Nghiên Cứu Về Điều Chỉnh Điện Áp Trên Lưới Truyền Tải Điện Miền Bắc Việt Nam

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

HỌ VÀ TÊN: VŨ HẢI HÀ

NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TRÊN LƯỚI
TRUYỀN TẢI ĐIỆN MIỀN BẮC VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội - Năm 2016


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

HỌ VÀ TÊN: VŨ HẢI HÀ

NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TRÊN LƯỚI
TRUYỀN TẢI ĐIỆN MIỀN BẮC VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS. TS Trần Bách

Hà Nội - Năm 2016


LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan bản luận văn cao học này với đề tài: “Nghiên cứu về
điều chỉnh điện áp trên lưới Truyền tải điện miền Bắc Việt Nam” hoàn toàn do
tác giả tự làm và các số liệu chưa từng được công bố trong các tài liệu nào khác.
Tác giả có tham khảo một số tài liệu được ghi trong mục “Tài liệu tham khảo”.
Tác giả luận văn

Vũ Hải Hà


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Hệ thống
điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đồng nghiệp và bạn bè đã giúp đỡ động
viên và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả thực hiện luận văn. Đặc biệt tác giả xin
bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS. Trần Bách người đã tận tình
hướng dẫn giúp tác giả hoàn thiện luận văn này.


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CĐXL : Chế độ xác lập
CSTD : Công suất tác dụng
CSPK : Công suất phản kháng
TBB

: Thiết bị bù

HTĐ

: Hệ thống điện

FACTS : Flexible AC Transmission System - Hệ thống truyền tải điện xoay

chiều linh hoạt
TCSC : Thyristor Controlled Series Capacitor -Tụ nối tiếp điều khiển bằng
thyristor
TCSR : Thyristor Switched Series Reactor Kháng điện nối tiếp điều khiển
bằng thyristor
TCR

: Thyristor Controlled Reactor - Cuộn kháng điều chỉnh bằng thyristor

TSC

: Thyristor Switched Capacitor - Tụ đóng cắt bằng thyristor

STATCOM: Static Synchronous Compensator - Bộ bù đồng bộ tĩnh
UPFC : Unified Power Flow Cotroller
AVR

: (Automatic Voltage Regulator) - Thiết bị tự động điều khiển điện áp
đầu cực máy phát

ĐZ

: Đường dây

MBA

: Máy biến áp

TBN

: Tụ bù ngang

KBN

: Kháng bù ngang

Ptn

: Công suất tác dụng tự nhiên

Udđ

:

Pgh

: Công suất giới hạn

NMĐ

: Nhà máy điện

TBN

: Thiết bị bù ngang

TBD

: Tụ bù dọc

TĐN

: Thủy điện nhỏ

Điện áp danh định


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................... 3
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ 7
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN ........................................................................................................... 4
1.1. Khái niệm cơ bản về điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện .......................... 4
1.1.1. Khái niệm công suất phản kháng ............................................................... 4
1.1.2. Vai trị của điện kháng ............................................................................... 5
1.1.3. Cân bằng cơng suất phản kháng trong HTĐ .............................................. 7
1.1.4 Bù công suất phản kháng tại nút tải: ........................................................... 7
1.1.5 Điều chỉnh điện áp trong vận hành: ............................................................ 7
1.1.6 Phương thức điều chỉnh điện áp: ................................................................. 7
1.2. Nguồn công suất phản kháng trong hệ thống điện ........................................... 8
1.2.1. Máy phát điện ............................................................................................. 8
1.2.2. Máy bù đồng bộ .......................................................................................... 9
1.2.3. Đường dây trên không ................................................................................ 9
1.2.4. Cáp ngầm .................................................................................................. 10
1.2.5. Tụ điện nối từ nút xuống đất (tụ bù tĩnh): ................................................ 10
1.2.6. Các phần tử điện cảm, điện dung nối tiếp vào nhánh .............................. 10
1.2.7. Phụ tải ....................................................................................................... 11
1.2.8. Các thiết bị bù trên đường dây tải điện xoay chiều .................................. 11

1.2.9.Thiết bị bù ngang có điều khiển ................................................................ 21
1.2.10. Các thiết bị bù nối tiếp có điều khiển ..................................................... 27
1.2.11. Máy biến áp ............................................................................................ 29
1.3. Tính năng của các phương tiện điều chỉnh điện áp ........................................ 35
1.4. Phương thức đặt thiết bị bù ............................................................................. 36
1.5. Phương pháp điều chỉnh điện áp..................................................................... 37


1.6. Thực trạng điện áp và điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện Việt nam....... 40
1.6.1. Quy định về điều chỉnh điện áp trong HTĐ Việt Nam ............................ 40
1.6.2. Các phương tiện điều chỉnh điện áp hiện tại trên lưới truyền tải điện miền
bắc....................................................................................................................... 44
1.6.3. Đánh giá chung về tình trạng điện áp trong HTĐ miền Bắc Việt Nam ... 49
1.6.4. Kết luận .................................................................................................... 54
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN PHÂN TÍCH HỆ THỐNG
ĐIỆN ......................................................................................................................... 56
2.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 56
2.2. Mơ hình lưới điện trong bài tốn tính tốn hệ thống điện .............................. 56
2.2.1.

Mơ hình các phần tử lưới điện ............................................................ 56

2.2.2. Hệ phương trình cân bằng dịng nút ......................................................... 59
2.2.3. Mơ hình cân bằng cơng suất nút............................................................... 61
2.3. Các phương pháp giải tích lưới điện ............................................................... 64
2.3.1. Bài tốn tính tốn phân bố dịng điện trong lưới điện Power Flow (PF) . 64
2.3.2. Phương pháp lặp Newton-Raphson .......................................................... 66
2.4. Kết luận ........................................................................................................... 73
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN PHÂN TÍCH LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI MIỀN
BẮC VIỆT NAM ..................................................................................................... 74

3.1. Giới thiệu lưới điện truyền tải miền bắc Việt Nam ........................................ 74
3.1.1. Giới thiệu chung ....................................................................................... 74
3.1.2. Hiện trạng lưới điện truyền tải miền Bắc .................................................... 75
3.1.2.1. Nhu cầu tiêu thụ điện năng .................................................................... 75
Kết luận .................................................................................................................. 84
3.2. Mô phỏng hệ thống điện Việt Nam bằng phần mềm PSS/E ver.29 ............... 84
3.2.1. Phương pháp luận ..................................................................................... 84
3.2.2. Giới thiệu phần mềm PSS/E mô phỏng HTĐ Việt Nam.......................... 85
3.3.2. Đề xuất phương án điều chỉnh điện áp tại khu vực tỉnh Cao Bằng .......... 97
3.4. Kết luận ......................................................................................................... 100


CHƯƠNG 4. CÁC KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ĐƯỢC ĐƯA RA ................... 102
4.1. Kết luận chung .............................................................................................. 102
4.2. Các đề xuất.................................................................................................... 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Bảng so sánh tính năng của các phương tiện điều chỉnh điện áp ............. 35
Bảng 1.2: Điện áp tại thanh cái cho phép vận hành trên lưới điện truyền tải ........... 41
Bảng 1.3. Các tổ máy có khả năng chạy bù miền bắc............................................... 45
Bảng 1.4. Khả năng hút/phát công suất phản kháng của các nhà máy điện Miền Bắc
như sau [8]:................................................................................................................ 45
Bảng 1.5: Dung lượng bù phía 110kV miền Bắc đến 31/12/2015 ........................... 46
Bảng 1.6: Thống kê số giờ điện áp các nút vượt ngưỡng quy định .......................... 50
vận hành năm 2015 ................................................................................................... 50
Bảng 3.1: Tổng hợp phụ tải miền Bắc giai đoạn 2011-2015 .................................... 76
Bảng 3.2: Danh sách các nguồn điện khu vực miền Bắc đến 31/12/2015 ................ 78
Bảng 3.3: Danh mục TBA 500kV HTĐ miền Bắc đến tháng 12/2015 .................... 81

Bảng 3.4: Danh mục ĐZ 500kV tháng 12/2015 HTĐ miền Bắc .............................. 81
Bảng 3.5: Danh mục các TBA 220kV hiện có khu vực miền Bắc năm 2015 .......... 82
Bảng 3.6: Nhu cầu phụ tải các tỉnh miền Bắc năm 2017 .......................................... 88
Bảng 3.7: Công suất phát các nhà máy điện trong các chế độ vận hành .................. 90
Bảng 3.8: Tổng hợp giá trị điện áp nút 500kV, 220kV HTĐ miền Bắc năm 2017 ..91
Bảng 3.9: Tổng hợp giá trị điện áp cao nút 500kV, 220kV HTĐ miền Bắc năm 201795
Bảng 3.9: Kết quả điện áp nút khu vực Cao Bằng năm 2017 ................................... 98
Cao Bằng năm 2017 .................................................................................................. 99
Bảng 3.11: Kết quả tính toán điện áp trường hợp tại TBA 220kV Cao Bằng lắp
kháng 50MVAr tại trạm .......................................................................................... 100


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Véc tơ điện áp và dịng điện ......................................................................... 4
Hình 1.2 - Sơ đồ véc tơ độ lệch điện áp ...................................................................... 6
Hình 1.3: Đặc tính P - Q máy phát điện ..................................................................... 8
Hình 1.4: Sơ đồ thay thế và đồ thị véctơ điện áp của máy phát .................................. 9
Hình 1.5. Đồ thị véc tơ điện áp và mạch minh họa ................................................... 13
Hình 1.6 - Điện áp trên đường dây dài ở chế độ hở mạch ........................................ 14
Hình 1.7. Tác dụng tăng độ ổn định của tụ bù dọc ................................................... 16
Hình 1.8 Quan hệ giữa công suất giới hạn tương đối (cơ sở là cơng suất tự nhiên
và độ dài đường dây........................................................................................... 17
Hình 1.9: Sơ đồ véc tơ điện áp khi đường dây có tụ ................................................. 19
Hình 1.10 Ảnh hưởng điện áp theo vị trí đặt tụ bù dọc ............................................ 21
Hình 1.11 - Cấu trúc SVC ......................................................................................... 23
Hình 1.12. Cấu hình SVC điển hình ......................................................................... 24
Hình 1.13. Đặc tính điều chỉnh và đặc tính làm việc của SVC ................................ 25
Hình 1.14. Cấu hình SVC tụ điều chỉnh trơn (STATCOM) ..................................... 26
Hình 1.15. SSSC dựa trên bộ biến đổi nguồn áp và SSSC có nguồn dự trữ ............. 27
Hình 1.16. Mơ tả đơn giản của TCSC ....................................................................... 28

Hình 1.17. Mơ tả đơn giản của TSSC ....................................................................... 28
Hình 1.18. Mơ tả đơn giản của TCSR ....................................................................... 28
Hình 1.19. Sơ đồ điều chỉnh điện áp cấp 1, 2, 3 tổng quát ....................................... 39
Hình 1.20. Điện áp đường dây 500kV Bắc Nam ...................................................... 48
Hình 2.1: Sơ đồ thay thế đường dây ......................................................................... 57
Hình 2.2: Sơ đồ thay thế máy biến áp 2 dây quấn .................................................... 58
Hình 2.3: Sơ đồ thay thế máy biến áp 3 dây quấn .................................................... 58
Hình 2.4: Sơ đồ thay thế tụ điện và kháng điện ........................................................ 59
Hình 3.1: Tăng trưởng phụ tải cực đại miền Bắc giai đoạn 2010-2015.................... 76
Hình 3.2: Tăng trưởng sản lượng điện miền Bắc giai đoạn 2010-2015.................... 77
Hình 3.3: Biểu đồ cơ cấu cơng suất đặt nguồn tồn quốc năm 2015 ........................ 77


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Năng lượng đóng vai trò chủ yếu trong sự phát triển kinh tế-xã hội, trong đó
điện năng có tầm quan trọng hàng đầu. Trong quá trình truyền tải điện đến nơi tiêu
thụ, hệ thống điện phải gánh chịu tổn thất công suất, tổn thất điện áp trong các cấp
sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng.
Chất lượng điện năng trong hệ thống điện là một phạm trù rộng và có nhiều
yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điện năng với các phương diện và mức độ khác
nhau, trong đó chất lượng điện áp là một tiêu chí quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp tới
hiệu quả của quá trình sản xuất cũng như tuổi thọ của các phần tử lưới điện.
Hệ thống điện miền Bắc Việt Nam có nhiều đặc điểm khó khăn cho công tác
vận hành đảm bảo chất lượng điện áp tại các khu vực: nguồn điện nằm cách xa các
trung tâm phụ tải, mật độ phụ tải không đều giữa các khu vực đồng bằng và miền
núi, chênh lệch phụ tải giữa giờ cao điểm và giờ thấp điểm lớn,… Trong những năm
gần đây, lưới điện truyền tải Quốc gia đã phát triển mạnh mẽ gắn liền với sự gia
tăng không ngừng của phụ tải, nguồn điện cũng như yêu cầu về chất lượng điện
năng (cụ thể ở đây là chất lượng điện áp). Do vậy, việc nghiên cứu các phương pháp

điều chỉnh điện áp trên lưới điện là một vấn đề cấp thiết cho bài tốn quy hoạch,
cơng tác vận hành hệ thống điện đi đôi với nâng cao yêu cầu về độ tin cậy cung cấp
điện.
Với nội dung: “Nghiên cứu về điều chỉnh điện áp trên lưới điện truyền tải
miền Bắc Việt Nam”, luận văn này nhằm nghiên cứu các phương pháp điều chỉnh
điện áp, đề xuất các phương án nâng cao chất lượng điện áp trên thực lưới điện
truyền tải khu vực miền Bắc.
2. Lịch sử nghiên cứu
Đã có nhiều đề tài nghiên cứu đến điều chỉnh điện áp trong HTĐ, tuy nhiên
chưa có đề tài nào nghiên cứu cụ thể và đầy đủ về điều chỉnh điện áp trên lưới
truyền tải điện miền bắc Việt Nam. Tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu về điều chỉnh
điện áp trên lưới điện truyền tải miền Bắc Việt Nam” nhằm hiểu rõ vấn đề về điều

1


chỉnh điện áp nói chung và cụ thể hóa xử lý hiện tượng điện áp tăng cao xảy ra
thường xuyên trên lưới điện 220kV miền Bắc những năm gần đây 2015, 2016.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
3.1. Mục đích nghiên cứu
Mơ phỏng lưới điện truyền tải điện khu vực miền bắc Quốc gia và thực hiện
các tính tốn khảo sát, từ đó phân tích, đánh giá chất lượng điện áp lưới điện truyền
tải miền Bắc, đề xuất các phương án đảm bảo chất lượng điện áp trong các chế độ
vận hành. Kết quả nghiên cứu có thể dùng làm cơ sở để các công ty truyền tải điện
lập các dự án đầu tư xây dựng lắp đặt các thiết bị bù (kháng điện, tụ điện) tại các
TBA 220kV nhằm nâng cao chất lượng điện áp.
3.2. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là lưới điện truyền tải điện khu vực miền bắc Việt Nam.
Phương pháp điều chỉnh điện áp trên lưới và sử dụng công cụ phần mềm
PSS/E để mô phỏng lưới điện, đánh giá chất lượng điện áp lưới điện truyền tải miền

Bắc và đề xuất phương án hợp lý nhằm đảm bảo điện áp tuân theo các quy định,
tiêu chuẩn vận hành.
3.3. Phạm vi nghiên cứu
Lưới Truyền tải điện miền Bắc Việt Nam năm 2017 nói chung, cụ thể là chất
lượng điện áp trên lưới điện 500/220kV trong các chế độ vận hành.
4. Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của luận văn
4.1. Các luận điểm cơ bản, bố cục nội dung
Với mục đích trên, luận văn này được trình bày theo bố cục nội dung như sau:
- Chương I: Các phương pháp điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện: khái
niệm chung về điều chỉnh điện áp, các phương tiện và phương pháp điều chỉnh điện
áp, thực trạng điện áp và điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện miền Bắc Việt
Nam.
- Chương II: Các phương pháp tính tốn, phân tích hệ thống điện: Mơ hình
lưới điện trong bài tốn tính tốn phân tích hệ thống điện, các phương pháp giải bài

2


tốn tính chế độ xác lập của hệ thống điện, mô phỏng hệ thống điện Việt Nam bằng
phần mềm PSS/E.
- Chương III: Tổng quan về lưới điện truyền tải miền Bắc Việt Nam: quy mô
hiện trạng và các đặc điểm vận hành.
- Tính tốn áp dụng phân tích lưới điện truyền tải miền Bắc Việt Nam: Tính
tốn mơ phỏng lưới điện truyền tải miền Bắc, đánh giá chất lượng điện áp trong các
chế độ vận hành, đề xuất phương án đảm bảo điện áp tại khu vực tỉnh Cao Bằng
trong chế độ non tải.
- Chương IV: Kết luận và đề xuất: Kết luận chung cho kết quả nghiên cứu và
đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu các phương pháp điều chỉnh điện áp thực tế áp dụng ở

Việt Nam, kết hợp với kết quả tính tốn mơ phỏng lưới điện truyền tải miền Bắc
bằng phần mềm PSS/E nhằm đưa ra các phương án đảm bảo điện áp trong các chế
độ vận hành.

3


CHƯƠNG 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. Khái niệm cơ bản về điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện
1.1.1. Khái niệm công suất phản kháng
Trong hệ thống tải điện xoay chiều, điện kháng liên quan đến các phần tử có
điện cảm và điện dung, cịn CSPK đặc trưng cho mức độ tích lũy năng lượng và
trao đổi năng lượng điện từ trong các phần tử này.
Cơng suất của dịng điện xoay chiều khi chạy qua mạch điện đặt dưới một điện
áp u(t)= Um.sinωt được xác định theo biểu thức công của điện trường làm dịch
chuyển điện tích dq qua khoảng cách có điện thế u trong thời gian dt: dA=udq.
Khi đó cơng suất p=dQ/dt=udq/dt=u.i. Với dịng điện xoay chiều hình sin có chu kỳ
T=

, dòng điện i chậm pha sau so với điện áp u góc φ.

P =u.i = U m sinωt. Im .sin ωt -φUm. Im. sinωt.sin ωt-φ
U.I.cosφ - U. I. cos (2. ωt –φ).

(1.1)
U x=U.sin φ

U

φ

I

U r=U.cos φ
Hình 1.1 Véc tơ điện áp và dịng điện
Ta có thể viết P=u.i = U. I. cos φ(1+cos 2ωt) + U. I. sin φ.sin 2ωt =pr + px

(1.2)

Ta thấy công suất gồm 02 thành phần. Thành phần pr = U. I. cos φ(1+cos 2ωt) luôn
dương có giá trị trung bình P= U.I. cos φ=

, thành phần này gây ra bởi điện áp

U r=U.cos φ. Thành phần px = U. I. sin φ.sin 2ωt đặc trưng cho công suất điện từ
trường trong mạch trao đổi với mạch ngồi được gọi là cơng suất phản kháng,
thành phần gây ra bởi điện áp rơi trên điện kháng U x=U.sin φ vng góc với dịng
điện.[ 3]
Cơng suất phản kháng trong mạch có điện trở và điện cảm (R,L), góc lệch pha giữa
u, I là φ =

/2

4


Q=

= U L . IL =

XL

(1.3)

Với mạch có điện cảm và điện dung, công suất phản kháng trên điện dung cũng có
cơng thức tương tự. Do trao đổi ngược pha với điện cảm nên CSPK trên điện dung
quy ước lấy dấu âm. Q =

= Uc . Ic = -

Xc

(1.4)

Khi mạch có cả điện cảm và điện dung (tạo ra X= X L –Xc) năng lượng điện từ
trường trao đổi nội bộ giữa các phần tử này đồng thời trao đổi với mạch ngồi.
Cơng suất phản kháng Q của mạch tương ứng với phần trao đổi với mạch ngồi
nên có dấu của phần tử (điện cảm, điện dung) có tích lũy năng lượng lớn hơn [3].
1.1.2. Vai trò của điện kháng
Điện kháng là thành phần chính trong tổng trở của đường dây thuộc lưới
truyền tải (X>>R). Thành phần Q.X là yếu tố chính gây ra sụt áp.
Ta đã biết tổn thất điện áp giữa 2 điểm trong hệ thống điện được xác định theo
công thức sau:
U 

RP  QX
PX  QR
j
U

U

(1.5)

U - điện áp điểm đầu
P, Q - công suất tác dụng và công suất phản kháng giữa 2 điểm
Trên lưới chủ yếu là đường dây trên không nên thành phần X >> R, do đó để
đơn giản có thể bỏ qua thành phần R. Biểu thức (1) được viết lại như sau:
U 

QX
PX
j
U
U

(1.6)

Vì trên thực tế góc  (góc lệch điện áp giữa 2 đầu) rất nhỏ (  3-5 độ) nên biên
độ độ lệch điện áp phụ thuộc chủ yếu vào thành phần
giữa 2 điểm phụ thuộc chủ yếu vào thành phần

QX
và góc lệch pha điện áp
U

PX
. Nói cách khác cơng suất phản
U

kháng là yếu tố có ý nghĩa quyết định đối với thành phần điện áp dọc trục (cùng pha
với điện áp nút), yếu tố chính gây ra sụt áp. Cịn cơng suất tác dụng truyền trên
đường dây quyết định độ lệch pha điện áp giữa 2 đầu. [2]

5


Vậy điều chỉnh điện áp chính là điều chỉnh cân bằng công suất phản kháng
trong hệ thống điện bao gồm: điều chỉnh nguồn công suất phản kháng và điều chỉnh
trào lưu công suất phản kháng trên lưới điện. Điều chỉnh nguồn công suất phản
kháng là biện pháp điều chỉnh lượng CSPK sinh ra hoặc tiêu thụ tại các nhà máy
điện, tụ bù ngang, kháng bù ngang, máy bù đồng bộ và thiết bị bù tĩnh (SVC - Static
Var Compensator), còn điều chỉnh trào lưu công suất phản kháng trên lưới là biện
pháp thay đổi thông số, kết cấu của lưới điện truyền tải (không sinh ra Q) như lắp
đặt tụ bù dọc, thay đổi nấc phân áp MBA, đóng cắt đường dây,... nhằm mục đích
đảm bảo điện áp vận hành nằm trong các giới hạn cho phép.
Độ lệch điện áp được biểu diễn bởi sơ đồ véc tơ như hình 1.2

U1
U



IX

U2

PX
U

IR

I

Hình 1.2 - Sơ đồ véc tơ độ lệch điện áp
Việc đảm bảo điện áp trong giới hạn là rất phức tạp vì phụ tải trong hệ thống
điện phân bố rải rác và thay đổi liên tục dẫn đến việc yêu cầu về công suất phản
kháng trên lưới truyền tải cũng thay đổi theo. Ngược với vấn đề điều chỉnh tần số
trong hệ thống điện, là điều chỉnh chung toàn hệ thống, điều chỉnh điện áp mang
tính chất cục bộ. Điều chình điện áp gồm nhiều cấp mà chỉ ở cấp lưới phân phối
trung, hạ áp mới nhằm đáp ứng trực tiếp được yêu cầu chất lượng điện áp của phụ
tải, vì chất lượng điện áp được đánh giá trên cực các thiết bị dùng điện. Điều chỉnh
điện áp ở các cấp cao hơn nhằm vào mục đích của hệ thống điện là giảm tổn thất

6


công suất và đảm bảo điều kiện thuận lợi cho điều chỉnh điện áp ở cấp lưới phân
phối [2].
1.1.3. Cân bằng công suất phản kháng trong HTĐ
Cân bằng công suất phản kháng thông thường được tiến hành đối với chế độ
cực đại của hệ thống điện và phương trình cân bằng trong trường hợp này có dạng:
QF+ QC+ Qb+ Qdt+ Qtd> Qpt+ Qf+ QbaQ

(1.7)

trong đó:
QF - tổng cơng suất phản kháng của các máy phát trong các nhà máy điện;
QC - công suất điện dung của các đường dây;
Qb - công suất của các thiết bị bù;

Qdt - công suất dự trữ trong hệ thống;
Qtd - công suất tự dùng trong các nhà máy điện;
Qpt - tổng công suất phản kháng của các phụ tải;
Qf - tổng tổn thất công suất phản kháng trong các đường dây;
Qba - tổng tổn thất công suất phản kháng trong các máy biến áp;
Q - công suất phản kháng của các đường dây liên kết giữa các hệ thống, nó có
thể chạy vào hệ thống đang xét hay ngược lại [2].
1.1.4 Bù công suất phản kháng tại nút tải:
Để phục vụ điều chỉnh điện áp nút, làm cho tương quan cân bằng CSPK tại nút
thay đổi mạnh, trực tiếp làm thay đổi điện áp nút[3]. Do vậy điện áp trong các chế
độ vận hành là tiêu chuẩn kỹ thuật chính để chọn cơng suất bù, vị trí và luật điều
khiển tụ bù.
1.1.5 Điều chỉnh điện áp trong vận hành:
Là thao tác các tụ bù cùng với điều chỉnh kích từ ở máy phát điện và điều
chỉnh các đầu phân áp ở các biến áp có trang bị điều áp dưới tải.
1.1.6 Phương thức điều chỉnh điện áp:
Là lựa chọn ảnh hưởng nhiều đến bài tốn bù, nó quyết định mục tiêu cũng
như cách thức đặt bù. Ngược lại, cách thức đặt bù ảnh hưởng lớn đến chất lượng
điều chỉnh điện áp, do đó hai bài toàn này liên hệ chặt chẽ với nhau.

7


1.2. Nguồn công suất phản kháng trong hệ thống điện
1.2.1. Máy phát điện
Điều chỉnh CSPK tại các máy phát có ảnh hưởng mạnh đến điện áp nút đầu
nguồn, có ảnh hưởng gián tiếp tới các nút tải. Đây là phương pháp rẻ tiền (sẵn có)
và dễ thực hiện nên ln được tận dụng. Hiệu quả sẽ cao hơn khi phối hợp với biện
pháp điều chỉnh đầu phân áp của MBA.
Các máy phát là phương tiện cơ bản điều chỉnh điện áp. Bộ thiết bị tự động

điều chỉnh kích từ (Automatic Voltage Control –AVR) nhằm giữ cho điện áp tại đầu
cực máy phát không đổi ở một giá trị đặt trước khi phụ tải hệ thống thay đổi.
Giới hạn về khả năng phát và tiêu thụ công suất phản kháng được thể hiện
trên hình 1.3. Máy phát phát cơng suất phản kháng khi dịng kích từ lớn (q kích
thích) và tiêu thụ cơng suất phản kháng khi dịng kích từ nhỏ (thiếu kích thích).

MW
Giới hạn tuabin
Giới hạn dịng stator
Giới hạn
ổn định tĩnh

Giới hạn dịng kt

MVar
Hình 1.3: Đặc tính P - Q máy phát điện
Nguyên tắc thực hiện tự động điều chỉnh kích từ được thể hiện trên hình 1.4
[5]. Máy phát được đặc trưng bằng sức điện động EF và điện kháng XF. Điện áp
đầu cực máy phát được xác định theo biểu thức: UF = EF - IF. XF
Nếu EF = const, khi IF thay đổi thì UF thay đổi, để giữ UF = const thì phải thay
đổi EF tức là thay đổi kích từ máy phát (Ikt).

8


Dịng điện kích từ là dịng điện một chiều Idc, được đưa vào roto của máy phát
để kích thích từ trường của rô to máy phát. Hệ thống thiết bị tạo ra Idc này gọi là hệ
thống kích từ máy phát.

Hình 1.4: Sơ đồ thay thế và đồ thị véctơ điện áp của máy phát

Các máy phát điện đều có thể làm việc ở 2 chế độ: Chế độ máy phát và chế độ
động cơ đồng bộ. Trong chế độ động cơ hay còn gọi là chế độ chạy bù, máy sẽ nhận
cơng suất P từ lưới cịn cơng suất Q có thể phát hay hút bằng cách điều chỉnh kích
từ (phụ thuộc vào điện áp lưới điện khi đó), q kích thích thì phát Q, kém kích
thích thì hút Q.
1.2.2. Máy bù đồng bộ
Máy bù đồng bộ thực chất là động cơ điện đồng bộ làm việc không tải.Chế độ
làm việc bình thường của máy bù đồng bộ là chế độ q kích thích, phát cơng suất
điện cảm vào lưới. Khi tải của hộ dùng điện giảm (đêm hoặc những giờ không cao
điểm), điện áp của lưới tăng, máy bù làm việc ở chế độ thiếu kích thích tiêu thụ
công suất phản kháng (điện cảm) từ lưới và gây thêm sụt áp trên đường dây, duy trì
được điện áp nơi tiêu thụ khỏi tăng quá mức quy định. Máy bù đồng bộ tiêu thụ rất
ít cơng suất tác dụng từ lưới vì cơng suất đó chỉ để bù vào các tổn hao trong nó.
1.2.3. Đường dây trên khơng
Đường dây khơng cũng có thể phát hoặc tiêu thụ cơng suất phản kháng tuỳ
thuộc vào dòng tải.
Để sinh ra điện trường cần có năng lượng là
cần có năng lượng là

1
C 0U 2 và để sinh ra từ trường
2

1
L0 I 2 , với Co – điện dung đợn vị của 1km đường dây, F/km.
2

L – chiều dài đường dây, km có Lo - độ tư cảm đơn vị của dây dẫn, [H/km] và Xo -

9

điện kháng đơn vị dây dẫn, Xo =  Lo, [  /km]. Năng lượng điện trường gần như
không đổi do U thay đổi ít, cịn năng lượng từ trường phụ thuộc vào I. Ở trạng thái
cân bằng ta có:

1
1
C0U 2  L0 I 2 (ở đây I là dòng tải khi công suất truyền trên đường
2
2

dây là công suất tự nhiên Ptn  3

L0
U2
, với Z s 0 
là tổng trở sóng). Nếu cơng
C0
Z so

suất tải trên đường dây nhỏ hơn cơng suất tự nhiên thì giá trị I nhỏ nên công suất
phản kháng do điện dung của đường dây sinh ra lớn hơn tổn thất công suất phản
kháng trên điện cảm, do đó có dịng điện dung từ nguồn đến làm cho điện áp trên
đường dây cao hơn ở đầu nguồn tức là đường dây phát công suất phản kháng.
Ngược lại khi công suất tải cao hơn công suất tự nhiên, công suất phản kháng do
đường dây sinh ra không đủ bù vào tổn thất công suất phản kháng trên đường dây,
do đó có dịng điện điện cảm chạy từ nguồn vào đường dây làm cho điện áp trên
đường dây thấp hơn so với điện áp đầu nguồn tức là đường dây tiêu thụ công suất
phản kháng [4].

Điện dung tự nhiên của đường dây: Mỗi phần tử nhỏ của đường dây tạo ra
CSPK tương ứng [3]: dQc=-bo. U 2 dL

(1.9)

với bo là điện dẫn đơn vị (siemen)
1.2.4. Cáp ngầm
Dung dẫn Co – điện dung đợn vị của 1km cáp (F/km) có giá trị cao hơn nhiều
so với đường dây trên không nên tải tự nhiên cao, trong chế độ vận hành bình
thường thường sinh ra cơng suất phản kháng.
1.2.5. Tụ điện nối từ nút xuống đất (tụ bù tĩnh):
Là nguồn phát bởi tính theo hướng từ lưới đi vào phần tử công suất [3]:
Qc= - U 2 /Xc = -bc. U 2

(1.10)

1.2.6. Các phần tử điện cảm, điện dung nối tiếp vào nhánh
Điện cảm gây ra tổn thất dương [3]: ∆QL= XL. I 2

(1.11)

Điện dung gây ra tổn thất âm [3]: ∆QL= -Xc. I 2

(1.12)

10


1.2.7. Phụ tải
Thường là nguồn tiêu thụ công suất phản kháng, việc tiêu thụ này thay đổi liên

tục trong ngày và khác nhau giữa các mùa trong năm. Tiêu thụ công suất phản
kháng của tải ảnh hưởng đến điện áp. Tải với hệ số cos thấp do Qphụ tải = U.I. sin
sẽ làm tăng lượng công suất vô công truyền

(

qua lưới truyền tải, làm giảm khả năng truyền tải của lưới truyền tải (dòng điện I
cao), tăng tổn thất truyền tải.
Hệ số cos của một số loại phụ tải điển hình thường từ cos = 0,65 ÷ 0,89 và
phụ tải lị xo có cos = 1.
1.2.8. Các thiết bị bù trên đường dây tải điện xoay chiều
1.2.8.1. Nguyên lý làm việc của thiết bị bù
Các thiết bị bù được trang bị trong hệ thống điện nhằm phát hoặc tiêu thụ công
suất phản kháng và điều chỉnh cân bằng công suất phản kháng trong toàn hệ thống
điện. Thiết bị bù (TBB) đặt trên đường dây về cơ bản chứa một phần tử điện cảm L
hay điện dung C; phần tử L sẽ có nhiệm vụ bù điện dung của đường dây, còn phần
tử C bù điện kháng của đường dây. Thiết bị bù (TBB) đặt trên đường dây cơ bản

gồm [4]:
Đặt tụ điện hay kháng điện đấu như một phụ tải ở một điểm hay một số điểm
trên đường dây gọi vắn tắt là bù ngang. Các kháng điện dùng để tiêu thụ ( để giảm)
công suất phản kháng để giảm điện dung của đường dây, ta sử dụng phần tử kháng
bù ngang) mắc song song – nối giữa các dây pha và trung tính của đường dây. Tụ
điện dùng để cấp thêm công suất phản kháng cho đường dây.
Đặt tụ điện nối tiếp với đường dây tại một hay một số điểm trên đường dây gọi
vắn tắt là bù dọc hay bù thông số đường dây.Tụ bù dọc làm giảm điện kháng tổng
của đường dây, ta sử dụng các phần tử tụ bù dọc mắc nối tiếp vào các dây pha.
Đặt thiết bị bù hai chiều: Dùng máy bù tĩnh (SVC) hay máy bù đồng bộ có thể
cấp hoặc tiêu thụ cơng suất phản kháng.
Bù cho hai mục đích trên gọi là bù kỹ thuật [4]. Ta tìm hiểu các TBB trên

HTĐ như sau:

11


1.2.8.2. Mục đích việc đặt thiết bị bù (TBB):
1. Giữ các thông số chế độ trong phạm vi cho phép về kỹ thuật trong mọi chế
độ làm việc. Các chế độ làm việc đáng chú ý là:
a. Chế độ non tải và khơng tải: Có ba hiện tượng khơng bình thường xảy ra:
+ Điện áp ở đầu hở tăng cao:
+ Máy phát điện có thể bị q tải do dịng điện điện dung
+ Máy phát điện có thể bị tự kích thích.
b. Chế độ tải nặng: Điện áp giảm thấp
c. Các chế độ sự cố: Đường dây hai lộ hỏng mộ lộ, đường dây một lộ hỏng
bản thân thiết bị bù trong các chế độ này, tính các biện pháp thay đổi dung lượng bù
hoặc tính giới hạn cơng suất có thể tải được.
2. Nâng cao khả năng tải theo điều kiện ổn định tĩnh trong chế độ, công suất
tải max (chế độ max).
Ta tìm hiểu các TBB trên lưới truyền tải gồm:
1.2.8.3. Kháng bù ngang
a) Dùng để giữ các thông số chế độ trong phạm vi cho phép về kỹ thuật trong
chế độ non tải và không tải [4].
Để minh họa, ta giả thiết dung dẫn của đường dây được đặt tập trung ở đầu
của đường dây bị hở mạch tại Hình 1.5.
Để khử ảnh hưởng của dung dẫn đường dây, giảm mức quá áp ở cuối đường
dây ta có thể đặt tại đây 1 kháng bù ngang. Dịng điện cảm I L chạy qua kháng bù
ngang ngược pha với dòng điện dung IC của đường dây. Kết quả là trên đường dây
khơng tải sẽ có dịng điện IC – IL nhỏ hơn rất nhiều IC , điện áp giáng ΔU' = (I C –I L)
.Z sẽ bé hơn và chênh lệch điện áp giữa U1 và U2 sẽ giảm đi.
Tương quan giữa IL và IC hay giữa công suất của kháng bù ngang QK và công

suất do điện dung đường dây phát ra QC gọi là hệ số bù ngang KL
KL =

(1.13)

Tùy theo kết cấu của kháng điện và cách đấu nối kháng điện vào đường dây
mà ta có hệ số bù ngang cố định hoặc thay đổi.

12


Nếu công suất của kháng điện không thay đổi và đấu cứng vào đường dây
(khơng qua máy cắt điện) thì hệ số bù ngang sẽ khơng thay đổi hay cịn gọi là bù cố
định. Nhược điểm của phương pháp bù cố định là không thể giữ điện áp tại nút bù
không thay đổi khi chế độ tải công suất của đường dây thay đổi. Để có thể điều
chỉnh điện áp tại các nút bù luôn nằm trong giới hạn cho phép khi công suất tải trên
đường dây thay đổi (từ không tải P=0 đến tải cực đại P = Pmax) cần thay đổi dung
lượng của thiết bị bù. Dung lượng của thiết bị bù ngang có thể thay đổi nhẩy cấp
hoặc liên tục. Khi điều khiển nhẩy cấp các kháng và tụ bù ngang được chia thành
nhiều nhóm (có thể 3 hoặc 4 nhóm) và đấu vào nút bù thơng qua thiết bị đóng cắt.

Hình 1.5. Đồ thị véc tơ điện áp và mạch minh họa
Hình 1.6 minh họa tính tốn đường dây dài với thơng số phân bố rải có thể
thấy được dạng điện áp trên đường dây ở chế độ hở mạch đầu cuối và có đặt KBN ở
cuối và giữa đường dây như sau:
Trong đó:
1 - đường dây hở mạch.

13

2 - đường dây hở mạch có đặt kháng bù ở cuối.
3 - đường dây hở mạch có đặt kháng bù ở giữa.

kV

1
2
3

km
Hình 1.6 - Điện áp trên đường dây dài ở chế độ hở mạch

Cơng thức tính cơng suất kháng bù ngang có tổng dẫn Yk lắp vào cuối
đường dây để duy trì điện áp cuối đường dây U2 đạt giá trị cho phép ta có cơng
thức [4]:
U2/U1 = 1/[
Tính ra

+ Zso

.YK]

(1.14a)

Xk = 1/Yk (ơm);

(1.14b)

Cơng suất kháng Sk = Uđm2 /Xk (MVAr).

(1.14c)

b) Các tác dụng khác của bù ngang bằng kháng điện
- Cải thiện phân bố điện áp trên đường dây
- Giảm quá điện áp nội bộ.
- Giảm dòng công suất phản kháng
- Giảm tổn thất điện năng
- Đảm bảo hoạt động bình thường của đường dây khi hịa đồng bộ, khi đóng
đường dây vào hệ thống, trong chế độ không tải và trong các chế độ khác
- Giảm ngủy cơ tự kích thích máy phát điện
- Kháng bù ngang cịn có tác dụng chống q điện áp thao tác. Kháng có thể
nối trực tiếp vào đường dây hoặc qua các máy cắt. Lựa chọn có/khơng sử dụng máy

14


cắt nối kháng vào đường dây phải thơng q tính toán kinh tế - kỹ thuật. Kháng cố
định trên đường dây phải đảm bảo được chống quá áp trong chế độ non tải đồng
thời phải đảm bảo không bị sụt áp trong chế độ tải nặng.
Cấu tạo của kháng gần giống như máy biến áp nhưng chỉ có 1 cuộn dây cho
mỗi pha. Ngồi ra kháng bù ngang có thể bao gồm thêm một cuộn dây trung tính để
hạn chế dịng ngắn mạch chạm đất. Người ta có thể thiết kế kháng bù ngang điều
chỉnh được nấc dưới tải (thay đổi dung lượng kháng).
1.2.8.4. Tụ bù ngang
Tụ bù ngang (TBN) dùng để tăng cường công suất phản kháng cho hệ thống
điện làm tăng điện áp cục bộ. TBN rất đa dạng về kích cỡ và được phân bố trong
tồn hệ thống với các dung lượng khác nhau. Ưu điểm của TBN là giá thành thấp,
linh hoạt trong lắp đặt và vận hành. Nhược điểm là công suất phản kháng tỷ lệ với
bình phương điện áp :

Qc 

U2
Xc

(1.14)

Khi điện áp thấp cần nhiều cơng suất phản kháng thì cơng suất phát ra cũng bị
giảm. Trong thực tế vì lý do kinh tế người ta không dùng tụ bù ngang cho lưới
220kV và 500kV.
Trong lưới phân phối, tụ bù ngang dùng để tăng cos của phụ tải, tức là đảm
bảo đủ công suất phản kháng cho phụ tải tại nơi tiêu thụ thay vì phải truyền vơ cơng
từ lưới đến. Các TBN ở lưới phân phối có thể được đóng cắt nhờ các thiết bị tự
động tuỳ thuộc vào thời gian, giá trị điện áp [2].
1.2.8.5. Tụ bù dọc
a) Các tác dụng của tụ bù dọc gồm
*) Nâng cao công suất tải giới hạn của đường dây
TBD được đặt nối tiếp trên đường dây để bù điện kháng của đường dây. Tức
là làm giảm điện kháng giữa 2 điểm dẫn đến tăng khả năng truyền tải và giảm tổn
thất truyền tải. Công suất truyền tải trên đường dây là:
Ptruyen_ tai 

(1.15)

U1U 2
sin 
X

15