Xác định phương pháp chọn tham số cho thiết bị điều khiển PSS1A

Tính cấp thiết của ñề tài Đề tài: “Xác ñịnh phương pháp chọn tham số cho bộ ñiều khiển PSS1A” sẽ cung cấp một phương pháp nghiên cứu mới trong phân tích ổn ñịnh các dao ñộng nhỏ của hệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN TRUNG CƯỜNG

XÁC ĐỊNH PHƯƠNG PHÁP CHỌN THAM SỐ CHO

THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN PSS1A

Chuyên ngành: Tự ñộng hóa

Mã số: 60.52.60

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2011

Công trình ñược hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH Nguyễn Doãn Phước

Phản biện 1 : PGS.TS Bùi Quốc Khánh

Phản biện 2 : TS Nguyễn Anh Duy

Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt

nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật, họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 15

tháng 01 năm 2011

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng;

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài

Đề tài: “Xác ñịnh phương pháp chọn tham số cho bộ ñiều khiển PSS1A” sẽ cung cấp một phương pháp nghiên cứu mới trong

phân tích ổn ñịnh các dao ñộng nhỏ của hệ thống ñiện PSS1A là thiết

bị ñiều khiển phụ, ñược sử dụng kết hợp với hệ thống kích từ tự ñộng

ổn ñịnh ñiện áp máy phát(AVR), cung cấp một tín hiệu ñiều khiển ñể tăng cường sự làm giảm các dao ñộng trong hệ thống và mở rộng giới hạn truyền tải ñiện, từ ñó làm tăng khả năng hoạt ñộng tin cậy và chất lượng ñiện năng của hệ thống

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của ñề tài là nghiên cứu vai trò, chức năng của bộ ñiều khiển PSS1A (Power System Stabilizer) và xác ñịnh bộ tham số cho nó

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hệ thống kích từ cho máy phát ñiện của một nhà máy thủy ñiện Phạm vi nghiên cứu: Nhà máy thủy ñiện hiện có trong nước

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu mô hình của bộ ñiều khiển PSS1A và các ñối tượng có tham gia vào quá trình ñiều khiển trên cơ sở lý thuyết

- Xây dựng mô hình mô phỏng ñể kiểm chứng trên phần mềm Matlab-Simulink

- Trên cơ sở các kết quả thu ñược trên các mô hình mô phỏng, rút ra các ñánh giá, kết luận

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiển của ñề tài

Đề tài: “Xác ñịnh phương pháp chọn tham số cho bộ ñiều khiển PSS1A” là một hướng nghiên cứu mới trong ñiều khiển ổn ñịnh

các dao ñộng nhỏ trong hệ thống ñiện.Góp phần nâng cao tính ổn ñịnh

và nâng cao chất lượng ñiện năng của hệ thống ñiện Nghiên cứu thành công ñề tài này sẽ có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu

nâng cao sự ổn ñịnh và chất lượng ñiện năng của hệ thống ñiện

6 Cấu trúc luận văn

Luận văn ñược trình bày thành 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan cấu trúc hệ thống phát dẫn ñiện

Trong phần này sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống phát dẫn ñiện của một nhà máy ñiện, nguyên lí làm việc cũng như vai trò chức năng của từng thiết bị trong hệ thống

Chương 2: Mô hình hóa hệ thống phát dẫn ñiện

Trong phần này sẽ tập trung xây dựng mô hình toán học cho hệ thống gồm một máy phát nối với hệ thống công suất vô cùng lớn thông qua ñường dây truyền tải

Chương 3: Điều khiển ổn ñịnh công suất

Trong phần này phân tích vai trò cũng như ảnh hưởng của hệ

thống kích từ ñến ổn ñịnh hệ thống Xây dựng cấu trúc bộ ñiều khiển PSS1A và chọn các tham số cho bộ ñiều khiển

Chương 4: Các kết quả mô phỏng, kiểm chứng bằng Simulink

Matlab-Nội dung của chương trình bày các kết quả mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm Matlab-Simulink Phân tích các kết quả ñạt ñược ñể rút ra các ñánh giá, kết luận

Chương 1: TỔNG QUAN CẤU TRÚC HỆ THỐNG

PHÁT DẪN ĐIỆN 1.1 Giới thiệu chung

1.2 Máy phát ñiện ñồng bộ 3 pha

1.2.1 Kết cấu và nguyên lý làm việc cơ bản của máy phát ñiện

1.2.2 Đặc ñiểm và phân loại

1.2.2.1 Máy phát nhiệt ñiện

1.2.2.2 Máy phát thủy ñiện

1.2.3 Phản ứng phần ứng của máy phát ñiện ñồng bộ

1.3 Tua bin

1.3.1 Tua bin xung kích

1.3.2 Tuabin phản kích

1.4 Hệ thống ñiều tốc

1.6 Cơ cấu Facts (Flexible AC Transmission System)

1.6.1 Bộ bù tĩnh SVC (Static Var Compensator )

2.2 Mô hình hóa máy phát ñiện ñồng bộ

2.2.1 Mô tả toán học của máy phát ñồng bộ

Các phương trình mô tả ñặc tính pha của máy phát sẽ ñược

chuyển sang các hệ tọa ñộ ñảm bảo có lợi về phương diện mô tả vật

lý, từ ñó dẫn ñến các lợi thế cho việc thiết kế hệ thống ñiều chỉnh Có

hai loại hệ trục tọa ñộ ñược sử dụng là hệ tọa ñộ αβ gắn cố ñịnh với

stator và hệ tọa ñộ dq còn gọi là hệ tọa ñộ tựa từ thông rotor Trong ñề

tài, các phương án ñề xuất ñều ñược nghiên cứu thực hiện xuất phát từ

cơ sở là mô hình máy phát trên hệ tọa ñộ dq0, do ñó nội dung của mục

sẽ chỉ tập trung phân tích việc xây dựng mô hình này

Ở ñây trục d ñược gắn với rotor và sớm pha hơn so với trục tham

chiếu (pha a) một góc θ, dòng ñiện trong các pha stator là ia , i b , i c Nếu

biểu diễn các dòng ñiện này trong hệ tọa ñộ dq ta sẽ có quan hệ sau

Hình 2.1 Mô tả mô hình trạng thái của máy phát ñồng bộ

−+

−

=

)3

2cos(

)3

2cos(

cos

)3

2sin(

)3

2sin(

sin

πθπ

θθ

πθπ

θθ

c b

a d

d

c b

a q q

i i

i k

i

i i

i k

i

(2.1)

Ở ñiều kiện cân bằng i 0 = i a+i b+i c= 0

Sự chuyển ñổi các ñại lượng pha abc sang các ñại lượng dq0 có

thể ñược viết dưới dạng ma trận sau:

q

d

i i i

i

i

i

) 3 2 sin(

) 3 2 sin(

sin

) 3 2 cos(

) 3 2 cos(

cos

2

1 2

1 2

θθ

πθπ

) 3 2 cos(

1 ) 3 2 sin(

) 3 2 cos(

1 sin

cos

i i i

i

i

i

q d

c

b

a

π θ π

θ

π θ π

θ

θ θ

(2.6)

Sự chuyển ñổi trên cũng ñược áp dụng cho ñiện áp và từ thông

2.2.2 Mô tả máy phát trong hệ ñơn vị tương ñối

2.2.3 Phân tích mô hình máy phát ở trạng thái ổn ñịnh

Các phương trình của máy phát ñược ñưa ra như ở trên là các phương trình vi phân mô tả trạng thái của máy phát bằng một hàm của thời gian Khi máy phát hoạt ñộng ở ñiều kiện ổn ñịnh, cá phương trình vi phân là không cần thiết vì tất cả các biến hoặc không ñổi hoặc biến thiên dạng sin theo thời gian Trong nghiên cứu ổn ñịnh tín hiệu nhỏ ta luôn mặc ñịnh máy phát hoạt ñộng ở trạng thái ổn ñịnh trước

khi có nhiễu loạn xuất hiện Do ñó, việc phân tích trạng thái ổn ñịnh của máy phát là rất cần thiết

Ở trạng thái ổn ñịnh cân bằng các thành phần thứ tự không ñược

bỏ qua vàωr =ωs =1pu

2.2.4 Phương trình chuyển ñộng quay

Khi có sự mất cân bằng giữa các mômen tác ñộng lên trục roto máy phát thì sẽ tạo ra một mômen gia tốc là:

Ta = Tm - Te (2.71) Trong ñó; - Ta: Mô men gia tốc (N.m)

- Tm: Mô men cơ (Nm)

- Te: Mô men ñiện (N.m)

Trong phương trình trên Tm và Te là dương nếu là máy phát và âm nếu là ñộng cơ

Khi ñó phương trình chuyển ñộng quay sẽ là:

e m a

máy quay ở tốc ñộ ñịnh mức trên giá trị ñịnh mức VAcb của máy ñiện Gọi ω0m là vận tốc góc ñịnh mức, khi ñó hằng số quán tính ñược viết như sau:

cb

m

VA

J H

2 0

2

1

r D e m

H dt

Sơ ñồ khối mô tả phương trình (2.88), (2.89) như sau:

2.3 Mô hình máy phát nối với hệ thống trong nghiên cứu ổn ñịnh tín hiệu nhỏ

Hình 2.3 Sơ ñồ khối mô tả phương trình chuyển ñộng quay

Trong nghiên cứu ổn ñịnh tín hiệu nhỏ của hệ thống thì việc sử dụng các phương trình mô tả ñiện ñộng của một máy phát ñộc lập không thể sử dụng trực tiếp cho việc nghiên cứu ổn ñịnh cho một hệ thống lớn, mà nó chỉ có ý nghĩa ñối với các hệ thống rất nhỏ chỉ một máy phát hoạt ñộng ñập lập Do ñó, ñể phục vụ cho bài toán ñặt ra ta

sẽ thực hiện mô hình hóa cho hệ máy phát ñược nối với hệ thống Xét mô hình hệ thống ñược mô tả như hình 2.4 gồm một máy phát ñồng bộ nối với hệ thống ñiện thông qua ñường dây truyền tải có tổng trở ZE =RE +jXE

Hình 2.4 Mô hình hệ thống công suất

Bây giờ ta sẽ xem xét ñặt tính của hệ thống dưới tác ñộng của sự biến thiên từ thông Ảnh hưởng của cuộn dây cản dịu sẽ ñược bỏ qua

và ñiện áp kích thích sẽ ñược giả thiết là không ñổi

Trước tiên ta sẽ khai triển mô hình không gian trạng thái của hệ thống bằng cách rút gọn các phương trình của máy phát về dạng thích hợp và sau ñó kết hợp chúng với các phương trình lưới Ta sẽ mô tả thời gian là giây, góc là radian ñiện và tất cả các biến trong hệ ñơn vị tương ñối

Từ các phương trình ñược tổng hợp như ở trên, mô hình hệ

thống tuyến tính ñược mô tả dưới dạng sơ ñồ khối ở hình 2.7

2.4 Mô hình hóa hệ thống kích từ

Như ñã giới thiệu trong chương 1 Hệ thống kích từ cho máy phát gồm nhiều loại khác nhau như: Hệ thống kích từ một chiều, hệ thống kích từ xoay chiều hay hệ thống kích từ tự kích

2.4.1 Mô hình hóa các thành phần của hệ thống kích từ

2.4.2 Tổng hợp mô hình hệ thống kích từ

Từ việc phân tích mô hình các thành phần chi tiết như trên, mô hình cấu trúc của hệ thống kích từ hoàn chỉnh ñược trình bày trên hình 2.14 Mô hình hệ thống kích từ này theo tiêu chuẩn IEEE ñược kí hiệu

là ST1A Mô hình máy kích từ loại ST1A

2.5 Tổng hợp mô hình hệ thống máy phát hòa lưới

Từ việc phân tích, mô hình hóa các phần tử của hệ thống như ñã trình bày ở trên ta sẽ xây dựng một mô hình tuyến tính hóa hoàn chỉnh của hệ thống rút ra từ nhiễu loạn nhỏ ñể phục vụ cho bài toán nghiên

cứu ổn ñịnh tín hiệu nhỏ Hệ thống có sự tham gia của một máy phát ñược nối với hệ thống thông qua ñường dây truyền tải và máy phát

ñược ñiều khiển bởi hệ thống kích từ

Từ các phương trình ñược tổng hợp như trên, mô hình hệ thống máy phát kết nối với lưới ñược mô tả dưới dạng sơ ñồ khối như hình 2.15

Chương 3: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT

3.1 Các bài toán ổn ñịnh công suất

3.1.1 Điều chỉnh tốc ñộ tuabin máy phát

Để ñiều chỉnh công suất ñặt máy phát và thay ñổi ở dải công suất lớn, người ta hay ñổi công suất cơ bằng cách ñiều tốc tuabin Tuy nhiên, khi xảy ra quá trình quá ñộ (ngắn mạch hoặc ñóng cắt phụ tải lớn) hoặc những dao ñộng nhỏ từ hệ thống làm rotor máy phát dao

Σ

K6

K5

+ +

ñộng làm ảnh hưởng ñến chất lượng ñiện năng Quá trình này xảy ra rất nhanh nên thiết bị ñiều tốc do có hằng số thời gian quán tính cơ lớn nên sẽ ñáp ứng không kịp thời Để giải quyết vấn ñề này, người ta sẽ ñiều chỉnh kích từ máy phát

3.1.2 Điều khiển ổn ñịnh ñiện áp – ñiều khiển kích từ

Để tự ñộng ñiều chỉnh dòng ñiện kích từ của máy phát ñiện ñồng bộ, người ta sử dụng hệ thống tự ñộng ñiều chỉnh kích từ có bộ phận ñiều khiển chính là thiết bị tự ñộng ñiều chỉnh ñiện áp AVR (Automatic Volttage Regulator) Thiết bị này có nhiệm vụ giữ cho ñiện áp ñầu cực máy phát là không ñổi (với ñộ chính xác nào ñó) khi phụ tải thay ñổi và nâng cao giới hạn công suất truyền tải của máy phát vào hệ thống lưới ñiện Đặc biệt khi máy phát nối với hệ thống qua ñường dây dài

Trong chế ñộ làm việc bình thường, ñiều chỉnh dòng ñiện kích

từ sẽ ñiều chỉnh ñược ñiện áp ñầu cực máy phát và thay ñổi lượng công suất phản kháng phát vào lưới ñiện

Một vấn ñề ñáng quan tâm là khi máy phát ñiện làm việc ở chế

ñộ quá ñộ Chế ñộ quá ñộ có thể xảy ra trong quá trình khởi ñộng máy hoặc khi nối máy phát ñiện làm việc với lưới Quá trình quá ñộ xảy ra

có thể làm chất lượng ñiện năng giảm Nếu không khống chế kịp thời

có thể gây nên phá hủy máy Thông thường thời gian quá ñộ của máy

phát ñiện nói chung ñòi hỏi phải tắt rất nhanh biên ñộ dao ñộng của các quá trình quá ñộ trong máy sao cho phải nằm trong phạm vi cho phép Đặc biệt trong trường hợp sự cố ngắn mạch, cần có bộ phận ñể cưỡng bức dòng kích thích cho phép ñể giữ ñiện áp lưới làm việc ổn

ñịnh Do ñó, vấn ñề ñiều chỉnh tự ñộng dòng ñiện kích từ có vái trò hết sức quan trọng

3.2.2 Bộ ổn ñịnh công suất PSS1A

Ở mục này sẽ trình bày cơ sở lý thuyết, phương pháp phân tích, thiết kế và tính chọn tham số cho bộ ổn ñịnh công suất có ngõ vào tín hiệu là sai lệch tốc ñộ ký hiệu là PSS1A Trước tiên, là giới thiệu vai trò và tác dụng của PSS1A trong hệ thống kích từ máy phát Từ ñó, ta

sẽ xây dựng cấu trúc cơ bản và tính chọn tham số cho bộ ñiều khiển PSS1A ñể ñạt ñược kết quả tối ưu nhất

3.2.2.1 Tác dụng và vai trò của PSS trong hệ thống kích từ

Hình 3.8 Mô hình tuyến tính của hệ thống máy phát ñồng

bộ nối với lưới rút ra từ nhiễu loạn hệ thống

Σ

K6

K5

+ +

∆U PSS

+

Bộ ổn ñịnh công suất là một thiết bị phụ trợ trong hệ thống tự ñộng ñiều chỉnh kích từ máy phát Với mục ñích là tạo thêm một thành phầm mô men ñiện phụ trong rotor máy phát ñồng bộ Thành phần mô men này có tác ñộng giống như là một mô men cản dịu ñể chống lại sự dao ñộng của rotor máy phát trong quá trình làm việc khi tải có xảy ra những dao ñộng Để hiểu ñược sự tác ñộng của PSS1A ñến hệ thống máy phát, ta xét sơ ñồ khối của hệ thống như hình.3.8.Sơ

ñồ này ñược mở rộng từ sơ ñồ khối của hệ thống ñã ñược mô hình hóa

ở chương 2 kết nối thêm với bộ ổn ñịnh PSS1A

→ Để giảm nhanh những dao ñộng của rotor, thiết bị PSS thông qua hệ thống kích từ tạo ra một thành phần mô men ñiện ñặt lên rotor

có tác dụng giống như là một mô men cản dịu chống lại sự dao ñộng của rotor tại góc pha (ωt nào ñó) có tốc ñộ ω biến thiên

→ Từ mô hình hệ thống máy phát ở hình3.8, hàm truyền ñạt của PSS là GPSS(s) tương ứng là mạch bù pha ñể bù cho sự trễ pha ñầu vào của bộ phận kích từ và mô men ñiện Trong trường hợp lý tưởng, ñặc tính pha của GPSS(s) ñúng bằng nghịch ñảo ñặc tính pha của hàm truyền máy phát còn bộ phận kích từ ñược bù thì PSS sinh ra mô men giảm thuần túy cho tất cả các tần số dao ñộng.Vậy, ta thấy rằng PSS cung cấp một tín hiệu bổ sung ñến hệ thống kích từ nhằm sinh ra một thành phần mô men hãm ñể làm tắt nhanh những dao ñộng

→ Thường phạm vi tác ñộng của PSS trong dải tần số dao ñộng

từ 0,1-3Hz Nếu ngoài phạm vi tác ñộng của PSS, ñể ổn ñịnh tốc ñộ rotor máy phát người ta phải ñiều tốc tuabin máy phát

Để bù sự trễ pha người ta sử dụng cấu trúc pha Lead- Lag, với PSS1A, ta sẽ sử dụng hai giai ñoạn bù pha như ñã trình bày ở phần trước, khi ñó ta có cấu trúc hoàn thiện bộ ñiều khiển ổn ñịnh công suất PSS1A như hình 3.12

Khả năng bù của PSS phụ thuộc vào việc tính chọn giá trị của hệ

số khuếch ñại KPSS và các hằng số thời gian trễ và vượt pha T1, T2, T3,

T4 Các hằng sồ thời gian này ñược ñiều chỉnh trong khoảng 0,01s≤

T≤6s

3.2.2.3 Tính chọn tham số cho PSS1A

+ Chọn các thông số cho bộ lọc thông cao:

Tw phải ñược chọn sao cho tín hiệu kết quả của tốc ñộ phải tỷ lệ hằng số với sai lệch tốc ñộ Như vậy, trong trường hợp nghiên cứu này

ta sẽ chọn hằng số thời gian cho các bộ lọc “High-pass Filter” ở ñầu vào là Tw = 15s và khi ñó sẽ có một tần số cắt có giá trị là: fc = ωc /2Л

= 1/2Л Tw = 1/2.3,14.15 = 0.0106 (Hz) Tần số này thấp hơn các tần

số của mô hình liên khu vực, do ñó giá trị của hằng số thời gian lọc ñã chọn là phù hợp

+ Chọn các thông số cho khâu bù Lead-Lag:

Giả thiết rằng máy phát ñiện có công suất biểu kiến S = 200MVA(hệ SI), Uñm= 13,84kV, fñm = 50Hz, ñang phát công suất P =

Ladu = 1,65 Laqu = 1,60 L1 = 0,16 Ra = 0,003 Rfd = 0,153 Lfd

=0,153 KA=200 H = 3,0 T’do= 8s

Áp dụng các công thức ñược xây dựng ở chương 2, ta tính ñược các hệ số K1→K6 và các hằng số thời gian trong sơ ñồ khối ở hình 3.8: K1 = 1,591 K2 = 1,5 K3 = 0,333 K4 = 1,8

) 1

1 ( sin 1