Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển ổn định hệ thống công suất trong điều khiển các nguồn phân tán

52
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG CÔNG SUẤT TRONG ĐIỀU KHIỂN CÁC NGUỒN PHÂN TÁN
Lê Kim Anh*
TÓM TẮT 
Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả các nguồn phân tán (Distributed Generation – 
DG) để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu và giảm sự phụ thuộc vào các 
nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cơ cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường. Việc ứng dụng bộ điều 
khiển ổn định hệ thống công suất (PSS) trong điều khiển các nguồn phân tán nhằm nâng cao tính 
ổn định các dao động trong hệ thống điện. Mặc dù sử dụng các DG có thể giảm sự phụ thuộc vào 
các nhà máy điện truyền thống, việc kết hợp chúng vào hệ thống cung cấp điện là một vấn đề lớn vì 
DG có quy mô quá nhỏ so với mạng lưới. Bài báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng điều khiển các 
nguồn phân tán sử dụng bộ điều khiển PSS cho phép chúng đạt được quy mô tương đương và mức 
độ cung cấp điện ổn định như các nhà máy điện truyền thống. 
Từ khóa: Ổn định hệ thống điện; ổn định công suất; hệ thống kích từ; nguồn phân tán; 
các nguồn công suất nhỏ. 
STUDY ON APPLICATION OF POWER SYSTEM STABILIZERS FOR 
CONTROL OF DISTRIBUTED GENERATIONS
ABSTRACT
The research on using and exploiting effectively Distributed Generations (DGs) to generate 
electricity is meaningful to reduce the climate change and dependence of power demand on fossil 
energy sources, which are at risk of both being exhausted and causing environmental pollution. The 
use of Power System Stabilizers (PSS) in controlling of distributed generation is to provide improved 
stabilization of the system. It is not similar to conventional power plants, distributed generations 
have small scales in comparison to those of networks. Therefore, despite having an advantage to 
reduce the dependence of power demands on those plants, the integration of DGs into power supply 
systems is still a major issue. The article presents simulation results of DGs controlling model using 
power system stabilizers, which maintains maximum capacity of the systems with irrespective of 
connected power loads.
Key words: Power System Stability; Power Stability; excitation system; distributed 
generation; small-scale power generations. 
* Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa
53
Nghiên cứu ứng dụng . . .
1. Đặt vấn đề 
Ngày nay, cùng với sự phát mạnh mẽ 
của thế giới, nhu cầu sử dụng nĕng lượng 
của con người ngày càng tĕng. Nguồn nĕng 
lượng tái tạo (Renewable Energy sources – 
RES) nói chung, nguồn phân tán (Distributed 
Generation – DG) nói riêng như: nhà máy 
điện gió, điện - nhiệt kết hợp, điện mặt trời, 
các thủy điện nhỏ và nhà máy điện chạy khí 
sinh học..v.v. là dạng nguồn nĕng lượng sạch, 
không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời 
tiềm nĕng về trữ lượng của các nguồn phân 
tán ở nước ta rất lớn. Tuy nhiên, để khai thác 
và sử dụng các nguồn phân tán này sao cho 
hiệu quả, giảm phát thải các chất gây ô nhiễm 
môi trường, như nitrogen oxit (NOx), sunfua 
oxit (SOx), và đặc biệt là carbon dioxit (CO2) 
đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều quốc 
gia. Bài báo đề xuất các nguồn phân tán (DG): 
là các tuabin thủy lực, tuabin hơi được sử 
dụng rộng rãi trong điều khiển các nhà máy 
điện hiện nay. Hệ thống điều khiển thông qua 
các bộ kích từ để duy trì trạng thái ổn định hệ 
thống điện, bằng việc đo dòng điện và điện 
áp đầu ra sẽ điều chỉnh từ trường trên rotor 
của máy phát điện. Nghiên cứu ứng dụng bộ 
điều khiển ổn định hệ thống công suất (Power 
System Stablizer - PSS) trong điều khiển 
các nguồn phân tán nhằm hướng đến phát 
triển lưới điện thông minh và điều khiển linh 
hoạt các dạng nguồn nĕng lượng tái tạo. 
2. Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển ổn 
định hệ thống công suất (PSS) 
Các nguồn phân tán được nghiên cứu ở 
đây là các tuabin thủy lực (Hydraulic Turbine 
Governor), tuabin hơi (Steam Turbine 
Governor) thông qua hệ thống kích từ để điều 
khiển điện áp stator của máy phát điện. Theo 
[1], hệ thống kích từ bao gồm khối điều chỉnh 
tự động điện áp (Automatic Voltage Regulator 
- AVR) và khối chức nĕng ổn định hệ thống 
công suất (Power System Stablizer – PSS). 
Các khối này sẽ lấy thông tin về dòng điện, 
điện áp từ máy phát điện và so sánh với giá trị 
dòng điện, điện áp danh định, sau đó đưa ra 
các xung điều khiển thích hợp để điều khiển 
đóng mở các van bán dẫn của bộ chỉnh lưu có 
điều khiển (Static Excitation System - SES). 
Nghiên cứu ứng dụng điều khiển các nguồn 
phân tán sử dụng bộ điều khiển ổn định hệ 
thống công suất (PSS), như hình 1. 
Hình 1. Sơ đồ điều khiển các nguồn phân tán ứng dụng bộ điều khiển PSS 
54
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
2.1. Hệ thống kích từ của máy phát điện
Khi máy phát chưa nối vào lưới điện, việc 
thay đổi dòng điện kích từ chỉ cần thay đổi điện 
áp đầu cực máy phát. Tuy nhiên khi máy phát 
điện được nối vào lưới có công suất rất lớn so 
với hệ thống máy phát điện, lúc này việc tĕng 
giảm dòng kích từ hầu như không làm thay 
đổi điện áp của lưới. Theo [2], tác dụng của hệ 
thống kích từ lúc này là điều khiển công suất 
phản kháng cho máy phát điện. Để điều chỉnh 
dòng kích từ của hệ thống máy phát điện ( sử 
dụng tuabin thủy lực và tuabin hơi) người ta 
sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh kích từ 
có bộ phận điều khiển chính là thiết bị điều 
chỉnh tự động điện áp (AVR). Thiết bị này có 
nhiệm vụ giữ cho điện áp ở đầu cực máy phát 
là không đổi, khi phụ tải thay đổi và nâng cao 
giới hạn truyền tải công suất của máy phát 
vào hệ thống. Những yêu cầu chung đối với 
hệ thống điều chỉnh kích từ là: đảm bảo ổn 
định tĩnh ( với nhiễu nhỏ), nâng cao tính ổn 
định động (với nhiễu lớn) và cần có chế độ 
kích thích cưỡng bức khi máy phát làm việc ở 
chế độ sự cố (như ngắn mạch trong lưới)..v.v. 
Hình 2, sơ đồ hàm truyền của thiết bị điều 
chỉnh tự động điện áp (AVR).
Hình 2. Sơ đồ hàm truyền của thiết bị điều chỉnh tự động điện áp 
Dựa vào sơ đồ hình 2, ta tiến hành phân tích quá trình làm việc của bộ điều chỉnh tự động 
điện áp (AVR) như sau:
2.2. Phân tích các tính chất ổn định của 
PSS
Theo [3], bộ điều khiển ổn định hệ thống 
công suất (PSS) là một thiết bị tĕng mômen 
hãm cho các hệ dao động cơ điện trong máy 
phát, để cải thiện và hạn chế các vận hành 
cưỡng bức. Khi tác động bởi một sự thay đổi 
đột ngột nào đó trong điều kiện vận hành, tốc 
độ và công suất máy phát điện thay đổi xung 
quanh điểm cân bằng. Mối quan hệ giữa các 
đại lượng được tính theo biểu thức sau: 
55
Nghiên cứu ứng dụng . . .
Trong đó: δ: là góc quay tương đối của 
rotor; ω: tốc độ góc của rotor; M
m
: mômen 
cơ; Me: mômen điện từ; Mc: mômen hãm; H: 
hằng số quán tính của máy phát điện. Từ biểu 
thức (6) cho ta thấy rằng khi có tác động của 
lực cân bằng thì tốc độ rotor máy phát tĕng 
theo tỷ lệ mô men tác động và bằng hằng số 
quán tính của tuabin. Theo [4], tùy vào loại 
tín hiệu đầu vào PSS được sử dụng mà các 
PSS có tên gọi khác nhau cũng như khả nĕng 
điều khiển của chúng. Ở đây ta đi phân tích 
các tính chất ổn định của bộ điều khiển PSS 
và ứng dụng trong điều khiển các nguồn phân 
tán bao gồm: 
2.2.1. Ổn định về tần số (Δf)
Tín hiệu tần số được sử dụng làm tín hiệu 
đầu vào cho bộ điều khiển PSS, trong một 
số trường hợp tín hiệu điện áp đầu cực và tín 
hiệu dòng điện cũng được kết nối như một 
tín hiệu của tốc độ rotor cho PSS. Ưu điểm 
của tín hiệu tần số là nhạy cảm với các tín 
hiệu dao động trong hệ thống máy phát điện. 
Nhược điểm của tín hiệu tần số thường chứa 
các nhiễu loạn.
2.2.2. Ổn định về tốc độ (Δω)
Nhằm nâng cao đặc tính hãm tự nhiên 
của máy phát điện, bộ điều khiển PSS phải 
tạo ra được mômen điện chống lại sự thay 
đổi tốc độ của rotor. Để làm được điều này ta 
đưa vào một tín hiệu có tỷ lệ đo được về sai 
lệch tốc độ rotor khi điều chỉnh điện áp đầu 
cực máy phát.
2.2.3. Ổn định về công suất (ΔP)
Như ta đã biết ổn định về tốc độ (Δω) 
thường gặp khó khĕn khi tạo ra tín hiệu không 
có nhiễu, như các thành phần dao động xoắn 
của trục. Sự có mặt của các thành phần này 
trong đầu vào của ổn định về tốc độ có thể gây 
quá kích từ cho máy phát điện. Những biến 
đổi về mômen điện dẫn đến việc thiết kế bộ 
ổn định về công suất (ΔP) đo được: 
(7)
Trong đó: ΔP
m
: là độ thay đổi công suất 
cơ đầu vào; ΔPe: là độ thay đổi công suất điện 
đầu ra; Δω: là sai lệch tín hiệu tốc độ của 
rotor. Mặc khác độ sai lệch tín hiệu tốc độ có 
thể tính được từ sự chênh lệch giữa công suất 
cơ đầu vào và công suất điện đầu ra. Sử dụng 
mối liên hệ trên để thay thế việc đo tín hiệu 
công suất điện và cơ cho đầu vào tốc độ. 
2.2.4. Ổn định về đầu vào kép (ΔP_ω)
Mục đích của ổn định về đầu vào kép 
(Ổn định công suất gia tốc) là nhằm loại 
bỏ các thành phần không mong muốn ra 
khỏi ín hiệu tốc độ và loại trừ những khó 
khăn trong việc đo ín hiệu công suất cơ, 
để làm được điều này biểu thức (7) được 
viết lại như sau: 
(8)
Tích phân công suất cơ có quan hệ với tốc 
độ trục và công suất điện như sau:
(9)
Vì công suất cơ thường thay đổi với tần 
số dao động cơ điện, tín hiệu công suất cơ 
có được nhờ sự hạn chế về độ rộng của dải 
khi sử dụng mạch lọc tần thấp. Sự hạn chế 
dải tín hiệu thu được để sử dụng thay thế cho 
công suất cơ trong biểu thức (9) và chuyển 
thành tín hiệu thay đổi theo tốc độ. Tín hiệu 
tốc độ thu được từ việc hạn chế độ rộng dải 
thông qua mạch lọc cao tần. Còn ở tần số thấp 
hơn thì đầu ra được quyết định chủ yếu do 
đầu vào của công suất điện. Theo [5], việc 
sử dụng bộ điều khiển ổn định hệ thống công 
suất (PSS2A) có cấu trúc phase Lead/Lag với 
một hằng số khuếch đại và hàm giới hạn ở đầu 
ra. Khả nĕng bù của PSS phụ thuộc vào việc 
56
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
tính chọn giá trị KPSS và các hằng số thời gian. Ở đây các hằng số thời gian trễ và vượt được điều 
chỉnh trong khoảng 0.01s ≤ T≤ 6s.
3. Xây dựng mô hình và mô phỏng trên 
Matlab - Simulink
3.1. Mô hình trên Matlab - Simulink 
Mô hình được xây dựng trên matlab/ 
simulink là mô hình điều khiển độc lập, ứng 
dụng bộ điều khiển ổn định hệ thống công 
Hình 5. Hệ thống điều khiển tuabin hơi
Bảng 1. Thông số điều khiển của PSS2A Bảng 2. Thông số kích từ và thông số đường dây
suất (PSS2A) trong điều khiển các nguồn 
phân tán. Ở đây nguồn phân tán (DG): là hai 
tuabin thủy lực (Hydraulic Turbine Governor) 
và hai tuabin hơi (Steam Turbine Governor) 
được xây dựng trên Matlab – Simulink, như 
hình 4,5 và hình 6. 
Hình 4. Hệ thống điều khiển tuabin thủy lực
57
Nghiên cứu ứng dụng . . .
3.2. Kết quả mô phỏng trên Matlab - Simulink 
58
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
4. Kết luận 
Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển ổn 
định hệ thống công suất (PSS) trong điều 
khiển các nguồn phân tán đã phát huy được 
công suất phát ra. Các nguồn phân tán cho 
phép chúng đạt được quy mô tương đương và 
mức độ cung cấp điện ổn định như các nhà 
máy điện truyền thống. Tại thời điểm [1s ≤ t 
≤ 2s] đóng tải thực hiện nối lưới, các giá trị 
dòng điện, điện áp và công suất bị dao động. 
Khi t > 2s hệ thống điều khiển làm việc ở 
trạng thái ổn định. Điều khiển các nguồn phân 
tán ứng dụng bộ điều khiển PSS, nhằm hướng 
đến việc phát triển lưới điện thông minh và 
điều khiển nối lưới linh hoạt cho các nguồn 
nĕng lượng tái tạo.
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Lê Kim Anh, 2013, Ứng dụng bộ ổn định công suất cho các nguồn phát công suất nhỏ, http://
nangluongvietnam.vn
[2]. Ian A. Hiskens, 2002, Systematic Tuning of Nonlinear Power System Controllers, IEEE.
[3]. Nguyễn Hiền Trung, Nguyễn Như Hiển, 2010, Nghiên cứu hiệu quả của các bộ ổn định công suất 
cho máy phát điện đồng bộ kết nối lưới điện, Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Thái Nguyên 
64(02). 
[4]. G.R. Bérubé, L.M. Hajagos, Accelerating - Power Based Power System Stabilizers, Kestrel Power 
Engineering Ltd, Mississauga, Ontario, Canada 
[5]. P. Bayne, D.C. Lee, W. Watson, 1977, A power system stabilizer for thermal units based on 
derivation of accelerating power, IEEE.