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

-5-


Trong phần này phân tích vai trò cũng như ảnh hưởng của hệ
thống kích từ đến ổn định hệ thống. Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển
PSS1A và chọn các tham số cho bộ điều khiển.
Chương 4: Các kết quả mô phỏng, kiểm chứng bằng Matlab-
Simulink
Nội dung của chương trình bày các kết quả mô phỏng kiểm
chứng trên phần mềm Matlab-Simulink. Phân tích các kết quả đạt
được để rút ra các đánh 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. H
ệ thống ñiều tốc



-6-

1.5. Hệ thống kích từ máy phát ñiện ñồng
1.5.1. Hệ kích từ một chiều
1.5.2. Hệ tự kích từ xoay chiều
1.5.2.1. Hệ chỉnh lưu tĩnh
1.5.2.2. Hệ chỉnh lưu quay
1.5.3. Hệ tự kích từ
1.5.3.1 Hệ tự kích từ chỉnh lưu nguồn áp
1.5.3.2. Hệ tự kích từ chỉnh lưu nguồn hỗn hợp
1.6. Cơ cấu Facts (Flexible AC Transmission System)
1.6.1. Bộ bù tĩnh SVC (Static Var Compensator )
1.6.2. Bộ bù nghịch lưu STATCOM

Chương 2: MÔ HÌNH HÓA HỆTHỐNG PHÁT DẪN ĐIỆN
2.1. Giới thiệu chung
Với yêu cầu của đề tài, trong phần này sẽ tập trung phân tích mô
hình hệ thống được biểu diễn tuyến tính hóa rút ra từ nhiễu loạn mô
hình hệ thống. Mô hình hệ thống được xét gồm một máy phát nối với
lưới thông qua đường dây truyền tải và máy phát được điều khiển bởi
một hệ thống kích từ.
2.2. Mô hình hóa máy phát ñiện ñồng bộ
2.2.1. Mô tả toán học của máy phát ñồng bộ



-7-

Các phương trình mô tả đặc tính pha của máy phát sẽ được
chuyển sang các hệ tọa độ đảm bảo có lợi về phương diện mô tả vật
lý, từ đó dẫn đến các lợi thế cho việc thiết kế hệ thống điều chỉnh. Có
hai loại hệ trục tọa độ được sử dụng là hệ tọa độ αβ gắn cố định với
stator và hệ tọa độ dq còn gọi là hệ tọa độ tựa từ thông rotor. Trong đề
tài, các phương án đề xuất đều được nghiên cứu thực hiện xuất phát từ
cơ sở là mô hình máy phát trên hệ tọa độ dq0, do đó nội dung của mục
sẽ chỉ tập trung phân tích việc xây dựng mô hình này.
Ở đây trục d được gắn với rotor và sớm pha hơn so với trục tham
chiếu (pha a) một góc θ, dòng điện trong các pha stator là i
a
, i
b
, i
c
. Nếu
biểu diễn các dòng điện này trong hệ tọa độ dq ta sẽ có quan hệ sau.

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




-8-







++−+=






++−+−=
)
3
2
cos()
3
2
cos(cos
)
3
2
sin()
3
2
sin(sin
π
θ
π
θθ
π
θ
π
θθ
cbadd
cbaqq
iiiki
iiiki

(2.1)
Ở điều kiện cân bằng i
0
=

cba
iii ++ = 0
Sự chuyển đổi các đại lượng pha abc sang các đại lượng dq0 có
thể được viết dưới dạng ma trận sau:

























+−−−−
+−=










c
b
a
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
1
3
2
0
π
θ
π
θθ
π
θ
π
θθ
(2.5)
Và chuyển đổi ngược lại:
























+−+
−−−
−
=










0
1)
3
2
sin()
3
2
cos(
1)
3
2
sin()
3
2
cos(
1sincos
i
i
i
i
i
i
q
d
c
b
a
π
θ
π
θ
π
θ
π
θ
θθ
(2.6)
Sự chuyển đổi trên cũng được áp dụng cho điện 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 được đưa 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 động ở điều kiện ổn định, cá phương
trình vi phân là không cần thiết vì tất cả các biến hoặc không đổi hoặc
biến thiên dạng sin theo thời gian. Trong nghiên cứu ổn định tín hiệu
nh
ỏ ta luôn mặc định máy phát hoạt động ở trạng thái ổn định trước



-9-

khi có nhiễu loạn xuất hiện. Do đó, việc phân tích trạng thái ổn định
của máy phát là rất cần thiết
Ở trạng thái ổn định cân bằng các thành phần thứ tự không được
bỏ qua và pu
sr
1==
ωω

2.2.4 Phương trình chuyển ñộng quay
Khi có sự mất cân bằng giữa các mômen tác động lên trục roto
máy phát thì sẽ tạo ra một mômen gia tốc là:
T
a
= T
m
- T
e


(2.71)
Trong đó; - T
a
: Mô men gia tốc (N.m)
- T
m
: Mô men cơ (Nm)
- T
e
: Mô men điện (N.m)
Trong phương trình trên T
m
và T
e
là dương nếu là máy phát và âm
nếu là động cơ.
Khi đó phương trình chuyển động quay sẽ là:
ema
m
TTT
dt
d
J −==
ω
(2.72)
Trong đó; - J: Mô men quán tính tổng hợp của máy phát và
tuabin [kg.m
2
]
-
m
ω
: Vận tốc góc của roto [rad/s]
- t: Thời gian [s]
Phương trình trên có thể chuẩn hóa bằng quan hệ trong hệ đơn vị
t
ương đối của hằng số quán tính H, được định nghĩa là động năng của



-10-

máy quay ở tốc độ định mức trên giá trị định mức VA
cb
của máy điện.
Gọi
m0
ω

là vận tốc góc định mức, khi đó hằng số quán tính được viết
như sau:

cb
m
VA
J
H
2
0
2
1
ω
=
(2.73)
Trong không gian trạng thái đòi hỏi mô hình các thành phần phải
được mô tả bằng các phương trình vi phân bậc nhất. Nên, phương
trình chuyển động quay (2.84) được biểu diển bằng 2 phương trình vi
phân bậc nhất như sau:

)(
2
1
rDem
r
KTT
Hdt
d
ω
ω
∆−−=
∆
(2.88)

r
dt
d
ωω
δ
∆=
0
(2.89)
Trong đó; K
D
là hệ số cản hoặc hệ số mômen/độ lệch tốc độ trong hệ
đơn vị tương đối.
Sơ đồ 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 hi
ệu nhỏ
Hình 2.3. S
ơ ñồ khối mô tả phương trình chuyển ñộng quay
Σ
m
T

D
KHs +2
1

s
0
ω

r
ω
∆

δ

e
T




-11-

Trong nghiên cứu ổn định tín hiệu nhỏ của hệ thống thì việc sử
dụng các phương trình mô tả điện động của một máy phát độc lập
không thể sử dụng trực tiếp cho việc nghiên cứu ổn định cho một hệ
thống lớn, mà nó chỉ có ý nghĩa đối với các hệ thống rất nhỏ chỉ một
máy phát hoạt động đập lập. Do đó, để phục vụ cho bài toán đặt ra ta
sẽ thực hiện mô hình hóa cho hệ máy phát được nối với hệ thống.
Xét mô hình hệ thống được mô tả như hình 2.4 gồm một máy
phát đồng bộ nối với hệ thống điện thông qua đường dây truyền tải có
tổng trở Z
E
=R
E
+jX
E
.


Hình 2.4. Mô hình hệ thống công suất
Bây giờ ta sẽ xem xét đặt tính của hệ thống dưới tác động của sự
biến thiên từ thông. Ảnh hưởng của cuộn dây cản dịu sẽ được bỏ qua
và điện áp kích thích sẽ được giả thiết là không đổi.
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 đó kết hợp chúng với các phương trình lưới. Ta sẽ mô tả
thời gian là giây, góc là radian điện và tất cả các biến trong hệ đơn vị
tương đối.
2.3.1. Các phương trình máy phát ñồng bộ
2.3.2. Các phương trình lưới
2.3.3. Tuy
ến tính hóa mô hình hệ thống
t
U
V
EEE
jXRZ +=

G
B
U
V
Infinite Bus



-12-

Từ các phương trình được tổng hợp như ở trên, mô hình hệ
thống tuyến tính được mô tả dưới dạng sơ đồ khối ở hình 2.7
2.4. Mô hình hóa hệ thống kích từ
Như đã 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 được trình bày trên hình
2.14. Mô hình hệ thống kích từ này theo tiêu chuẩn IEEE được 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 đã
trình bày ở trên ta sẽ xây dựng một mô hình tuyến tính hóa hoàn chỉnh
c
ủa hệ thống rút ra từ nhiễu loạn nhỏ để phục vụ cho bài toán nghiên
V
e
A
A
sT
K
+1

E
fd

R
sT+1
1

∑
∑
F
F
sT
sK
+1
V
3
V
1
V
REF

V
2
-
+
-
V
R
V
t
Hình 2.14. Sơ ñồ khối hệ thống kích từ loại ST1A

V
Rmax
V
Rmin



-13-

cứu ổn định tín hiệu nhỏ. Hệ thống có sự tham gia của một máy phát
được nối với hệ thống thông qua đường dây truyền tải và máy phát
được điều khiển bởi hệ thống kích từ.
Từ các phương trình được tổng hợp như trên, mô hình hệ thống
máy phát kết nối với lưới được mô tả dưới dạng sơ đồ 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 điều chỉnh công suất đặt máy phát và thay đổi ở dải công
suất lớn, người ta hay đổi công suất cơ bằng cách điều tốc tuabin Tuy
nhiên, khi x
ảy ra quá trình quá độ (ngắn mạch hoặc đóng cắt phụ tải
lớn) hoặc những dao động nhỏ từ hệ thống làm rotor máy phát dao
δ
∆

m
T∆


-
fd
E∆

Σ
Σ
K
2
3
3
1 sT
K
+

K
1
K
A
K
4
e
T∆

Σ
-
-
+
-
+
Σ
K
6

K
5
+
+
-
fd
ψ
∆

t
U∆

1
U∆

ref
U

Exiter
Voltage transducer
D
KHs+2
1

s
R
ω

Σ
∆ω
+
Hình 2.15. Mô hình tuyến tính của hệ thống máy phát
ñồng bộ nối với lưới rút ra từ nhiễu loạn hệ thống
a
T∆

-
R
sT+1
1




-14-

động làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Quá trình này xảy ra
rất nhanh nên thiết bị điều tốc do có hằng số thời gian quán tính cơ lớn
nên sẽ đáp ứng không kịp thời. Để giải quyết vấn đề này, người ta sẽ
điều chỉnh kích từ máy phát.
3.1.2. Điều khiển ổn ñịnh ñiện áp – ñiều khiển kích từ
Để tự động điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát điện
đồng bộ, người ta sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh kích từ có bộ
phận điều khiển chính là thiết bị tự động điều chỉnh điện áp AVR
(Automatic Volttage Regulator). Thiết bị này có nhiệm vụ giữ cho
điện áp đầu cực máy phát là không đổi (với độ chính xác nào đó) khi
phụ tải thay đổi và nâng cao giới hạn công suất truyền tải của máy
phát vào hệ thống lưới điện. Đặc biệt khi máy phát nối với hệ thống
qua đường dây dài.
Trong chế độ làm việc bình thường, điều chỉnh dòng điện kích
từ sẽ điều chỉnh được điện áp đầu cực máy phát và thay đổi lượng
công suất phản kháng phát vào lưới điện.
Một vấn đề đáng quan tâm là khi máy phát điện làm việc ở chế
độ quá độ. Chế độ quá độ có thể xảy ra trong quá trình khởi động máy
hoặc khi nối máy phát điện làm việc với lưới. Quá trình quá độ xảy ra
có thể làm chất lượng điện năng giảm. Nếu không khống chế kịp thời
có thể gây nên phá hủy máy. Thông thường thời gian quá độ của máy
phát điện nói chung đòi hỏi phải tắt rất nhanh biên độ dao động của
các quá trình quá độ trong máy sao cho phải nằm trong phạm vi cho
phép. Đặc biệt trong trường hợp sự cố ngắn mạch, cần có bộ phận để
c
ưỡng bức dòng kích thích cho phép để giữ điện áp lưới làm việc ổn

Xem chi tiết: Xác định phương pháp chọn tham số cho thiết bị điều khiển PSS1A