..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐINH VĂN ĐẠT

PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ
DƯỚI ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – Năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐINH VĂN ĐẠT

PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ
DƯỚI ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. TRƯƠNG NGỌC MINH

Hà Nội – Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ dưới đây là cơng trình nghiên cứu của bản
thân. Các số liệu, thơng tin trích dẫn trong luận văn này hồn tồn trung thực, có
nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố. Những tài liệu tham khảo trong luận văn đã
được nêu rõ ràng trong phần tài liệu tham khảo. Các kết quả thu được của luận văn
chưa từng được sử dụng để bảo vệ một học vị nào khác
Hà Nội, ngày 30 tháng 9 năm 2018
Học viên thực hiện

Đinh Văn Đạt

i


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................. v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................vii
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI ĐỒNG BỘ - SSR .... 2
1.1

Giới thiệu chung .............................................................................................2


1.2

Hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ - SSR ......................................3

1.2.1

Lý thuyết về cộng hưởng tần số dưới đồng bộ ..............................................3

1.2.2

Hiện tượng tự kích từ (Self Excitation) .........................................................5

1.2.3

Mô men xoắn quá độ (Transient torque) ........................................................7

1.2.4

Ảnh hưởng của SSR đối với hệ trục Turbine .................................................8

1.3

Các phương pháp phân tích, đánh giá hiện tượng SSR .................................9

1.3.1

Phương pháp quét tần số ................................................................................9

1.3.2


Phương pháp mô phỏng miền thời gian thực ...............................................10

1.3.3

Phương pháp trị riêng...................................................................................10

1.4

Kết luận ........................................................................................................10

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ TURBINE – MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
BA PHA.
............................................................................................................... 11
2.1

Giới thiệu chung về máy phát điện đồng bộ ................................................11

2.1.1

Cấu tạo và nguyên lý làm việc .....................................................................11

2.1.2

Phân loại máy phát điện đồng bộ ba pha trong hệ thống. ...........................13

2.2

Mô hình tốn học của máy phát đồng bộ ba pha .........................................15

2.2.1


Tự cảm, hỗ cảm trong các cuộn dây ............................................................17

2.2.2

Các phương trình của máy điện đồng bộ trong hệ tọa độ pha .....................19

2.2.3

Biến đổi về hệ tọa độ quay dq0 của rotor ....................................................21

2.2.4

Quy đổi các đại lượng rotor về stator...........................................................24

2.2.5

Các phương trình điện áp, từ thơng trong hệ tọa độ qdo .............................26

2.2.6

Mô men điện từ của máy điện đồng bộ ........................................................27
ii


2.2.7

Mối quan hệ giữa đại lượng dòng điện và từ thơng .....................................27

2.2.8


Phương trình chuyển động của Rotor ..........................................................28

2.3

Mơ hình tốn học biểu diễn hệ trục turbine – máy phát. .............................29

2.4

Kết luận ........................................................................................................35

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRỊ RIÊNG ĐỂ PHÂN TÍCH HIỆN
TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI ĐỒNG BỘ ............................................... 36
3.1

Cơ sở lý thuyết phương pháp trị riêng .........................................................36

3.1.1

Các đặc trưng của ma trận trạng thái A .......................................................37

3.1.2

Phân tích ổn định của hệ thống dựa vào giá trị riêng...................................38

3.2

Phân tích tương tác xoắn trên trục turbine ...................................................39

3.2.1


Tần số dao động tự nhiên của trục turbine máy phát ...................................39

3.3

Phân tích dao động riêng của hệ trục Turbine – máy phát...........................43

3.3.1

Phân tích giá trị riêng và các chế độ dao động ............................................44

3.3.2

Nhận xết kết quả phân tích trị riêng và vector riêng. ...................................48

3.3.3 Các đại lượng của hệ turbine - máy phát điện trong mơ hình theo các mode
dao động. ...................................................................................................................49
3.4

Kết luận ........................................................................................................50

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ
DƯỚI ĐỒNG BỘ VỚI SƠ ĐỒ IEEE SBM.................................................................. 51
4.1

Xây dựng mơ hình các phần tử trong hệ thống điện ....................................51

4.1.1

Mơ hình máy phát nhiệt điện đồng bộ ba pha. .............................................51


4.1.2

Phép biến đổi qd0 cho mạch RL nối tiếp .....................................................59

4.1.3

Phép biến đổi qd0 cho mạch điện dung song song ......................................64

4.1.4

Mơ hình hóa tụ bù dọc .................................................................................67

4.2

Mơ phỏng hệ thống với sơ đồ chuẩn IEEE First BenchMark. .....................68

4.2.1

Sơ đồ chuẩn IEEE First BenchMark - FBM ................................................68

4.2.2

Kịch bản và kết quả mơ phỏng.....................................................................68

4.2.3

Nhận xét .......................................................................................................71

4.3


Sơ đồ IEEE Second BenchMark ..................................................................71

4.3.1

Mơ hình sơ đồ SBM trên Mathlab/Simulink ...............................................73
iii


4.3.2

Tính tốn giá trị bù dọc trên đường dây tương ứng với từng mode dao động

của trục turbine ..........................................................................................................74
4.4

Phân tích trị riêng và kết quả mô phỏng ứng với các giá trị bù ...................76

4.4.1

Với giá trị bù 76.23% (tương ứng với mode 2) ...........................................76

4.4.2

Với giá trị bù 57.21% (tương ứng với mode 3) ...........................................78

4.4.3

Với giá trị bù 37.03% (tương ứng với mode 4) ...........................................80


4.4.4

So sánh biên độ dao động của momen xoắn tại từng khối trục ...................82

4.4.5

Phân tích ảnh hưởng của dịng điện tới biên độ mơ men xoắn. ...................85

KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................................... 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 89

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hệ thống điện có tụ bù dọc .................................................................................. 3
Hình 1.2: Cấu trúc của hệ thống turbine máy phát ................................................................ 4
Hình 1.3:Mơ hình mạch tương đương hiệu ứng khơng đồng bộ máy phát .............................. 6
Hình 1.4: Trục turbine nhà máy nhiệt điện bị phá hủy do hiện tượng SSR ............................. 9
Hình 2.1: Cấu tạo máy phát điện đồng bộ ba pha ............................................................... 12
Hình 2.2: Mơ hình mạch Rotor và Stator của máy phát đồng bộ.......................................... 15
Hình 2.3: Mơ hình hệ trục Turbine 6 khối .......................................................................... 31
Hình 2.4: Mơ hình khối LPB-GEN .................................................................................... 31
Hình 2.5: Cấu trúc cơ khí của hệ trục turbine 6 khối ........................................................... 32
Hình 3.1: Các tần số dao động tự nhiên và dạng dao động của trục turbine máy phát điện .... 47
Hình 4.1: Khối tạo dao động ............................................................................................. 51
Hình 4.2: Khối điện áp đầu cực ......................................................................................... 52
Hình 4.3: Khối chuyển đổi điện áp pha2qd0 ...................................................................... 53
Hình 4.4: Khối phương trình vi phân của máy phát trên trục q ............................................ 54
Hình 4.5: Khối phương trình vi phân của máy phát trên trục d ............................................ 55

Hình 4.6: Khối Rotor máy phát ......................................................................................... 56
Hình 4.7: Khối chuyển đổi tín hiệu qdr2pha ...................................................................... 56
Hình 4.8: Khối VIPQ ....................................................................................................... 57
Hình 4.9: Mơ hình mơ phỏng máy phát đồng bộ trên Mathlab ............................................ 58
Hình 4.10: Sơ đồ mơ tả mạch RL nối tiếp ba pha với dây trung tính .................................... 59
Hình 4.11: Sơ đồ tương đương qd0 của đường dây RL nối tiếp ........................................... 62
Hình 4.12: Sơ đồ tương đương qd0 của đường dây RL nối tiếp khi bỏ qua thành phần hỗ cảm
giữa các pha..................................................................................................................... 63
Hình 4.13: Mơ hình khối Series RL trong Mathlab ............................................................. 64
Hình 4.14: Sơ đồ mô tả mạch điện dung song song của đường dây ba pha ........................... 64
Hình 4.15: Mạch điện qd0 của mạch điện dung song song .................................................. 66
Hình 4.16: Mơ hình khối ShuntCap trong Mathlab ............................................................. 67
Hình 4.17: Mơ hình khối Cap trong Mathlab ..................................................................... 67
Hình 4.18: Sơ đồ chuẩn IEEE First BenchMark ................................................................. 68
Hình 4.19: Mơ phỏng sơ đồ chuẩn IEEE First Benchmark bằng MATLAB/SIMULINK ...... 69
Hình 4.20: Kết quả tiến hành mơ phỏng thực tế ................................................................. 70
Hình 4.21: Kết quả mơ phỏng của IEEE [4] ....................................................................... 70
Hình 4.22: Sơ đồ IEEE Second Benchmark System ........................................................... 71
Hình 4.23: Sơ đồ IEEE SBM trên Mathlab/Simulink.......................................................... 73
Hình 4.24: Dạng dao động của trục turbin tương ứng với từng mode .................................. 74

v


Hình 4.25: Điện áp trên tụ, dịng điện máy phát và Momen điện khi bù 76.3% .................... 77
Hình 4.26: Dao động mô men trên các khớp trục Turbine khi bù 76.3% .............................. 77
Hình 4.27: Điện áp trên tụ, dịng điện máy phát và Momen điện khi bù 57.21% .................. 79
Hình 4.28: Dao động mô men trên các khớp trục Turbine khi bù 57.21% ............................ 79
Hình 4.29: Điện áp trên tụ, dòng điện máy phát và Momen điện khi bù 37.02% .................. 81
Hình 4.30: Dao động mơ men trên các khớp trục Turbine khi bù 37.02% ............................ 81

Hình 4.31: Momen điện tại các mode dao động ................................................................. 82
Hình 4.32: Momen xoắn trên khớp trục HP-IP ................................................................... 82
Hình 4.33: Momen xoắn trên khớp trục IP-LPA................................................................. 83
Hình 4.34: Momen xoắn trên khớp trục LPA-LPB ............................................................. 83
Hình 4.35: Momen xoắn trên khớp trục LPB-Gen .............................................................. 83
Hình 4.36: Momen xoắn trên khớp trục Gen-Exc ............................................................... 84
Hình 4.37: Dịng điện máy phát tại các vị trí ngắn mạch ..................................................... 85
Hình 4.38: Momen điện tại các vị trí ngắn mạch ................................................................ 85
Hình 4.39: Momen xoắn trên khớp trục LPA-LPB tại các vị trí ngắn mạch ......................... 86
Hình 4.40: Momen xoắn trên khớp trục LPB-Gen tại các vị trị ngắn mạch .......................... 86

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1: Ký hiệu các đại lượng cơ bản máy phát đồng bộ ................................................ 16
Bảng 2-2: Hệ thống ký hiệu các thông số của máy phát ...................................................... 30
Bảng 3-1: Thông số hệ trục turbine máy phát đồng bộ ........................................................ 44
Bảng 3-2: Hệ số tắt dần tương ứng với từng mode dao động ............................................... 44
Bảng 3-3: Tần số dao động riêng của khối trục turbine máy phát ........................................ 46
Bảng 3-4: Các giá trị của vector riêng Q ứng với các mode dao động .................................. 46
Bảng 3-5: Các giá trị của vector riêng Q sau khi biến đổi ................................................... 47
Bảng 3-6: Các đại lượng mode của hệ turbine – máy phát .................................................. 49
Bảng 4-1: Thông số hệ thống điện trong sơ đồ FBM .......................................................... 68
Bảng 4-2: Thông số phần điện của hệ 2 máy phát .............................................................. 71
Bảng 4-3: Thông số hệ trục Turbine-máy phát cùa 2 máy phát ............................................ 72
Bảng 4-4: Thông số hệ thống điện ..................................................................................... 72
Bảng 4-5: Bảng số liệu tính tốn giá trị bù tương ứng với các mode dao động ..................... 76

vii



LỜI NÓI ĐẦU

Sử dụng tụ bù dọc là một giải pháp đơn giản và tối ưu trong quá trình vận hành
và truyền tải điện xoay chiều nhằm nâng cao sự ổn định của hệ thống, đồng thời tăng
khả năng tải của đường dây. Tuy nhiên, việc lắp đặt tụ bù dọc trên đường dây truyền
tải lại là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng
bộ (Subsynchronous Resonance-SSR), dẫn đến sự cố phá hỏng trục turbin máy phát do
momen xoắn và làm mất ổn định hệ thống. Đề tài:”Phân tích hiện tượng cộng hưởng
tần số dưới đồng bộ trong hệ thống điện” có mục đích xây dựng cơng cụ dùng để
phân tích, đánh giá hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ sử dụng phương pháp
trị riêng kết hợp với xây dựng mô hình mơ phỏng trong Mathlab. Kết quả tính tốn,
mơ phỏng mơ hình đã phân tích ảnh hưởng của tụ bù dọc trên đường dây đối với mô
men xoắn trên hệ trục turbine của máy phát nhiệt điện đồng bộ ba pha.
Nội dung của luận văn được chia làm 4 chương:
Chương 1: Hiện tượng cộng hưởng tần số thấp.
Chương 2: Mô hình hệ turbine - máy phát nhiệt điện đồng bộ ba pha.
Chương 3: Áp dụng phương pháp trị riêng để phân tích hiện tượng cộng hưởng
tần số thấp.
Chương 4: Kết quả mô phỏng hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ với
sơ đồ IEEE SBM
Bằng công cụ đã được xây dựng để đánh giá hiện tượng cộng hưởng tần số dưới
đồng bộ trong hệ thống điện, đề tài đã xác định được giá trị của bù dọc sẽ gây ra cộng
hưởng khi có sự cố trên hệ thống, mức độ ảnh hưởng của các mức bù đối với các khớp
trục trên trục turbine của máy phát, và ảnh hưởng của dịng sự cố đối với biên độ của
mơ men xoắn. Đề tài có thể được sử dụng làm cơ sở cho phân tích hiện tượng cộng
hưởng tần số dưới đồng bộ đối với lưới điện cụ thể.
Dù tác giả đã rất cố gắng nhưng do hạn chế về thời gian và trình độ chun mơn
nên luận văn khơng thể tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được những ý kiến

góp ý của thầy cơ, bạn đọc để luận văn được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đến thầy giáo TS. Trương
Ngọc Minh, bộ môn Hệ Thống Điện, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình
hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến
các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp và người thân đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều
kiện hoàn thiện luận văn này.
Hà Nội, ngày 30 tháng 9 năm 2018

1


CHƯƠNG 1:

HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI
ĐỒNG BỘ - SSR

1.1

Giới thiệu chung

Việc lắp đặt tụ bù dọc trên đường dây truyền tải điện xoay chiều có giá trị về
mặt kinh tế, tăng khả năng tải của đường dây truyền tải, điều khiển phân bố công suất
giữa các đường dây song song và nâng cao ổn định của hệ thống [1]. Tuy nhiên, việc
lắp đặt tụ bù dọc trên đường dây truyền tải lại là một trong những nguyên nhân gây ra
hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ (Subsynchronous Resonance-SSR), dẫn
đến sự cố phá hỏng trục turbin máy phát do momen xoắn và làm mất ổn định hệ thống.
Sự phá hủy này có thể là kết quả của q trình tích lũy trong thời gian dài của momen
xoắn có biên độ thấp hoặc kết quả trong thời gian ngắn của momen xoắn có biên độ
cao [2]. Nhìn chung các nhà máy thủy điện có các thơng số cơ khí ít bị ảnh hưởng bởi
hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ hơn các nhà máy nhiệt điện. Vì vậy, ảnh

hưởng của hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ phải được xem xét, phân tích
chi tiết khi triển khai các bài toán lắp đặt tụ bù dọc trên lưới điện [3].
Hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ (SSR) được đưa ra thảo luận lần
đầu tiên vào năm 1937, cho đến năm 1971 thì hiện tượng xoắn trên trục turbine đã
được ghi nhận. Hai sự cố phá hỏng trục Turbine [4] tại nhà máy điện Mohave, miền
nam bang Nevada, nước Mỹ vào tháng 11/1970 và tháng 10/1971 yêu cầu về sự nắm
bắt và phát triển lý thuyết về sự ảnh hưởng của tụ bù dọc trên đường dây truyền tải và
trạng thái xoắn của máy phát turbine hơi.
Tại Việt Nam, một sự cố nghiêm trọng đã xảy ra tại nhà máy nhiệt điện Vũng
Áng, làm phá hủy trục Turbine máy phát, ngừng hoạt động nhà máy gây thiệt hại nặng
nề về kinh tế. Mặc dù khơng có báo cáo chính thức nào được cơng bố nhưng các nhà
khoa học đều nhận định sự cố này là do hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ gây ra.
Vì vậy, việc phân tích, nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ
(SSR) trong hệ thống điện là vơ cùng cấp thiết và có ý nghĩa thực tế [4,5]

2


1.2

Hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ - SSR

1.2.1 Lý thuyết về cộng hưởng tần số dưới đồng bộ
Theo định nghĩa của IEEE [4,5]:“Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ
(Subsynchronous Resonance-SSR) là điều kiện vận hành của hệ thống mà ở đó có sự
trao đổi năng lượng giữa hệ thống và Turbine máy phát ở một hoặc một vài tần số dưới
đồng bộ” .

Hình 1.1: Hệ thống điện có tụ bù dọc


Cộng hưởng tần số dưới đồng bộ là một điều kiện có thể tồn tại trong hệ thống
điện, ở đó hệ thống có tần số dao động riêng dưới tần số định mức (50 hoặc 60 Hz).
Dòng điện trong lưới điện xoay chiều có hai thành phần: thành phần thứ nhất ở tần số
định mức; thành phần cịn lại phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống. Biểu thức dòng
điện cho mạch R-L-C nối tiếp được biểu diễn như sau [5]:
i ( t ) K  A sin (ω1t + ψ 1 ) + Be −ζω t sin (ω2t + ψ 2 ) 
=
2

(1.1)

Với ω1 là thành phần dao động hình sin, tần số đồng bộ (50Hz hoặc 60Hz)

1 4 L − R 2C
ω2 = d ωn = ωn 1 − ζ =
là thành phần dao động tắt dần hình sin.
C
2L
2

Trong cuộn dây stator của máy phát cũng có một dịng điện tương tự dịng điện
trong cơng thức (1.1) và sinh ra dòng điện cảm ứng trên cuộn dây roto của máy phát.
Q trình này được mơ tả thông qua ma trận truyền Park [5].

3


1
3
=

P

Với θ = ω1t + δ +

1
3

1
3

2
cos θ
3

2
2π 

cos  θ −

3
3 


2
2π 

cos  θ +

3
3 



2
sin θ
3

2
2π 

sin  θ −

3
3 


2
2π 

sin  θ +

3
3 


(1.2)

π
2

Khi đó dịng điện cảm ứng bên trong roto sẽ có thành phần: cos θ .sin ω2t

1
sin (θ + ω2t ) − sin (θ − ω2t ) 
2
1
cos (ω1 + ω2 ) t + δ  − cos (ω1 − ω2 ) t + δ 
=
2

 cos θ .sin ω=
2t

{

}

(1.3)

Thành phần dòng điện ban đầu đã bị biến đổi sang thành phần dòng điện có tần
số trên đồng bộ (ω1 + ω2 ) và thành phần dịng điện có tần số dưới đồng bộ (ω1 − ω2 ) .
Thành phần dòng điện dưới đồng bộ này sinh ra momen xoắn tác động lên trục roto
máy phát, làm roto dao động ở tần số dưới đồng bộ.

Hình 1.2: Cấu trúc của hệ thống turbine máy phát

Trục turbine máy phát là một cơ cấu quay, được cấu tạo bởi nhiều khối gắn liền
bao gồm turbine cao áp, trung áp, hạ áp, roto máy phát, kích từ. Các khối này không
4


được nối cứng với nhau, làm việc giống hệ lò xo nên khi hoạt động thì chính bản thân

nó cũng có các kiểu dao động tự nhiên ở một vài tần số tự nhiên nào đó dưới đồng bộ.
Vấn đề xảy ra khi tần số momen xoắn trùng với một kiểu dao động tự nhiên nào
đó của trục thì momen này sẽ dao động ở tần số tự nhiên này nhưng với biên độ lớn
hơn rất nhiều lần. Hiện tượng này gọi là hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ. Sự cố
xảy ra có thể gây hư hỏng hoặc phá hủy trục Turbine của máy phát.
Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) xuất hiện dưới hai dạng như sau [5]:
- Tự kích từ (Self Excitation): cộng hưởng tần số dưới đồng bộ ở trạng thái ổn định.
- Mô men xoắn quá độ (Transient torques): cộng hưởng tần số dưới đồng bộ ở trạng
thái quá độ.
1.2.2 Hiện tượng tự kích từ (Self Excitation)
Dòng điện thành phần dưới đồng bộ đi vào các đầu cực máy phát sinh ra thành
phần điện áp đầu cực dưới đồng bộ. Thành phần điện áp này cảm ứng lên cuộn dây
roto điện áp cảm ứng dưới đồng bộ và duy trì dịng điện trên cuộn dây roto máy phát,
Hiện tượng này gọi là tự kích từ. Có hai loại tự kích từ: một loại liên quan đến phần
điện động rôto, gọi là hiệu ứng cảm ứng máy phát; một loại liên quan đến phần cơ điện
động rotor, gọi là tương tác xoắn. Hiêu ứng tương tác xoắn nguy hiểm hơn so với hiệu
ứng cảm ứng máy phát.
1.2.2.1 Hiện tượng tự cảm máy phát (Induction Generator Effect)
Hiện tượng cảm ứng máy phát là hiện tượng thuần về điện của hệ thống điện.
Thành phần dịng điện có tần số dưới đồng bộ do tụ bù gây ra sẽ cảm ứng sang roto
máy phát, làm xuất hiện từ trường dao động với tần số dưới đồng bộ trong khi roto vẫn
quay với tốc độ cơ bản. Khi đó sơ đồ thay thế máy phát sẽ giống như sơ đồ thay thế
của máy điện đồng bộ.

5


Hình 1.3:Mơ hình mạch tương đương hiệu ứng khơng đồng bộ máy phát

Điện trở Rotor nhìn từ phần ứng và hệ thống được xác định theo biểu thức sau:

Rr
s

(1.4)

f er − f 0
f er

(1.5)

Rr' =

s=

Trong đó

Rr'

: Điện trở của Rotor nhìn từ phần ứng

Rr

: Điện trở Rotor

s

: Hệ số trượt

f er


: Tần số của thành phần duới đồng bộ của dịng phần ứng

f0

: Tần số đồng bộ

Kết hợp phương trình (1.4) và (1.5), ta được:
Rr' =

Rr f er
f er − f 0

(1.6)

Thành phần f er luôn nhỏ hơn f 0 . Do đó, điện trở máy phát nhìn từ phần ứng
luôn mang giá trị âm. Nếu điện trở tương đương lớn hơn tổng của điện trở phần ứng
dương và điện trở cộng hưởng ở tần số f er , dòng điện cảm ứng sẽ bị duy trì hoặc tăng
lên. Hiện tượng này được biết đến là hiệu ứng tự cảm máy phát.

6


1.2.2.2 Tương tác xoắn (Torsional Interaction)
Tương tác xoắn xuất hiện khi momen tần số thấp gần với một trong những chế
độ dao động tự nhiên của trục turbine máy phát. Tương tác xoắn là hiện tượng bao
gồm cả đặc tính của hệ cơ và đặc tính của hệ điện. Giữa hai hệ này có thể có một hoặc
nhiều tần số tự nhiên. Tần số tự nhiên của hệ điện được là f er và tần số riêng của hệ cơ
khối-trục máy phát là f n .
Tương tác xoắn xuất hiện do cấu tạo cơ học của turbine máy phát dạng khốitrục. Sẽ có ( n − 1 ) chế độ dao động tương tác xoắn với turbine n khối. Khi Rotor máy
phát dao động ở tần số xoắn tự nhiên f n , sinh ra thành phần điện áp phần ứng ở tần số

−
+
thấp f en=
f 0 − f n và cả thành phần điện áp phần ứng ở tần số cao f en=
f 0 + f n . Trong

đó thành phần f en− rất gần với thành phần f er - tần số cộng hưởng của tụ bù dọc trên
đường dây. Tần số cộng hưởng được tính như sau:
f er = f 0

Với:

XC
X "+ X T + X E

X"

:

Điện kháng siêu quá độ của máy phát.

XT

:

Điện kháng của máy biến áp.

XE

:


Điện kháng đường dây.

XC

:

Điện dung tụ bù dọc.

f0

:

Tần số điện cơng nghiệp.

(1.7)

Kết quả là dịng điện tần số thấp chạy trong phần ứng máy phát sinh ra momen
xoắn ở rotor tại tần số f n . Nếu momen này lớn hơn khả năng cản của hệ turbine-máy
phát, sẽ xuất hiện dao động duy trì hoặc tăng lên trong rotor máy phát. Hiện tượng này
được gọi là tương tác xoắn.
1.2.3 Mô men xoắn quá độ (Transient torque)
Mô men xoắn quá độ là kết quả do kích động trong hệ thống. Các kích động này
gây ra những thay đổi đột ngột trong hệ thống điện làm cho dịng điện có xu hướng
dao động ở các tần số tự nhiên của chúng. Trong hệ thống truyền tải khơng có tụ bù
7


dọc, các quá trình quá độ này thường là quá độ một chiều, hiện tượng này sẽ suy giảm
về không với hằng số thời gian phụ thuộc vào tỉ số L/R. Đối với hệ thống có tụ bù dọc,

dịng q độ sẽ bao gồm một hoặc nhiều tần số dao động phụ thuộc vào các thành phần
C cũng như L và R của hệ thống. Ví dụ sẽ chỉ có một tần số tự nhiên nhưng với hệ
thống có nhiều tụ bù dọc thì sẽ có nhiều tần số dưới đồng bộ. Nếu bất kỳ một tần số
nào trong đó trùng khớp với một kiểu dao động tự nhiên của turbine máy phát thì sẽ có
thể có momen xoắn cực đại tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện dao động. Dịng điện từ
sự cố ngắn mạch có thể sinh ra mô men xoắn trên trục rất lớn ở cả lúc sự cố cũng như
khi sự cố đã được loại trừ. Trong thực tế có thể có rất nhiều tần số dưới đồng bộ và
việc phân tích chúng cũng hết sức phức tạp [5,6]
1.2.4 Ảnh hưởng của SSR đối với hệ trục Turbine
Tác động nhiễu của hệ thống gây ra do sự cố trên lưới điện có thể kích thích dao
động mô men xoắn trên rotor máy phát. Dựa vào hiện tượng SSR, thành phần tần số
dưới đồng bộ của mơ men xoắn có thể có biên độ lớn tức thời sau khi có nhiễu, mặc dù
thực tế vẫn có sự suy giảm. Mỗi lần xuất hiện mô men quá độ có biên độ lớn sẽ dẫn
đến giảm sút tuổi thọ của trục do mỏi trục. Độ mỏi được xem là một quá trình thay đổi
cấu trúc vĩnh cữu cục bộ trên vật liệu ở điều kiện hình thành các ứng suất thay đổi và
biến dạng tại một số điểm hoặc nhiều điểm. Biến dạng có thể đạt đến cực điểm gây
gãy hoàn toàn sau một số dao động bất thường có biên độ đủ lớn. Đó được xem như
một q trình tích lũy khi các sự cố diễn ra được cộng dồn vào sự suy giảm tuổi thọ
của lần mỏi trước. Nếu có đủ số lần diễn ra quá trình mơ men xoắn q độ cao, độ mỏi
tích lũy đạt đến ngưỡng và khả năng hình thành các vết nứt do mỏi tập trung ở vùng
ứng lực cao sẽ đáng kể. Khi vết nứt đầu tiên xuất hiện, sự phá hỏng sẽ lan rộng dẫn
đến phá hỏng khơng có khả năng phục hồi và gãy trục hoàn toàn.
Hậu quả của hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ rất nghiêm trọng. Nếu
dao động không ổn định, nhiễu loạn hệ thống gây ra momen xoắn trên trục turbine với
tần số lớn làm mỏi trục dẫn đến giảm tuổi thọ của trục turbine máy phát và nghiêm
trọng hơn cả có thể gây hỏng hóc và phá hủy hồn trục turbine máy phát [2]

8



Hình 1.4: Trục turbine nhà máy nhiệt điện bị phá hủy do hiện tượng SSR

1.3

Các phương pháp phân tích, đánh giá hiện tượng SSR

Ảnh hưởng tương tác xoắn liên quan đến sự trao đổi năng lượng giữa hệ thống
turbine máy phát điện và các thành phần của lưới điện như điện kháng, điện dung. Vì
vậy, phương pháp nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ đòi hỏi phải
mơ tả đầy đủ mơ hình turbine máy phát điện và lưới điện.
Một số phương pháp dưới đây được sử dụng để nghiên cứu hiện tượng cộng
hưởng tần số dưới đồng bộ :
1.3.1 Phương pháp quét tần số
Phương pháp quét tần số được sử dụng rộng rãi ở Bắc Mĩ để phân tích sơ bộ các
vấn đề SSR và thường dùng nhiều cho nghiên cứu tác động của hiện tượng cảm ứng
máy phát. Phương pháp này tính tốn điện trở, điện kháng tương đương (là hàm của
tần số) nhìn vào hệ thống từ cuộn stato của máy phát nào đó. Tại những tần số mà
điện cảm bằng 0 và điện trở âm, dao động tự kích ở tần số đó có thể xảy ra [2,5].
9


Phương pháp cũng có thể cung cấp các thơng tin cho biết khả năng, vị trí các
nhà máy, đường dây lắp đặt tụ bù dọc có thể xảy ra hiện tượng SSR.
Giới hạn của phương pháp này là cách nhìn điện kháng từ một điểm cố định trên
hệ thống (cuộn stato của máy phát). Quá trình phải thực hiện lặp lại do các điều kiện
khác nhau của hệ thống ở các điểm máy phát khác nhau.
1.3.2 Phương pháp mô phỏng miền thời gian thực
Phương pháp mô phỏng miền thời gian thực sử dụng phần mềm EMTP
(Electromagnetic Transient Program) để tính toán thời gian phản hồi quá độ. Phương
pháp này rất phù hợp trong việc phân tích momen xoắn quá độ trên trục turbine máy

phát điện do hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ gây nên.
1.3.3 Phương pháp trị riêng
Phương pháp này được thực hiện với mơ hình turbine máy phát điện và lưới
điện được mô tả bằng hệ các phương trình vi phân tuyến tính.
Ưu điểm của phương pháp trị riêng so với các phương pháp còn lại là xác định
chính xác các tần số gây có thể gây cộng hưởng, dễ dàng đánh giá được mức độ nguy
hiểm của các mode cộng hưởng trên hệ turbine – máy phát và có thể sử dụng nhiều
cơng cụ khác nhau để xử lý hệ phương trình vi phân tuyến tính
Vì vậy, trong quyển Luận văn này, tác giả sẽ sử dụng phương pháp phân tích trị
riêng làm cơng cụ phục vụ cho phân tích hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ
trong hệ thống điện
1.4
Kết luận
Trong chương này, tác giả giới thiệu khái quát nhất về hiện tượng cộng hưởng
tần số dưới đồng bộ - SSR, phân tích các dạng của hiện tượng SSR để chỉ ra ảnh
hưởng của SSR đối với hệ trục turbine – máy phát nhiệt điện trong hệ thống điện là rất
nguy hiểm. Vì vậy, cần phải xây dựng phương pháp phục vụ cho nghiên cứu, phân tích
hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ trong hệ thống điện.
Từ những phân tích về các dạng tương tác SSR, tác giả nhận thấy phương pháp
phân tích trị riêng kết hợp với xây dựng mơ hình mơ phỏng trên Mathlab là phù hợp
cho việc nghiên cứu hiện tượng SSR. Để áp dụng phương pháp này, thì các phần tử
trong hệ thống điện gồm: máy phát điện đồng bộ ba pha, hệ trục turbine – máy phát, và
lưới điện cần phải được tuyến tính hóa. Mơ hình tốn học biểu diễn hệ turbine – máy
phát nhiệt điện sẽ được giới thiệu trong nội dung chương tiếp theo.
10


CHƯƠNG 2:

MƠ HÌNH HỆ TURBINE – MÁY PHÁT NHIỆT

ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA.

Để có thể sử dụng phương pháp trị riêng khi nghiên cứu hiện tượng SSR, việc
xây dựng mô hình hệ tuabin - máy phát nhiệt điện đồng bộ là vô cùng quan trọng.
Phần mềm EMTP đã xây dựng một hệ tuabin - máy phát nhiệt điện đồng bộ phục vụ
nghiên cứu cộng hưởng tần số thấp, nhưng mô hình khơng chỉ rõ tần số cộng hưởng
tương ứng với từng mode dao động. Một mơ hình hệ tuabin - máy phát đơn giản gồm
4 khối cũng đã được xây dựng trong MATHLAB. Tuy nhiên, nhược điểm của mơ hình
này là tính chính xác thấp và khơng phù hợp với các nhà máy nhiệt điện hiện đại có số
khối của trục tuabin – máy phát lớn hơn 4 khối. Vì vậy, trong chương này, tác giả đi
phân tích hệ turbine - máy phát nhiệt điện đồng bộ 3 pha. Đây là cơ sở lý thuyết quan
trọng để xây dựng mô hình máy phát điện và áp dụng phương pháp trị riêng vào
nghiên cứu về hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ SSR.
2.1

Giới thiệu chung về máy phát điện đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện, là
nguồn cung cấp năng lượng cho hệ thống. Các máy phát công suất lớn dùng để sản
xuất ra điện ở các nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện…đều là máy phát điện đồng
bộ. Hiệu suất và tính kinh tế cao khiến cho máy phát điện đồng bộ công suất lớn được
sử dụng rộng rãi [3].
2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Máy phát đồng bộ gồm hai thành phần chính:
Phần tĩnh (Stator): Phần tĩnh có dạng hình trụ trịn, rỗng gồm mạch từ được
ghép bằng những lá thép kỹ thuật điện và cuộn dây ba pha AX, BY, CZ đặt lệch nhau
trong khơng gian một góc 120 độ điện.
Phần quay (Rotor): Phần quay là nam châm điện có một hay một số đơi cực
với cuộn dây được kích từ bằng dịng điện một chiều


11


A
Y

N

n

Z
T

S
C

B

G
Tmech

Tem

X
a)

b)

Hình 2.1: Cấu tạo máy phát điện đồng bộ ba pha


Máy phát điện G được quay bởi turbine T. Turbine cung cấp cho máy điện
momen cơ Tmech có tính phát động làm cho máy phát điện quay với vận tốc n. Máy
phát điện nhận momen cơ của turbine và biến thành momen điện Te xác định bởi tích
số của cơng suất P và vận tốc góc đồng bộ ω0 ( Te = Pω0 ). Trong chế độ làm việc bình
thường vận tốc rotor không đổi và luôn bằng vận tốc đồng bộ. Do đó, tổng momen tác
dụng lên trục rotor phải cân bằng:

Tmech + Te =
0

(2.1)

Vì vậy, Tmech = −Te , tức là momen điện và momen cơ ngược chiều nhau. Như
vậy, momen điện có tính chất hãm. Một tải tiêu thụ công suất P, tức là tải đã tạo nên
một momen điện có tính hãm trên trục rotor của máy phát điện có giá trị bằng tích số P
nhân với vận tốc góc đồng bộ ω0 .
Momen điện và cơ đều đặc trưng cho năng lượng hữu ích nên ln có dấu
dương vì vậy điều kiện cân bằng momen được viết lại là:

Tmech = Te

(2.2)

Khi đó momen thừa trên trục rotor:

Tth= Tmech − Te= 0

12

(2.3)



Vấn đề quan trọng nhất của vận hành máy phát điện là đảm bảo cho vận tốc
luôn không đổi và bằng tốc độ đồng bộ. Muốn vậy phải đảm bảo sự cân bằng giữa
momen cơ và momen điện. Trong vận hành, sự cân bằng này ln có xu thế bị phá vỡ
vì tải thay đổi và vì nhiều nguyên nhân khác. Mỗi khi tải tăng lên, momen hãm trên
trục rotor tăng lên khiến rotor bị hãm tốc, khi đó cần phải tăng thêm năng lượng vào
turbine để tăng momen cơ đến bằng momen điện. Nếu tải giảm xuống, tức là momen
hãm giảm xuống thì thao tác đối với turbine phải ngược lại.
Trong chế độ làm việc bình thường, dịng ba pha phần tĩnh IA , IB , IC lệch pha
nhau về thời gian một góc bằng 120 độ, trong khi đó cuộn dây ba pha AX, BY, CZ lại
đặt lệch nhau trong khơng gian một góc 120 độ, kết quả là từ trường tổng hợp của
dòng ba pha phần tĩnh là từ trường quay với vận tốc đồng bộ và cùng chiều với vận tốc
rotor ωR . Do từ trường phần tĩnh và rotor quay đồng bộ với nhau, từ trường quay phần
tĩnh khơng qt rotor. Vì vậy, trong rotor khơng có dịng cảm ứng mà chỉ có dịng kích
từ một chiều .
2.1.2 Phân loại máy phát điện đồng bộ ba pha trong hệ thống.
Trong hệ thống điện có hai loại máy phát điện công suất lớn là máy phát nhiệt
điện và máy phát thủy điện.
2.1.2.1 Máy phát thủy điện
Máy phát thủy điện thuộc loại quay chậm vì vận tốc quay của máy phát thủy
điện phụ thuộc vào lưu lượng dòng chảy và chiều cao cột nước hiệu dụng tại nơi đặt
nhà máy. Do vận tốc quay nhỏ nên số đôi cực của máy phát thủy điện lớn hơn nhiều so
với máy phát nhiệt điện. Vì có nhiều cực nên rotor phải có dạng lắp ghép và kích
thước mỗi cực khơng thể nhỏ để tránh bão hịa mạch từ, do đó rotor của máy phát thủy
điện có dạng cực lồi, đường kính lớn, khiến rotor của thủy điện kém bền. Tuy nhiên do
vận tốc quay nhỏ nên lực ly tâm khi quay khơng lớn. Do đường kính rotor lớn nên
đường kính của stator cũng lớn cho nên kích thước của máy phát thủy điện lớn hơn
nhiều so với máy phát nhiệt điện.


13


2.1.2.2 Máy phát nhiệt điện
Máy phát nhiệt điện thuộc loại quay nhanh, có vận tốc lớn. Khi vận tốc quay
lớn, kích thước máy sẽ nhỏ (giảm được tiêu hao vật liệu trên một đơn vị công suất) và
hiệu suất máy cao. Vận tốc quay n của máy phát điện có quan hệ với tần số f và số
đôi cực p như sau:

n=

60 f
p

(2.4)

Do vận tốc quay lớn nên rotor phải có độ bền cao, phải được gia cơng bằng rèn
liền khối và có dạng cực ẩn. Đường kính của rotor khơng thể lớn vì lực ly tâm tỷ lệ với
đường kính. Do khe hở khơng khí giữa rotor và stator khơng thể lớn nên đường kính
trong của stator cũng nhỏ. Vì vậy, nhìn chung kích thước của máy phát nhiệt điện nhỏ
gọn. Máy phát nhiệt điện có thể chế tạo hàng loạt theo tiêu chuẩn. Ứng với thang công
suất định mức nhất định của máy phát điện, người ta chế tạo thang công suất định mức
của tubine tương ứng.
Trong vận hành không thể tăng đột ngột công suất của máy phát nhiệt điện. Tốc
độ tăng cơng suất của nó bị hạn chế bởi sự giãn nở nhiệt của phần turbine và hệ thống
cung cấp hơi. Sau khi khởi động, để tăng công suất đến định mức phải mất hàng giờ.
Hiện nay phần lớn các nhà máy nhiệt điện thường làm việc theo sơ đồ khối “lò hơi –
turbine – máy phát điện”. Do đó các máy phát nhiệt điện khơng thể làm việc với phụ
tải thấp tùy ý. Trong vận hành, máy phát nhiệt điện phải phát công suất lớn hơn hay
bằng cơng suất cực tiểu kỹ thuật. Đó là công suất xác định bởi điều kiện cho phép làm

việc của phần nhiệt (lò hơi và turbine). Nếu vận hành với cơng suất nhỏ hơn cực tiểu
kỹ thuật thì lị hơi làm việc khơng ổn định và có thể tắt nếu không phun bổ sung thêm
nhiên liệu. Công suất cực tiểu kỹ thuật của máy phát nhiệt điện bằng khoảng 30 – 40%
công suất định mức.
Do hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ chỉ xảy ra với máy phát có tốc
độ quay lớn, rotor - turbine dạng lắp ráp các khối trục nên hiện tượng này chỉ xảy ra
với các nhà máy nhiệt điện. Do đó, trong Luận văn này, tác giả chỉ xét đến loại rotor
nhiệt điện có dạng cực ẩn [3].
14


2.2

Mơ hình tốn học của máy phát đồng bộ ba pha

Trong máy phát đồng bộ hai cực, trục dọc d là trục của cực bắc N. Trục ngang
q vượt trước trục d một góc 90° điện. Trong điều kiện khơng tải, khi chỉ có từ trường
kích từ, sức từ động của từ trường sẽ hướng theo trục d và sức điện động của dây quấn
stato sẽ hướng dọc trục q. Mơ hình được xây dựng trong phần này dựa trên khái niệm
máy điện đồng bộ lí tưởng có 2 cực từ. Từ trường tạo bởi các dòng điện trong dây
quấn được coi là phân bố hình sin dọc theo khe hở khơng khí. Như vậy chúng ta đã bỏ
qua các sóng từ trường bậc cao có ảnh hưởng đến các đặc tính của máy và cho rằng
rãnh của stato khơng ảnh hưởng đến điện kháng của roto dù vị trí góc của nó như thế
nào. Mặc dù sự bão hồ mạch từ khơng được tính một cách rõ ràng trong mơ hình này
nhưng ta có thể hiệu chỉnh điện kháng theo hai trục bằng hệ số bão hoà hay đưa thêm
phần tử bù vào từ trường kích thích. Mơ hình mạch của một máy điện đồng bộ như
hình vẽ:

Hình 2.2: Mơ hình mạch Rotor và Stator của máy phát đồng bộ


Trong đó.

a , b, c

: Cuộn dây pha của Stator

fd

: Cuộn dây kích từ

kd

: Cuộn cản dọc trục

kq

: Cuộn cản ngang trục
15


θ

: Góc lệch pha giữa Rotor và Stator

ωr

: Tốc độ góc của Rotor (rad/s)

Góc lệch giữa rotor và stator θ được định nghĩa là góc tạo bởi trục d của rotor
so với tâm cuộn dây pha a của stator. Khi rotor quay, góc θ tiếp tục tăng và có thể

biểu diễn theo tốc độ quay và thời gian:

θ = ωr t
Các ký hiệu của mơ hình máy phát đồng bộ được cho trong bảng sau:
Bảng 2-1: Ký hiệu các đại lượng cơ bản máy phát đồng bộ

Ký hiệu

Chú thích

rs

Điện trở của dây quấn stator

rf

Điện trở của dây quấn kích từ trên trục d

rg

Điện trở của dây quấn kích từ trên trục q

rkd

Điện trở của dây quấn cản dọc trục

rkq

Điện trở của dây quấn cản ngang trục


Lls , N s

Hệ số tự cảm, số vòng dây của dây quấn phần ứng

Llf , N f

Hệ số tự cảm, số vòng dây của dây quấn kích từ dọc trục

Llg , N g

Hệ số tự cảm, số vịng dây của dây quấn kích từ ngang trục

Llkd , N kd

Hệ số tự cảm, số vòng dây của dây quấn cản dọc trục

Llkq , N kq

Hệ số tự cảm, số vòng dây của dây quấn cản ngang trục

Lmd

Hệ số hỗ cảm của dây quấn stator dọc trục

Lmq

Hệ số hỗ cảm của dây quấn stator ngang trục

Lmf


Hệ số hỗ cảm của dây quấn kích từ dọc trục
16

(2.5)