Đánh giá ổn định hệ thống điện nhiều máy phát có xét ảnh hưởng của bộ PSS

3.1 Ổn định của hệ thống điện chứa một máy phát làm việc với thanh cái có công suất vô hạn ..... - Chương 3: Bộ ổn định hệ thống điện PSS power system stabilizer; Giới thiệu ổn định của

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRUỜNG TRỌNG ÐIỂM

ÐÁNH GIÁ ỔN ÐỊNH HỆ THỐNG ÐIỆN NHIỀU MÁY

PHÁT CÓ XÉT ẢNH HUỞNG CỦA BỘ PSS

MÃ SỐ: T2013-02TÐ

S 0 9

S KC 0 0 4 2 9 8

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN NHIỀU MÁY

PHÁT CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA BỘ PSS

Mã số: T2013-02TĐ

Chủ nhiệm đề tài: ThS NGUYỄN NGỌC ÂU

TP HCM, 11/2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN NHIỀU MÁY

PHÁT CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA BỘ PSS

Mã số: T2013-02TĐ

Chủ nhiệm đề tài:ThS NGUYỄN NGỌC ÂU

Thành viên đề tài:ThS NGUYỄN VŨ PHƯƠNG THẢO

TP HCM, 11/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN NHIỀU MÁY

PHÁT CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA BỘ PSS

Mã số: T2013-02TĐ

Chủ nhiệm đề tài: ThS NGUYỄN NGỌC ÂU

TP HCM, 12/2013

MỤC LỤC

CHƯƠNG I CHƯƠNG MỞ ĐẦU 6

1 Tổng quan và tính cấp thiết của đề tài 6

2 Mục tiêu của đề tài 6

3 Cách tiếp cận 6

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

5 Nội dung 6

Chương 2 8

LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 8

2.1 Các khái niệm cơ bản: 8

2.1.1 Khái niệm về ổn định: 8

2.1.2 Các chế độ làm việc của HTĐ 9

2.1.3 Giới hạn ổn định 10

2.1.4 Phân loại: 10

2.2 Các tiêu chuẩn khảo sát ổn định tĩnh: 12

2.2.1 Tiêu chuẩn năng lượng: 12

2.2.2 Phương pháp dao động bé: 12

2.3 Các tiêu chuẩn khảo sát ổn định động: 14

2.3.1 Tiêu chuẩn diện tích: 14

Áp dụng tiêu chuẩn diện tích: 15

2.3.2 Tiêu chuẩn năng lượng: 18

Chương 3 21

BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS (POWER SYSTEM STABILIZER) 21

3.1 Ổn định của hệ thống điện chứa một máy phát làm việc với thanh cái có công

suất vô hạn 21

3.2 Ảnh hưởng động học của mạch kích từ: 25

3.3 Ảnh hưởng sự thay đổi từ thông kích từ tới sự ổn định: 32

3.4 Ảnh hưởng của hệ thống kích từ: 34

3.5 Bộ ổn định hệ thống điện (PSS): 38

3.5.1 Chức năng bộ ổn định PSS: 38

CHƯƠNG 4 43

MÔ PHỎNG ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 43

4.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG 43

4.1.1 Hệ thống máy phát điện đồng bộ khu vực 1 43

4.1.2 Khối đo thông số chế độ mô phỏng 45

4.1.3 Khối PSS 45

4.1.4 Khối tạo sự cố ba pha 46

4.1.5 Máy cắt 46

4.2 MÔ PHỎNG 47

Thông số hệ thống: 47

4.2.1 Trường hợp 1: sự cố ba pha, khu vực 1, giữa đường dây: 48

4.2.2 Trường hợp 2: sự cố ba pha, khu vực 1, vị trí 25KM: 50

4.2.3 Trường hợp 3: sự cố 1 pha (A), khu vực 1, giữa đường dây: 51

4.2.4 Trường hợp 4: sự cố 1 pha (A), khu vực 1, vị trí 25KM: 53

4.2.5 Trường hợp 5: ngắn mạch hai pha, khu vực 1, vị trí 25KM 54

4.2.6 Trường hợp 6: ngắn mạch hai pha, giữa đường dây 55

4.2.7 Trường hợp 7: ngắn mạch ba pha, vị trí 35KM 56

4.2.8 Trường hợp 8: ngắn mạch một pha, vị trí 35KM 57

4.2.9 Trường hợp 9: ngắn mạch hai pha, vị trí 35KM 58

Chương KẾT LUẬN 60

1 Kết luận 60

2 Hướng phát triển đề tài: 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC CÁC KÍ KIỆU

x Các vector biến trạng thái

y Vector đầu ra của hệ thống

u Vector đầu vào của hệ thống

va, vb, vc Điện áp pha tức thời stator

ia, ib, ic Dòng điện tức thời stator các pha a, b, c

ifd, ikd, ikq Các dòng điện mạch kích từ, cuộn cản dọc và ngang trục

rfd, rkd, rkq Các điện trở mạch rotor, cuộn cảm

laa, lbb, lcc Tự cảm các cuộn dây stator

lab, lbc, lca Hỗ cảm giữa các cuộn dây startor

Pm Công suất cơ (pu)

Tm Mô men cơ (pu)

Pe Công suất điện (pu)

Qe Công suất phản kháng (pu)

Te Mô men điện (pu)

Ks Hệ số momen đồng bộ

H Hằng số quán tính máy phát (s)

d Từ thông startor dọc trục

q Từ thông startor ngang trục

Vt Điện áp đầu cực máy phát (pu)

Vd Điện áp startor dọc trục

Vq Điện áp startor ngang trục

Id Dòng điện startor dọc trục

Iq Dòng điện startor ngang trục,

E’d Điện áp quá độ dọc trục

E’q Điện áp quá độ ngang trục

Pa Công suất tăng tốc

kd Từ thông móc vòng cuộn cản dọc trục

kq Từ thông móc vòng cuộn cản ngang trục

𝑋𝑑, 𝑋′𝑑, 𝑋′′𝑑 Điện kháng đồng bộ, quá độ và siêu quá độ dọc trục của

máy phát

𝑋𝑞, 𝑋′𝑞, 𝑋′′𝑞 Điện kháng đồng bộ, quá độ và siêu quá độ ngang trục của máy

phát

FACTS Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt

HVDC Truyền tải điện một chiều cao áp

SVC Thiết bị bù công suất tĩnh

Hình 1.3 Cấu trúc điều khiển HTĐ

Hình 1.5 Đặc tính công suất máy phát

Hình 2.3 Ngắn mạch đầu một trong hai đường dây vận hành song song

Hình 2.5 Trường hợp ranh giới ổn định

Hình 3.1 Cấu tạo máy điện

Hình 3.1a Cuộn cản liên tục

Hình 3.1b Cuộn cản không liên tục

Hình 3.2 Cấu trúc Rotor rãnh và dây quấn

Hình 3.3 Dòng điện trong Rotor

Hình 3.3 Mô hình máy phát điện

Hình 3.5.Sơ đồ khối hệ thống kích từ

Hình 3.6 Hệ thống kích từ

Hình 3.7 Hệ thống kích từ trong hệ thống điện

Hình 3.8 Mô hình đường dây

Hình 3.1 Hệ một máy phát nối với hệ thống vô cùng lớn

Hình 3.2 Sơ đồ thevenin tương đương của hệ một máy phát nối với hệ thống

vô cùng lớn

Hình 3.3 Mô hình máy phát làm việc với hệ thống vô cùng lớn

Hình 3.3 Sơ đồ khảo sát máy phát dùng cho đáp ứng nhiễu nhỏ

Hình 3.5 Giản đồ điện áp máy phát trong hệ tọa độ d_q

Hình 3.6 Mạch tương đương liên hệ với từ thông móc vòng tương đương theo các trục d_q và dòng điện

Hình 3.7 Giản đồ khối của bộ AVR

Hình 3.8 Môment cản dương và môment đồng bộ âm theoK2fd

Hình 3.9 Mô hình hệ thống kích từ khi khảo sát ổn định nhiễu nhỏ

Hình 3.10 Sơ đồ khối chứa AVR

Hình 3.11 Sơ đồ khối với AVR và PSS

Hình 3.12 Hệ thống kích từ thyrister với AVR và PSS

Hình 4.1 Hệ thống máy phát hai khu vực

Hình 4.2 Khu vực 1

Hình 4.3 Sơ đồ máy phát điện đồng bộ trong khu vực 1

Hình 4.3.a Đồng hồ các thông số của máy phát (machine)- b Tín hiệu của máy phát Hình 4.5 Đồng hồ tham số hệ thống (system) - b Cấu tạo bên trong dữ liệu hệ thống Hình 4.6 Khối PSS ( Power Systems Stablity)

Hình 4.7 Khối tạo sự cố 3 pha brk1 và brk2

Hình 4.8 Khối máy cắt khu vực 1 và 2 (brk1 và brk2)

Hình 4.9 Sơ đồ khối bên trong PSS

CHƯƠNG I CHƯƠNG MỞ ĐẦU

1 Tổng quan và tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, phụ tải liên tục gia tăng dẫn đến các phần tử (máy phát, dây dẫn, …) làm việc cận vùng giới hạn cho phép Hệ thống điện là những hệ thống phi tuyến phức tạp, các điểm vận hành có thể thay đổi trên diện rộng, những dao động liên tục xuất hiện dẫn đến sự liên kết giữa các hệ thống yếu dần đi Một trong các điều quan trọng trong nghiên cứu hệ thống điện là vấn đề ổn định hệ thống điện Đánh giá ổn định hệ thống điện là đánh giá khả năng hệ thống chịu được các nhiễu khi gặp sự

cố như ngắn mạch, thay đổi tải, … và trở lại bình thường ổn định sau sự cố Việc nghiên cứu mô phỏng để hiểu hành vi hệ thống điện trong lúc vận hành cũng như sự

cố là điều cần thiết để có thể nhận diện các trường hợp mất ổn định có thể xảy ra nhằm giảm thiểu sự cố mất điện Đề tài này tìm hiểu mô phỏng đánh giá ổn định hệ thống điện nhiều máy phát có xét đến ảnh hưởng của PSS

2 Mục tiêu của đề tài

- Tìm hiểu và thiết kế bộ PSS nơron

- Mô phỏng và đánh giá ổn định hệ thống điện có xét đến ảnh hưởng của PSS

3 Cách tiếp cận

- Khảo sát tài liệu liên quan

- Ứng dụng phần mềm matlab mô phỏng, nhận xét đánh giá

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: ổn định hệ thống điện nhiều máy phát

- Phạm vi nghiên cứu: Mô phỏng đánh giá ổn định hệ thống điện nhiều máy phát

5 Nội dung

Nội dung chính của đề tài:

- Chương 1: Chương mở đầu

- Chương 2: Lý thuyết ổn định hệ thống điện

Giới thiệu về lý thuyết ổn định hệ thống điện, các khái niệm cơ bản về các dạng ổn định, phân loại ổn định trong hệ thống điện, các tiêu chuẩn khảo sát ổn định

- Chương 3: Bộ ổn định hệ thống điện PSS (power system stabilizer);

Giới thiệu ổn định của hệ thống chứa một máy phát làm việc với thanh cái có công suất vô hạn, ảnh hưởng của động học của mạch kích từ, từ thông kích tới sự ổn định của hệ thống và trình bày bộ PSS

- Chương 4:Mô phỏng ổn định hệ thống điện Chương này ứng dụng phần mềm matlab mô phỏng sự ổn định hệ thống điện, mô phỏng áp dụng cho

hệ thống chuẩn bốn máy phát cho trường hợp không có bộ PSS, có bộ PSS Kundur hoặc có bộ FTDNN-PSS, từ đó nhận xét kết quả

- Chương Kết luận

Chương 2

LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 Các khái niệm cơ bản:

Hệ thống điện là tập các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng

Các phần tử hệ thống điện chia thành 2 nhóm:

- Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và

sử dụng năng lượng như MF, đường dây tải điện và các thiết bị dùng điện

- Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng thái HTĐ như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơle, máy cắt điện…

Mỗi phần tử HTĐ được đặc trưng bởi các thông số, các thông số này sẽ được xác định về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử, sơ đồ liên lạc giữa chúng và nhiều sự giản ước tính toán khác Ví dụ: Tổng trở, tổng dẫn của đường dây, hệ số biến áp, hệ số khuếch đại của bộ phận điều chỉnh tự kích Các thông số của các phần tử cũng được gọi là các thông số của HTĐ

2.1.1 Khái niệm về ổn định:

Hệ thống điện vận hành ổn định ở trạng thái cân bằng dưới các điều kiện vận hành bình thường và giữ nguyên trạng thái cân bằng sau khi chịu tác động của nhiễu loạn Theo cách truyền thống, vấn đề ổn định đã được hiểu là phải duy trì hệ thống họat động ở một điểm vận hành đồng bộ Điều kiện để hệ thống điện hoạt động ổn định là tất cả các máy phát điện đồng bộ ở trạng thái đồng bộ với nhau

Các trạng thái của hệ thống điện khi xuất hiện nhiễu loạn quá độ, gồm nhiễu loạn lớn hoặc nhỏ là cơ sở đánh giá ổn định Nhiễu loạn nhỏ như phụ tải thay đổi liên tục và hệ thống phải tự điều chỉnh theo các thông số trên Hệ thống điện có thể phải hoạt động đúng theo các thay đổi trên và cung cấp công suất đầy đủ cho số lượng lớn phụ tải đó Đáp ứng của hệ thống điện tới nhiễu loạn kéo theo nhiều thiết

bị tác động Ví dụ, ngắn mạch trên một phần tử hệ thống sẽ được rơle bảo vệ cách

ly làm sẽ làm biến đổi việc phân bố công suất; tốc độ rotor máy phát và điện áp thanh cái; điện áp khác nhau sẽ làm kích thích bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát tác động; tốc độ của máy phát điện khác nhau sẽ kích thích bộ điều chỉnh tốc

độ động cơ sơ cấp; thay đổi đường dây liên kết các phụ tải có thể khởi động (kích thích) các bộ điều khiển; thay đổi điện áp và tần số sẽ ảnh hưởng đến các phụ tải theo nhiều cấp độ khác nhau phụ thuộc vào các đường đặc tính riêng biệt của thiết

bị

Các nhiễu lớn xảy ra trong hệ thống: ngắn mạch, tăng/giảm tải đột ngột, tải lớn vào hệ thống, mất/giảm kích từ các máy có công suất lớn hoặc mất/giảm công suất cơ của các máy phát đều làm cho hệ thống dao động, trải qua quá trình dao động hệ thống có thể tiến tới trạng thái xác lập mới hoặc có thể làm cho dao động

đó càng ngày càng lớn và tiến ra vô cùng, lúc đó hệ thống sẽ mất ổn định

Chế độ quá độ thường diễn ra sau sự cố hoặc thao tác đóng cắt các phần tử mang công suất (những kích động lớn) Chế độ quá độ được gọi là bình thường nếu

nó tiến đến CĐXL mới Trong trường hợp này thông số hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở về trị số gần định mức và tiếp theo nó ít thay đổi Ngược lại, CĐQĐ với thông số biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0, CĐQĐ này được gọi là chế độ quá độ sự cố

Điều kiện tồn tại CĐXL gắn liền với sự tồn tại điểm cân bằng công suất Bởi chỉ khi đó thông số hệ thống mới giữ được không đổi (các máy phát có thể duy trì

tốc độ quay đồng bộ) Tuy nhiên trạng thái cân bằng chỉ là điều kiện cần (chưa đủ) của CĐXL Trong thực tế luôn tồn tại những kích động ngẫu nhiên làm lệch thông

số khỏi biên giới cân bằng (tuy rất nhỏ) chẳng hạn sự thay đổi thường xuyên của công suất phụ tải Chính trong điều kiện này hệ thống vẫn phải duy trì được độ lệch nhỏ của các thông số, nghĩa là vẫn đảm bảo CĐXL, khả năng này phụ thuộc vào

tính chất riêng của hệ thống Đó là ổn định tĩnh của hệ thống điện

2.1.3 Giới hạn ổn định

Công suất tối đa của một máy phát điện có thể cung cấp tùy thuộc vào từ trường kích thích của máy phát Trong giới hạn, kích từ phụ thuộc vào điều kiện hoạt động của hệ thống Máy phát điện sẽ thường được điều chỉnh kích từ để duy trì điện áp cuối tại một giá trị nhất định Điện áp đầu cuối được điều chỉnh bằng tay hoặc qua bộ điều chỉnh tự động Nếu có sự thay đổi tải chậm hoặc dần dần trong điều kiện ổn định có thể giả định là tồn tại, kích từ sẽ thay đổi chậm để điều chỉnh điện áp tại đầu cuối của hệ thống tại một giá trị qui định Giới hạn ổn định tĩnh của máy phát hoặc hệ thống có thể định nghĩa là công suất tối đa mà hệ thống có thể truyền tải cho sự thay đổi chậm, sự thay đổi tải diễn ra từ từ đủ để cho phép một sự thay đổi kích từ giống như vậy để mang lại cho điện áp đầu cuối trở nên bình thường sau mỗi lần thay đổi tải Điều quan trọng cần được lưu ý nó được giả định

để kiểm soát điều khiển kích từ như là một sự thay đổi điện áp chính xác sau mỗi lần xảy ra sự thay đổi tải nhỏ

- Khi độ lệch của các thông số chế độ của hệ so với vị trí cân bằng đủ bé thì những biến đổi tiếp theo của các thông số cũng sẽ đủ 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 và chính những tác động này làm cho các thông số của hệ biến đổi nhưng rất chậm và không có chu kỳ nên có thể coi như hệ thống ổn định

Vì vậy, xét ổn định của hệ thống điện với hai phương pháp tương đương nhau: khảo sát các tác động bé hoặc các độ lệch thông số bé ở trạng thái ban đầu và sau đó đối với cả hai trường hợp

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

 Sa thải phụ tải theo tần số

 Dự trữ đủ công suất tác dụng và phản kháng

Ổn định động:

Ổn định động của hệ thống là khả năng hệ thống có thể chuyển về một chế độ xác lập khác mà các thông số chế độ tại các nút gần với giá trị bình thường khi hệ thống chịu tác động của những biến đổi lớn tạm thời và đột ngột

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 nào đó Nhưng cũng có ngoại lệ, trong trường hợp muốn nâng cao ổn định động người ta dùng những biện pháp đặc biệt 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

Khi nghiên cứu ổn định tĩnh là đã xét đến 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 ổn định tĩnh chưa chắc đã có ổn định động Những dao động lớn (còn gọi

là đột biến) xảy ra trong hệ thống điện như 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 ít xảy ra nhưng do tính nguy hiểm đối với ổn định nên phải xét đến khi thiết kế hệ thống điện

Mất ổn định tĩnh hoặc ổn định động thường gây ra việc ngừng cung cấp điện cho rất nhiều phụ tải dẫn đến tổn thất lớn đối với nền kinh tế quốc dân 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

2.2 Các tiêu chuẩn khảo sát ổn định tĩnh:

2.2.1 Tiêu chuẩn năng lượng:

Hệ ở chế độ xác lập khi có sự cân bằng giữa năng lượng phát và tiêu thụ Mỗi chế độ xác lập sẽ tương thích với các thông số xác định trạng thái hệ Nếu có nhiễu (kích động) làm các thông số này thay đổi theo hướng khuếch đại thì hệ sẽ không

ổn định Điều này xảy ra khi năng lượng phát lớn hơn năng lượng tiêu tán Tiêu chuẩn năng lượng về ổn định hệ được mô tả qua bất đẳng thức sau:

Với: II- gia số thông số

W- năng lượng dư và ΔW ΔW F ΔW t

ΔW F, ΔW t số gia năng lượng phát và tiêu tán

2.2.2 Phương pháp dao động bé:

Hệ thống động thường được mô tả bởi hệ phưg trình vi phân sau:

),, ,,,, ,,(x1 x2 x u1 u2 u t f

Với x – véc tơ trạng thái; u – véc tơ đầu vào hệ (được hiểu ở đây là nhiễu) Khai triển phương trình trên theo chuỗi Taylor và bỏ qua các đạo hàm bậc cao:



rui

f

u1

ifnxnxi

f

1x1xi

f

ΔΔ

ΔΔ



Giá trị riêng của ma trận thường được gán bởi các trị của tham số  khi không

có lời giải tầm thường cho phương trình:

Việc khai triển định thức cho ra phương trình đặc trưng, n nghiệm của  = 1,

2, n gọi là trị riêng của A

Ma trận ,  được gọi là modum phải và trái nếu:

A= 

Với - ma trận đường chéo chính với các phần tử là 1, 2, n

Lời giải của phương trình này là:

xi (t) = i1c1

t 1

e λ

+ … + incne n λ t

(2.7) Với

Với: ci= ix(0)

Quan hệ giữa nghiệm phương trình đặc trưng và ổn định:

 Khi nghiệm là thực sẽ có trạng thái phi dao động, nếu nghiệm là thực dương thích ứng với mất ổn định phi chu kỳ

 Khi nghiệm là phức thì chúng sẽ xuất hiện dưới dạng cặp liên hiệp và sẽ

có trạng thái dao động, nếu nghiệm có phần thực dương sẽ cho ra mất ổn định dao động

2.3 Các tiêu chuẩn khảo sát ổn định động:

Khảo sát ổn định rất có ý nghĩa thực tiễn trong việc điều khiển vận hành hệ thống điện, đặc biệt đưa ra những chiến lược “phòng ngừa” khi có tình trạng nguy hiểm xảy ra, có biện pháp xử lý theo kiểu định trước Việc khảo sát ổn định động trong hệ thống thường dựa vào tiêu chuẩn diện tích và hàm năng lượng Liapunov

2.3.1 Tiêu chuẩn diện tích:

Phương trình chuyển động của hệ thống điện đơn giản:

J a J

e m J

e m

T

P T

P P T

P P dt

d      max sin 

2

2

(2.8) Pa:được gọi là công suất tăng tốc



dt

d T

P dt

d dt

d

J

2δδ

d dt

d

a J

i i i

Với C là hằng số tích phân, C = 0 khi 0

2 ( δ

δ 0



P d

Tiêu chuẩn diện tích có thể phát biểu như sau: “Hệ thống sẽ ổn định nếu

tồn tại một góc  để tại đó diện tích dưới Pa giảm tới không, nghĩa là tại đó năng lượng tích lũy trong quá trình tăng tốc đã tiêu tán hết (diện tích tăng tốc bằng diện tích hãm tốc)”

Áp dụng tiêu chuẩn diện tích:

Để đơn giản, giả sử máy phát làm việc với thanh cái vô hạn (SMIB) Các nhiễu lớn có thể dẫn đến mất ổn định góc của máy phát như tăng (mất) công suất cơ đột ngột trên máy phát; tăng/giảm tải đột ngột; mất kích từ đột ngột Sau đây ta sẽ xét các trường hợp này:

Trường hợp tăng công suất cơ đột ngột trên máy phát:

Giả sử tại thời điểm ban đầu vận hành ở điểm công suất cơ Pm0, công suất cơ đưa vào turbine tăng từ Pm0 lên Pm1 (Hình 2.1a) Tại a do Pm1 > Pe nên rotor bắt đầu tăng tốc và0 Tại điểm b, tuy có cân bằng công suất nhưng do 0 nên góc tiếp tục tăng Sau điểm b thì Pa < 0, rotor bắt đầu quá trình hãm tốc Tại C, năng lượng tích lũy trong quá trình tăng tốc đã tiêu tán hết trong quá trình hãm tốc

 , hay góc  bắt đầu giảm Sau một vài dao động do tác dụng của ma sát, góc

sẽ trở về vị trí xác lập mới b Trường hợp này là hệ ổn định

Nếu tăng công suất cơ từ Pm0 lên Pm2 sao cho A1 = A2max (Hình 2.1b) Tại f, năng lượng tích lũy trong quá trình tăng tốc đã tiêu tán hết trong quá trình hãm tốc

0



  , do đó điểm f là điểm cân bằng mới Tuy nhiên điểm f là điểm cân bằng

không ổn định như đã xét ở trước Trường hợp này hệ đạt tới trạng thái giới hạn ổn định

Áp dụng vào trường hợp cắt một trong hai đường dây vận hành song song:

Ở chế độ ban đầu khi hai đường dây vận hành song song, phương trình công suất:

δ sin δ

sin

2 1

2 1 '

'

Σ '

L L

L L d

I

e

X X

X X X

U E X

U E

sin

1 ' '

Σ '

L d

II

e

X X

U E X

U E

Hình 2.3 Trường hợp hệ ổn định

Khi cắt đường dây một,X tăng lên làm đường đặc tính giảm xuống Tại b do 

Pm > Pe nên rotor tăng tốc 0 dẫn đến  tăng Tại c, tuy Pm = Pe nhưng do

Kết luận: nếu A1 < A2max thì hệ thống ổn định; nếu e trùng với f thì hệ ở giới hạn ổn định; và nếu A1 > A2max thì hệ thống mất ổn định

2.3.2 Tiêu chuẩn năng lượng:

Năm 1892, nhà bác học người Nga, Liapunov đã đưa ra một phương pháp toán học có thể khảo sát các hệ thống năng lượng nói chung Phương pháp toán học được phát biểu như sau: “Hệ ôtônôm (hệ không có lực ngoài tác dụng) thì năng lượng được bảo toàn: động năng + thế năng = hằng số C” Dựa trên cơ sở này Liapunov đã định nghĩa tiêu chuẩn năng lượng của hệ thống động:

'

t x f

V(x)  0và V(x0)0

0 )) ( ( )).

( ( )

(

'



Grad V x f x t x

Áp dụng tiêu chuẩn năng lượng cho hệ thống điện đơn giản SM:

Hình 2.3 Ngắn mạch đầu một trong hai đường dây vận hành song song

Hình 2.5 Trường hợp ranh giới ổn định Đối với hệ một máy làm việc với hệ thống công suất vô cùng lớn, hàm năng lượng quá độ sau khi có một tác động nhiễu cho bởi:

) ( ) ( )

cos (cos

) (

2

1 )

,

Với: M: hằng số quán tính của máy phát

 : góc giữa sức điện động máy phát và điện áp thanh cái

s

 : góc điện áp máy phát tại điểm làm việc cân bằng sau khi sự cố

P = Pm: công suất turbine (công suất đưa vào rotor máy phát)

Pe: công suất điện từ, nếu bỏ qua điện trở





X

U E

XS: điện kháng tương đương từ máy phát đến thanh cái

Thừa số thứ nhất ở vế bên phải được gọi là động năng tương ứng với sự thay đổi tốc độ góc của máy phát, phần còn lại gọi là thế năng tương ứng với sự thay đổi góc làm việc máy phát so với điểm làm việc cân bằng ổn định Tổng năng lượng quá độ bằng tổng động năng và thế năng là một hằng số sau tác động của nhiễu Nếu động năng tiến đến zero 0 thì thế năng đạt cực đại (ứng với điểm f trên hình vẽ), lúc này góc máy phát có độ lệch cực đại so với điểm làm việc cân bằng ổn định Tồn tại một góc  maxsao cho V (  ,  )= V cr(,0)

Tiêu chuẩn năng lượng có thể phát biểu như sau:

“Nếu trong suốt quá trình chịu tác động nhiễu, năng lượng của hệ nhỏ hơn năng lượng giới hạn V (  ,  )<Vcr(,0)thì hệ ổn định.”

Chương 3

BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS (POWER SYSTEM STABILIZER)

Bộ ổn định hệ thống điện thiết kế nhằm đạt được hai mục tiêu Thứ nhất là kiểm soát đầu ra điện áp của máy phát điện, thứ hai là làm giảm tác động từ bên trong và bên ngoài lên máy phát gây nên mất ồn định của hệ thống điện

3.1 Ổn định của hệ thống điện chứa một máy phát làm việc với thanh cái có công suất vô hạn

Khảo sát đáp ứng của hệ một máy phát nối với hệ thống vô cùng lớn (SMIB) qua đường dây truyền tải như Hình 3.1 để tìm hiểu các khái niệm cơ bản và các ảnh hưởng:

Hình 3.1 Hệ một máy phát nối với hệ thống vô cùng lớn

Sử dụng phép biến đổi tương đương Thevenin thu được:

Hình 3.2 Sơ đồ Thevenin tương đương của hệ một máy phát

nối với hệ thống vô cùng lớn

Khi máy phát làm việc với hệ thống công suất vô cùng lớn thì điện áp đầu cực máy phát không thay đổi Ở mỗi điểm làm việc, biên độ điện áp của EB luôn giữ là

hằng số khi máy phát bị kích thích nhỏ nhưng khi trạng thái xác lập của hệ thống thay đổi, biên độ điện áp EB có thể thay đổi theo Sau đây là phân tích ổn định nhiễu nhỏ hệ thống Hình 3.2 với mô hình máy phát ở dạng chi tiết

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 3.3:

Hình 3.3 Mô hình máy phát làm việc với hệ thống vô cùng lớn Trong đó:

to d

to j X I E

E    : vectơ điện áp trong quá trình quá độ (3.1)

Xd’: điện kháng quá độ của 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

' ' '

' ' '

(3.3)

Bỏ qua điện trở stato, công suất khe hở không khí (Pe) bằng với công suất đưa

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

Te = P = Pe =

T B '

X

E.E

e

X

E E T

 : độ lệch tốc độ ở đơn vị tương đối

 : góc lệch rôto so với thanh cái vô cùng làm chuẩn (radian điện)

: Độ lệch góc rotor (electrical rad - Độ điện)

0

 : tốc độ điện rôto (rad/s)

s: toán tử vi phân d/dt với t tính bằng giây (s)

X

E E

Tuyến tính hóa (3.7) ta có: s 0.r (3.10)

Viết dưới dạng ma trận: r m

S D

r

T H H

K H

K dt

022

tả (3.11) được trình bày ở Hình 3.3 dùng cho đáp ứng nhiễu nhỏ:

Hình 3.3 Sơ đồ khối khảo sát máy phát dùng cho đáp ứng nhiễu nhỏ

K H

K K

K s

H

K

2 ) ( 2 ) ( 2 )

K

Đây là khâu dao động bậc hai dạng: s2 2n.sn2 0 (3.15)

- Tần số dao động tự nhiên:

H

D n

D n

D

H K

K H

12

3.2 Ảnh hưởng động học của mạch kích từ:

Hoạt động của hệ thống đang khảo sát sẽ bị ảnh hưởng do sự thay đổi từ thông kích từ Trong phần này bỏ qua ảnh hưởng của các cuộn đệm dọc trục, ngang trục và điện áp kích từ giả sử giữ không đổi (kích từ bằng tay) Phát triển mô hình không gian trạng thái của hệ thống bằng cách tối giản các phương trình mô tả máy phát dưới dạng thích hợp và sau đó kết hợp với các phương trình mạch ngoài Các thông số thời gian được đo bằng giây, 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

Hình 3.5 Giản đồ điện áp máy phát trong hệ tọa độ d_q Phương trình động học của mạch kích từ:

fd fd fd

adu

fd fd

fd fd

L

R i

R e

q L l i q L ads(i q)L l i q aq (3.22)

fd fd ad fd fd fd q ads

Trong các phương trình trên ad và aqlà từ thông khe hở (hổ cảm), và

Lads và Laqs là giá trị bảo hòa của hỗ cảm do từ thông khe hở theo các trục d_q gây ra

Từ (3.23), suy ra:

fd

ad fd fd

)(

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

ads

L L

L

1 1

)( l q aq

d a q d a

)i

L(iRi

Với: E Bd E Bsin ; E Bq  E Bcos

Từ Eqs (3.25), (3.27), (3.35), (3.36) thu được dòng điện Id và Iq diễn tả theo biến trạng thái fd và  là:

D

E R E

L L

L X

i

B T B

fd ads

ads fd

Tq d

L L

L R

i

B Td B

fd ads

ads fd

, ds E I ' ads E

Td Tq