ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO KHÁNG BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN KIỂU MÁY BIẾN ÁP ppt

1
Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. TÍNH CẤP THIẾT VÀ LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Để giải quyết vấn đề ổn định điện áp và nâng cao khả năng truyền tải của các đường dây cao áp, trên thế giới từ thập
niên 70 của thế kỷ 20 và ngành điện Việt Nam hiện nay đã thực hiện lắp đặt hệ thống tụ bù dọc không điều khiển phối
hợp kháng bù ngang trên đường dây 500 kV Bắc Nam với mức bù điện tích công suất trung bình ở mỗi đường dây [2] là
β và mức tụ bù dọc là η
C

0,55 0,60
C
c
d
X
X
η
= ≈ ÷
0,65 0,70
k
tn
Q
P
β
λ
= ≈ ÷
.
Hiện nay, trên thế giới phương án sử dụng kháng bù ngang có điều khiển đang được nhiều nước ứng dụng, bởi vì so
với các phương án dùng STATCOM và SVC [20] [21], thì phương án dùng kháng điều khiển (hình 1.4) giá đầu tư thấp
hơn nhiều.
Hình 1.4: Sơ đồ đường dây truyền tải khi sử dụng kháng bù ngang có điều khiển

Kết qủa phân tích [2] và thực tế đã xác nhận sự tác động không quán tính của kháng điều khiển, toàn bộ thời gian
chuyển mạch của khối thyristor cộng thời gian tác động của máy ngắt chân không là không quá 40 ms, hàm lượng sóng
hài bậc cao không quá 2% của dòng định mức [17] [18]. Giá thành của kháng điều khiển không lớn hơn nhiều giá
thành máy biến áp cùng công suất và điện áp (cấp 500 kV giá hiện nay là 12-14 USD/kVA).
1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Trên cơ sở kháng điều khiển kiểu máy biến áp của hãng BBC, từ năm 2003 tại bộ môn Thiết bị điện- điện tử Viện
Đại học Bách khoa Quốc gia Xanh-Pêtécbua dưới sự chỉ đạo của giáo sư viện sĩ Александров.Г.Н. đã tiến hành
nghiên cứu cải tiến. Bằng việc lắp đặt kết cấu sun từ dưới gông để giảm tổn thất phụ do từ trường tản và lắp đặt các
mạch lọc tần số bậc cao trong kết cấu cuộn dây bù [1] [16]. Kháng điều khiển kiểu biến áp đầu tiên chế tạo tại bộ môn
với điện áp 10kV, công suất 100 kVAr vào 2004.
Trong kháng điều khiển kiểu biến áp thì bộ điều khiển với vai trò đóng/mở các van thyristor (T) khi tải (U, I,
ϕ
)
đường dây truyền tải thay đổi là đặc biệt quan trọng. Để góp phần nghiên cứu cụ thể hơn về kháng điều khiển kiểu biến
áp có thể lắp đặt ở nước ta trong tương lai không xa, tôi chọn “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho kháng điều khiển
kiểu máy biến áp” là mục tiêu luận văn.
1.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Trên cơ sở sơ đồ nguyên lý của kháng bù ngang có điều khiển kiểu biến áp (hình 1.7) đã được nghiên cứu và sản
xuất.
2
Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý điều khiển của kháng bù ngang có điều khiển
Luận văn nghiên cứu các tính năng, yêu cầu điều khiển và nguyên cứu đề xuất thiết kế bộ điều khiển cho các van
bán dẫn của kháng kiểu máy biến áp, đáp ứng sự thay đổi góc mở α từ max đến min khi công suất truyền tải trên đường
dây thay đổi từ không đến công suất tự nhiên. Khi đó, dòng điện qua cuộn dây lưới I
k
phải thay đổi từ cực đại (I
c.d
) khi
đường dây không tải tới bằng không khi truyền tải công suất tự nhiên, tương ứng tổng trở vào của kháng thay đổi từ min
đến max.

Từ nguyên lý của bộ điều khiển như đã được ứng dụng trên hình 1.7 cho việc điều khiển kháng bù ngang kiểu biến
áp đã được sử dụng, luận văn sẽ nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển đảm bảo các yêu cầu điều khiển đặt ra, với chức năng
và độ tin cậy như mong muốn.
1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trên nguyên lý làm việc, yêu cầu điều khiển và các thông số của kháng bù ngang có điều khiển kiểu biến áp đã được
sản xuất và đang vận hành ở một số nước Ấn Độ, Trung Quốc, Nga… kết hợp với lý thuyết truyền tải và điều khiển
hiện đại. Tôi thiết kế bộ điều khiển dựa trên yêu cầu tác dụng của kháng điều khiển và sử dụng phần mềm Matlab –
Simulink để khảo sát các tham số của bộ điều khiển trên đáp ứng miền thời gian của đối tượng để cho ra bộ điều khiển
có chức năng và độ tin cậy đạt được mong muốn.
Sử dụng phần mềm mô phỏng hiệu quả điều chỉnh bù 100% mức tiêu thụ công suất phản kháng dư trên đường dây
của kháng điều khiển với bộ điều khiển được thiết kế.
1.5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN
- Luận văn đưa ra khảo sát đánh giá đầy đủ về lý thuyết đối với bộ điều khiển cho kháng bù ngang kiểu biến áp.
- Bằng kết quả mô phỏng chứng minh hiệu quả và tính linh hoạt điều chỉnh mức tiêu thụ công suất phản kháng dư
trên đường dây của kháng điều khiển kiểu biến áp.
- Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở để tiến tới ứng dụng kháng điều khiển nhằm giải quyết vấn đề cấp bách hiện nay là
nâng cao độ tin cậy và tính kinh tế - kỹ thuật của hệ thống truyền tải điện Việt Nam.
1.6. TÊN LUẬN VĂN
“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO KHÁNG BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN KIỂU MÁY BIẾN
ÁP”
3
Chương 2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN ĐƯỜNG
DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN
2.1. CƠ SỞ TÍNH TOÁN CHO ĐƯỜNG DÂY DÀI TRUYỀN TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU CAO ÁP VÀ SIÊU
CAO ÁP
2.1.1. Mô hình đường dây dài
2.1.2. Tính toán điện áp
2.1.3. Tính công suất tác dụng và phản kháng của đường dây
2.2. NGUYÊN LÝ VÀ HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CÓ ĐIỀU

KHIỂN
2.2.1. Tổng quan về hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS)
2.2.2. Bù điện dung nối tiếp trên đường dây
2.2.2.1. Mục đích của bù nối tiếp
- Ổn định điện áp;
- Cải thiện quá trình ổn định;
- Làm tắt dao động công suất;
- Dập tắt dao động đồng bộ phụ
2.2.2.2. Thay đổi tổng trở bằng thiết bị bù nối tiếp
Với kết quả phân tích trong cuốn toàn văn cho phép khẳng định việc lắp đặt các thiết bị bù dọc của đường dây cho
phép giải quyết nhiều hạn chế mà lưới truyền tải gặp phải khi dùng các thiết bị bù không điều khiển. Tuy nhiên, thiết bị
này hiện nay vẫn còn một số hạn chế nhất định, như giá thành đầu tư ban đầu rất cao và làm giảm độ dự trữ ổn định của
hệ thống.
2.2.3. Thiết bị bù ngang
2.2.3.1. Mục đích của sự bù ngang
Mục đích của việc bù ngang này là:
- Hạn chế quá điện áp ở cuối đường dây trong chế độ tải nhẹ;
- Hiệu chỉnh điện áp ở giữa đường dây;
- Cải thiện quá trình ổn định;
- Làm tắt dao động công suất
2.2.3.1. Điều chỉnh công suất phản kháng của thiết bị bù ngang
Kháng bù ngang có điều khiển kiểu máy biến áp (УШРТ) với các thông số thay đổi có nguyên lý và cấu trúc tương
tự như máy biến áp, nguyên lý làm việc của nó khác hẳn các loại kháng điều khiển theo nguyên lý khuếch đại từ đã
được sản xuất lâu nay. Kháng điều khiển kiểu máy biến áp với những ưu điểm vượt trội như: tác động tức thời không
quán tính, tổn thất công suất trên kháng nhỏ, không gây méo dạng dòng điện lưới, độ tin cậy làm việc cao, phạm vi điều
chỉnh rộng (vì cho phép điều chỉnh trong cả phạm vi dòng điện dung [4]). Kháng điều khiển kiểu máy biến áp chức
năng tương tự máy bù tĩnh (SVC) nhưng ưu điểm hơn hẳn về độ tin cậy làm việc, thời gian tác động nhanh và giá thành
lắp đặt rẻ hơn. Kháng điều khiển loại này đã được sản xuất và được lắp đặt trong hệ thống điện tại Ấn Độ, Trung Quốc
và Liên Bang Nga, thực tế vận hành trong thời gian qua đã chứng tỏ được ưu điểm vượt trội của nó.
4

Chương 3
KHÁNG BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN KIỂU BIẾN ÁP
3.1. GIỚI THIỆU KHÁNG BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN KIỂU BIẾN ÁP
3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của kháng bù ngang kiểu biến áp
3.1.1.1. Cấu tạo kháng bù ngang kiểu biến áp
3.1.1.2. Nguyên lý làm việc của kháng bù ngang kiểu biến áp
Để dễ hiểu nguyên lý hoạt động của kháng bù ngang kiểu biến áp, ta xét sơ đồ nguyên lý 1 pha của kháng điều khiển
kiểu biến áp trên hình 3.4.
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý một pha của kháng bù ngang kiểu biến áp
3.1.2. Các quan hệ điện từ trong kháng điều khiển kiểu máy biến áp
Trong phạm vi của đề tài tôi chỉ giới thiệu một số thông số có liên quan đến quá trình tính toán còn lại các tham số
khác như số vòng dây, đường kính, mạch từ xem đã có, ở đây không nhắc đến (chúng ta tham khảo trong tài liệu chế tạo
kháng của Nga, hoặc trang web: www.cpk-energo.ru)
* Quan hệ các thành phần điện kháng trong kháng điện
* Các quan hệ dòng điện chạy trong các cuộn dây của kháng điện
* Chế độ làm việc của các cuộn dây nhánh lọc tần số bậc cao ở chế độ lọc
3.2. PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH ĐIỆN ÁP TRÊN CUỘN DÂY ĐIỀU KHIỂN CỦA KHÁNG
3.2.1. Nguyên tắc điều khiển thyristor
3.2.2. Dạng sóng của cuộn điều khiển theo góc mở α
Nếu xem thành phần cơ bản của dòng điện là thành phần làm việc thì biên độ của thành phần này thay đổi theo góc
mở α của thyristor. Khi thyristor mở hoàn toàn α = 0 biên độ thành phần cơ bản sẽ lớn nhất, khi α = π dòng qua mạch
bằng 0. Vì đây là kháng nên khi điều khiển cuộn điều khiển có điện cảm quan hệ giữa điện áp ngoài và dòng điện trong
mạch có phức tạp hơn nhưng nguyên lý làm việc của Thyristor không có gì thay đổi.
Ta có phương trình điện áp
tUiR
dt
di
L
mDKDK
DK

DK
ω
sin
=+
(3.55)
Với cuộn điều khiển của kháng chỉ có điện trở dây quấn và điện cảm của cuộn điều khiển thì điện áp đặt lên cuộn
điều khiển lúc này là:
π
αλα
π
λ
2
2sin)(2sin
thythy
ftai
UU
−+
−=
tương ứng tải R-L
Nếu phương trình trong một khoảng là u = U
m
cosωt và p là tần số đập mạch p (p=3 trong trường hợp 3 pha Δ) với
mọi α
thy
> φ khi phân tích Furrier điện áp thì ta có:
ππ
ωω
π
π
π

ppU
tpdtUf
m
m
sin)()cos(
2
1
0
==
∫
−
(3.61)
5






+
+−+
−
−
=
+
)1(2
)1(2sin)1(2sin
2
2sin2sin
2

12
k
kk
k
kk
U
a
thythy
m
k
αβαβ
π
(3.62)






−
−
+
+−+
=
+
k
kk
k
kk
U

b
thythy
m
k
2
2cos2cos
)1(2
)1(2sin)1(2cos
2
12
βαβα
π
(3.63)
Trong đó: β = α
thy
+λ là góc tắt dòng điện.
Để hạn chế tác động của chúng, một trong các biện pháp là người ta dùng các bộ lọc cộng hưởng gồm tụ và kháng
được chỉnh định cho từng sóng hài.
Thành phần dòng điện chảy trong kháng lần lượt I
k
, I
ĐK
, I
bù
khi sử dụng lọc cộng hưởng ứng với góc mở α=120
0
được biểu diễn trên hình 3.16 và 3.17.
Hình 3.17: Dạng sóng của dòng điện chảy trong kháng lần lượt I
k
, I

ĐK
sau khi mắc cuộn lọc cộng hưởng
3.3. XÂY DỰNG HÀM ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CHO KHÁNG BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN KIỂU BIẾN ÁP
3.3.1. Xây dựng hàm điều khiển β cho kháng bù ngang nhằm tối ưu tổn thất công suất trên đường dây
Công suất phản kháng của đường dây truyền tải được biểu diễn theo biểu thức sau:
















=−=
2
tn
-1λ
P
P
PQQQ
tnttdtd
(3.73)

Trong đó: Q
dt
- là công suất điện trường của đường dây;
Q
tt
- là công suất từ trường của đường dây.
Để thỏa mãn Q
tt
= Q
dt
+ Q
k
với Q
2
= P
2
.tanφ = 0 khi đó hàm điều khiển của kháng bù ngang là:
2 2
tn dm
β 1- 1-
P I
P I
   
= =
 ÷  ÷
   
(3.84)
3.3.2. Ứng dụng để tính toán công suất của kháng bù trên đường dây 500 kV.
3.3.3. Quan hệ của dòng điều khiển kháng điện với phụ tải đường dây.
Ta thấy hàm phụ thuộc của dòng kháng I

k
theo công suất tác dụng phụ tải là hàm bậc 2. Và nếu phân tích P

=
U
f
Icosφ thì dòng điện kháng cho một pha là:
tnf
stnftnfs
k
PU
PIUPIU
I
λϕϕλ
222
2
sincos
+−−
=
f
stn
tn
fs
U
P
I
P
IU
λ
ϕ

ϕλ
+−
−
= sin
cos
22
(3.87)
Gần đúng cho quan hệ α
thy
theo dòng tải khi cuộn dây điều khiển làm việc ở chế độ ngắn mạch (thành phần cuộn
điều khiển chỉ có R-L , Z
L
>> Z
R
)

như sau:
2
2
2
2
2
2
22
2
2
2
sin
cos
sinsin

)2cos(








+−−−=+
fđm
stn
đmtnđm
fs
LHOMđm
f
thy
UU
PX
U
IX
PU
IUX
XU
UX
λϕ
ϕλα
λ
π
λ

λ
λα
Như vậy, với một giá trị dòng điện tải I và góc lệch pha tải φ ta có được giá trị góc mở α
thy
tương ứng.
3.3.4. Ứng dụng tính toán góc mở α thyristor cho kháng điều khiển lắp đặt trên phân đoạn Đà Nẵng – Pleiku
3.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN GÓC MỞ THYRISTOR
3.4.1. Sơ đồ điều khiển bằng IC thuật toán
3.4.2. Sơ đồ điều khiển IC số
6
Chương 4
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
CHO KHÁNG BÙ NGANG KIỂU BIẾN ÁP
4.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
4.1.1. Khối cảm biến đo lường
1+
=
sT
K
G
U
U
TU
với
vao
ra
U
U
U
K =

(4.1)
1+
=
sT
K
G
I
I
TI
với
max.
max.
vao
ra
I
I
I
K =
(4.2)
sT
G
ϕ
ϕ
1
=
với T
φ
= R
φ
.C

φ
4.1.2. Khối điều khiển thyristor
đ
DK
thy
U
U
K ≈

fp
T
thy
2
2
π
=
1
+
=
sT
K
G
thy
thy
thy
(4.4)
4.1.3. Khối đối tượng là kháng bù ngang kiểu biến áp
Đối tượng kháng được mô tả toán học như sau:
( )
( )

)(
)(
33
3322
2
1
.
sZsLR
sLsZRsLR
C
D
I
I
G
bu
bu
Ik
++
+++−−
===
( ) ( )
( )
1
1
3
2
3
23
2
32

+++
+−++−
=
bubububu
bubububububu
CsRsCLCL
sCRCRsCLCLCL
Tổng dẫn của kháng bù
( )
( )
.
)(
)(
)(
)(
)(
33
3322
2
. k
bu
bu
k
k
Uk
Z
sZsLR
sLsZRsLR
Z
C

D
sI
sU
sG
++
+++−−
===
4.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO KHÁNG CÓ ĐIỀU KHIỂN KIỂU BIẾN ÁP
4.2.1 Tổng hợp hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển được xây dựng sao cho bù dòng phản kháng của đường dây I
Cd
, khi tải bằng 0 thì dòng tải cảm
I
Ltai
= 0, lúc này dòng điện kháng cân bằng với dòng dung đường dây Q
k
= Q
max
. Khi tải định mức thì dòng điện dung
của đường dây cân bằng với dòng tải lúc này dòng điện kháng bằng 0 và luật điều khiển (3.84). Khi đó hệ thống điều
khiển được xây dựng cùng với đường dây như hình 4.10
Hình 3.10: Sơ đồ khối tổng hợp của hệ thống điều khiển kháng điện
Ở đây ta chỉ cần quan tâm đến việc bù công suất phản kháng dư của đường dây sao cho công suất phản kháng tại
điểm bù của đường dây bằng không. Tức là, chức năng của kháng là hiệu chỉnh dòng điện sao cho góc lệch pha của
điện áp u và dòng điện i ở đầu và cuối đường dây là bằng không.
4.2.2. Thiết kế bộ điều chỉnh PID vòng trong cho dòng điện kháng
7
Để bù 100% công suất phản kháng dư của đường dây (dòng và áp đồng pha với nhau)
khi có sự thay đổi phụ tải, tín hiệu đặt cho bộ điều khiển là I
kđặt

của hệ thống và tín hiệu phản
hồi cho bộ điều khiển là dòng điện kháng I
k
cần điều khiển để bù. Hai tín hiệu phản hồi dòng và
áp tải này ta có thể phân tích thành phần lệch pha của chúng để tìm dòng điện cảm I
L
sinh ra
do phụ tải, từ đó điều khiển dòng I
k
sao cho bù vừa đủ điện kháng do đường dây gây ra tức thỏa
mãn phương trình sau:
i
c
= i
k
+ i
L
(4.27)
Theo nguyên lý tối ưu modul (xem phụ lục E) thì:
T
1A
= T
1
; T
1B
= T
2
; T
1R
=2K

1
T
∑
; T
1I
= T
1
+T
2
;

21
21
T1D
TT
TT
+
=

∑
+
=
TK
TT
1
21
2
Kp
( )( ) ( )
( )

( )
( )
sT
TsK
sLsT
TsK
sT
sTsT
sG
ikthyR
BA
h
2
1
11
111
)(
1
3
1
1
11
1
+
=
++
+++
=
(4.33)
( )( )

( ) ( )
ikikik
ik
Ikh
h
k
KTsKsTsT
sTTsK
sGsG
sG
sG
112
11
)()(1
)(
)(
1
1
1
1
1
+++
++
=
+
=
(4.34)
3.2.3. Thiết kế bộ điều chỉnh PID
2
vòng ngoài

Sau khi thiết kế xong bộ điều chỉnh R
1
(s) ở trên, ta thiết kế điều chỉnh R
2
(s) với kết quả từ bộ
điều chỉnh R
1
(s) và sơ đồ hệ thống tương đương như sau:
Theo nguyên lý tối ưu đối xứng (xem phụ lục E):
T
2A
= T
22
; T
2B
= aT
∑
; T
2I
=T
2A
+T
2B
;
BA
BA
TT
TT
22
22

.
T2D
+
=
;

B
I
B
IP
P
T
T
aTK
T
T
TK
K
2
2
2
2
22
2
'
∑
==
; với 4 > a > 1
4.2.4 Áp dụng xây dựng bộ điều chỉnh cho kháng bù ngang kiểu máy biến áp lắp trên phân đoạn Đà Nẵng –
Pleiku

Như đã trình bày mục 3.3, ta đã xây dựng được quan hệ của góc mở thyristor theo dòng tải với các tham số đã có
của đường dây và kháng. Chương trình thiết kế bộ điều khiển được xây dựng trên m-file của Matlab (tham khảo ở phụ
lục E). Kết quả sau khi chạy mô phỏng ta có đáp ứng miền thời gian vòng trong trên hình 4.17, vòng ngoài hình 4.18
kết quả sau khi mô phỏng:
Hình 4.17: Đáp ứng dòng kháng theo miền thời gian sau khi xây dựng bộ điều khiển PID
1
8
Hình 4.18: Đáp ứng lệch pha theo miền thời gian sau khi xây dựng bộ điều khiển PID
2
4.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO KHÁNG BÙ NGANG
4.3.1. Xây dựng luật điều khiển số
- Gián đoạn hóa các luật điều chỉnh liên tục
Có thể tổng hợp mạch điều chỉnh gián đoạn bằng các phương pháp đã áp dụng cho mạch liên tục đã nêu trên, nếu
như quá trình quá độ của mạch vòng kín kéo dài hơn vài lần chu kỳ lấy mẫu τ > 2T (nếu điều kiện này thỏa mãn thì quá
trình quá độ sẽ kết thúc sau 6 đến 10 chu kỹ lấy mẫu).
Khi tổng hợp luật điều chỉnh ta thay phần tử lấy mẫu và tạo tín hiệu nhảy bậc từ tín hiệu liên tục bằng phần từ liên
tục có trễ hoặc bằng phần tử quán tính [5].
( )
1
2
1
2/exp
)(
)(
+
≈−≈
s
T
sT
se

se
s
(4.38)
Đáp ứng của bộ điều chỉnh liên tục PID lý tưởng là:






++=
∫
dt
tde
Tdtte
T
teKtu
D
t
I
)(
)(
1
)()(
0
(4.39)
Khi điều kiện τ ≥ 2T thỏa mãn thì (3.39) có thể thay thành phần tích phân bởi tổng số và thành phần đạo hàm bởi sai
phân khi đó bộ điều khiển số có dạng:
[ ]







−−+−+=
∑
=
)1()()1()()(
0
keke
T
T
ie
T
T
keKku
D
k
i
I
(4.40)
4.3.2. Xây dựng bộ điều khiển PID số cho kháng bù ngang trên Matlab
Ta có sơ đồ khối của hệ thống điều khiển sau khi chuyển đổi z:
Hình 4.21: Sơ đồ biến đổi tương đương hệ thống điều khiển số
Biến đổi sơ đồ khối của hệ điều khiển hình 4.21:
Ta có:
21
2
21

10
)(
BzBz
AzA
zGGH
ik
+−
+
=
(4.53)
43
2
43
210
)(
BzBz
AzA
zGGH
+−
+
=
(4.54)
9
Với a = 1/T
11
; b = 1/T
ik
; c = 1/T
22
;

( ) ( )






−
−−−
=
−−
)(
11
11
1
ab
eKaKeKbK
A
bT
ik
aT
ik
;
( ) ( )
)(
11
11
2
ab
eeKbKeeKaK

A
bTaT
ik
aTbT
ik
−
−−−
=
−−−−
;
)(
1
bTaT
eeB
−−
+=
)(
2
bTaT
eeB
−−
;
( ) ( )






−

−−−
=
−−
)(
11
2121
3
ac
eKaKeKcK
A
cTaT
;
( ) ( )
)(
11
2121
4
ac
eeKcKeeKaK
A
cTaTaTcT
−
−−−
=
−−−−
;
)(
3
cTaT
eeB

−−
+=
;
)(
4
cTaT
eeB
−−
=
.
- Bộ điều khiển PID số:
z
z
T
K
z
z
TKKzG
D
IPPID
1
1
)(
1
111
−
+
−
+=
(4.55)

)2()1()2()1()(
2121
−+−+−−−= kuAkuAkyBkyBky
; (4.56)
)2()1()2()1()(
4343
−+−+−−−=
kuAkuAkiBkiBki
kphkphkph
; (4.57)
)()( kyky
ph
=
; (4.59)
)1()1()()1()(
121111101
−+−++−=
keAkeAkeAkuku
; (4.60)
)1()1()()1()(
22221220211
−+−++−=
keAkeAkeAkxkx
. (4.61)
Trong đó:
A
0
= K
P
+K

I
T/2+K
D
/T;
A
1
= -K
P
+K
I
T/2-2K
D
/T;
A
2
= K
D
/T;
e
1
(k)=x
1
(k) - i
kph
(k); (4.62)
e
2
(k) = x (k) - y
ph
(k). (4.63)

4.3.3. Mô phỏng quá trình tác động của bộ điều khiển đã thiết kế lên các thông số kháng bù ngang và thông số
trên đường dây truyền tải
Từ các phương trình sai phân trên ta tính giá trị đầu ra góc lệch pha của hệ thống điều khiển theo hàm truyền số.
Với các hệ số K
1P
, K
1I
, K
1D
, của bộ điều khiển thứ nhất PID
1
và K
2P
, K
2I
,K
2D
của bộ điều khiển số thứ hai PID
2
, được xác
định bằng thực nghiệm và xây dựng chương trình thực nghiệm trên M-file của Matlab.
10
Hình 4.24: Kết quả chương trình xây dựng bộ điều khiển trên matlab đáp ứng đầu ra và sai lệch giữa tín hiệu đầu ra (phản hồi) so với tín
hiệu đặt đầu vào
Ta sẽ xây dựng chương trình trên M-file sau đó thực hiện online với thiết bị phần cứng của kháng điều khiển qua
card điều khiển trên máy tính. Khi đó, mô hình đối tượng hay các tham số của bộ điều chỉnh ta có thể thay đổi cho phù
hợp với mong muốn của đáp ứng hệ thống (chương trình tham khảo trong phần phụ lục F) và kết quả sau khi mô phỏng
trên Matlab thể hiện với kháng điều khiển và các tham số của phân đoạn đường dây Đà Nẵng - Pleiku đã xét ở chương
3.
Sau khi thiết kế xong bộ điều khiển số ở trên, ta thực hiện mô tả hoạt động của hệ thống trên sơ đồ lắp ráp bằng

thư viện của simulink cho bộ điều khiển vừa xây dựng. Việc xây dựng bộ điều khiển dựa trên các phương trình toán học
mô tả đối tượng nên khi lắp ráp vào thực tế thì độ chuẩn xác được đánh giá thông qua quá trình thiết lập mô hình toán
học của đối tượng. Sau đây ta xây dựng kháng đối tượng bằng các khối có sẵn trong thư viện Simulink như máy biến áp
(tương đương với kháng), thyristor (van điều khiển), tụ và cuộn cảm (vai trò cuộn lọc sóng hài) phần này tham khảo
trong phụ lục D.
Hình 4.25: Sơ đồ lắp kháng bù ngang có điều khiển một pha trên simulink
Kết quả mô phỏng của hệ thống điều khiển kháng bù ngang có điều khiển tương ứng với các chế độ không tải,
50% và tải tự nhiên như sau:
- Biểu đồ thời gian dòng điện và điện áp tại nút lắp đặt kháng tại đầu đường dây truyền tải trước khi thực hiện bù
(góc α thyristor điều khiển 180
0
) và sau khi bù 100% công suất phản kháng dư đường dây ở chế độ không tải xem trên
hình 4.26.
Hình 4.26: Dòng điện, điện áp tại nút lắp đặt kháng và dòng qua kháng bù ngang khi đường dây không tải.
- Khi công suất truyền tải của đường dây đạt 100% thì lượng điện kháng trên đường dây không còn nữa nên lúc
này dòng cảm kháng của kháng không cần cung cấp cho lưới điện. Biểu đồ thời gian của dòng điện và điện áp tại nút
lắp đặt kháng trên đường dây truyền tải như hình hình 4.30 ở chế độ đường dây truyền tải công suất bằng tự nhiên.
11
Hình 4.30: Dòng điện, điện áp tại nút lắp đặt kháng trên đường dây và dòng qua kháng bù ngang khi đường dây truyền tải công suất tự
nhiên
Chế độ vận hành liên tục thay đổi tải: (để dễ quan sát ta tách chế độ tăng tải với các mức tăng là: 0%, 20%, 50%, và
100% công suất tự nhiên).
- Trên hình 4.33 biểu diễn giá trị dòng điện, điện áp trên đường dây truyền tải và dòng điện kháng tại nút lắp đặt
kháng.
Hình 4.33: Biểu diễn dòng điện, điện áp và dòng kháng trên đường dây truyền tải điện khi công suất truyền tải trên đường dây thay đổi từ 0,
20%, 50% và 100% so với tải tự nhiên
Ta thấy dòng điện kháng i
k
= 0 ở thời điểm đầu 0s – 0.1s, lúc này chỉ có dòng điện dung trên đường dây vượt
trước điện áp góc π/2, đến thời điểm 0.1s – 0.2s lúc này đưa kháng vào điều khiển, dòng kháng i

k
lúc này cực đại và sau
2 chu kỳ lưới thì dòng điện truyền tải đồng pha với điện áp. Tương tự thời gian 0.2s – 0.3s, 0.3s – 0.4s, 0.4s – 0.5s công
suất truyền tải tăng dần các mức 20%, 50% và 100% công suất truyền tải tự nhiên tương ứng với dòng kháng i
k
giảm
dần từ max đến min.
Trường hợp khi đường dây làm việc ở các chế độ giảm dần công suất truyền tải từ tự nhiên đến không tải
(mô phỏng các mức tải giảm là từ: 100%, 50%, 20%, và 0%)
- Trên hình 4.39 biểu dòng điện, điện áp và dòng kháng khi thực hiện quá trình thay đổi công suất truyền tải:
Hình4.39: Biểu diễn dòng điện I, áp u trên đường dây truyền tải và dòng điện kháng i
k
, 0.1s giảm tải còn 50%, 0.2s giảm tải còn 20%, 0.3s
giảm còn 0% (không tải)
 Từ những kết quả mô phỏng tương ứng với các trường hợp công suất truyền tải trên đường dây thay đổi từ 0
cho đến công suất tự nhiên cho thấy bộ điều khiển được thiết kế đã đáp ứng được yêu cầu thay đổi mức bù của kháng
12
bù ngang kiểu máy biến áp để bù 100% công suất phản kháng dư của đường dây truyền tải. Việc bù hoàn toàn công suất
phản kháng dư của đường dây là do kháng bù ngang kiểu biến áp được điều khiển theo hàm (3.84) để loại bỏ hoàn toàn
thành phần dòng phản kháng trên đường dây nhằm tối ưu tổn thất công suất trên đường dây truyền tải 500 kV.
13
KẾT LUẬN
Các kết quả đã đạt được
Với đề tài “nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho Kháng bù ngang có điều khiển kiểu biến áp” luận văn đã giải
quyết được các nội dung cơ bản sau:
- Dựa trên các mô tả toán học, biểu diễn quan hệ điện từ giữa tín hiệu điều khiển của các van bán dẫn với các
tham số kháng cũng như quan hệ khi điều khiển Kháng bù ngang kiểu máy biến áp với các thông số trên đường dây
truyền tải. Thiết lập luật điều khiển cho Kháng bù ngang có điều khiển kiểu biến áp nhằm tối ưu tổn thất công suất trên
đường dây khi công suất tuyền tải trên đường dây thay đổi từ không tải đến công suất tự nhiên.
- Thiết kế bộ điều khiến cho kháng bù ngang kiểu biến áp với tham số bộ điều khiển tương tự và số, tính toán

cho kháng nếu lắp đặt trên phân đoạn 500 kV Đà Nẵng – Pleiku với hàm điều khiển tối ưu được xây dựng để bù 100%
công suất phản kháng dư trên đường dây truyền tải.
- Xây dựng chương trình mở trên m-file mang lại nhiều ưu điểm hơn trong việc lựa chọn các tham số của bộ điều
khiển và với một giá trị KP, KI, KD của bộ điều khiển PID khi chọn, cho ta một đáp ứng trên miền thời gian khác nhau
khi đó việc tối ưu hóa các hệ số này sẽ được quan sát một cách trực tiếp (nội dung của chương trình xem ở phụ lục F)
để lựa chọn bộ điều chỉnh tốt nhất.
- Mô phỏng trên Matlab – Simulink khẳng định hiệu quả tác động nhanh và tính chính xác của bộ điều khiển đã
thiết kế để điều chỉnh tự động bù công suất phản kháng dư trên phân đoạn đường dây truyền tải điện 500 kV Đà Nẵng-
Pleiku. Với kết cấu gần đúng của kháng đã được xây dựng trong Simulink (phụ lục D) cũng cho phép bổ sung thêm vào
thư viện Matlab một mô phỏng thiết bị mới.
Hạn chế còn tồn tại
Do kiến thức chuyên môn cũng như thời gian còn nhiều hạn chế nên luận văn chỉ dừng lại ở mức độ mô phỏng
trên Matlab – Simulink.
- Chỉ đưa ra 2 phương pháp xây dựng bộ điều khiển cho một đối tượng với các thông số của đối tượng giả định
nên kết quả chưa thật đầy đủ và chính xác.
- Chưa xây dựng cũng như mô phỏng được hiệu quả bù công suất phản kháng của kháng bù ngang kiểu máy biến
áp khi hàm điều khiển đáp ứng theo các tiêu chí kinh tế-kỹ thuật truyền tải khác nhau (như đáp ứng tối ưu tổn thất công
suất kết hợp đáp ứng ổn định điện áp ).
Hướng mở rộng đề tài
- Nghiên cứu thiết kế và xây dựng các bộ điều khiển theo các phương pháp khác như sử dụng khâu quan sát,
Fuzzy – Neural có xét đếm các tham số phi tuyến…
- Nghiên cứu mở rộng phạm vi điều chỉnh hệ số bù của kháng bù ngang kiểu máy biến áp với β từ -1 đến +1 từ
chế độ đường dây không tải đến truyền tải công suất trên công suất tự nhiên và tiến hành mô hình hóa trên thiết bị thực
với các tham số được xây dựng trên lý thuyết và tiến hành hiệu chỉnh online trên thiết bị.