Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống kích từ có PSS (power system stabilizer) đến ổn định của hệ thống điện

Đào Duy Yên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 67 - 72 
67 
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG KÍCH TỪ CÓ PSS 
(POWER SYSTEM STABILIZER) ĐẾN ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 
Đào Duy Yên*, Trương Tuấn Anh, Trần Đức Quỳnh Lâm 
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên 
TÓM TẮT 
Sự mất ổn định trong Hệ thống điện thường do phụ tải của hệ thống thay đổi, vì vậy công suất làm 
việc của máy phát điện cũng cần phải thay đổi theo. Khi có sụt áp trên điện kháng trong, điện áp 
đầu cực máy phát điện bị biến thiên và lệch khỏi trị số định mức. Nếu không có biện pháp điều 
chỉnh, độ lệch sẽ rất đáng kể và làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Để đảm bảo cho hệ 
thống điện làm việc tốt thì cần phải loại bỏ hoặc làm suy giảm tới mức tối thiểu những nhiễu loạn 
trong hệ thống. Bài báo này tác giả đề xuất phương án nghiên cứu sử dụng hai loại hệ thống kích 
từ là hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và hệ thống kích từ tĩnh có xét đến bộ ổn 
định công suất PSS2A để nâng cao chất lượng điện áp, công suất máy phát cũng như nâng cao 
tính ổn định của hệ thống điện. Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống đã đáp ứng yêu cầu kỹ 
thuật đặt ra và có tính khả thi áp dụng trong thực tế. 
Từ khoá: Ổn định, Hệ thống điện,Hệ thống kích từ, PSS. 
ĐẶT VẤN ĐỀ* 
Chế độ quá độ có thể xảy ra trong quá trình 
khởi động hoặc nối máy phát điện vào làm 
việc với lưới điện. Khi máy phát điện làm việc 
ở chế độ quá độ có thể làm chất lượng điện 
năng giảm. Nếu không khống chế kịp thời có 
thể gây nên phá hủy máy phát. Thông thường 
thời gian quá độ của máy phát điện đòi hỏi 
phải tắt rất nhanh và biên độ dao động của các 
quá trình quá độ phải nằm trong phạm vi cho 
phép. Đặc biệt trong trường hợp sự cố (ngắn 
mạch), cần có bộ phận để cưỡng bức dòng kích 
thích đảm bảo điện áp lưới ổn định. Do đó vấn 
đề điều chỉnh tự động dòng kích từ có vai trò 
hết sức quan trọng. 
Thiết bị kích từ ban đầu sẽ cung cấp dòng 
kích từ định mức thích hợp, đảm bảo chắc 
chắn và ổn định phát xung mở cơ cấu chỉnh 
lưu thyristor. Thiết bị cho phép kích hoạt các 
thiết bị kích thích từ các nguồn tạm thời bên 
ngoài với công suất dòng kích từ liên tục tới 
1,2 lần công suất định mức và có thể điều 
chỉnh liên tục với các bước điều chỉnh 10% 
đến 100% điện áp đầu cực máy phát, để kiểm 
soát sự bão hòa máy phát và thử nghiệm đặc 
tính trở kháng trong thời gian vận hành. Để tự 
động điều chỉnh dòng kích từ của máy phát 
*
 Tel: 0983214112; Email: duyyen_ktcn@yahoo.com 
điện đồng bộ, 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 - Automatic Voltage Regulator). 
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 công suất truyền tải của máy phát vào hệ 
thống lưới điện. Đặc biệt khi máy phát được 
nối với hệ thống qua đường dây dài. Trong 
bài báo này tác giả đề xuất sử dụng hai loại hệ 
thống kích từ là hệ thống kích từ dùng máy 
phát điện xoay chiều và hệ thống kích từ tĩnh 
có xét đến bộ ổn định công suất PSS2A để 
nâng cao tính ổn định của hệ thống. 
ỔN ĐỊNH CÁC TÍN HIỆU NHỎ VÀ BỘ ỔN 
ĐỊNH CÔNG SUẤT PSS 
Các loại dao động tín hiệu nhỏ 
Có ba loại dao động được thử nghiệm với các 
máy phát và lưới điện, bao gồm: 
- Dao động máy phát làm việc song song: 
Những dao động liên quan đến hai hoặc nhiều 
hơn các máy đồng bộ trong một nhà máy điện 
hoặc các nhà máy điện gần nhau. Các máy 
quay với nhau, với tần số dao động trong 
khoảng 1,5 đến 3 Hz. 
- Các dao động cục bộ: Những dao động này 
thường liên quan đến một hoặc nhiều hơn các 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 
Đào Duy Yên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 67 - 72 
68 
máy đồng bộ tại một trạm điện cùng quay với 
nhau khi so với một hệ thống điện lớn hay 
trung tâm tải. Tần số dao động trong khoảng 
0,7 đến 2 Hz. Những dao động này gây khó 
khăn khi nhà máy ở tải cao với hệ thống 
đường truyền điện kháng cao. 
- Các dao động liên khu vực: Những dao 
động này thường liên quan đến việc kết hợp 
rất nhiều máy tại một phần của một hệ thống 
điện đối với các máy tại các phần khác của hệ 
thống điện. Tần số những dao động liên khu 
vực thường trong dải nhỏ hơn 0,5 Hz. 
Các hệ thống kích từ được cài đặt để hỗ trợ 
việc nâng cao ổn định tức thời có thể tạo ra 
một trong các loại dao động này. Những hệ 
thống này phát hiện ra thay đổi về điện áp do 
thay đổi tải lên đến 10 lần nhanh hơn so với 
các hệ thống trước đây. Do vậy, các dao động 
nhỏ của máy phát điện làm cho hệ thống kích 
từ có thể khắc phục ngay lập tức. Tuy nhiên, 
do độ tự cảm cao của các máy phát, tỉ lệ dòng 
điện thay đổi được hạn chế. Điều này được 
coi như hiện tượng “trễ” trong chức năng điều 
khiển. Do đó, từ khi phát hiện một thay đổi 
mong muốn tới các bộ phận của thiết bị, trễ 
về thời gian là điều không thể tránh khỏi. 
Trong quá trình trễ này, tình trạng của hệ 
thống dao động sẽ thay đổi, tạo nên một điều 
chỉnh kích từ mới. Kết quả là hệ thống kích từ 
có xu hướng chậm sau nhu cầu về sự thay đổi, 
trợ giúp các đặc trưng dao động cố hữu của 
các máy phát kết nối với lưới điện. 
Một giải pháp để nâng cao chất lượng của hệ 
thống này và các hệ thống lớn hơn nói chung 
đó 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 không thể chấp nhận vì chi phí 
quá cao khi xây dựng các đường truyền tải. 
Một giải pháp thay thế đó là bộ ổn định công 
suất (PSS) hoạt động thông qua các bộ điều 
chỉnh điện áp. Đầu ra kích từ được điều chỉnh 
để cung cấp mômen hãm cho hệ thống. 
Bộ ổn định công suất (PSS) 
PSS là một thiết bị tăng mômen hãm các dao 
động cơ điện trong máy phát. 
Khi bị tác động bởi một sự thay đổi đột ngột 
trong điều kiện vận hành, tốc độ và công suất 
của mát phát sẽ thay đổi xung quanh điểm 
vận hành trạng thái ổn định. Mối quan hệ giữa 
những đại lượng này có thể được diễn tả bởi 
một công thức đơn giản sau: 
2
m e c2
o
2H d δ
=M -M -M
ω dt
Trong đó: 
+ ω: Tốc độ góc của rôtor (tốc độ góc ban đầu 
ω0 = 377 rad/s). 
+ Mm: Mômen cơ trong mỗi máy phát. 
+ Me: Mômen điện từ trong mỗi máy phát. 
+ Mc: Mômen hãm. 
+ H: Hằng số quán tính của máy phát đồng bộ. 
PSS là một thiết bị có thể làm thay đổi ngắn 
hạn công suất điện phát ra của máy phát. Các 
bộ kích thích có tốc độ phản ứng nhanh đi 
kèm với bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR) 
có hệ số khuếch đại cao và cưỡng bức để tăng 
hệ số đồng bộ mômen máy phát (MS), kết quả 
là cải thiện các giới hạn ổn định ngắn hạn và 
ổn định trạng thái tĩnh. 
MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ, MÔ HÌNH 
MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 
Máy phát điện đồng bộ 
Máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay 
rôtor n bằng tốc độ quay của từ trường n1 gọi 
là 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. 
Theo tài liệu [9] cho dòng điện kích từ một 
chiều vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ 
trường rôto. Khi quay rôto bằng động cơ sơ 
cấp, từ trường của rôto sẽ cắt qua dây quấn 
phần ứng stato và cảm ứng một điện động 
xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng là: 
E0 = 4,44.f.W1.Kdq.Φ0 
Trong đó: 
+ E0: Sức điện động pha. 
+ W1: Số vòng dây quấn một pha. 
+ Kdq: Hệ số dây quấn. 
+ Φ0: Từ thông cực từ rôto. 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 
Đào Duy Yên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 67 - 72 
69 
Mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ 
- Phương trình máy điện ở hệ trục ba pha: 
[ ]ssL = 
A
BA
CA
L
M
M




AB
B
CB
M
L
M
AC
BC
C
M
M
L




là ma trận tự cảm của các pha stato. 
[ ]rrL = 
0
f
rdf
L
M





0
frd
rd
M
L 
0
0
rqL





là ma trận độ tự cảm của các pha rôto. 
[ ]srM , [ ]rsM : ma trận độ cảm ứng tương hỗ 
giữa mạch stato với rôto và ngược lại. 
[ ] [ ]rs srM M= =
Af
Bf
Cf
M
M
M





Ard
Brd
Crd
M
M
M
Arq
Brq
Crq
M
M
M





- Phương trình máy điện đồng bộ viết ở hệ 
trục vuông góc, phương trình stato: 
d s d d d q
q s q q q d
0 s o o o
d dU = -U = -R I + ψ + ψ γ
d t d t
d dU = -U = -R I + ψ + ψ γ
d t d t
dU = -U = -R I - ψ
d t









Phương trình rôto: 
f f f f
r d r d r d
r q r q r q
dU R I
d t
d0 R I
d t
d0 R I
d t

= + ψ


= + ψ


= + ψ

- Phương trình máy điện đồng bộ trong hệ 
đơn vị tương đối: 
d d d d s d
d q q q s q
d 0 f f d 0 f a f f
r d r d r d d 0 f rd
r q r q r q r q r q r q
2
j d q q d m
p ψ + ψ p γ - r i = u = - u
ψ p γ + p ψ - r i = u = - u
T p ψ + i = T p ψ + e = u
T p ψ + i = T p ψ + e = 0
T p ψ + i = T p ψ + e = 0
T p γ + (ψ i + ψ i ) = m










CẤU TRÚC HỆ THỐNG KÍCH TỪ CÓ XÉT 
ĐẾN BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT PSS2A 
Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay 
chiều tần số cao 
Hệ thống này còn được gọi AC - Exciter loại 
static diod. Trong đó máy phát điện xoay 
chiều tần số cao được chế tạo theo kiểu cảm 
ứng, trong đó cuộn dây kích từ được đặt ở 
phần tĩnh và rôto của nó không có cuộn dây. 
Do kết cấu răng rãnh của rôto mà khi nó quay 
làm cho từ thông thay đổi. 
Hình 1. Hệ thống kích từ bằng máy phát điện xoay 
chiều tần số 
Hệ thống kích từ tĩnh (Static Exciter) 
Các hệ thống kích từ đã trình bày ở trên đều 
có một điểm chung là thời gian tác động lớn 
(hằng số thời gian kích từ Te lớn bởi quán tính 
điện từ của máy phát kích thích). Đây là một 
nhược điểm khiến cho yêu cầu kĩ thuật về 
chất lượng điện năng và tính ổn định của hệ 
thống rất khó được đảm bảo. 
Giải pháp cho vấn đề này là phải làm cho tín 
hiệu của bộ điều chỉnh tự động tác động trực 
tiếp vào điện áp kích từ, nhờ đó hằng số thời 
gian Te giảm xuống: 
Hình 2. Hệ thống kích từ tĩnh 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 
Đào Duy Yên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 67 - 72 
70 
s t w1
1 + s t w1
s t w2
1 + s t w2
s t w3
1 + s t w3
s t w4
1 + s t w4
k s 2
1 + s t 7
power
High-pass Filters &Intergrator
s t w1
1 + s t w1
1 + S t 8
( 1 + S t 9 )
1 + S t 1
1 + S t 2
1 + S t 3
1 + S t 4
s t w2
1 + s t w2
1
1 + s t 6
s t w3
1 + s t w3
s t w4
1 + s t w4
k s 2
1 + s t 7
m
n
k s 3
k s 1
C D E G
v s t m i n
v s t max
I
outputspeed
power
High-pass Filters
Ramp-tracking
 Filter Stabilizer Gain&Phase Lead
Limits
High-pass Filters
1 + S t 8
( 1 + S t 9 )m
n
Ramp-tracking
 Filter
Hình 3. Bộ ổn định công suất dựa vào tín hiệu tốc độ PSS2A 
Phân tích các thành phần trong mô hình 
PSS2A 
Tín hiệu tốc độ 
Tốc độ trục có thể được đo trực tiếp, hoặc thu 
được tần số của một tín hiệu điện áp bù xuất 
phát từ cực máy VT và CT điện áp và dòng 
điện thứ cấp. Nếu đo trực tiếp, tốc độ trục 
thường được lấy từ một cực từ và bố trí bánh 
răng. Trên các máy phát turbo cực ngang, hoạt 
động ở 1800 vòng/phút hoặc 3600 vòng/phút, 
thông thường có sẵn nhiều bánh răng cấp sẵn 
với mục đích đo tốc độ và điều khiển. 
Hình 4. Khâu lọc cao tần 
Tín hiệu công suất điện phát ra 
Hình 5. Khâu lọc cao tần và quán tính bậc 1 
Tín hiệu công suất cơ 
Hình 6. Bộ lọc các thành phần xoắn 
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
Cấu hình hệ thống mô phỏng 
Hình 7. Sơ đồ mô phỏng hệ thống trong Matlab - Simulink 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 
Đào Duy Yên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 67 - 72 
71 
Kết quả mô phỏng với hệ thống kích từ 
dùng máy phát điện xoay chiều 
Hình 8. Điện áp đầu cực máy phát 
Hình 9. Đáp ứng điện áp kích từ có PSS 
và không có PSS 
Hình 10. Sai lệch góc delta 
Kết quả mô phỏng với hệ thống kích từ tĩnh 
Hình 11. Điện áp ra đầu cực máy phát 
Hình 12. Đáp ứng điện áp kích từ có PSS 
và không có PSS 
Hình 13. Sai lệch góc delta 
NHẬN XÉT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
- Điện áp đầu cực máy phát: So sánh điện áp 
đầu cực máy phát khi dùng hai loại kích từ là 
kích từ tĩnh và kích từ dùng máy phát điện 
xoay chiều (có PSS) ta thấy mức độ dao động 
và thời gian ổn định điện áp khi dùng kích từ 
tĩnh nhỏ và nhanh hơn khi dùng kích từ dùng 
máy phát điện xoay chiều. 
- Đáp ứng điện áp kích từ có PSS và không có 
PSS: Đáp ứng điện áp kích từ có PSS và 
không có PSS ta thấy đối với kích từ tĩnh biên 
độ dao động và thời gian dao động nhỏ và 
ngắn hơn so với kích từ dùng máy phát điện 
xoay chiều. 
- Sai lệch góc delta: Sai lệch góc delta và thời 
gian sai lệch trong trường hợp dùng kích từ 
tĩnh nhỏ hơn so với kích từ dùng máy phát 
điện xoay chiều. 
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 
TIẾP THEO 
Lựa chọn tối ưu các hệ thống kích từ cho máy 
phát là một việc rất quan trọng, khi xét thêm 
bộ ổn định công suất PSS2A. Các kết quả mô 
phỏng hệ thống trên phần mềm Simulink đã 
cho thấy tính đúng đắn của thiết kế nhằm 
nâng cao tính ổn định của HTĐ. 
Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp là nâng 
cao ổn định của HTĐ khi có xét đến bộ ổn 
định công suất PSS4B. 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 
Đào Duy Yên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 67 - 72 
72 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Nguyễn Công Hiền, Hệ thống cung cấp điện, 
Nxb Khoa học và Kỹ thuật. 
[2]. Trần Quang Khánh (2004), Vận hành hệ thống 
điện, Nxb Khoa học và Kỹ thuật. 
[3]. Lã Văn Út (2001), Phân tích và điều khiển ổn 
định hệ thống điện, Nxb Khoa học và Kỹ thuật. 
[4]. Phạm Văn Bình, Máy điện tông quát, Nxb 
Giáo dục. 
[5]. Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & 
Simulink, Nxb Khoa học và Kỹ thuật. 
[6]. Quách Đình Dũng (2008), Nghiên cứu ứng 
dụng DPS cho hệ điều khiển điện áp nhà máy 
điện, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, ĐH Bách Khoa 
Hà Nội. 
[7]. E.V. Larsen, and D.A. Swann, “Applying 
power system stabilizers, part I; general 
concepts”. vol. PAS-100, 1981. 
[8]. P.Kundur, G.J.Rogers, “Application of power 
system stabilizers for enhancement of overall 
system stabilyti” vol.4,pp.614-626. 
[9]. R.A Lawson, D.A. Swann, and G.F. Wright, 
“Minimization of Power System Stabilizer 
Torsional Interaction on Large Turbine - 
Generators” IEEE Trans. PAS, Vol.97, Feb. 1978, 
pp 183 - 190. 
[10]. IEEE Std.421.5-1992, IEEE Recommended 
Practice for Excitation System Models for Power 
System Stability Studies. 
SUMMARY 
A STUDY TO THE INFLUENCE OF EXCITATION SYSTEM USING POWER 
SYSTEM STABILIZER TO THE STABLITY OF POWER SYSTEM 
Dao Duy Yen*, Truong Tuan Anh, Tran Duc Quynh Lam 
College of Technology - TNU 
Instability of a power system can be caused by the variation of loads, this leads to changes of 
generator’s power. Due to impedance drops, terminal voltages of generator are varied which, in 
some cases, are out of the rated value. If no effective regulation is applied, the this variation can 
affect to the power quality. In order to maintain the power system to work well, then system 
disturbance must be eliminated or minimized. This paper proposes a method to use two different 
excitation systems which are AC generator based and static based excitation systems with the 
utilization of power system stabilizer PSS2A. This proposed method can improve voltage quality, 
generator capacity and stability of power system. Simulation results show that the power system 
can meet the technical requirements and the designed method can be feasible in reality. 
Key words: Stability, power system, excitation system, PSS 
Ngày nhận bài: 20/3/2013; Ngày phản biện: 31/5/2013; Ngày duyệt đăng: 26/7/2013 
*
 Tel: 0983214112; Email: duyyen_ktcn@yahoo.com 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên