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

-1- 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 động hĩa Mã số: 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 -2- Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. Nguyễn Dỗn Phước Phản biện 1 : PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Phản biện 2 : TS. Nguyễn Anh Duy Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật, họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 15 tháng 01 năm 2011. Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng; - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. -3- MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đề tài: “Xác định phương pháp chọn tham số cho bộ điều khiển PSS1A” sẽ cung cấp một phương pháp nghiên cứu mới trong phân tích ổn định các dao động nhỏ của hệ thống điện. PSS1A là thiết bị điều khiển phụ, được sử dụng kết hợp với hệ thống kích từ tự động ổn định điện áp máy phát(AVR), cung cấp một tín hiệu điều khiển để tăng cường sự làm giảm các dao động trong hệ thống và mở rộng giới hạn truyền tải điện, từ đĩ làm tăng khả năng hoạt động tin cậy và chất lượng điện năng của hệ thống. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu vai trị, chức năng của bộ điều khiển PSS1A (Power System Stabilizer) và xác định bộ tham số cho nĩ. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Hệ thống kích từ cho máy phát điện của một nhà máy thủy điện Phạm vi nghiên cứu: Nhà máy thủy điện hiện cĩ trong nước. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu mơ hình của bộ điều khiển PSS1A và các đối tượng cĩ tham gia vào quá trình điều khiển trên cơ sở lý thuyết - Xây dựng mơ hình mơ phỏng để kiểm chứng trên phần mềm Matlab-Simulink -4- - Trên cơ sở các kết quả thu được trên các mơ hình mơ phỏng, rút ra các đánh giá, kết luận 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài Đề tài: “Xác định phương pháp chọn tham số cho bộ điều khiển PSS1A” là một hướng nghiên cứu mới trong điều khiển ổn định các dao động nhỏ trong hệ thống điện.Gĩp phần nâng cao tính ổn định và nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện. Nghiên cứu thành cơng đề tài này sẽ cĩ ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu nâng cao sự ổn định và chất lượng điện năng của hệ thống điện. 6. Cấu trúc luận văn Luận văn được trình bày thành 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan cấu trúc hệ thống phát dẫn điện Trong phần này sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống phát dẫn điện của một nhà máy điện, nguyên lí làm việc cũng như vai trị chức năng của từng thiết bị trong hệ thống. Chương 2: Mơ hình hĩa hệ thống phát dẫn điện Trong phần này sẽ tập trung xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống gồm một máy phát nối với hệ thống cơng suất vơ cùng lớn thơng qua đường dây truyền tải. Chương 3: Điều khiển ổn định cơng suất -5- Trong phần này phân tích vai trị 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 mơ phỏng, kiểm chứng bằng Matlab- Simulink Nội dung của chương trình bày các kết quả mơ 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 điện đồng bộ 3 pha 1.2.1. Kết cấu và nguyên lý làm việc cơ bản của máy phát điện 1.2.2. Đặc điểm và phân loại 1.2.2.1. Máy phát nhiệt điện 1.2.2.2. Máy phát thủy điện 1.2.3. Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ 1.3. Tua bin 1.3.1 Tua bin xung kích 1.3.2. Tuabin phản kích 1.4. Hệ thống điều tốc -6- 1.5. Hệ thống kích từ máy phát điện đồng 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: MƠ HÌNH HĨA HỆTHỐNG PHÁT DẪN ĐIỆN 2.1. Giới thiệu chung Với yêu cầu của đề tài, trong phần này sẽ tập trung phân tích mơ hình hệ thống được biểu diễn tuyến tính hĩa rút ra từ nhiễu loạn mơ hình hệ thống. Mơ hình hệ thống được xét gồm một máy phát nối với lưới thơng qua đường dây truyền tải và máy phát được điều khiển bởi một hệ thống kích từ. 2.2. Mơ hình hĩa máy phát điện đồng bộ 2.2.1. Mơ tả tốn học của máy phát đồng bộ -7- Các phương trình mơ tả đặc tính pha của máy phát sẽ được chuyển sang các hệ tọa độ đảm bảo cĩ lợi về phương diện mơ tả vật lý, từ đĩ dẫn đến các lợi thế cho việc thiết kế hệ thống điều chỉnh. Cĩ hai loại hệ trục tọa độ được sử dụng là hệ tọa độ αβ gắn cố định với stator và hệ tọa độ dq cịn gọi là hệ tọa độ tựa từ thơng rotor. Trong đề tài, các phương án đề xuất đều được nghiên cứu thực hiện xuất phát từ cơ sở là mơ hình máy phát trên hệ tọa độ dq0, do đĩ nội dung của mục sẽ chỉ tập trung phân tích việc xây dựng mơ hình này. Ở đây trục d được gắn với rotor và sớm pha hơn so với trục tham chiếu (pha a) một gĩc θ, dịng điện trong các pha stator là ia, ib, ic. Nếu biểu diễn các dịng điện này trong hệ tọa độ dq ta sẽ cĩ quan hệ sau. Hình 2.1. Mơ tả mơ hình trạng thái của máy phát đồng bộ -8-     ++−+=     ++−+−= ) 3 2 cos() 3 2 cos(cos ) 3 2 sin() 3 2 sin(sin piθpiθθ piθpiθθ cbadd cbaqq iiiki iiiki (2.1) Ở điều kiện cân bằng i0 = cba iii ++ = 0 Sự chuyển đổi các đại lượng pha abc sang các đại lượng dq0 cĩ thể được viết dưới dạng ma trận sau:                         +−−−− +−=           c b a q d i i i i i i )32sin()32sin(sin )32cos()32cos(cos 2 1 2 1 2 1 3 20 piθpiθθ piθpiθθ (2.5) Và chuyển đổi ngược lại:                         +−+ −−− − =           01)32sin()32cos( 1)32sin()32cos( 1sincos i i i i i i q d c b a piθpiθ piθpiθ θθ (2.6) Sự chuyển đổi trên cũng được áp dụng cho điện áp và từ thơng. 2.2.2. Mơ tả máy phát trong hệ đơn vị tương đối 2.2.3. Phân tích mơ hình máy phát ở trạng thái ổn định Các phương trình của máy phát được đưa ra như ở trên là các phương trình vi phân mơ 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 khơng cần thiết vì tất cả các biến hoặc khơng đổi hoặc biến thiên dạng sin theo thời gian. Trong nghiên cứu ổn định tín hiệu nhỏ ta luơn mặc định máy phát hoạt động ở trạng thái ổn định trước -9- khi cĩ nhiễu loạn xuất hiện. Do đĩ, 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 khơng được bỏ qua và pusr 1== ωω 2.2.4 Phương trình chuyển động quay Khi cĩ sự mất cân bằng giữa các mơmen tác động lên trục roto máy phát thì sẽ tạo ra một mơmen gia tốc là: Ta = Tm - Te (2.71) Trong đĩ; - Ta: Mơ men gia tốc (N.m) - Tm: Mơ men cơ (Nm) - Te: Mơ men điện (N.m) Trong phương trình trên Tm và Te là dương nếu là máy phát và âm nếu là động cơ. Khi đĩ phương trình chuyển động quay sẽ là: ema m TTT dt dJ −==ω (2.72) Trong đĩ; - J: Mơ men quán tính tổng hợp của máy phát và tuabin [kg.m2] - mω : Vận tốc gĩc của roto [rad/s] - t: Thời gian [s] Phương trình trên cĩ thể chuẩn hĩa bằng quan hệ trong hệ đơn vị tương 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 VAcb của máy điện. Gọi m0ω là vận tốc gĩc định mức, khi đĩ hằng số quán tính được viết như sau: cb m VA JH 2 0 2 1 ω = (2.73) Trong khơng gian trạng thái địi hỏi mơ hình các thành phần phải được mơ 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) rdt d ωω δ ∆= 0 (2.89) Trong đĩ; KD là hệ số cản hoặc hệ số mơmen/độ lệch tốc độ trong hệ đơn vị tương đối. Sơ đồ khối mơ tả phương trình (2.88), (2.89) như sau: 2.3 . Mơ hình máy phát nối với hệ thống trong nghiên cứu ổn định tín hiệu nhỏ Hình 2.3. Sơ đồ khối mơ tả phương trình chuyển động quay Σ mT DKHs +2 1 s 0ω rω∆ δ eT -11- Trong nghiên cứu ổn định tín hiệu nhỏ của hệ thống thì việc sử dụng các phương trình mơ tả điện động của một máy phát độc lập khơng thể sử dụng trực tiếp cho việc nghiên cứu ổn định cho một hệ thống lớn, mà nĩ chỉ cĩ ý nghĩa đối với các hệ thống rất nhỏ chỉ một máy phát hoạt động đập lập. Do đĩ, để phục vụ cho bài tốn đặt ra ta sẽ thực hiện mơ hình hĩa cho hệ máy phát được nối với hệ thống. Xét mơ hình hệ thống được mơ tả như hình 2.4 gồm một máy phát đồng bộ nối với hệ thống điện thơng qua đường dây truyền tải cĩ tổng trở ZE =RE +jXE. Hình 2.4. Mơ hình hệ thống cơng suất Bây giờ ta sẽ xem xét đặt tính của hệ thống dưới tác động của sự biến thiên từ thơng. Ảnh hưởng của cuộn dây cản dịu sẽ được bỏ qua và điện áp kích thích sẽ được giả thiết là khơng đổi. Trước tiên ta sẽ khai triển mơ hình khơng gian trạng thái của hệ thống bằng cách rút gọn các phương trình của máy phát về dạng thích hợp và sau đĩ kết hợp chúng với các phương trình lưới. Ta sẽ mơ tả thời gian là giây, gĩc là radian điện và tất cả các biến trong hệ đơn vị tương đối. 2.3.1. Các phương trình máy phát đồng bộ 2.3.2. Các phương trình lưới 2.3.3. Tuyến tính hĩa mơ hình hệ thống tU V EEE jXRZ += G BU V Infinite Bus -12- Từ các phương trình được tổng hợp như ở trên, mơ hình hệ thống tuyến tính được mơ tả dưới dạng sơ đồ khối ở hình 2.7 2.4. Mơ hình hĩa 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. Mơ hình hĩa các thành phần của hệ thống kích từ 2.4.2. Tổng hợp mơ hình hệ thống kích từ Từ việc phân tích mơ hình các thành phần chi tiết như trên, mơ hình cấu trúc của hệ thống kích từ hồn chỉnh được trình bày trên hình 2.14. Mơ hình hệ thống kích từ này theo tiêu chuẩn IEEE được kí hiệu là ST1A. Mơ hình máy kích từ loại ST1A 2.5. Tổng hợp mơ hình hệ thống máy phát hịa lưới Từ việc phân tích, mơ hình hĩa các phần tử của hệ thống như đã trình bày ở trên ta sẽ xây dựng một mơ hình tuyến tính hĩa hồn chỉnh của hệ thống rút ra từ nhiễu loạn nhỏ để phục vụ cho bài tốn nghiên Ve A A sT K +1 Efd RsT+1 1 ∑ ∑ F F sT sK +1 V3 V1 VREF V2 - + - VR Vt Hình 2.14. Sơ đồ khối hệ thống kích từ loại ST1A VRmax VRmin -13- cứu ổn định tín hiệu nhỏ. Hệ thống cĩ sự tham gia của một máy phát được nối với hệ thống thơng 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, mơ hình hệ thống máy phát kết nối với lưới được mơ tả dưới dạng sơ đồ khối như hình 2.15. Chương 3: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH CƠNG SUẤT 3.1. Các bài tốn ổn định cơng suất 3.1.1. Điều chỉnh tốc độ tuabin máy phát Để điều chỉnh cơng suất đặt máy phát và thay đổi ở dải cơng suất lớn, người ta hay đổi cơng suất cơ bằng cách điều tốc tuabin Tuy nhiên, khi xảy ra quá trình quá độ (ngắn mạch hoặc đĩng cắt phụ tải lớn) hoặc những dao động nhỏ từ hệ thống làm rotor máy phát dao δ∆ mT∆ - fdE∆ Σ Σ K2 3 3 1 sT K + K1 KA K4 eT∆ Σ - - + - + Σ K6 K5 + + - fdψ∆ tU∆ 1U∆ refU Exiter Voltage transducer DKHs+2 1 s Rω Σ ∆ω + Hình 2.15. Mơ hình tuyến tính của hệ thống máy phát đồng bộ nối với lưới rút ra từ nhiễu loạn hệ thống aT∆ RsT+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 cĩ hằng số thời gian quán tính cơ lớn nên sẽ đáp ứng khơng kịp thời. Để giải quyết vấn đề này, người ta sẽ điều chỉnh kích từ máy phát. 3.1.2. Điều khiển ổn định điện áp – điều khiển kích từ Để tự động điều chỉnh dịng điện kích từ của máy phát điện đồng bộ, người ta sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh kích từ cĩ bộ phận điều khiển chính là thiết bị tự động điều chỉnh điện áp AVR (Automatic Volttage Regulator). Thiết bị này cĩ nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu cực máy phát là khơng đổi (với độ chính xác nào đĩ) khi phụ tải thay đổi và nâng cao giới hạn cơng 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 dịng điện kích từ sẽ điều chỉnh được điện áp đầu cực máy phát và thay đổi lượng cơng 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 cĩ 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 cĩ thể làm chất lượng điện năng giảm. Nếu khơng khống chế kịp thời cĩ thể gây nên phá hủy máy. Thơng thường thời gian quá độ của máy phát điện nĩi chung địi 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 cĩ bộ phận để cưỡng bức dịng kích thích cho phép để giữ điện áp lưới làm việc ổn -15- định. Do đĩ, vấn đề điều chỉnh tự động dịng điện kích từ cĩ vái trị hết sức quan trọng. 3.2.2. Bộ ổn định cơng 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 định cơng suất cĩ ngõ vào tín hiệu là sai lệch tốc độ ký hiệu là PSS1A. Trước tiên, là giới thiệu vai trị và tác dụng của PSS1A trong hệ thống kích từ máy phát. Từ đĩ, ta sẽ xây dựng cấu trúc cơ bản và tính chọn tham số cho bộ điều khiển PSS1A để đạt được kết quả tối ưu nhất. 3.2.2.1. Tác dụng và vai trị của PSS trong hệ thống kích từ refU tU∆ Hình 3.8. Mơ hình tuyến tính của hệ thống máy phát đồng bộ nối với lưới rút ra từ nhiễu loạn hệ thống δ∆ mT∆ - fdE∆ Σ Σ K2 3 3 1 sT K + K1 KA K4 eT∆ Σ - - + - + Σ K6 K5 + + - fdψ∆ 1U∆ Exiter Voltage transducer DKHs+2 1 s Rω Σ ∆ω + aT∆ ∆ω GPSS(s) RsT+1 1 ∆UPSS + -16- Bộ ổn định cơng suất là một thiết bị phụ trợ trong hệ thống tự động điều chỉnh kích từ máy phát. Với mục đích là tạo thêm một thành phầm mơ men điện phụ trong rotor máy phát đồng bộ. Thành phần mơ men này cĩ tác động giống như là một mơ men cản dịu để chống lại sự dao động của rotor máy phát trong quá trình làm việc khi tải cĩ xảy ra những dao động. Để hiểu được sự tác động của PSS1A đến hệ thống máy phát, ta xét sơ đồ khối của hệ thống như hình.3.8.Sơ đồ này được mở rộng từ sơ đồ khối của hệ thống đã được mơ hình hĩa ở chương 2 kết nối thêm với bộ ổn định PSS1A. → Để giảm nhanh những dao động của rotor, thiết bị PSS thơng qua hệ thống kích từ tạo ra một thành phần mơ men điện đặt lên rotor cĩ tác dụng giống như là một mơ men cản dịu chống lại sự dao động của rotor tại gĩc pha (ωt nào đĩ) cĩ tốc độ ω biến thiên. → Từ mơ hình hệ thống máy phát ở hình3.8, hàm truyền đạt của PSS là GPSS(s) tương ứng là mạch bù pha để bù cho sự trễ pha đầu vào của bộ phận kích từ và mơ men điện. Trong trường hợp lý tưởng, đặc tính pha của GPSS(s) đúng bằng nghịch đảo đặc tính pha của hàm truyền máy phát cịn bộ phận kích từ được bù thì PSS sinh ra mơ men giảm thuần túy cho tất cả các tần số dao động.Vậy, ta thấy rằng PSS cung cấp một tín hiệu bổ sung đến hệ thống kích từ nhằm sinh ra một thành phần mơ men hãm để làm tắt nhanh những dao động. → Thường phạm vi tác động của PSS trong dải tần số dao động từ 0,1-3Hz. Nếu ngồi phạm vi tác động của PSS, để ổn định tốc độ rotor máy phát người ta phải điều tốc tuabin máy phát. 3.2.2.2. Cấu trúc cơ bản của PSSA -17- Để bù sự trễ pha người ta sử dụng cấu trúc pha Lead- Lag, với PSS1A, ta sẽ sử dụng hai giai đoạn bù pha như đã trình bày ở phần trước, khi đĩ ta cĩ cấu trúc hồn thiện bộ điều khiển ổn định cơng suất PSS1A như hình 3.12. Khả năng bù của PSS phụ thuộc vào việc tính chọn giá trị của hệ số khuếch đại KPSS và các hằng số thời gian trễ và vượt pha T1, T2, T3, T4. Các hằng sồ thời gian này được điều chỉnh trong khoảng 0,01s ≤ T ≤ 6s. 3.2.2.3. Tính chọn tham số cho PSS1A + Chọn các thơng số cho bộ lọc thơng cao: Tw phải được chọn sao cho tín hiệu kết quả của tốc độ phải tỷ lệ hằng số với sai lệch tốc độ. Như vậy, trong trường hợp nghiên cứu này ta sẽ chọn hằng số thời gian cho các bộ lọc “High-pass Filter” ở đầu vào là Tw = 15s và khi đĩ sẽ cĩ một tần số cắt cĩ 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 mơ hình liên khu vực, do đĩ giá trị của hằng số thời gian lọc đã chọn là phù hợp. + Chọn các thơng số cho khâu bù Lead-Lag: Giả thiết rằng máy phát điện cĩ cơng suất biểu kiến S = 200MVA(hệ SI), Uđm= 13,84kV, fđm = 50Hz, đang phát cơng suất P = 0,9(đơn vị tương đối), Q = 0.3. Các thơng số máy phát là: ∆UPSS ∆UPSSMAX Hình 3.12. Bộ ổn định cơng suất dựa vào tín hiệu tốc độ - PSS1A w w sT sT +1 4 3 1 1 sT sT + + 2 1 1 1 sT sT + + ∆UPSSMIN ∆ω Stabilizer Gain & Phase Lead-Lag High-pass Filter KPSS -18- 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 cơng thức được xây dựng ở chương 2, ta tính được các hệ số K1→K6 và các hằng số thời gian trong sơ đồ khối ở hình 3.8: K1 = 1,591 K2 = 1,5 K3 = 0,333 K4 = 1,8 K5 = -0,12 K6 = 0,3 T3 = 1,91 Gex(s) =KA = 200 TR = 0.02 Hàm truyền đạt cơ bản của khâu bù phase Lead – Lag cĩ thể viết lại tương đương như sau: sT Ts sG + + = 1 1)( α (3.27) Ở đây; α >1, T = T2 = T4, α T = T2 = T4 Để giảm thiểu độ khuếch đại tần số cao mà làm tăng mức tín hiệu ồn, thơng số “α ” sẽ là xác định nhỏ nhất cĩ thể. Gĩc vượt pha lớn nhất (θmax) trong trường hợp này được mơ tả như sau: ) 1 1(sin 1max + − = − α αθ (3.28) Hằng số thời gian T xác định ở tần số dao động ∆ωmax với gĩc vượt pha để bù cho sự trể pha lớn nhất là: α ω T 1 max =∆ (3.29) Từ (3.28) ta xác định được thơng số “α ” và từ (3.29) ta xác định được T Tiếp theo, ta tính tốn gĩc pha cần bù ở tần số dao động giới hạn tương ứng với Hzf 2max =∆ là maxω∆ = 2.Л.∆fmax= 2.3,14.2 = 12,56 (rad/s) -19- Từ hình 3.8, sự biến thiên từ thơng do tác động của PSS1A là: )( 1 63 3 PSSfd A fd UK sT KK ∆+∆− + =∆ ψψ (3.29) Khi đĩ ; 633 3 1 KKKsT KK U A A PSS fd ++ = ∆ ∆ψ (3.30) Thay các hệ số K3, K6, KA và T3 vào (3.30) ta được: ssU PSS fd 91,121 66,66 3,0.200.333,091,1.1 200.333,0 + = ++ = ∆ ∆ψ (3.31) Ở tần số dao động ∆ω = 12,56 rad/s, tức là s = j∆ω = j12,56 (rad/s) ⇒ 1,1921 6,66 56,12.91,121 66,66 jjU PSS fd + = + = ∆ ∆ψ Thành phần mơ men điện do PSS1A tác động là: PSSfdPSSePSS KTT ψ∆=∆=∆ 2 (3.32) o PSS fd PSS PSS j jKU K U T 3,42522,3 1,1921 66,665,1 1,1921 66,66. 2 2 −∠= + × =       + = ∆ ∆ = ∆ ∆ ⇒ ψ (3.33) Như vậy, gĩc pha cần bù lớn nhất ở tần số giới hạn sẽ là: θmax = - (- 42,3o) = 42,3o -20- Với bộ PSS1A, ta sử dụng 2 giai đoạn bù pha như nhau (T1=T3, T2=T4) nên mỗi giai đoạn sẽ bù một gĩc cĩ giá trị θmax = 42,30/2 = 21,150. Thay vào (3.28) ta tính được giá trị α như sau: 01 max 15,21)1 1(sin = + − = − α αθ Suy ra: α = 2,12 Từ (3.33) ta sẽ tính được hằng số thời gian T sT 0547,0 12,256,12 11 max == ∆ = αω Suy ra các hằng số thời gian của khâu bù Phase Lead – Lag là: T2 = T4 = T = 0,0547s ; T1 = T3 = αT = 2,12.0,0547s =0,016s Độ lớn của mơ men giảm được tạo ra phụ thuộc vào hệ số khuếch đại KPSS của hàm truyền đạt PSS1A ở tần số dao động đĩ được tính: ω ω ω ∆= ∆=∆ =∆ =∆ ∫ .522,3).( .522,3).( 56,12 56,12 PSS aPSSPSSA K PKT (3.39) Suy ra: 522,3).()( 56,12=∆= ωPSSD KPSSK (3.40) Thành phần mơ men mơ men điện từ do sự biến thiên từ thơng khi chỉ cĩ sự tác động của bơ điều chỉnh AVR được xác định từ (3.13) như sau: ] fde KT fd ψψ ∆=∆ ∆ 2 -21- ( ) ( ) ( )[ ] [ ] ( ) δ δψ ∆ ++++ −++ = ∆ ++++ ++ =∆ 02,091,1200.3,0.333,0102,0.91,1 200.12,0.5,102,018,1333,0 )(1 ])1([ 2 3633 2 5243 ss s TTsKKKTTs KKKsTKK RAR AR fd (3.41) 98,20.93,1.0382,0 39,11012,0 2 ++ − =∆ ss s fdψ ] δψψ ∆++ +− =∆=∆ ∆ 98,2093,10382,0 )012,039,11(5,1 22 ss sKT fde fd Ở tần số dao động 12,56 rad/s (2Hz), khi đĩ s = j12,56 ] ( ) δδδ δ δψ ∆−∆=∆−∠= ∆ + +− = ∆ ++ +− =∆ ∆ 5064,03217,0.572,576,0 2408,24954,14 226,0085,17 98,2056,12.93,156,120382,0 )56,12012,039,11(5,1 0 2 j j j jj jT fde (3.42) Từ (3.42), hệ số mơ men đồng bộ tổng là: 8317,13217,0591,11 =+=+= ∆ fdss KKK ψ (pu mơmen/rad) Thành phần mơ men cản do fdψ∆ là ).(5064,0)( δψ ∆−=∆ jT fdD (3.43) Từ 00 // ωδωωδω ∆=∆=∆ js ω ω ωδψ ∆−=∆−=∆ 05064,0).(5064,0)( jT fdD (3.44) -22- Với srad /56,12=ω ωωψ ∆−=∆−=∆ 66,12 56,12 314.5064,0)( fdDT (3.45) Tồn bộ hệ số mơ men cản khi cĩ sự tác động AVR và PSS1A là: )522,3.(66,12)()( PSSPSSDAVRDD KKKK +−=+= (3.46) Như vậy từ (3.46) ta thấy rằng, bộ điều khiển PSS1A với mục đích là tạo ra một thành phần mơ men điện để bù cho sự giảm âm của mơ men đồng bộ dưới tác động của bộ điều khiển AVR. Ở điều kiện lý tưởng thì thành phần mơ men này sẽ bù chính xác cho thành phần mơ men bị giảm, nghĩa là: 0522,3.66,12 =+−= PSSD KK ⇒ 594,3 522,3 66,12 ==PSSK + Giới hạn điện áp ngõ ra của PSS1A: Gới hạn điện áp đầu ra của bộ ổn định được cài đặt trong dải giá trị puU PSS 1,01,0 * ≤∆≤− Chương 4: CÁC KẾT QUẢ MƠ PHỎNG, KIỂM CHỨNG BẰNG MATLAB - SIMULINK 4.1. Các sơ đồ mơ phỏng trên Matlab - Simulink Để kiểm tra tác động của bộ điều khiển PSS1A được thiết kế như trên đến sự ổn định cơng suất hệ thống, đề tài đã tiến hành mơ phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab Simulink.Máy phát được nối với hệ thống cơng suất tương đương 10000MVA. Phụ tải phía sau trạm biến -23- áp cĩ cơng suất 300+j100 (MVA) được đĩng vào lưới tại thời điểm 8s sau khi đĩng máy phát vào lưới để hịa đồng bộ. Hình 4.2. Mơ hình mơ phỏng của một máy phát đồng bộ nối với lưới điện khi cĩ sử dụng bộ điều khiển PSS1A 4.2. Các kết quả mơ phỏng + Điện áp đầu cực máy phát: Hình 4.3. Đáp ứng điện áp đầu cực máy phát khi cĩ và khơng cĩ sử dụng PSS1A + Điện áp kích từ: Hình 4.1. Mơ hình mơ phỏng bộ điều khiển PSS1A -24- Hình 4.4. Đáp ứng điện áp kích từ khi cĩ và khơng cĩ PSS1A + Tốc độ rotor: Hình 4.5. Đáp ứng tốc độ rotor của máy phát + Điện áp đầu ra PSS1A: Hình 4.6. Đáp ứng điện áp đầu ra UPSS của PSS1A -25- + Cơng suất tác dụng Pe: Hình 4.7: Đáp ứng cơng suất tác dụng Pe của máy phát 4.3. Kết luận mơ phỏng Các kết quả mơ phỏng ở trên cho thấy, các bộ tự động điều khiển kích từ hoạt động tương đối tốt, ổn định đảm bảo yêu cầu của các khối chức năng trong thiết kế. Nhưng, khi sử dụng bộ ổn định cơng suất thì khả năng tác động của PSS1A cho kết quả tốt hơn khi khơng cĩ PSS1A.Với bộ điều khiển ổn định cơng suất đã nghiên cứu, cho ta giải quyết được bài tốn ổn định dao động nhỏ cơng suất trong hệ thống để ổn định tần số. Đồng thời qua đĩ cho ta thấy được tính chất ưu việt của hệ thống kích từ tĩnh trong máy phát điện đồng bộ. Vậy, việc dùng bộ ổn định cơng suất PSS đặt tại nhà máy phát điện để ổn định hệ thống sẽ rất hiệu quả và tác động nhanh. -26- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn tốt nghiệp: “Xác định phương pháp chọn tham số cho bộ điều khiển PSS1A” tơi đã đạt được một số kết quả sau: - Nghiên cứu về máy phát điện đồng bộ, mơ hình tốn học của máy phát điện đồng bộ. - Nghiên cứu hệ thống tự động điều chỉnh điện áp AVR và bộ ổn định cơng suất (PSS) của máy phát đồng bộ. - Nghiên cứu vai trị, chức năng của PSS1A trong máy phát điện đồng bộ từ đĩ đưa ra phương pháp tính chọn tham số cho bộ ổn định cơng suất PSS1A - Xây dựng mơ hình mơ phỏng để kiểm chứng trên phần mềm Matlab-Simulink Với kết quả trên, cho thấy mơ hình thiết kế đảm bảo tốt các yêu cầu về chức năng điều khiển, đây là cơ sở quan trọng để cĩ thể tiến hành thử nghiệm với mơ hình trong thực tế. Cho dù đã hết sức cố gắng, luận văn này chỉ mới giải quyết được các vấn đề trên cơ sở lý thuyết về hệ thống tự động ổn định điện áp và ổn định cơng suất, triệt tiêu các dao động nhỏ trong máy phát điện. Mơ hình mơ phỏng hoạt động cho kết quả tốt. Tuy nhiên, vì thiếu thời gian và kinh phí nên chưa xây dựng được hệ thống thực nghiệm hồn thiện. Nếu cĩ điều kiện tiếp tục nghiên cứu tơi rất mong được nghiên cứu sâu hơn về các tác động của hệ thống trên mơ hình mơ phỏng và tiến hành thử nghiệm với mơ hình thực tế để đề tài thực sự cĩ ý nghĩa trong ứng dụng điều khiển và vận hành các nhà máy điện.