2.2 Xây dựng mô hình máy phát điện đồng bộ: 48

3.3 Mô hình hệ thống kích từ: 49

3.3.1 Cơ sở mô hình hệ thống kích từ máy phát: 49

3.4 Xây dựng mô hình vòng điều khiển công suất máy phát: 51

3.4.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng vòng điều khiển công suất máy phát: 51

3.4.2 Mô hình vòng điều khiển công suất máy phát 54

3.5 Xây dựng mô hình vòng điều khiển công suất máy phát: 54

3.6 Xác định các thông số áp dụng cho PSS 56

3.6.1 Bộ ổn định dựa trên tốc độ PSS1A 56

3.6.2 Bộ ổn định đa tầng PSS4B 56

3.7 Tổng hợp mô hình hệ thống điện NMLD kết nối với lưới điện EVN 58

3.7.1 Phân tích hệ thống: 58

3.7.2 Tổng hợp mô hình hệ thống 58

3.8 Thực hiện mô phỏng đánh giá chất lượng mô hình hệ thống 62

3.8.1 Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng: 63

3.8.2 Mô phỏng điều khiển công suất phản kháng: 64

4.1 Kết quả mô phỏng áp dụng PSS 66

4.1.1 Đóng tải lớn (30MW) phía nguồn cấp (Trường hợp 1): 67

4.1.2 Ngắn mạch thoáng qua tại xuất tuyến cấp nguồn (Trường hợp 2) 70

4.2 Phân tích dao động hệ thống trong các sự cố 73

KẾT LUẬN 74

Các kết quả đạc được: 74

Các mặc hạn chế: 75

Hướng áp dụng và phát triển của đề tài: 75

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

MBA : Máy biến áp

PSS : Power system stabilizer

Bảng 1.1 Các phương thức điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống 15Bảng 3.1 Các thông số Máy phát điện đồng bộ 48

Hình 1.1 Sơ đồ một sợi Hệ thống điện NMLD Dung Quất 5

Hình 1.2 Hình ảnh thực tế của một Tua-bin hơi tại NMLD 6

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý của tuabin hơi có trích hơi 7

Hình 1.4 Hình ảnh tổng quát về tổ hợp Tua-bin Máy phát của NMLD 7

Hình 1.5 Hình ảnh thực tế của một máy phát STG 9

Hình 1.6 Sơ độ hệ thống kích từ không chổi than 10

Hình 1.7 Hình ảnh thực tế kích từ không chổi than (trích tài liệu đào tạo) 10

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý của tuabin hơi có trích nhập hơi 11

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý điều khiển bộ điều khiển Wooward 505E 14

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý vòng điều khiển công suất 16

Hình 1.11 Hệ thống thử nghiệm [10] 17

Hình 1.12 Đáp ứng điện áp đầu ra PSS [10] 17

Hình 1.13 Sai lệch góc roto [10] 17

Hình 1.14 Đáp ứng điện áp đầu cực máy phát [10] 18

Hình 1.15 Hệ thống thử nghiệm [11] 18

Hình 1.16 Dao động góc rotor máy phát G2 [14] 19

Hình 1.17a Dao động công suất trên đường dây [11] 19

Hình 1.17b Dao động điện áp thanh góp trên đường dây [11] 19

Hình 1.18 Hệ thống thử nghiệm [12] 20

Hình 1.19 Các kết quả áp dụng PSS thông thường và PSS đa tần [12] 20

Hình 1.20 Hệ thống thử nghiệm [13] 21

Hình 1.21 Các kết quả mô phỏng [13] 21

Hình 2.1 Phân loại ổn định [1] 24

Hình 2.2 Sơ đồ mạch thay thế của 2 máy phát kết nối 25

Hình 2.3 Sơ đồ pha của công suất truyền tải của hai máy 26

Hình 2.4 Đặc tính góc-công suất truyền tải của hai máy 26

Hình 2.5 Ổn định tín hiệu nhỏ với điện áp trường không đổi [1] 29

Hình 2.6 Ổn định tín hiệu nhỏ với điện áp trường điều khiển [1] 29

Hình 2.7 Phản ứng của góc rotor với kích động quá độ [1] 30

Hình 2.8 Mô hình đơn giản SMIB 32

Hình 2.9 Đặc tính góc- công suất hệ thống 33

Hình 2.10 Sơ đồ khối cơ bản của thiết bị PSS 35

Hình 2.11 Bộ ổn định công suất một đầu vào PSS1A [4] 36

Hình 2.12 Bộ ổn định công suất 2 đầu vào PSS2A (trích tài liệu IEE 421.5-2016) 38

Hình 3.2 Sơ đồ điều khiển của tuabin trong chế độ nối lưới 42

Hình 3.3 Sơ đồ bộ điều khiển tốc độ điện-thủy lực và mô hình toán học tương ứng [2] 43

Hình 3.4 Sơ đồ các cấu hình tuabin hơi và các mô hình toán học tương ứng [2] 44

Hình 3.5 Mô hình tuabin và bộ điều khiển của NSX (trích tài liệu thiết kế) 45

Hình 3.6 Xây dựng mô hình tuabin và bộ điều khiển 46

Hình 3.7a Thông số mô hình tuabin và bộ điều tốc (trích tài liệu thiết kế) 46

Hình 3.7b Thông số bộ điều khiển tốc độ WW 505E (trích tài liệu thiết kế) 47

Hình 3.8 Sơ đồ trở kháng của máy phát đồng bộ [3] 48

Hình 3.9 Mô hình hệ thống kích từ IEEE Type 1 [4] 49

Hình 3.10 Đường cong bảo hòa của bộ kích từ IEEE Type 1 (trích tài liệu thiết kế) 50

Hình 3.11 Mô hình hệ thống kích từ 51

Hình 3.12 Thông số hệ thống kích từ (trích tài liệu thiết kế) 51

Hình 3.13 Sơ đồ vòng điều khiển điều khiển công suất và điện áp máy phát 53

Hình 3.14 Sơ đồ hàm truyền của bộ điều khiển máy phát DEIF 54

Hình 3.15 Tổng hợp mô hình điều khiển tuabin và máy phát 55

Hình 3.16 Mô hình bộ ổn định công suất dựa trên tốc độ PSS1A 56

Hình 3.17 Khái niệm giản lược của Bộ PSS4B 57

Hình 3.18 Mô hình các bộ PSS áp dụng vào hệ thống điều khiển máy phát 57

Hình 3.19 Thông số mô hình MBA 59

Hình 3.20 Thông số mô hình đường dây 59

Hình 3.21 Sơ đồ một sợi HTĐ NMLD Dung Quất 60

Hình 3.22 Mô hình HTD BSR kết nối với lưới điện EVN 61

Hình 3.23 Đáp ứng của hệ thống trong mô phỏng nâng công suất tác dụng 63

Hình 3.24 Đáp ứng của hệ thống trong mô phỏng nâng công suất phản kháng 64

Hình 4.1 Đáp ứng hệ thống khi không áp dụng PSS 67

Hình 4.2 Đáp ứng hệ thống khi áp dụng PSS đa tần 68

Hình 4.3 Đáp ứng hệ thống khi áp dụng PSS dựa trên tốc độ 69

Hình 4.4 Đáp ứng hệ thống khi không áp dụng PSS 70

Hình 4.5 Đáp ứng hệ thống khi áp dụng PSS đa tần 71

Hình 4.6 Đáp ứng hệ thống khi áp dụng PSS dựa trên tốc độ 72

Lời đầu tiên cho phép tôi gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến các quí thầy cô giảng viên khoa Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa – Trường Đại học bách khoa Đà Nẵng, những người thầy cô đã không những truyền đạt dạy dỗ cho tôi những kiến thức

và kinh nghiệm quí báu mà còn hướng dẫn tận tình cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp thạc s này

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn chân thành nhất của tôi đến các quí thầy cô và đặc biệt là thầy : Tiến s Nguyễn Hoàng Mai đã tận tình, chu đáo, dành thời gian và tâm huyết hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

Cuối cùng tôi xin cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Mặc dù đã có nhiều cố gắng đề thực hiện đề tài 1 cách hoàn chỉnh nhất, tuy nhiên

do hạn chế về kiến thức, khả năng và kinh nghiệm nên không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự nhận xét, đánh giá và góp ý quý báu của quý thầy cô Chân thành cảm ơn!

Quảng Ngãi ngày 27 tháng 11 năm 2018

Đoàn Nguyễn Quốc Hùng

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Nhà máy Lọc hóa dầu Dung Quất (NMLD) đi vào hoạt động từ năm 2008, cung cấp các sản phẩm hóa dầu chiếm khoảng 30% cho thị trường trong nước Vận hành ổn định Nhà máy nói chung và hệ thống phát điện nói riêng luôn luôn là yêu cầu tối quan trọng của nhà máy

Hệ thống phát điện NMLD gồm 04 máy phát STG công suất 4x27MW với thiết

kế vận hành độc lập hoặc song song với lưới điện quốc gia

Phương thức vận hành song song với lưới điện quốc gia đem lại rất nhiều lợi ích

từ kinh tế đến kỹ thuật bao gồm: giảm thiểu chi phí năng lượng phục vụ sản xuất, tăng

độ dự trữ ổn định công suất điện Tuy nhiên, thực tế vận hành song song với lưới điện EVN ghi nhận hệ thống bị dao động công suất lớn Do vậy, hiện tại kết nối lưới chỉ được sử dụng khi nhà máy bảo dưởng tổng thể, tất cả các máy phát trong thời gian bảo dường cần nguồn cung cấp bên ngoài hoặc trong các trường hợp sự cố máy phát, yêu cầu phải cấp điện lại nhanh nhất từ lưới để cân bằng công suất phụ tải

Trong thời gian sắp đến, NMLD sẽ thực hiện nâng cấp và mở rộng công suất nhà máy Nhu cầu công suất tăng thêm cho mở rộng nhà máy được dự kiến cung cấp bởi lưới điện quốc gia (EVN), do vậy giải quyết vận hành ổn định song song với lưới điện EVN là yêu cầu bắt buộc

Trong những năm gần đây, bộ ổn định công suất (Power system stabilyser-PSS)

là một yêu cầu bắt buộc đối với các hệ thống phát điện trên thế giới Tại Việt Nam, PSS đã được ứng dụng rộng rãi cho các nhà máy thủy điện và đã mang lại hiệu quả cao trong ổn định hệ thống Đây là cơ sở kỹ thuật để tác giả đề xuất thực hiện đề tài Xuất phát từ các vấn đề thực tiễn nêu trên, đề tài “Nguyên cứu ứng dụng PSS để

ổn định công suất cho hệ thống phát điện NMLD” sẽ nghiên cứu đánh giá tác động của các hệ thống PSS đối với ổn định hệ thống điện trong các chế độ vận hành của NMLD Các kết quả thu được từ đề tài là rất hữu ích và quan trọng trước khi đầu tư áp dụng vào thực tế

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nguyên cứu xây dựng mô hình hệ thống máy phát điện để áp dụng cho nghiên cứu độ ổn định hệ thống điện Nhà máy lọc dầu Dung Quất

Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả của PSS trong nâng cao ổn định công suất đối với

hệ thống điện Nhà máy lọc dầu Dung Quất

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống máy phát tuabine hơi bao gồm 4 tổ máy 4x27MW của NMLD Dung Quất

Đề tài nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi Nhà Máy lọc dầu Dung Quất và

hệ thống Điện EVN kết nối với nhà máy lọc dầu tại trạm điện E17

4 Nội dung nhiệm vụ nghiên cứu

- Nguyên cứu các nguyên nhân gây dao động trong hệ thống, các phướng thức

ổn định hệ thống điện

- Nghiên cứu các thiết bị và hệ thống điều khiển của hệ thống điện bao gồm: Tuabin hơi, máy phát đồng bộ, hệ thống điều khiển kích từ, bộ điều tốc, bộ ổn định công suất PSS

- Nghiên cứu các phương thức xây dựng mô hình dựa trên các hướng dẫn và khuyến cáo của IEEE

- Xây dựng mô hình hệ thống và thực hiện mô phỏng đánh giá các vấn đề liên quan đến ổn định hệ thống

- Đánh giá kết quả mô phỏng với giá trị vận hành thực của nhà máy

5 Phương pháp, nguyên lý, iện pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu (Đối với đề tài):

Đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng

Phương pháp nguyên cứu lý thuyết:

- Lý thuyết xây dựng mô hình máy phát điện, hệ thống kích từ, hệ thống điều tốc;

- Lý thuyết phân tích ổn định hệ thống điện

Phương pháp thực nghiệm:

- Trên cơ sở dữ liệu của tất cả thiết bị điện của nhà máy;

- Trên cơ sở các chế độ vận hành, thống số cài đặt và các thông số vận hành của nhà máy;

Phương pháp mô phỏng:

- Thực hiện mô phỏng thông qua mô hình xây dựng trên Matlab;

- Thực hiện các báo cáo đánh giá thông qua mô hình mô phỏng

Nguyên lý của phương pháp (Đối với tiêu chuẩn):

- Tuân theo các tiêu chuẩn và khuyến cáo IEEE, IEC

6 Ý ngh a khoa học và thực tiễn c a đề tài

Xây dựng mô hình hệ thống phát điện cho nhà máy Lọc dầu Dung Quất bao gồm:

- Mô mình máy phát điện đồng bộ, hệ thống kích từ

- Mô hình tuabin hơi và bộ điều tốc

- Xây dựng mô hình của bộ ổn định công suất (PSS)

Đánh giá ổn định đối với hệ thống hiện tại trong các tính huống vận hành và sự

cố

Đánh giá hiệu quả của việc áp dụng hệ thống PSS đối với việc nâng cao ổn định của hệ thống điện NMLD Dung Quất

Thành công của đề tài sẽ có ý ngh a quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy và

ổn định của hệ thống điện NMLD Dung Quất trước khi áp dụng vào thực tế

Chương I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN

NMLD DUNG QUẤT 1.1 Tổng quan về hệ thống điện Nhà Máy Lọc Dầu Dung Quất (NMLD) 1.1.1 Nguồn điện:

Nguồn điện cung cấp cho NMLD bao gồm:

- 04 tổ máy điện tuabin hơi (STG) công suất: 04 x 27 MW

- 02 xuất tuyến 22KV kết nối lưới điện EVN công suất: 02 x 10MW

- 01 Máy phát điện khẩn cấp diesel EDG: 01 x 1.6 MW

Trong chế độ vận hành bình thường 03 tổ máy phát làm việc, 01 tổ máy dự phòng

sẽ đủ cung cấp cho nhu cầu điện năng của nhà máy Mạch kép 22 KV cung cấp điện trong quá trình khởi động nhà máy và là nguồn dự phòng khi một trong các tổ máy bị

sự cố, đồng thời là nơi xuất điện lên lưới khi nhà máy dư công suất

EDG dùng trong trường hợp mất điện hoàn toàn nhà máy để cung cấp cho các phụ tải quan trọng

32, 55 và 60 Trạm SS7 cung cấp điện cho khu nhà hành chính và các xưởng bảo dưỡng, phòng thí nghiệm Trạm SS8A cung cấp điện cho các phân xưởng 15, 16, 17

và 21.Trạm SS8B cung cấp điện cho các phân xưởng 11, 12, 13 và 14.Trạm SS8C cung cấp điện cho các phân xưởng 18, 19, 20, 22, 23 và 24.Trạm SS9 cung cấp điện cho các phân xưởng 52, 53 và trạm biến áp số 10.Trạm SS10 cung cấp điện cho các phân xưởng 81, Jetty và trạm biến áp số 10A.Trạm SS10A cung cấp điện cho các phân xưởng 81 và Jetty Trạm SS11 cung cấp điện cho các phân xưởng 34.Trạm SS12 cung

cấp điện cho các phân xưởng 33, 57, 58

1.1.3 Tải tiêu thụ:

Các loại tải chính trong NMLD phân bố ở 2 cấp điện áp, cấp điện áp 6.6kV và cấp 0,4kV

Cấp điện áp 6.6kV có 114 động cơ không đồng bộ công suất từ 150 đến 4500 kW

và 3 động cơ đồng bộ công suất 2050kW

Cấp điện áp 0.4kV có khoảng 1200 động cơ đồng bộ công suất đến 132kW ; Các

bộ gia nhiệt bằng điện; phụ tải chiếu sáng các loại và các tải khác

Hình 1.1 Sơ đồ một sợi Hệ thống điện NMLD Dung Quất

1.1.4 Độ tin cậy vận hành c a hệ thống:

Sự cố mất kết nối với lưới điện EVN do dao động công suất lớn khi nối lưới Vấn

đề này đang được nghiên cứu khắc phục

1.1.5 Nhu cầu năng lượng trong nâng cấp, mở rộng nhà máy:

- Mở rộng thêm 4 phân xưởng mới;

- Lắp đặt bổ sung 3 trạm điện mới;

- Công suất dự kiến bổ sung khoảng 38MW

Công suất bổ sung dự kiến được nhập từ lưới EVN Do vậy, việc phân tích đánh giá ổn định hệ thống điện và nghiên cứu các phương án để nâng cao độ ổn đinh của hệ thống điện trong trường hợp nối lưới là rất cần thiết

1.2 Giới thiệu Tua- in hơi tại phân xưởng phát điện NMLD

Phân xưởng sản xuất điện nhà máy Lọc Dầu Dung Quất, bao gồm 4 tổ máy phát điện dẫn động bởi 3 Tua-bin hơi, công suất tối đa mỗi tổ là 27 MW Lần lượt sẽ có 3 Tua-bin hoạt động phát lên lưới điện của nhà máy khoảng 51 MW điện, đảm bảo đáp ứng đầy đủ điện năng tiêu thụ của các phân xưởng trong nhà máy

Hình 1.2 Hình ảnh thực tế của một Tua-bin hơi tại NMLD Tua-bin hơi của nhà máy được sản xuất bởi hãng Shin Nippon, model C9-R13-

ER Loại Tua-bin hơi dùng trong phân xưởng sản xuất điện - hơi thuộc kiểu ngưng hơi

có trích hơi điều chỉnh, mục đích ngoài việc sản xuất điện còn tận dụng sản xuất loại hơi MP (áp suất trung bình) dùng cho các phụ tải hơi trong nhà máy, qua đó nâng cao hiệu suất sử dụng của Tua-bin

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý của tuabin hơi có trích hơi

Hình 1.4 Hình ảnh tổng quát về tổ hợp Tua-bin Máy phát của NMLD

Mỗi Tua-bin trích hơi sử dụng 2 van điều chỉnh lượng hơi, trong đó 1 bộ sử dụng

để điều chỉnh tốc độ cho Tua-bin, bộ còn lại dùng để điều chỉnh áp suất trích hơi MP cho mạng hơi trung bình của nhà máy

Hơi nước sau khi qua bộ van điều chỉnh hơi cao áp (HP Governor valve) sẽ tác động vào các tầng cánh khiến cho trục Tua-bin quay Sau khi đi qua tầng cao áp của Tua-bin (HP), một phần hơi sẽ được trích dẫn ra ngoài qua đường trích hơi trung bình

áp (MP), phần hơi còn lại sẽ tiếp tục đi qua van điều chỉnh thấp áp (LP Governor valve) để tiếp tục tác động vào tầng cánh tại tầng LP để quay trục Tua-bin Hơi sau khi

ra khỏi tầng LP của Tua-bin sẽ được đưa về hệ thống ngưng hơi (Condenser) , tiếp tục đưa trở lại về lò hơi để hóa hơi và tiếp tục quay trở lại cấp cho Tua-bin

Tua-bin được vận hành ở tốc độ định mức là 4922 vòng phút Lượng hơi trích ra chiếm khoảng 39% tổng lượng hơi đưa vào

Mỗi Tua-bin sẽ được dùng để quay một máy phát điện đồng bộ công suất tối đa là

27 MW Việc điều khiển công suất, cũng như phối hợp chia sẻ phụ tải giữa các tổ hợp Máy Phát sẽ do một hệ thống chuyên biệt đảm nhiệm, hệ thống này có tên gọi là Hệ thống quản lý và điều khiển điện năng EMCS ( Electric Management Control System)

1.3 Giới thiệu các máy phát điện STG c a NMLD

Hai loại Máy phát Điện được sử dụng trong nhà máy:

- 4 máy phát điện tuabin hơi (STG) công suất 4 x 27 MW), là nguồn cung cấp chính cho toàn bộ nhà máy

- 1 máy phát điện động cơ Diesel công suất 1 x 1,6 MW, dung cho phát điện khẩn cấp

Ngoài việc sản xuất điện cho nhà máy, STG còn cung cấp hơi nước áp suất cao, trung bình và thấp cho các phụ tải công nghệ

Trong điều kiện hoạt động bình thường, công suất điện được phát bởi 3 STG với tối đa 81MW, đủ cho tất cả các nhu cầu phụ tải của nhà máy lọc dầu 1 máy phát STG

- Loại rotor: cực lồi

- Kích từ không chổi than (PMG brushless excitation)

Hình 1.5 Hình ảnh thực tế của một máy phát STG

1.4 Giới thiệu ộ kích từ c a Máy phát điện STG

Hệ thống kích từ có nhiệm vụ cung cấp dòng một chiều cho cuộn kích từ của máy phát điện đồng bộ Trong chế độ làm việc bình thường, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát và thay đổi lượng công suất phản kháng phát vào lưới điện

Trong thực tế có bốn loại hệ thống kích từ điển hình được sử dụng cho máy phát điện đồng bộ là:

- Hệ thống kích từ bằng máy phát điện một chiều

- Hệ thống kích từ bằng máy phát điện xoay chiều tần số cao

- Hệ thống kích từ không chổi than

- Hệ thống kích từ t nh

Hệ thống kích từ thông thường bao gồm: Bộ điều chỉnh điện áp tự động (AVR), bộ kích thích, các cảm biến đo lường, bộ ổn định hệ thống nguồn (PSS), và bộ phận giới hạn và bảo vệ

Hệ thống kích từ máy phát tại nhà máy Lọc Dầu Dung Quất là hệ thống kích từ không chổi than với máy phát kich từ nam châm v nh cữu (Brushless PMG exciter)

Sơ đồ cấu tạo tiêu biểu:

Hình 1.6 Sơ độ hệ thống kích từ không chổi than

Hình 1.7 Hình ảnh thực tế kích từ không chổi than (trích tài liệu đào tạo)

Hệ thống kích từ không chổi than bao gồm một máy phát điện nam châm v nh cữu (PMG) với rotor cùng trục với máy phát chính Dòng điện xoay chiều tạo ra bởi máy phát PMG được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều bởi bộ chỉnh lưu cung cấp đến

bộ điều khiển AVR Bộ điều khiển AVR điều chỉnh dòng một chiều và cấp đến cuộn

kích từ của máy phát kích từ Máy phát kích từ là máy phát với phần ứng quay cùng trục với máy phát chính và phần kích từ t nh bên ngoài Dòng điện tạo ra bởi máy phát kích từ được chỉnh lưu bởi bộ chỉnh lưu không điều khiển và cung cấp đến cuộn kích

từ của máy phát chính Dòng kích từ của máy phát chính được điều khiển bằng cách thay đổi dòng kích từ của máy phát kích từ thông qua bộ AVR

1.5 Giới thiệu hệ thống điều chỉnh tốc độ Tua-bin Woodward 505E

Bộ điều khiển tốc độ tuabine 505E là bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý 32-bit được thiết kế để điều khiển các loại tua bin trích hơi, trích nhập hơi, nhập hơi Sự khác biệt giữa các loại tuabin này là khả năng của tuabin cho phép hơi áp suất thấp hơn so với đầu vào để nhập hoặc nhập trích hoặc trích ra khỏi tuabin

Bộ điều khiển 505E có thể được lập trình cho phép sử dụng trong nhiều ứng dụng điều khiển khác nhau Giao diện điều khiển hai van (HP & LP) của 505E dựa trên hai thông số đầu vào chính và có giới hạn bởi các thông số bổ sung khác Hai thông số điều khiển chính này thường là tốc độ (hoặc công suất tải) và áp suất trích nhập hơi (hoặc lưu lượng hơi) Ngoài ra, 505E có thể được sử dụng để điều khiển hoặc giới hạn:

áp suất hoặc lưu lượng đầu vào tuabin, áp suất hoặc lưu lượng dòng xả tuabin, áp suất giai đoạn 1 tuabin, công suất phát của mát phát điện, điều khiển công suất xuất nhập khi máy phát nối lưới, tốc độ tần số máy phát và nhiều thông số điều khiển khác Đối với ứng dụng điều khiển tuabin trích hơi, bộ điều khiển 505E được cấu hình

để có thể vận hành tuabin tự động bằng cách điều khiển sự tương tác của van điều chỉnh đầu vào (HP hoặc áp suất cao) và van xả (LP hoặc áp suất thấp)

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý của tuabin hơi có trích nhập hơi

Trong các trường hợp vận hành, tuabin cần duy trì tốc độ công suất tải của tuabin

và áp suất lưu lượng hơi ở các mức không đổi Thay đổi vị trí của van HP hoặc van

LP đều gây ảnh hưởng đến tốc độ công suất tải và áp suất lưu lượng trích hơi Nếu yêu cầu thay đổi công suất tải tuabin hoặc áp suất trích hơi, cả hai van HP và van LP đều phải được thay đổi để duy trì công suất và áp suất tại giá trị điều khiển Điều khiển của cả hai van được tính toán tự động bởi bộ điều khiển logic tỷ lệ của 505E dựa trên các thông số vận hành của tuabin để giảm thiểu tương tác giữa các quá trình điều khiển

Hình 1.9 thể hiện sơ đồ nguyên lý và các chức năng của bộ điều khiển tốc độ tuabin Woodward 505E

Các kênh điều khiển chính của Woodward 505E bao gồm:

- Kênh điều khiển tốc độ (Speed control)

- Kênh điều khiển phụ trợ (Auxiliary control)

- Kênh điều khiển ghép tầng (Cascade control)

- Kênh điều khiển trích hơi (Extraction control)

- Bộ logic Tỉ lệ/ Giới hạn (Ratio Limiter)

Kênh điều khiển tốc độ (Speed control):

- Bộ điều khiển tốc độ nhận tín hiệu tốc độ tuabin từ một hoặc hai cảm biến tốc

độ Bộ điều khiển PID của kênh điều khiển tốc độ so sánh tín hiệu này với giá trị đặt tốc độ để xuất tín hiệu điều khiển đầu ra tới bộ tỷ lệ / giới hạn thông qua một bus chọn tín hiệu giá trị thấp (bus LSS)

- Bộ khuếch đại điều khiển tốc độ cũng có thể nhận tín hiệu phản hồi droop để tăng tính ổn định của vòng điều khiển khiển tuabine Tín hiệu droop có thể tỉ lệ với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển hoặc tín hiệu công suât tải (kw) của máy phát

- Giá trị đặt của điều khiển tốc độ có thể điều chỉnh bằng lệnh tăng hoặc giảm thông qua mạn hình điều khiển, hoặc đầu vào tín hiệu điều khiển từ xa, hoặc tín hiệu truyền thông Modbus Giá trị đặt cũng có thể được đặt trực tiếp bằng cách nhập từ bàn phím điều khiển hoặc qua liên kết truyền thông Modbus

Kênh điều khiển phụ trợ (Auxiliary control):

- Kênh điều khiển phụ trợ được sử dụng để điều khiển hoặc giới hạn một tham

số điều khiển Tham số điều khiển có thể cấu hình là công suất tải, công suất nhập/ phát cảu máy phát nối lưới, áp suất đầu vào, áp suất đầu ra, nhiệt độ hoặc bất kỳ thông

số khác liên quan trực tiếp đến tải trọng của tuabin

- Đầu vào kênh điều khiển phụ trợ phụ là tín hiệu dòng 4-20 mA Bộ khuếch đại điều khiển PID phụ trợ so sánh tín hiệu đầu vào này với giá trị đặt để xuất tín hiệu

đầu ra điều khiển đến bus LSS Bus LSS gửi tín hiệu điều khiển thấp tới bộ logic tỷ lệ / giới hạn để xác định vị trí van HP và LP Bộ khuếch đại điều khiển phụ cũng có thể nhận tín hiệu phản hồi droop để tăng độ ổn định của hệ thống

- Giá trị đặt của kênh điều khiển phụ trợ có thể điều chỉnh bằng lệnh tăng hoặc giảm thông qua màn hình điều khiển, tiếp điểm điều khiển từ xa hoặc thông qua liên kết truyền thông Modbus Ngoài ra, giá trị đặt có thể được cài đặt trực tiếp bằng cách nhập giá trị đặt mới từ bàn phím, hoặc tín hiệu đầu vào tương tự, hoặc thông qua liên kết truyền thông Modbus

Kênh điều khiển ghép tầng (Cascade control)

- Kênh điều khiển Cascade được cấu hình để có thể điều khiển bất kỳ quá trình liên quan đến hoặc bị ảnh hưởng bởi tốc độ hoặc tải trọng của tuabin Thông thường

bộ điều khiển được sử dụng như đầu vào điều khiển của kênh điều khiển tốc độ tuabin hoặc kênh điều khiển điều khiển áp suất trích hơi

- Bộ điều khiển PID của kênh điều so sánh tín hiệu quá trình 4-20 mA với giá trị đặt Bộ điều khiển PID xuất tín hiệu đầu ra đến bộ điều khiển tốc độ cho đến khi tín hiệu phản hồi quá trình và giá trị đặt điều khiển phù hợp Kênh điều khiển ghép tầng cũng có thể nhận tín hiệu phản hồi droop để tăng độ ổn định vòng điều khiển Đây là tín hiệu phản hồi trực tiếp bằng cách sử dụng tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển ghép tầng

- Giá trị đặt bộ điều khiển ghép tầng có thể điều chỉnh bằng bằng lệnh tăng hoặc giảm thông qua màn hình điều khiển, tiếp điểm điều khiển từ xa hoặc thông qua liên kết truyền thông Modbus Ngoài ra, giá trị đặt có thể được cài đặt trực tiếp bằng cách nhập giá trị đặt mới từ bàn phím, hoặc tín hiệu đầu vào tương tự, hoặc thông qua liên kết truyền thông Modbus

Kênh điều khiển trích hơi (Extraction control):

- Kênh điều khiển trích hơi nhận tín hiệu trích hơi (4-20 mA) từ bộ chuyển đổi

áp suất hoặc lưu lượng Bộ điều khiển PID đó so sánh tín hiệu này với giá trị đặt để xuất tín hiệu đầu ra đến bộ logic Tỉ lệ/ Giới hạn Kênh điều khiển trích hơi cũng có thể nhận tín hiệu phản hồi droop để tăng độ ổn định vòng điều khiển

- Giá trị đặt của kênh điều khiển trích hơi có thể điều chỉnh bằng bằng lệnh tăng hoặc giảm thông qua màn hình điều khiển, tiếp điểm điều khiển từ xa hoặc thông qua liên kết truyền thông Modbus Ngoài ra, giá trị đặt có thể được cài đặt trực tiếp bằng cách nhập giá trị đặt mới từ bàn phím, hoặc tín hiệu đầu vào tương tự, hoặc thông qua liên kết truyền thông Modbus

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý điều khiển bộ điều khiển Wooward 505E [8]

Bộ logic Tỉ lệ/ Giới hạn (Ratio Limiter):

- Bộ logic Tỷ lệ/ Giới hạn nhận tín hiệu đầu vào từ các bộ điều khiển PID tốc

độ (hoặc bộ điều khiển phụ trợ) và bộ điều khiển trích hơi Logic 'tỷ lệ' sử dụng các tín hiệu này và dựa trên các thông số vận hành của tuabin, tạo ra hai tín hiệu đầu ra, một

để điều khiển bộ truyền động của van HP và một để điều khiển bộ truyền động của van

LP Logic 'giới hạn' giữ đầu ra của thiết bị truyền động trong phạm vi của bản đồ hơi tuabin

- Bộ logic tỷ lệ điều khiển sự tương tác của cả hai van HP và LP để duy trì tốc

độ công suất tải tuabin mong muốn và mức độ lưu lượng áp suất trích hơi Bằng cách điều khiển sự tương tác của các van, bộ logic tỷ lệ giảm thiểu tác động của một quá trình điều khiển đến quá trình điều khiển khác

- Khi yêu cầu điều khiển tốc độ/ tải hoặc công suất trích hơi tua bin đạt đến giới hạn vận hành, bộ logic giới hạn sẽ giới hạn các van HP hoặc LP để duy trì tốc độ / tải hoặc yêu cầu áp suất lưu lượng trích hơi tùy thuộc vào mức ưu tiên được chọn

1.6 Giới thiệu vòng điều khiển công suất và điện áp máy phát

Hệ thống điều khiển phân tán DCS và Hệ thống giám sát và điều khiển điện thực hiện việc ra lệnh các phương thức điều khiển và xác định các giá trị điều khiển tham chiếu đối với bộ điều chỉnh tốc độ tuabin và bộ điều chỉnh kích từ

Các phương thức điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống: Bảng 1.1 Các phương thức điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống

Điều khiển MW Điều khiển MVAR

1 X Điều khiển sơ cấp tất cả

Điều chỉnh hệ số công suất = 0.9 bởi EMCS

3 X Điều khiển sơ cấp tất cả

isochronous, các máy phát

Điều khiển điện áp ở chế độ droop Điều khiên thứ cấp bởi

Điều khiển điện áp ở chế độ droop Điều khiên thứ cấp bởi EMCS

DCS lựa chọn phương thức điều khiển của từng bộ điều chỉnh tuabin (Droop, Isochronou, MW) và AVR ( droop) DCS xác định giá trị cài đặt công suất xuất nhập tham chiếu cho các bộ điều khiển STG trong chế độ MW và gửi đến PLC của hệ thống EMCS

PLC hệ thống EMCS tính toán giá trị cài đặt tham chiếu đảm bảo công suất tăng thêm không vượt quá công suất dự trữ của hệ thống và gửi đến bộ điều khiển chính Master DEIF

Master DEIF nhận giá trị cài đặt từ PLC tính toán giá trị công suất cho mỗi máy phát và gửi giá trị cài đặt tham chiếu công suất đến mỗi Slave DEIF

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý vòng điều khiển công suất

Slave DEIF thực hiện điều khiển công suất máy phát thông qua tăng hoặc giảm giá trị cài đặt tham chiếu tốc độ của bộ điều tốc Woodwar 505E (EMCS) Thông qua các bộ điều khiển DEIF, EMCS sẽ điều chỉnh, ở trạng thái ổn định, tần số hệ thống,

điện áp hệ thống, công suất xuất nhập với lưới, chia sẽ công suất giữa các máy phát, công suất tác dụng và phản kháng phù hợp với tổng nhu cầu của hệ thống

1.7 Các nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước

Nguyễn Hiền Trung, Nguyễn Như Hiển, Nghiên cứu hiệu quả của các bộ ổn định công suất cho máy phát điện đồng bộ nối lưới [10]

Mô hình hệ thống nghiên cứu:

Hình 1.11 Hệ thống thử nghiệm [10]

Các kết quả mô phỏng:

Hình 1.12 Đáp ứng điện áp đầu ra PSS [10]

Hình 1.13 Sai lệch góc roto [10]

Hình 1.14 Đáp ứng điện áp đầu cực máy phát [10]

Nhận xét:

Bài báo đã trình bày tổng quan các cấu trúc PSS và ưu điểm riêng của mỗi loại Bài báo cũng đã phân tích những thành phần trong bộ ổn định kép PSSS2A, chứng minh được các hiệu quả cải thiện ổn định các dao động trong hệ thống điện của bộ PSSS2A

Phạm Thị Hồng Anh, Phương pháp nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện

sử dụng đồng thời bộ ổn định công suất(PSS) và thiết bị bù ngang tĩnh (SVC)[11]

Mô hình hệ thống nghiên cứu:

Hình 1.15 Hệ thống thử nghiệm [11]

Các kết quả mô phỏng:

Hình 1.16 Dao động góc rotor máy phát G2

[14]

Hình 1.17a Dao động công suất trên đường dây [11]

Hình 1.17b Dao động điện áp thanh góp trên đường dây [11]

Nhận xét:

Bài báo đã giới thiệu về cấu tạo và nguyên lý làm việc, các mô hình cũng như lợi ích của việc sử dụng đồng thời PSS và SVC Các kết quả mô phỏng sử dụng bằng phần mềm PSS E đã tính toán và chứng minh được hiệu quả của thiết bị PSS, SVC trong việc nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện

Chérif N, Allaoui T, Benasla M, The Use of Multiband PSS to Improve Transient Stability of Multimachine Power System Dynamic Stability Analysis of Generator with Power System Stabilizers Using Matlab Simulink [12]

Mô hình hệ thống nghiên cứu:

Bilel Dhouib, Amor Kahouli, Hsan Haj Abdallah, Comparative Study of Performance of Multi-band and Conventional Power System Stabilizers to Improve Transient Stability of Multimachine Power System [13]

Mô hình hệ thống nghiên cứu:

Hình 1.20 Hệ thống thử nghiệm [13]

Các kết quả mô phỏng:

Hình 1.21 Các kết quả mô phỏng [13]

Nhận xét:

Bài báo nghiên cứu hiệu quả của bộ điều chỉnh công suất (MB-PSS) về giảm chấn trong hệ thống bao gồm 3 máy phát, 9 thanh góp Các kết quả được so sánh giữa các bộ PSS (chỉ AVR, MB-PSS với AVR, dw-PSS với AVR và dPa-PSS AVR) Với

sự cố ngắn mạch 3 pha cân bằng, kết quả mô phỏng cho thấy lợi ích của việc sử dụng MB-PSS để đảm bảo giảm chấn tối đa là các chế độ dao động cục bộ hoặc liên vùng

Nhận xét chung các nghiên cứu:

Các nghiên cứu trong và ngoài nước đã chứng minh được hiệu quả của các bộ PSS trong việc giảm chấn các dao động, nâng cao khả năng ổn định của hệ thống điện Các nghiên cứu trong nước chưa tập trung vào nghiên cứu trong các nhà máy cụ thể,

để xét đến nhiều yếu tố thực tiển ảnh hưởng đến ổn định hệ thống

Trong giai đoạn gần đây, ở phạm vi quốc tế, nhiều nghiên cứu về bộ PSS đa băng tần được thực hiện do hiệu quả của bộ PSS đa băng tần so với các bộ PSS thông thường Đối với công tác nghiên cứu trong nước, các tài liệu cũng như nghiên cứu liên quan còn hạn chế

Khả năng ổn định hệ thống còn liên quan đến nhiều yếu tố như, mức mang tải của

hệ thống, cấu hình điều khiển hệ thống, các loại sự cố Các nghiên cứu nêu trên chưa

đề cập chi tiết về vấn đề này

Ở phạm vi quốc tế, trong giai đoạn hiện nay, nhiều nghiên cứu về bộ PSS đa băng tần được thực hiện do hiệu quả của bộ PSS đa băng tần so với các bộ PSS thông thường

Do đó, tác giả áp dụng hướng nghiên cứu áp dụng bộ PSS đa bằng tần để có thể vận dụng vào nhà máy điện của NMLD Dung Quất trong tương lai nhằm nâng cao chất lượng điện năng của nhà máy

Chương II: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Khái niệm và định ngh a

Ổn định hệ thống điện đóng vai trò rất quan trọng trong vận hành hệ thống điện liên tục Ổn định hệ thống điện được định ngh a là thuộc tính của hệ thống điện cho phép duy trì trạng thái cân bằng hoạt động trong điều kiện vận hành bình thường và lấy lại trạng thái cân bằng chấp nhận được sau khi bị kích động

Sự bất ổn định của hệ thống điện có thể xảy ra trong nhiều tình huống khác nhau tùy thuộc vào cấu hình hệ thống và chế độ vận hành Một trong những vấn đề về độ ổn định là duy trì hoạt động đồng bộ của các máy phát điện đồng bộ Vấn đề này liên quan đến ổn định góc rotor máy phát hay mối quan hệ góc rotor và công suất phát điện Một khía cạnh của sự bất ổn định khác có thể gặp phải là sự sụp đổ điện áp của

hệ thống

Trong đánh giá ổn định, quan tâm lớn nhất liên quan đến đáp ứng của hệ thống điện sau khi bị kích động Sự kích động có thể nhỏ ở dạng điều kiện tải thay đổi, hoặc lớn ở dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải hoặc các nhiễu lớn khác như mất tải lớn hoặc máy phát hoặc mất đường dây truyền tải giữa hai hệ thống nhỏ Một dao động trên hệ thống có thể tác động đến phần lớn các thiết bị Ví dụ, ngắn mạch trên một phần tử quan trọng và rơle bảo vệ tác động cô lập thiết bị dẫn đến việc chuyển nguồn công suất, thay đổi tốc độ roto, thay đổi điện áp thanh cái Điện áp hệ thống thay đổi tác động đến điều khiển kích từ và điều khiển điện áp hệ thống Tốc độ rotor thay đổi tác động đến điều khiển của bộ điều tốc

2.2 Các hình thức ất ổn định:

Có ba hình thức khác nhau của sự bất ổn định hệ thống điện: góc rotor không ổn định, sự bất ổn định điện áp và sự sụp đổ điện áp, và sự bất ổn định trung hạn và dài hạn Ổn định góc rotor là khả năng của các máy phát điện đồng bộ kết nối với nhau trong một hệ thống điện để duy trì tính đồng bộ Ổn định điện áp là khả năng của một

hệ thống điện để duy trì điện áp chấp nhận được ở tất cả các thanh cái trong hệ thống trong điều kiện vận hành bình thường và sau khi sự cố Ổn định dài hạn liên quan đến các hiện tượng, sự cố xảy ra chậm với thời gian dài kèm theo các nhiễu loạn của hệ thống ở quy mô lớn tạo nên sự không cân bằng giữa công suất phát và công suất tiêu thụ Ổn định trung hạn liên quan đến dao động công suất giữa các máy phát, bao gồm ảnh hưởng của một số hiện tượng xảy ra chậm liên quan đến thay đổi điện áp lớn hoặc tần số

2.3 Phân loại ổn định:

Hình 2.1 thể hiện phân loại toàn diện ổn định hệ thống điện, bao gồm hai loại ổn

định chính: ổn định góc rotor và ổn định điện áp

Hình 2.1 Phân loại ổn định [1]

Ổn định góc rotor có hai lớp con: ổn định tín hiệu nhỏ (trạng thái ổn định) và độ

ổn định quá độ Một hệ thống điện được coi là ổn định trạng thái ổn định nếu, sau bất

kỳ sự dao động nhỏ nào, đạt tới trạng thái hoạt động ổn định, giống hoặc gần với điều kiện hoạt động trước khi dao động Hệ thống điện được xem là ổn định quá độ nếu sau một sự cố lớn hoặc các nhiễu loạn nhỏ liên tiếp đạt đến một điều kiện vận hành ổn định ở trạng thái chấp nhận được

Ổn định điện áp cũng có hai lớp con chính: Ổn định điện áp đối với kích động lớn

và ổn định điện áp đối với kích động nhỏ

Ổn định góc rotor (angle stability)

Ổn định góc rotor là khả năng của các máy phát đồng bộ kết nối với nhau trong một hệ thống điện duy trì tính đồng bộ Ổn định hệ thống liên quan đến nghiên cứu các dao động cơ điện xảy ra trong hệ thống Vấn đề cơ bản được nghiên cứu là công suất

phát của máy phát thay đổi theo các dao động của rotor Được giải thích cơ bản như sau:

Một máy đồng bộ có hai cuộn dây chính: cuộn dây kích từ, lắp đặt trên rotor, và cuộn dây phần ứng lắp đặt trên stator Cuộn dây kích từ cấp điện bởi dòng một chiều, đầu cực cuộn dây phần ứng cấp nguồn đển phụ tải Từ trường quay của cuộn dây kích

từ tạo ra điện áp trên cuộn dây phần ứng khi rotor được quay bởi tuabin Tần số của điện áp cảm ứng phụ thuộc vào tốc độ của rotor và số cực của máy phát

Khi hai hoặc nhiều máy đồng bộ được kết nối với nhau, điện áp và dòng điện stator có cùng tần số và tốc độ quay rotor của mỗi máy đồng bộ với tần số này Để thay đổi đầu ra mô-men điện (hoặc công suất điện) của máy phát, đầu vào mô-men cơ phải thay đổi để dịch chuyển rotor lên vị trí mới so với từ trường quay của stator Xem xét hệ thống thể hiện trong hình 2.2 Bao gồm hai máy phát đồng bộ kết nối bởi một đường dây truyền tải với trở kháng Xl, bỏ qua điện trở và điện kháng Giả sử, máy 1 đại diện cho máy phát đồng bộ phát công suất cấp cho một động cơ đồng bộ đại diện bởi máy 2

Hình 2.2 Sơ đồ mạch thay thế của 2 máy phát kết nối Công suất truyền tải điện từ máy phát đến động cơ là một hàm của vị trí góc δ giữa hai rotor của hai máy Góc này tạo nên do ba thành phần: góc nội bộ máy phát δG, góc giữa điện áp máy phát và động cơ, và góc δM nội bộ của động cơ

Mối tương quan góc so với công suất tương ứng được thể hiện trong Hình 2.3 Công suất truyền tải từ máy phát 1 với điện kháng XG đến động cơ 2 với điện kháng

XM thông qua một đường dây truyền tải với điện kháng XL được cho bởi phương trình 2.1:

G M sin

T

E E P

Trong đấy: XT = XG + XM + XL

Hình 2.3 Sơ đồ pha của công suất truyền tải của hai máy Mối tương quan giữa góc so với công suất tương ứng được thể hiện trong Hình 2.4 Để đơn giản trong mô hình tương đương, mô hình lý tưởng được sử dụng thể hiện công suất thay đổi với dạng sin của góc rotor Tuy nhiên, với một mô hình máy phát chính xác tính đến tác động của bộ điều chỉnh điện áp tự động AVR, sự thay đổi về công suất với góc sẽ lệch đáng kể so với mối quan hệ hình sin, nhưng dạng chung sẽ tương tự Khi giá trị góc tăng lên, việc truyền tải điện tăng lên đến mức tối đa Sau một giá trị góc nhất định, thường là 90°, góc tăng thêm sẽ làm giảm công suất Khi góc bằng không, công suất truyền tải bằng không

Hình 2.4 Đặc tính góc-công suất truyền tải của hai máy

Từ Hình 2.4, có hai vị trí điểm quan trọng: điểm cân bằng ổn định δ0 (SEP), và điểm cân bằng không ổn định δu (UEP) Trong trạng thái ổn định, hệ thống nằm trên điểm cân bằng ổn định δ0 (SEP), vị trí công suất cơ bằng với công suất điện Tuy nhiên, nếu hệ thống dao động chuyển sang điểm cân bằng không ổn định δu (UEP), thì máy đồng bộ sẽ mất tính đồng bộ (không ổn định)

Khi có nhiều hơn hai máy, thay đổi vị trí góc tương đối giữa các máy ảnh hưởng đến sự trao đổi công suất theo cách tương tự Tuy nhiên, các giá trị giới hạn của công suất truyền tải và vị trí góc là một hàm phức tạp của phát điện và phân phối công phụ tải

Ổn định là một điều kiện cân bằng giữa các lực đối nhau Cơ chế các máy đồng

bộ được kết nối liên tục duy trì sự đồng bộ với nhau là thông qua các lực tương tác, tác động khi có các lực có xu hướng tăng tốc hoặc giảm tốc của một hoặc nhiều máy đối với các máy khác Trong trạng thái ổn định, cân bằng giữa momen cơ đầu vào và công suất điện đầu ra của mỗi máy, và tốc độ máy phát được giữ không đổi Tuy nhiên, nếu

hệ thống bị kích động, trạng thái cân bằng này bị xáo trộn thay đổi dẫn đến tăng tốc hoặc giảm tốc của rotor của máy phát theo các định luật chuyển động Nếu một máy phát quay nhanh hơn máy khác, góc rotor của máy nhanh hơn so với góc rotor của các máy chậm hơn sẽ thay đổi và máy đó có thể mất đồng bộ gây tác động đến các máy khác Nếu sự dao động này vượt quá giới hạn nhất định, sự gia tăng của góc tương đối

δ dẫn đến sự tụt giảm công suất; điều này càm làm tăng góc tương đối δ dẫn đến sự bất

ổn định Sự ổn định của hệ thống phụ thuộc vào việc độ lệch trong các vị trí góc của rotor có tạo ra đủ momen khôi phục hay không

Mất đồng bộ có thể xảy ra giữa một máy và phần còn lại của hệ thống hoặc giữa các nhóm máy Trong trường hợp này, sự đồng bộ có thể được duy trì trong mỗi nhóm sau khi tách ra khỏi các nhóm khác

Sự thay đổi mô men điện của một máy đồng bộ sau một sự nhiễu loạn có thể được giải quyết thành hai thành phần:

    T E T S  T D  (2.2) Trong phương trình 2.2:

- Tsδlà thành phần thay đổi của momen cùng pha với độ lệch góc rotor δ được gọi là thành phần momen đồng bộ; Ts là hệ số momen đồng bộ

- T Dlà thành phần của sự thay đổi momen cùng pha với độ lệch tốc độ 

và được gọi là thành phần momen giảm chấn; TD là hệ số mômen giảm chấn

Thiếu mômen đồng bộ có thể dẫn đến sự mất ổn định do bởi sự dịch chuyển

không tuần hoàn của góc rotor (aperiodic drift) Ngược lại, thiếu mômen giảm chấn dẫn đến sự mất ổn định dao động (oscillatory instability)

Hiện tượng ổn định góc rotor được phân loại thành hai loại chính: độ ổn định tín hiệu nhỏ và độ ổn định quá độ

1.1.1 Ổn định tín hiệu nhỏ (Small-Signal Stability):

Là khả năng của hệ thống điện duy trì sự đồng bộ dưới những kích động nhỏ Những kích động này xảy ra trên hệ thống do sự biến đổi nhỏ về công suất tải và công suất phát Sự bất ổn định có hai dạng: (i) vị trí góc rotor ổn định tăng do thiếu mômen đồng bộ, hoặc (ii) rotor dao động với biên độ tăng do thiếu mômen giảm chấn Phản ứng của hệ thống đối với nhiễu nhỏ phụ thuộc vào: trạng thái vận hành ban đầu, độ lớn

hệ thống truyền tải và loại điều khiển kích từ máy phát được sử dụng

Đối với một máy phát điện được kết nối với một hệ thống điện lớn, trong trường hợp không có bộ điều chỉnh điện áp tự động AVR (điện áp trường không đổi) thì sự mất ổn định là do thiếu mômen đồng bộ Kết quả được thể hiện trong Hình 2.5 Với bộ điều chỉnh điện áp tác động liên tục, độ ổn định tín hiệu nhỏ liên quan đến sự giảm chấn đối với dao động của hệ thống Kết quả được thể hiện trong Hình 2.6

Hệ thống điện thực tế có thể gặp phải sự mất ổn định tín hiệu nhỏ do không đủ giảm chấn dao động Các chế độ dao động của kích động nhỏ bao gồm:

 Chế độ dao động cục bộ (Local plant mode oscillations): là chế độ dao

động giữa máy phát với lưới Trong chế độ cục bộ, một máy phát điện dao

động với phần còn lại của hệ thống ở 1,0 ÷ 2,0Hz Các chế độ cục bộ hoặc

chế độ hệ thống máy: các chế độ này được kết hợp với việc xoay các đơn vị tại một trạm phát đối với phần còn lại của hệ thống điện

 Chế độ dao động nội vùng (Interarea mode oscillation): là chế độ dao

động do hiện tượng cộng hưởng gây ra Hiện tượng này được quan sát thấy trong một phần lớn mạng Bao gồm hai nhóm máy phát điện có sự xê dịch tần số 1Hz hoặc thấp hơn Sự biến thiên của công suất truyền tải có thể lớn Tần số dao động khoảng 0.3Hz Hiện tượng này liên quan đến nhiều phần của hệ thống với tính động năng phi tuyến cao Các đặc tính giảm chấn của chế độ liên nội vùng được quyết định bởi sức mạnh đường dây truyền tải, bản chất của các tải và công suất kết nối và tương tác của tải với động năng của máy phát điện và các điều khiển liên quan

 Chế độ dao động điều khiển (Control mode oscillations): là chế độ dao

động do quá trình quá độ gây ra Đây là những yếu tố liên quan đến máy phát điện và các bộ khuếch đại, hệ thống điều tốc, bộ chuyển đổi HVDC và điều

khiển SVC Hệ thống tải và kích từ có thể tương tác thông qua các chế độ điều khiển Các bộ điều khiển biến áp của máy biến áp cũng có thể tương tác một cách phức tạp với các tải không tuyến tính gây ra dao động điện áp

Hình 2.5 Ổn định tín hiệu nhỏ với điện áp trường không đổi [1]

Hình 2.6 Ổn định tín hiệu nhỏ với điện áp trường điều khiển [1]