MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hệ thống kích từ là một trong các hệ thống thiết bị quan
trọng nhất quyết định đến sự làm việc an toàn của máy phát
điện. Nó có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho các
cuộn dây kích thích của máy phát điện đồng bộ. Trong chế độ
làm việc bình thường, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh
được điện áp đầu cực máy phát và thay đổi lượng công suất
phản kháng phát vào lưới điện.
Để tự động điều chỉnh dòng kích từ, 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. 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
truyền tải công suất của máy phát vào hệ thống điện, đặc biệt
khi máy phát được nối với hệ thống qua đường dây dài.
Trong quá trình vận hành hệ thống điện khi xuất hiện các
nhiễu loạn, khiến điện áp máy phát thay đổi bất thường, với
máy phát trang bị AVR loại đáp ứng nhanh AVR có thể điều
khiển điện áp máy phát về giá trị cho phép. Tuy nhiên AVR
loại này thường làm tắt dần các dao động yếu hơn, nguyên
nhân là do nó tạo ra mô men cản âm. Để bù mô men cản âm
1
này người ta trang bị thêm bộ ổn định hệ thống điện PSS
(Power System Stabilizer). Có thể thấy PSS đóng vai trò tương
đối quan trọng đối với sự ổn định của máy phát, đặc biệt là các
máy phát điện công suất lớn nối với đường dây tải điện dài.
2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ
Ở Việt Nam, sự khởi sắc của nền kinh tế sau đổi mới,
làm nhu cầu về điện gia tăng đột biến. Để đáp ứng được sự gia
tăng đó, chúng ta đã và đang xây dựng rất nhiều các nhà máy

bộ ổn định hệ thống điện PSS.
Dựa trên cơ sở những lý thuyết nghiên cứu trên tiến
hành mô phỏng kiểm chứng lý thuyết bằng phần mềm Matlab
Simulink và chạy thực nghiệm trên card R&D DS1104.
3.3. Nhiệm vụ của đề tài.
Các yêu cầu trên sẽ được làm rõ và giải quyết trong luận
văn như sau:
- Giới thiệu máy phát điện đồng bộ và mô hình toán học
của máy phát điện đồng bộ.
3
- Giới thiệu hệ thống kích từ và bộ ổn định hệ thống
điện - PSS
- Xây dựng mô hình toán học của hệ thống kích từ và bộ
ổn định HTĐ
- Ứng dụng Matlab/Simulink, thí nghiệm trên Card R&D
DS1104 để đánh giá hệ thống kích từ có CPSS tới ổn định của
HTĐ
4. NGUỒN TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
4.1 Nguồn tài liệu.
Luận văn đã sử dụng các tài liệu trong và ngoài nước,
các tạp chí khoa học kỹ thuật, các kết quả nghiên cứu liên
quan, đặc biệt là các tài liệu tham khảo tại thư viện trường Đại
học Kỹ thuật Công nghiệp, trung tậm học liệu Đại học Thái
Nguyên.
4.2. Phương pháp nghiên cứu.
– Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống
hóa các công trình nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực
liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành; nghiên cứu các
cấu trúc hệ thống kích từ và PSS.
– Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu cấu trúc các hệ

Trong chương này tác giả đã dành thời lượng đáng kể để
mô phỏng và làm thí nghiệm xem xét ảnh hưởng của các hệ
thống kích từ có PSS đối với ổn định của HTĐ.
6
CHƯƠNG I
MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC
CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
I.1. MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của các
lưới điện công nghiệp, trong đó động cơ sơ cấp là các tuabin
hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước. Với công nghệ chế tạo hiện
đại, công suất của mỗi máy có thể đạt tới hàng trăm MW hoặc
lớn hơn. Máy phát tuabin hơi có tốc độ quay lớn hơn do đó
được chế tạo theo kiểu cực ẩn và có trục quay nằm ngang.
Trong khi đó máy phát tuabin nước thường có tốc độ quay thấp
nên có kết cấu theo kiểu cực lồi và trục đặt thẳng đứng.
Máy phát điện đồng bộ 3 pha gồm 2 bộ phận chính là
stato và rôto. Stato của máy phát điện đồng bộ gồm hai bộ phận
là lõi thép và dây quấn 3 pha stator.
- Lõi thép stato được ép bằng các lá tôn silic dầy 0,5 mm,
hai mặt có phủ lớp sơn cách điện và dọc chiều dài của lõi thép
có các rãnh thông gió đặt ngang trục để làm mát.
- Dây quấn stato được gọi là dây quấn phần ứng và được
đặt trong các rãnh của stato.
7
Rôto của máy phát điện đồng bộ có các cực từ và dây
quấn kích từ. Có thể phân rôto thành 2 loại: rôto cực ẩn và rôto
cực lồi, Rôto cực ẩn thường dùng cho các máy phát tuabin hơi
có tốc độ quay cao, Rô to cực lồi thường dùng cho các máy
phát tuabin nước có tốc độ quay thấp.

v
ω
kd
v
Trục q
Trục d
Trục a
kq
g
i
i
+g
-g
kq
kd
f+
f-
θ
r
Trục a
Hình Error! No text of specified style in document.1. Mô hình mạch của một máy điện
đồng bộ lý tưởng
8
[ ] [ ] [ ]
[ ]
dt
d
iru
qd
qdrqdsqd

λ
= + +
3
2
g sg q gg g gkq kq
L i L i L i
λ
= + +
3
2
kq skq q gkq g kqkq kq
L i L i L i
λ
= + +
Các phương trình của máy điện đồng bộ trong hệ toạ độ
dq0 của rôto với các đại lượng rôto được quy đổi về stato là:
V
q
r
q s q d
d
d
u r i
dt dt
λ
θ
λ
= + +
d r
d s d q

= +
9
g
g g g
d
u r i
dt
λ
′
′ ′ ′
= +
kq
kq kq kq
d
u r i
dt
λ
′
′ ′ ′
= +
Công suất điện từ và mô men điện từ:

( )
3
W
2 2
e rm d q q d
p
P i i
ω λ λ

e T d
d t J d t
M M M J
dt p dt
ω ω
+ − = =
- Góc rô to:
0
( ) ( ) rad/s
2
t
r e e T d
p
t M M M dt
J
ω ω
− = + −
∫
I.4. MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
10
Phương trình của hệ thống điện đơn giản bao gồm 1 máy
phát nối với thanh cái thông qua đường dây với tổng trở
e e
r jx+
.
( ) ( )
( ) ( )
q s e q d e d q
d s e d d e d d
u r r i x x i E

lượng công suất phát vào lưới điện.
II.1.2. Các thành phần chính của hệ thống kích từ.
Thiết bị kích từ bao gồm:
- Máy biến áp kiểu khô.
- Bộ chỉnh lưu thyristor.
- Bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR.
- Bộ phận diệt từ.
12
- Thiết bị bảo vệ quá áp và tất cả trang thiết bị cần thiết
cho việc điều khiển, bảo vệ hệ thống kích từ, máy phát trong
các điều kiện làm việc bình thường và sự cố.
II.1.3. Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ.
Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ có bộ phận điều
chỉnh chính là thiết bị tự động điều chỉnh điện áp – AVR có
nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu cực máy phát không đổi (với độ
chính xác nào đó) khi phụ tải thay đổi, nhằm nâng cao giới hạn
truyền tải công suất của máy phát vào HTĐ. Đặc biệt khi máy
phát được nối với hệ thống lưới qua đường dây dài. Những yêu
cầu chung đối với hệ thống tự động điều chỉnh kích từ là:
- Hệ thống phải đảm bảo ổn định tĩnh và nâng cao tính
ổn định động.
- Hệ thống cần có chế độ kích thích cưỡng bức, khi máy
phát làm việc ở chế độ sự cố (như ngắn mạch)…
II.1.4. Bộ chỉnh lưu kích từ Thyristor.
Sử dụng cho hệ thống kích từ tĩnh, bộ chỉnh lưu sử dụng
ở đây là kiểu chỉnh lưu 3 pha, gồm hai cầu như nhau nối song
song. Trong chế độ vận hành bình thường, cả hai cầu đều ở vị
trí làm việc nhưng chỉ một cầu có xung kích để mở cổng
thyristor, cầu còn lại ở trạng thái đóng.
Trong trường hợp cầu đang mở có sự cố thì mạch điều

các bộ phận của mô men damping sẽ tỷ lệ nghịch với tốc độ
rôto so với điểm vận hành ổn định. Như vậy một máy phát sẽ
được duy trì sự ổn định nếu PSS tác động lên hệ thống kích từ
làm cho các mômen đồng bộ và mômen hãm đủ để dập các dao
động rôto của máy phát làm việc trong trường hợp không bình
thường.
14
Các bộ kích từ có tốc độ phản ứng nhanh đi kèm với bộ
tự động điều chỉnh điện áp có hệ số khuếch đại cao và cưỡng
bức để tăng hệ số đồng bộ mômen máy phát (M
s
), kết quả cải
thiện các giới hạn ổn định ngắn hạn và ổn định trạng thái tĩnh.
Nhưng có nhược điểm là khi cải thiện mômen đồng bộ thường
xuyên tổn hao mômen hãm, kết quả làm giảm mức độ ổn định
các dao động nhỏ hoặc các tín hiệu nhỏ. Để chống lại hiệu ứng
này, nhiều máy phát sử dụng AVR có hệ số khuếch đại cao
thường được trang bị thêm các PSS để tăng thêm hệ số hãm
(M
d
) và cải thiện ổn định dao động.
15
CHƯƠNG III
MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KÍCH
TỪ VÀ BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
III.1. CÁC LOẠI KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT
III.1.1. Hệ thống kích từ dùng máy phát một chiều.
Kích từ một chiều có chứa 2 máy phát điện một chiều:
kích từ chính (ME) và kích từ phụ (AE), cả 2 đều được gá lắp
trên trục MPĐ chính. ME cung cấp cho cuộn dây kích từ (U

U
c
on
nguồn 3
pha ∼
_
+
Kích từ
phụ
(AE)
từ AC được điều khiển bởi AVR. Hiện tại công suất bộ biến
đổi tĩnh đạt khoảng 1/20 (30) công suất cuộn dây kích từ MPĐ,
nhưng chỉ thay đổi từng nấc
III.1.3. Hệ thống kích từ tĩnh.
Hiện nay có xu hướng sử dụng kích từ tĩnh, hầu hết đều là
loại chỉnh lưu có điều khiển cung cấp cho cuộn dây kích từ
thông qua cơ cấu vành trượt và chổi than. Nguồn cung cấp cho
máy biến áp kích từ là nguồn phụ hoặc lấy từ đầu cực MPĐ.
Kích từ tĩnh có đặc điểm là đáp ứng nhanh với hằng số thời
gian T’
d
17
Bộ BĐ
công suất
tĩnh
Turbi
ne
3∼
SG
U

3∼
III.2. MÔ HÌNH CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG KÍCH TỪ
III.2.1. Kích từ một chiều.
III.2.2. Kích từ xoay chiều và bộ chỉnh lưu.
18
1
E
sT
K
E
S
E
(E
X
)
E
ef
=U
R
+
-
E
X
= U
FD
1
K
sT
+
ΔE

I
FD
+
-
V
X
K
D
+
+
Mô hình kích từ xoay chiều
III.2.3. Mô hình bộ khuếch đại.
III.2.4. Bộ chuyển đổi điện áp đầu cực và bù tải.
III.2.5. Các hàm lựa chọn cổng.
19
C FD
N
E
K I
I
V
=
F
EX
=f(I
N
)
I
N
I

t
U
I
%
%
1
1
R
sT
+
U
C
Bù tải
Chuyển đổi điện
áp
LV
gate
u
ν
y
u y u
u y
ν
ν ν
≤ → =
> → =
HV
gate
u
ν

khuyếch đại
Các tín
hiệu
khác
G
1
Mạch ổn định
chính
U
C
H
1
H
2
H
3
_
_
Mạch ổn định
trong
Σ
U
PS
S
U
RE
F
1
1
C

( )
X FD E FD
U E S E
=
Σ
+
1
F
F
sK
sT
+
U
Rmin
+
U
FD
U
F
U*
UE
L
U
FE
U
R
* Điểm đầu vào thay thế
U
C
- Mô hình kích từ ST1A:

A
A
K
sT
Σ
U
Amax
_
+
1
E
sT
E
K
( )
X FD E FD
U E S E
=
Σ
+
1
F
F
sK
sT
+
U
Amin
+
U

Rmax
+
U
X
F
EX
I
N
Σ
U
C
U
PS
S
U
REF
1
1
(1 )(1 )
(1 )(1 )
+ +
+ +
C C
B B
sT sT
sT sT
Σ
+
+
_

K
U
Amin
U
Ama
x
HV
gate
LV
gate
-
U
F
D
I
LR
U*
UE
L
U
OEL
U
U
EL
+
* Điểm đầu vào thay thế
Et.U
Rmax
-
K

sT
+
1
2
1
1
sT
sT
+
+
3
4
1
1
sT
sT
+
+
Δ
ω
Δf
P
e
U
PSSmax
U
PSSmin
U
PSS
U

W
W
sT
sT
+
2
7
1
S
K
sT
+
8
9
(1 )
(1 )
N
M
sT
sT
 
+
 
 
+
 
∑
3S
K
1

+
+
+
-
∑
ω
∆
e
P
2 2
m e
P P
dt dt
H H
ω
∆ ∆
= ∆ +
∫ ∫
2
e
P
dt
H
∆
∫
Sơ đồ khối PSS2A
1
1
1 sT
+

1
A s A s
A s A s
+ +
+ +
P
e
U
PSSmax
U
PSSmin
U
PSS
U
S
2
1
1 sT
+
w2
2
w2
1
s
sT
K
sT
+
Δω
Σ

Gain4
-K-
Gain3
1/T E
Gai n2
1/T A
Gain1
KA /T A
Gai n
1
s
Ef
3
Vt
2
Vsupp
1
Vref
- Mô hình AC1A
1
Out_Ef
VRmax/VRmin
1
s
VR
VAmax/VAmin
KF.s
TF.s+1
Transfer Fcn
Sum8

2
Vsupp
1
Vref
- Mô hình ST1A
23
1
Out_Ef
VRmin
VRmin
VRmax
VRmax
KF.s
TF.s+1
Transfer Fcn2
KA
TA.s+1
Transfer Fcn
Sum8
Scope
Product2
Product1
Product
KLR
KLR
KC
KC
up
u
lo

0.78
0.8
0.82
0.84
0.86
0.88
Thoi gian (s)
CSTD (pu)without PS S
with P SS
Đáp ứng CSTD của máy phát
với kích từ DC1A
14 16 18 20 22 24 26 28 30
0.999
0.99 95
1
1.00 05
1.001
Th oi gian (s)
To c do rotor (pu)without P S S
with P S S
Đáp ứng tốc độ rôto với kích từ
DC1A
14 16 18 20 22 24 26 28 30
-6

with P S S
Đáp ứng góc tải với kích từ AC1A
14 16 18 20 22 24 26 28 3 0
0.78
0.8
0.82
0.84
0.86
0.88
Thoi gian (s )
C S T D (pu)w ith out P S S
w ith P S S
Đáp ứng CSTD của máy phát với
kích từ AC1A
14 16 18 20 22 24 26 28 30
0.999
0.9995
1
1.0005
1.001
Thoi gian (s )
Toc do rotor (pu)without PSS
with P S S
Đáp ứng tốc độ rôto với kích từ


without PS S
with P S S
Đáp ứng góc tải với kích từ
ST1A
14 16 18 20 22 24 26 28 30
0. 76
0. 78
0.8
0. 82
0. 84
0. 86
0. 88
Tho i gian (s )
CS T D (pu)wit hout P S S
wit h P S S
Đáp ứng CSTD của máy
phát với kích từ ST1A
25