Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống kích từ có PSS (Power System Stabilizer) đến ổn định của hệ thống điện

Nội dung text: Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống kích từ có PSS (Power System Stabilizer) đến ổn định của hệ thống điện

1. Đào Duy Yên và Đtg Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 106(06): 67 - 72 NGHIÊN C ỨU ẢNH H ƯỞNG C ỦA H Ệ TH ỐNG KÍCH T Ừ CÓ PSS (POWER SYSTEM STABILIZER) ĐẾN ỔN ĐỊ NH C ỦA H Ệ TH ỐNG ĐIỆN Đào Duy Yên *, Tr ươ ng Tu ấn Anh, Tr ần Đứ c Qu ỳnh Lâm Tr ường Đạ i h ọc K ỹ thu ật Công nghi ệp - ĐH Thái Nguyên TÓM T ẮT Sự m ất ổn đị nh trong H ệ th ống điện th ường do ph ụ t ải c ủa h ệ th ống thay đổ i, vì v ậy công su ất làm vi ệc c ủa máy phát điện c ũng c ần ph ải thay đổ i theo. Khi có s ụt áp trên điện kháng trong, điện áp đầu c ực máy phát điện b ị bi ến thiên và l ệch kh ỏi tr ị s ố đị nh m ức. N ếu không có bi ện pháp điều ch ỉnh, độ l ệch s ẽ r ất đáng k ể và làm ảnh h ưởng đế n ch ất l ượng điện n ăng. Để đả m bảo cho h ệ th ống điện làm vi ệc t ốt thì c ần ph ải lo ại b ỏ ho ặc làm suy gi ảm t ới m ức t ối thi ểu nh ững nhi ễu lo ạn trong h ệ th ống. Bài báo này tác gi ả đề xu ất ph ươ ng án nghiên c ứu s ử d ụng hai lo ại h ệ th ống kích từ là h ệ th ống kích t ừ dùng máy phát điện xoay chi ều và h ệ th ống kích t ừ t ĩnh có xét đế n b ộ ổn định công su ất PSS2A để nâng cao ch ất l ượng điện áp, công su ất máy phát c ũng nh ư nâng cao tính ổn đị nh c ủa h ệ th ống điện. Các k ết qu ả mô ph ỏng cho th ấy h ệ th ống đã đáp ứng yêu c ầu k ỹ thu ật đặ t ra và có tính kh ả thi áp d ụng trong th ực t ế. Từ khoá: Ổn đị nh, H ệ th ống điện,H ệ th ống kích t ừ, PSS. ĐẶT V ẤN ĐỀ * điện đồ ng b ộ, ng ười ta s ử d ụng h ệ th ống t ự Ch ế độ quá độ có th ể x ảy ra trong quá trình động điều ch ỉnh kích t ừ có b ộ ph ận điều kh ởi độ ng ho ặc n ối máy phát điện vào làm khi ển chính là thi ết b ị t ự độ ng điều ch ỉnh điện vi ệc v ới l ưới điện. Khi máy phát điện làm vi ệc áp (AVR - Automatic Voltage Regulator). ở ch ế độ quá độ có th ể làm ch ất l ượng điện Thi ết b ị này có nhi ệm v ụ gi ữ cho điện áp đầ u năng gi ảm. N ếu không kh ống ch ế k ịp th ời có cực máy phát là không đổi (v ới độ chính xác th ể gây nên phá h ủy máy phát. Thông th ường nào đó) khi ph ụ t ải thay đổ i và nâng cao gi ới th ời gian quá độ c ủa máy phát điện đòi h ỏi hạn công su ất truy ền t ải c ủa máy phát vào h ệ ph ải t ắt r ất nhanh và biên độ dao độ ng c ủa các th ống l ưới điện. Đặ c bi ệt khi máy phát được quá trình quá độ ph ải n ằm trong ph ạm vi cho nối v ới h ệ th ống qua đường dây dài. Trong phép. Đặc bi ệt trong tr ường h ợp s ự c ố (ng ắn bài báo này tác gi ả đề xu ất s ử d ụng hai lo ại h ệ mạch), c ần có b ộ ph ận để c ưỡng b ức dòng kích th ống kích t ừ là h ệ th ống kích t ừ dùng máy thích đảm b ảo điện áp l ưới ổn đị nh. Do đó v ấn phát điện xoay chi ều và h ệ th ống kích t ừ t ĩnh đề điều ch ỉnh t ự độ ng dòng kích t ừ có vai trò có xét đến b ộ ổn đị nh công su ất PSS2A để hết s ức quan tr ọng. nâng cao tính ổn đị nh c ủa h ệ th ống. Thi ết b ị kích t ừ ban đầ u s ẽ cung c ấp dòng ỔN ĐỊ NH CÁC TÍN HI ỆU NH Ỏ VÀ B Ộ ỔN kích t ừ đị nh m ức thích h ợp, đảm b ảo ch ắc ĐỊNH CÔNG SU ẤT PSS ch ắn và ổn đị nh phát xung m ở c ơ c ấu ch ỉnh Các lo ại dao độ ng tín hi ệu nh ỏ lưu thyristor. Thi ết b ị cho phép kích ho ạt các Có ba lo ại dao độ ng được th ử nghi ệm v ới các thi ết b ị kích thích t ừ các ngu ồn t ạm th ời bên máy phát và l ưới điện, bao g ồm: ngoài v ới công su ất dòng kích t ừ liên t ục t ới 1,2 l ần công su ất đị nh m ức và có th ể điều - Dao động máy phát làm vi ệc song song: ch ỉnh liên t ục v ới các b ước điều ch ỉnh 10% Nh ững dao độ ng liên quan đến hai ho ặc nhi ều đến 100% điện áp đầ u c ực máy phát, để ki ểm hơn các máy đồng b ộ trong m ột nhà máy điện soát s ự bão hòa máy phát và th ử nghi ệm đặ c ho ặc các nhà máy điện g ần nhau. Các máy tính tr ở kháng trong th ời gian v ận hành. Để t ự quay v ới nhau, v ới t ần s ố dao độ ng trong động điều ch ỉnh dòng kích t ừ c ủa máy phát kho ảng 1,5 đế n 3 Hz. - Các dao động c ục b ộ: Nh ững dao độ ng này * thường liên quan đến m ột ho ặc nhi ều h ơn các Tel: 0983214112; Email: [email protected] 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2. Đào Duy Yên và Đtg Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 106(06): 67 - 72 máy đồng b ộ t ại m ột tr ạm điện cùng quay v ới Khi b ị tác độ ng b ởi m ột s ự thay đổ i độ t ng ột nhau khi so v ới m ột h ệ th ống điện l ớn hay trong điều ki ện v ận hành, t ốc độ và công su ất trung tâm t ải. T ần s ố dao độ ng trong kho ảng của mát phát s ẽ thay đổ i xung quanh điểm 0,7 đến 2 Hz. Nh ững dao độ ng này gây khó vận hành tr ạng thái ổn đị nh. M ối quan h ệ gi ữa kh ăn khi nhà máy ở t ải cao v ới h ệ th ống nh ững đạ i l ượng này có th ể được di ễn t ả b ởi đường truy ền điện kháng cao. một công th ức đơn gi ản sau: - Các dao động liên khu v ực: Nh ững dao 2H d 2δ động này th ường liên quan đến vi ệc k ết h ợp =Mm -M e -M c ω dt 2 rất nhi ều máy t ại m ột ph ần c ủa m ột h ệ th ống o điện đố i v ới các máy t ại các ph ần khác c ủa h ệ Trong đó: th ống điện. T ần s ố nh ững dao độ ng liên khu + ω: T ốc độ góc c ủa rôtor (t ốc độ góc ban đầ u vực th ường trong d ải nh ỏ h ơn 0,5 Hz. ω0 = 377 rad/s). Các h ệ th ống kích t ừ được cài đặt để h ỗ tr ợ + M m: Mômen c ơ trong m ỗi máy phát. vi ệc nâng cao ổn đị nh t ức th ời có th ể t ạo ra + M e: Mômen điện t ừ trong m ỗi máy phát. một trong các lo ại dao độ ng này. Nh ững h ệ + M c: Mômen hãm. th ống này phát hiện ra thay đổ i v ề điện áp do + H: H ằng s ố quán tính c ủa máy phát đồ ng b ộ. thay đổi t ải lên đến 10 l ần nhanh h ơn so v ới các h ệ th ống tr ước đây. Do v ậy, các dao độ ng PSS là m ột thi ết b ị có th ể làm thay đổi ng ắn nh ỏ c ủa máy phát điện làm cho h ệ th ống kích hạn công su ất điện phát ra c ủa máy phát. Các bộ kích thích có t ốc độ ph ản ứng nhanh đi từ có th ể kh ắc ph ục ngay l ập t ức. Tuy nhiên, kèm v ới b ộ t ự độ ng điều ch ỉnh điện áp (AVR) do độ t ự c ảm cao c ủa các máy phát, t ỉ l ệ dòng có h ệ s ố khu ếch đạ i cao và c ưỡng b ức để t ăng điện thay đổ i được h ạn ch ế. Điều này được hệ s ố đồ ng b ộ mômen máy phát (MS), k ết qu ả coi nh ư hi ện t ượng “tr ễ” trong ch ức n ăng điều là c ải thi ện các gi ới h ạn ổn đị nh ng ắn h ạn và khi ển. Do đó, t ừ khi phát hi ện m ột thay đổ i ổn đị nh tr ạng thái t ĩnh. mong mu ốn t ới các b ộ ph ận c ủa thi ết b ị, tr ễ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒ NG B Ộ, MÔ HÌNH về th ời gian là điều không th ể tránh kh ỏi. MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒ NG B Ộ Trong quá trình tr ễ này, tình tr ạng c ủa h ệ th ống dao độ ng s ẽ thay đổ i, t ạo nên m ột điều Máy phát điện đồ ng b ộ ch ỉnh kích t ừ m ới. K ết qu ả là h ệ th ống kích t ừ Máy phát điện xoay chi ều có t ốc độ quay có xu h ướng ch ậm sau nhu c ầu v ề s ự thay đổ i, rôtor n b ằng t ốc độ quay c ủa t ừ tr ường n1 g ọi tr ợ giúp các đặ c tr ưng dao động c ố h ữu c ủa là máy phát điện đồ ng b ộ. Máy phát điện các máy phát k ết n ối v ới l ưới điện. đồng b ộ là ngu ồn điện chính c ủa các l ưới điện công nghi ệp, trong đó động c ơ s ơ c ấp là các Một gi ải pháp để nâng cao ch ất l ượng c ủa h ệ tuabin h ơi, tuabin khí ho ặc tuabin n ước. th ống này và các h ệ th ống l ớn h ơn nói chung Theo tài li ệu [9] cho dòng điện kích t ừ m ột đó là ph ải thêm các đường truy ền song song chi ều vào dây qu ấn kích t ừ s ẽ t ạo nên t ừ để gi ảm điện kháng gi ữa các máy phát và tr ường rôto. Khi quay rôto b ằng độ ng c ơ s ơ trung tâm ph ụ t ải. Gi ải pháp này r ất n ổi ti ếng cấp, t ừ tr ường c ủa rôto s ẽ c ắt qua dây qu ấn nh ưng th ường không th ể ch ấp nh ận vì chi phí ph ần ứng stato và c ảm ứng m ột điện độ ng quá cao khi xây d ựng các đường truy ền t ải. xoay chi ều hình sin có tr ị s ố hi ệu d ụng là: Một gi ải pháp thay th ế đó là b ộ ổn đị nh công E = 4,44.f.W .K .Φ su ất (PSS) ho ạt độ ng thông qua các b ộ điều 0 1 dq 0 Trong đó: ch ỉnh điện áp. Đầ u ra kích t ừ được điều ch ỉnh để cung c ấp mômen hãm cho h ệ th ống. + E 0: S ức điện độ ng pha. Bộ ổn đị nh công su ất (PSS) + W 1: S ố vòng dây qu ấn m ột pha. PSS là m ột thi ết b ị t ăng mômen hãm các dao + K dq : H ệ s ố dây qu ấn. Φ động c ơ điện trong máy phát. + 0: T ừ thông c ực t ừ rôto. 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3. Đào Duy Yên và Đtg Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 106(06): 67 - 72 Mô hình toán h ọc c ủa máy phát điện đồ ng b ộ CẤU TRÚC H Ệ TH ỐNG KÍCH T Ừ CÓ XÉT - Ph ươ ng trình máy điện ở h ệ tr ục ba pha: ĐẾN B Ộ ỔN ĐỊ NH CÔNG SU ẤT PSS2A Hệ th ống kích t ừ dùng máy phát điện xoay LA M AB M AC  [ ]   chi ều t ần s ố cao Lss = M BA LB M BC  Hệ th ống này còn được g ọi AC - Exciter lo ại M M L   CA CB C  static diod. Trong đó máy phát điện xoay là ma tr ận t ự c ảm c ủa các pha stato. chi ều t ần s ố cao được ch ế t ạo theo ki ểu c ảm ứng, trong đó cu ộn dây kích t ừ được đặ t ở Lf M frd 0  [ ]   ph ần tĩnh và rôto c ủa nó không có cu ộn dây. Lrr = M rdf Lrd 0  Do k ết c ấu r ăng rãnh c ủa rôto mà khi nó quay   0 0 Lrq  làm cho t ừ thông thay đổi. là ma tr ận độ t ự c ảm c ủa các pha rôto. [M ] , [M ] : ma tr ận độ c ảm ứng t ươ ng h ỗ sr rs gi ữa m ạch stato v ới rôto và ng ược l ại. M M M   Af Ard Arq  [ ] =[ ] = Mrs M sr M Bf M Brd M Brq    M M Cf Crd M Crq  Hình 1. Hệ th ống kích t ừ b ằng máy phát điện xoay - Ph ươ ng trình máy điện đồ ng b ộ vi ết ở h ệ chi ều t ần s ố tr ục vuông góc, ph ươ ng trình stato: Hệ th ống kích t ừ t ĩnh (Static Exciter)  d d Các h ệ th ống kích t ừ đã trình bày ở trên đều U =-U =-RI + ψ + ψ γ  d sd d dq có m ột điểm chung là th ời gian tác độ ng l ớn  dt dt  d d (h ằng s ố th ời gian kích t ừ T e lớn b ởi quán tính  Uq =-U sq =-RI q + ψ qd+ ψ γ  dt dt điện t ừ c ủa máy phát kích thích). Đây là m ột  d  U0 =-U so =-RI o - ψ o nh ược điểm khi ến cho yêu c ầu k ĩ thu ật v ề  d t ch ất l ượng điện n ăng và tính ổn đị nh c ủa h ệ Ph ươ ng trình rôto: th ống r ất khó được đả m b ảo.  = +d ψ  Uf R ff I f Gi ải pháp cho v ấn đề này là ph ải làm cho tín  d t hi ệu c ủa b ộ điều ch ỉnh t ự độ ng tác độ ng tr ực  = +d ψ  0 Rrdrd I rd ti ếp vào điện áp kích t ừ, nh ờ đó h ằng số th ời  d t gian T e gi ảm xu ống:  = +d ψ  0 Rrqrq I rq  d t - Ph ương trình máy điện đồ ng b ộ trong h ệ đơ n v ị t ươ ng đối:  p ψ d + ψ dp γ - ri d = u d = - u sd   ψ dp γ + p ψ qq- ri = u q = - u sq   Td0 p ψ f+ i f = T d0 p ψ f+ e af = u f   Trd p ψ rd + i rd =T d0 p ψ f+ e rd = 0  T p ψ + i = T p ψ + e =0  rq rq rq rq rq rq 2 Hình 2. Hệ th ống kích t ừ t ĩnh  Tj p γ + ( ψ dqi + ψ qdi ) = m m 69 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4. Đào Duy Yên và Đtg Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 106(06): 67 - 72 Ramp-tracking Limits Stabilizer Gain&Phase Lead v High-pass Filters Filter s t max C D n E G s t w1 s t w2 1 1 + S t 8 1 + S t 1 1 + S t 3 I k s 1 speed m 1 + s t w1 1 + s t w2 1 + s t 6 ( 1 + S t 9 ) 1 + S t 2 1 + S t 4 output v s t m i n k s 3 High-pass Filters power s t w3 s t w4 k s 2 1 + s t w3 1 + s t w4 1 + s t 7 Hình 3. Bộ ổn đị nh công su ất d ựa vào tín hi ệu t ốc độ PSS2A Phân tích các thành ph ần trong mô hình Tín hi ệu công su ất điện phát ra PSS2A High-pass Filters &Intergrator Tín hi ệu t ốc độ Tốc độ tr ục có th ể được đo tr ực ti ếp, ho ặc thu power s t w3 s t w4 k s 2 được t ần số c ủa m ột tín hi ệu điện áp bù xu ất phát t ừ c ực máy VT và CT điện áp và dòng 1 + s t w3 1 + s t w4 1 + s t 7 điện th ứ c ấp. N ếu đo tr ực ti ếp, t ốc độ tr ục Hình 5. Khâu l ọc cao t ần và quán tính b ậc 1 th ường được l ấy t ừ m ột c ực t ừ và b ố trí bánh răng. Trên các máy phát turbo c ực ngang, ho ạt Tín hi ệu công su ất c ơ động ở 1800 vòng/phút ho ặc 3600 vòng/phút, Ramp-tracking thông th ường có s ẵn nhi ều bánh r ăng c ấp s ẵn Filter n với m ục đích đo t ốc độ và điều khi ển. 1 + S t 8 m s t w1 s t w2 ( 1 + S t 9 ) 1 + s t w1 1 + s t w2 Hình 6. Bộ l ọc các thành ph ần xo ắn Hình 4. Khâu l ọc cao t ần KẾT QU Ả MÔ PH ỎNG Cấu hình h ệ th ống mô ph ỏng Hình 7. Sơ đồ mô ph ỏng h ệ th ống trong Matlab - Simulink 70 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5. Đào Duy Yên và Đtg Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 106(06): 67 - 72 Kết qu ả mô ph ỏng v ới h ệ th ống kích t ừ dùng máy phát điện xoay chi ều Hình 12 . Đáp ứng điện áp kích t ừ có PSS và không có PSS Hình 8. Điện áp đầ u c ực máy phát Hình 13. Sai l ệch góc delta NH ẬN XÉT K ẾT QU Ả MÔ PH ỎNG - Điện áp đầ u c ực máy phát: So sánh điện áp đầu c ực máy phát khi dùng hai lo ại kích t ừ là kích t ừ t ĩnh và kích t ừ dùng máy phát điện Hình 9 . Đáp ứng điện áp kích t ừ có PSS xoay chi ều (có PSS) ta th ấy m ức độ dao độ ng và không có PSS và th ời gian ổn đị nh điện áp khi dùng kích t ừ tĩnh nh ỏ và nhanh h ơn khi dùng kích t ừ dùng máy phát điện xoay chi ều. - Đáp ứng điện áp kích t ừ có PSS và không có PSS: Đáp ứng điện áp kích t ừ có PSS và không có PSS ta th ấy đố i v ới kích t ừ t ĩnh biên độ dao độ ng và th ời gian dao độ ng nh ỏ và ng ắn h ơn so v ới kích t ừ dùng máy phát điện xoay chi ều. - Sai l ệch góc delta: Sai l ệch góc delta và th ời gian sai l ệch trong tr ường h ợp dùng kích t ừ tĩnh nh ỏ h ơn so v ới kích t ừ dùng máy phát Hình 10. Sai l ệch góc delta điện xoay chi ều. Kết qu ả mô ph ỏng v ới h ệ th ống kích t ừ t ĩnh KẾT LU ẬN VÀ H ƯỚNG NGHIÊN C ỨU TI ẾP THEO Lựa ch ọn t ối ưu các h ệ th ống kích t ừ cho máy phát là m ột vi ệc r ất quan tr ọng, khi xét thêm bộ ổn đị nh công su ất PSS2A. Các k ết qu ả mô ph ỏng h ệ th ống trên ph ần m ềm Simulink đã cho th ấy tính đúng đắ n c ủa thi ết k ế nh ằm nâng cao tính ổn đị nh c ủa HT Đ. Ki ến ngh ị và h ướng nghiên c ứu ti ếp là nâng cao ổn đị nh c ủa HT Đ khi có xét đế n b ộ ổn Hình 11 . Điện áp ra đầ u c ực máy phát định công su ất PSS4B. 71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6. Đào Duy Yên và Đtg Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 106(06): 67 - 72 TÀI LI ỆU THAM KH ẢO [7]. E.V. Larsen, and D.A. Swann, “Applying [1]. Nguy ễn Công Hi ền, Hệ th ống cung c ấp điện, power system stabilizers, part I; general Nxb Khoa h ọc và Kỹ thu ật. concepts” . vol. PAS-100, 1981. [2]. Tr ần Quang Khánh (2004), Vận hành h ệ th ống [8]. P.Kundur, G.J.Rogers, “Application of power điện, Nxb Khoa h ọc và Kỹ thu ật. system stabilizers for enhancement of overall [3]. Lã V ăn Út (2001), Phân tích và điều khi ển ổn system stabilyti” vol.4,pp.614-626. định h ệ th ống điện, Nxb Khoa h ọc và Kỹ thu ật. [9]. R.A Lawson, D.A. Swann, and G.F. Wright, [4]. Ph ạm V ăn Bình, Máy điện tông quát , Nxb “Minimization of Power System Stabilizer Giáo d ục. Torsional Interaction on Large Turbine - [5]. Nguy ễn Phùng Quang (2006), Matlab & Generators” IEEE Trans. PAS, Vol.97, Feb. 1978, Simulink , Nxb Khoa h ọc và Kỹ thu ật. [6]. Quách Đình D ũng (2008), Nghiên c ứu ứng pp 183 - 190. dụng DPS cho h ệ điều khi ển điện áp nhà máy [10]. IEEE Std.421.5-1992, IEEE Recommended điện, Lu ận v ăn th ạc s ỹ k ỹ thu ật, ĐH Bách Khoa Practice for Excitation System Models for Power Hà N ội. System Stability Studies . SUMMARY A STUDY TO THE INFLUENCE OF EXCITATION SYSTEM USING POWER SYSTEM STABILIZER TO THE STABLITY OF POWER SYSTEM Dao Duy Yen *, Truong Tuan Anh, Tran Duc Quynh Lam College of Technology - TNU Instability of a power system can be caused by the variation of loads, this leads to changes of generator’s power. Due to impedance drops, terminal voltages of generator are varied which, in some cases, are out of the rated value. If no effective regulation is applied, the this variation can affect to the power quality. In order to maintain the power system to work well, then system disturbance must be eliminated or minimized. This paper proposes a method to use two different excitation systems which are AC generator based and static based excitation systems with the utilization of power system stabilizer PSS2A. This proposed method can improve voltage quality, generator capacity and stability of power system. Simulation results show that the power system can meet the technical requirements and the designed method can be feasible in reality. Key words: Stability, power system, excitation system, PSS Ngày nh ận bài: 20/3/2013; Ngày ph ản bi ện: 31/5/2013; Ngày duy ệt đă ng: 26/7/2013 * Tel: 0983214112; Email: [email protected] 72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên