Nguyễn Hiền Trung và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 64(02): 63 - 69
63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA CÁC BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT
CHO MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN
Nguyễn Hiền Trung

, Nguyễn Như Hiển
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT
Bài báo trình bày các cấu trúc bộ ổn định công suất (PSS) dùng cho các máy phát điện đồng bộ để
cải thiện ổn định các dao động trong hệ thống điện, đồng thời đi sâu phân tích các thành phần
trong cấu trúc của bộ ổn định công suất PSS2A, từ đó sánh hiệu quả của nó với bộ ổn định công
suất PSS1A. Kết quả kiểm chứng bằng mô phỏng trên MATLAB-SIMULINK cho thấy hiệu quả
rõ rệt của bộ ổn định công suất PSS2A so với PSS1A. Bài báo cũng đề xuất phương án nên sử
dụng PSS2A cho các máy phát điện đồng bộ hiện nay.
Từ khóa: Ổn định hệ thống điện; Hệ thống kích từ; Bộ tự động điều chỉnh điện áp; Bộ ổn định
công suất; Dao động.
*
MỞ ĐẦU
Trong trạng thái hoạt động ổn định của hệ
thống điện, công suất điện đầu ra của máy phát
điện đồng bộ cân bằng với công suất cơ đầu
vào. Khi hệ thống bị tác động bởi sự cố, hoặc
phụ tải thay đổi nhanh, công suất điện phát ra
sẽ thay đổi. Công suất điện từ đầu ra có thể
thay đổi nhanh chóng, nhưng công suất cơ thay

Một giải pháp để nâng cao chất lượng của hệ
thống là phải thêm các đường truyền song
song để giảm điện kháng giữa các máy phát
và trung tâm phụ tải. Giải pháp này rất nổi
tiếng nhưng thường khó được chấp nhận vì
chi phí quá cao khi xây dựng thêm các đường
dây truyền tải. Một giải pháp thay thế đó là bộ
ổn định công suất (PSS) [5] hoạt động thông
qua các bộ tự động điều khiển điện áp máy
phát điện (AVR).
CẤU TRÚC CÁC BỘ ỔN ĐỊNH
CÔNG SUẤT
PSS là một thiết bị tăng moment hãm các dao
động cơ điện trong máy phát, để cải thiện các
hạn chế vận hành cưỡng bức ổn định. Khi bị tác
động bởi một sự thay đổi đột ngột trong điều
kiện vận hành, tốc độ và công suất của máy
phát sẽ thay đổi xung quanh điểm cân bằng.
Mối quan hệ giữa những đại lượng này có thể
được diễn tả bởi công thức sau [8], [11]:
2
mec
2
2H d δ
=M -M -M
ω
dt
(1)
trong đó: δ - góc quay tương đối của rotor; 
- tốc độ góc của rotor; M

c
- hệ số hãm;
 - sai lệch góc rotor.
Từ (2) có thể thấy rằng với giá trị dương của
M
s
, thành phần của moment đồng bộ thay đổi
tỉ lệ nghịch với góc rotor từ điểm cân bằng.
Tương tự, với giá trị dương của M
c
, các bộ
phận của moment hãm sẽ tỉ lệ nghịch với tốc
độ rotor so với điểm vận hành ổn định.
Bộ ổn định dựa trên tốc độ (∆)
Để tăng cường hệ số hãm tự nhiên của máy
phát, bộ PSS phải tạo ra một thành phần của
moment điện chống lại những thay đổi trong
tốc độ rôto. Một phương pháp để thực hiện
điều này là đưa vào một tín hiệu tỷ lệ đo được
về sai lệch tốc độ rotor khi điều chỉnh điện áp
đầu cực máy phát.

PSS loại này có chứa một bộ lọc thấp, một bộ
lọc cao tần, khâu khuếch đại, hệ thống so
sánh pha và khâu giới hạn tín hiệu ra. Trên
hình 1 thì T
6

Trong một số trường hợp tín hiệu điện áp đầu
cực và tín hiệu dòng điện cũng được kết nối
như một tín hiệu tốc độ rotor (tần số “bù”)
cho PSS. Sự tiện lợi của tín hiệu tần số là nó
nhạy cảm đối với các kiểu dao động liên khu
vực hơn là với các dao động giữa các máy
phát điện [5].
Một nhược điểm của các tín hiệu tần số đo
được ở đầu cực các máy phát là có chứa các
thành phần xoắn. Bởi vậy, cần thiết phải sử
dụng các bộ lọc. Về góc độ này các bộ ổn
định dựa trên tần số có các giới hạn tương tự
như các bộ PSS dựa trên tốc độ. Hơn nữa tín
hiệu tần số thường chứa các nhiễu loạn của hệ
thống gây ra bởi các tải công nghiệp [16].
C. Bộ ổn định dựa trên công suất (∆P)
Cho dù các bộ ổn định dựa trên tốc độ đã
chứng minh hiệu quả rất tốt, nhưng thường thì
vẫn khó khăn để tạo ra tín hiệu tốc độ không
có nhiễu như các thành phần dao động xoắn
của trục. Sự có mặt của các thành phần này
trong đầu vào của 1 bộ ổn định dựa theo tốc
độ có thể gây ra kích từ quá mức cho máy
phát. Những biến đổi moment điện dẫn tới
nghiên cứu về các thiết kế bộ ổn định dựa trên
công suất đo được:
 
me
1
PP

được cấp cho tua bin. Mối liên hệ giữa các
phép đo vật lý này và công suất cơ thực thay
đổi dựa vào thiết kế của tua bin và các hệ số
khác.Rất nhiều bộ ổn định dựa trên công suất
vẫn còn được sử dụng, mặc dầu chúng đang
nhanh chóng được thay thế bằng các bộ ổn
định hiệu quả hơn.
Các bộ ổn định đầu vào kép
Vì đã có hai tín hiệu có sẵn là công suất và
tốc độ nên cách tính toán này đã được thay
thế và ưu tiên dành cho một phương pháp
gián tiếp. Mục đích là nhằm loại bỏ những
thành phần không mong muốn ra khỏi tín hiệu
tốc độ trong khi vẫn tránh được khó khăn khi
đo tín hiệu công suất cơ. Để đạt được điều
này, mối quan hệ của phương trình (3) được
biến đổi lại:
 
me
1
P P t
2H
     

(4)
Tích phân công suất cơ có quan hệ với tốc độ
trục và công suất điện như sau:
me
P t 2H P t      


7
). Thông thường K
S3

bằng 1 và K
S2
sẽ bằng T
7
/2H. Đầu vào A
thường là tốc độ hoặc tần số, và đầu vào B là
công suất điện. N (số nguyên nhỏ hơn 4) và
M (số nguyên nhỏ hơn 2), E cho phép lọc
các thành phần xoắn hoặc tiếng ồn. Bù pha
được cung cấp bởi 2 khâu Lead – Lag hoặc
Lag – Lead (T
1
đến T
4
).
Bộ ổn định đầu vào kép PSS2B
Bộ ổn định này tương tự như bộ PSS2A chỉ
thêm vào một khâu bù pha Lead - Lag còn các
thông số khác hoàn toàn tương tự.
Bộ ổn định đầu vào kép PSS3B

Bộ lọc cao tần
Bộ lọc cao tần
Bộ lọc Ramp-Tracking
Hệ số khuếch đại và bù pha
Đầu ra

là hằng số thời gian bộ
lọc tần số cao. K
s1
và K
s2
là hai khâu khuếch
đại. T
0
là hằng số thời gian khởi động của
máy phát đồng bộ.

Do các lợi ích hơn hẳn của bộ ổn định đầu
vào kép nên hiện nay hầu hết đều bỏ qua cách
chỉ dùng tín hiệu tốc độ.
PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN TRONG
BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT PSS2A
Tín hiệu tốc độ
Tốc độ trục có thể được đo trực tiếp, hoặc thu
được từ tần số của một tín hiệu điện áp bù xuất
phát từ cực máy biến điện áp (VT) và dòng
điện (CT) thứ cấp. Trong trường hợp khác, tín
hiệu kết quả phải được chuyển sang một mức
hằng số, tỷ lệ với tốc độ (tần số). Hai đoạn
mạch lọc cao tần được đưa vào tín hiệu kết quả
để loại bỏ mức tốc độ trung bình, tạo ra một tín
hiệu sai lệch tốc độ. Hằng số thời gian mỗi bộ
lọc cao tần là: 1.0s  T
w
 20.0s.
Tín hiệu công suất điện

trong quá trình vận hành của các máy phát.
Mức điều chỉnh hằng số thời gian bộ lọc này
là: 0.02s≤T≤0,2s.
Bù pha và lựa chọn tín hiệu ổn định
Tín hiệu tốc độ được hiệu chỉnh trước khi đưa
tới bộ ổn định công suất. Tín hiệu được lọc để
tạo ra vượt pha trước ở các tần số cơ điện cần
dùng, ví dụ 0.1 Hz tới 5.0 Hz. Yêu cầu vượt pha
để bù vào sự trễ pha tạo ra bởi bộ điều chỉnh
điện áp vòng kín. Hàm truyền của mỗi giai đoạn
của bù pha là một dạng kết hợp đơn giản trong
đó hằng số thời gian trễ và vượt được điều
chỉnh trong khoảng: 0,01s  T  6,0s.
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN PHẦN
MỀM MATLAB-SIMULINK
Trong phần này sẽ trình bày quá trình thực
hiện các trường hợp mô phỏng hệ thống điều
chỉnh điện áp và ôn định công suất máy phát

Bộ lọc cao tần
Bộ lọc cao tần

Hình 4. Sơ đồ khối của bộ ổn định công suất PSS4B Hình 3. Sơ đồ khối của bộ ổn định công suất
PSS3B

Bộ lọc cao tần
Bộ lọc cao tần

Vsmax= 0,15.
2.2. Bộ ổn định công suất PSS2A
M=1; N=2; T
w1
=1; T
w2
=5; T
6
=0,02; T
w3
=10;
T
w4
=10; T
7
=6,4; K
S2
=1; K
S3
=1 T
8
=4; T
9
=5;
K
S1
=0,1; T
1
=0,05; T
2

i
=0,105; K
d
=0;
T
d
=0,01s.T
w
=2,67s.
4. Hệ thống kích từ [12]
Tr=0,02s; Ka=300; Ta=0,001s; Ke=1,0;
Te=0; Kf=0,001; Tf=0,1s; Vsmin=-11,5;
Vsmax= 11,5.
5. Đường dây dài 50km; R
0
=0,3864Ω/km;
L
0
=4,1264.10
-3
H/km; C
0
=7.751.10
-9
F/km.
6. Tải tự dùng: 10+j4MVA; tải cuối đường
dây: 100+j30MVA.
Kết quả mô phỏng
Công suất cơ bản được chọn chung cho toàn
hệ thống là S