Ứng dụng thiết bị FACTS trong điều khiển điện áp hệ thống điện

ABSTRACT
With the widespread application of FACTS (Flexible Alternating Current
Transmission System) devices and secondary voltage control in power system at
present. In this paper proposes a new coordinated secondary voltage control scheme for
power systems have SVC (Static Var Compensator) and STATCOM (Static
Synchronous Compensator), based on synchronised voltage measurements for all
nodes by phasor measurement units (PMUs) and extensive communication networks.
The objective is to enhance the quality of voltage for power systems.
The secondary voltage control scheme developed in the paper is based on the
linearisation of the power system load-flow equations about the current operating point
defined by nodal voltages obtained from phasor measurement units (PMUs).
iv
1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÁC THIẾT BỊ FACTS
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. Giới thiệu:
Hiện nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS, đặc
biệt là sử dụng các thiết bị phát nguồn công suất phản kháng cho hệ thống lưới điện
nhằm đảm bảo ổn định điện áp cho hệ thống [1]. Tuy nhiên, việc đánh giá, lựa chọn
thiết bị phát công suất nào hợp lý, cũng như dung lượng bù tối ưu trong phân tích ở
chế độ xác lập, quá độ là chưa được quan tâm sâu sắc.
Theo thực tế hiện nay, hệ thống điện chúng ta đang sử dụng là hệ thống điện
xoay chiều. Hệ thống điện xoa y chiều là một hệ thống điện phức tạp, gồm có các
máy phát đồng bộ, đường dây truyền tải , máy biến áp, các thiết bị bù và các phụ
tải…và được chia thành ba khâu: sản xuất, truyền tải và phân phối.
Một hệ thống điện xoay chiều hoạt động cơ bản phải thỏa các yêu cầu sau:
-
-
-
-

-
Các máy phát điện làm việc trong chế độ đồng bộ.
Điện áp vận hành nằm trong giới hạn cho phép theo qui định.
Tần số vận hành nằm trong giới hạn cho phép theo qui định.
Các phụ tải phải được cung cấp nguồn điện đầy đủ.
Các đường dây phải được vận hành ở điều kiện bình thường không quá
tải.
Trong hệ thống điện, c ông suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vào
tổng trở đường dây, điện áp và góc truyền tải giữa điểm đầu và điểm cuối của
đường dây, những đại lượng này giới hạn công suất truyền tải trên đường dây. Vì
vậy, khả năng truyền tải công suất của đường dây được cải thiện đáng kể bằng việc
tăng công suất phản kháng ở phía phụ tải, lắp cuộn kháng bù ngang (mắc song
2
song), tụ điện bù dọc (mắc nối tiếp) vào đường dây để điều khi ển điện áp dọc theo
chiều dài đường dây.
Để nâng cao chất lượng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt
Nam, hiện tại đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bù
công suất phản kháng. Tuy nhiên, các thiết bị bù đó vẫn chưa đáp ứng được các yêu
cầu về phản ứng nhanh nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công
suất phản kháng. Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS-Flexible
AC Transmission System) đã đáp ứng được yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy
cũng như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc.
FACTS dùng để nâng cao khả năng điều khiển hệ thống điện và tăng khả năng
truyền tải công suất trên đường dây.
FACTS được định nghĩa bởi IEEE là : “ Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử
công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ
thống đường dây tải điện xoay chiều, qua đó, nâng cao khả năng điều khiển và khả
năng truyền tải công suất”[2].
Qua định nghĩa FACTS, nhận thấy tầm quan trọng của thiết bị FACTS đến hệ
thống điện có sự ảnh hưởng rất lớn về kinh tế và kỹ thuật.

Trong thực tế, do tính chất tiêu thụ điện ở từng thời điểm luôn khác nhau, cho
nên trình trạng vận chuyển công suất trên các đường dây truyền tải cũng khác nhau,
có thể tại một thời điểm trên hệ thống sẽ có những đường dây bị quá tải trong khi
các đường dây khác thì non tải và ngược lại.
Với đà phát triển công nghiệp hóa như hiện nay, đòi hỏi nhu cầu truyền tải để
đáp ứng cho các phụ tải ngày càng cao và hiện nay đường dây truyền tải cao áp luôn
đặt trong trình trạng báo động về giới hạn vật lý của chúng như là quá tải đường
dây, những hiện tượng nhiễu hệ thống như là hiện tượng dao động tần số, điện áp….
Nhằm tăng khả năng truyền tải điện năng trên hệ thống điện, khắc phục những
nhược điểm nêu trên, trên thế giới người ta đã sử dụng các thiết bị FACTS. Các
thiết bị này được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của đường
3
dây xoay chiều cao áp. Các thiết bị FACTS đã giúp cho nhà cung cấp điện những
lợi ích sau đây:
-
-
-
-
-
Tận dụng lưới truyền tải hiện hữu để lắp đặt các thiết bị FACTS.
Giảm chi phí đầu tư.
Tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải.
Tăng độ ổn định quá độ của lưới.
Tăng chất lượng cung cấp điện năng cho các ngành công nghiệp và các
ngành có yêu cầu chất lượng điện năng cao.
-
Ảnh hưởng không đáng kể đến môi trường xung quanh.
1.2. Đặt vấn đề:
Để hệ thống điện hoạt động linh hoạt ở mọi tình huống, kể cả tình huống sự cố
nghiêm trọng nhất , thì phải có thiết bị để điều khiển các đại lư ợng trong hệ thống

điện. Đại lượng được nghiên cứu trong luận văn này chính là đại lượng điện áp,
theo nhận định thực tế, các sự cố tan rã hệ thống điện gần đây đều có liên quan đến
sự sụp đổ điện áp hoặc là mất ổn định điện áp, mà nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự
sụp đổ điện áp thường là do sự không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng, do
tăng mạnh bất t hường của nhu cầu phụ tải, nhất là các phụ tải công nghiệp (các
công ty luyện sắt, thép…).
Điện áp là một trong những đại lượng quan trọng để đánh giá chất lượng điện
năng. Ổn định điện áp đáp ứng khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ
thống ở trong một phạm vi cho phép (tùy thuộc vào tính chất mỗi nút mà phạm vi
dao động cho phép của điện áp sẽ khác nhau). Trong điều kiện vận hành không bình
thường hoặc sau các nhiễu loạn, hệ thống sẽ đi vào trạng thái không ổn định khi
xuất hiện các kích động như tăng tải đột ngột hay thay đổi các thông số của hệ
thống. Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng nề nhất
có thể rơi vào trình trạng không thể điều khiển được hay còn gọi là sụp đổ điện áp.
Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến s ự mất ổn định và sụp đổ điện áp thường là do không
đáp ứng đủ các nhu cầu công suất phản kháng cần thiết khi phụ tải tăng bất thường
và đột biến.
4
Trước đây, khi mà ngành công ngh điện tử công suất cao chưa phát triển
mạnh thì việc nâng cao chất lượng điện áp trên hệ thống điện bị hạn chế và thời
gian đáp ứng cũng rất chậm, bởi vì lúc đó ta phải thực hiện việc đóng cắt các khóa
cơ khí các phần tử điện như là cuộn dây, tụ điện, bộ chuyển đổi nấc máy biến
áp…để ổn định điện áp trên hệ thống.
Ngày nay, với sự phát triển mạnh và nhanh của các thiết bị điện tử công suất
lớn, điện áp cao cho nên công nghệ FACTS ra đời nhằm giúp cho quá trình thực
hiện điều khiển điện áp trên hệ thống điện, cụ thể là đường dây truyền tải được linh
hoạt và nhanh chóng, một số nước tiên tiến đã sử dụng thiết bị FACTS trong mạng
truyền tải, cụ thể như Mỹ, Canada, Brazil… là những nước tiên phong sử dụng
công nghệ FACTS. Các thiết bị FACTS thường được sử dụng là:
- SVC (Static Var Compensator): Bộ bù công suất VAR tĩnh.

- UPFC (Unified Power Flow Controller): Bộ điều khiển dòng công suất hợp
nhất.
- STATCOM (Static Synchronous Compensator): Bộ bù đồng bộ tĩnh.
-TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator): Bộ bù dọc điều khiển
thyristor.
- SSSC (Static synchronous series compensator): Bộ bù nối tiếp đồng bộ
tĩnh.
- HVDC (Hight voltage direct current): Dòng một chiều điện áp cao.
ệ
5
1.3. Ứng dụng của thiết bị FACTS trong hệ thống điện:
1.3.1. Bộ bù công suất VAr tĩnh SVC (Static VAr Compensator):
Nút điện áp cao
Máy biến áp
ghép bộ
Nút điện áp thấp
TCR-TSR TSC Fillter FC FR
Hình 1.1: Sơ đồ kết nối bộ SVC với hệ thống điện.
Hình 1.1. Trình bày cấu trúc và những thành phần chính của bộ SVC [3]. Bộ
SVC được áp dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải với nhiều mục đích khác nhau.
Mục đích cơ bản nhất thường được sử dụng là để điều khiển điện áp tại điểm yếu
nhất trong hệ thống điện. Nó thường được lắp đặt ở điểm giữa của đường dây truyền
tải liên kết giữa các vùng tải. Nhờ độ chính xác cao, tính khả dụng và đáp ứng
nhanh, các thiết bị SVC có thể cung cấp trạng thái ổn định và điều khiển điện áp
quá độ có chất lượng cao so với kiểu bù rẽ nhánh thông thường. Các thiết bị SVC
cũng được sử dụng để làm giảm các dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ
và giảm tổn hao hệ thống nhờ tối ưu điều khiển công suất phản kháng.
6
1.3.2. Bộ bù đồng bộ tĩnh STATCOM (Static Synchronous Compensator):
V

V
o
I
Hệ thống điện
V
dc
STATCOM
Hình 1.2: Sơ đồ kết nối bộ STATCOM với hệ thống điện
Bộ STATCOM là một thiết bị bù ngang , nó chuyển đổi nguồn điện áp một
chiều thành điện áp xoay chiều để bù công suất phản kháng cho hệ thống điện.
STATCOM không yêu cầu các thành phần cảm kháng và dung kháng lớn để
cung cấp công suất phản kháng cho các hệ thống truyền tải cao áp. Một lợi thế khác
là đầu ra phản ứng nhanh ở điện áp hệ thống thấp.
7
1.3.3. Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh SSSC (Static Synchronous Series
Compensator):
I
Vc
I
Hệ thống
điện
V
dc
SSSC
Hình 1.3: Sơ đồ kết nối SSSC với hệ thống điện
Bộ SSSC là thiết bị bù nối tiếp vào đường dây, nó có thể phát ra một lượng
điện áp được yêu cầu của hệ thống điện, nó có thể biến đổi điện áp của hệ thống từ
AC sang điện áp DC . Bộ SSSC có thể điều khiển cả công suất thực và công suất
kháng với hệ thống AC.
1.3.4. Bộ bù dọc điều khiển bằng thyristor TCSC (Thyristor Controlled Series

Compensation):
iline
ic
+ C -
t1
il
Ls
t2
Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của bộ TCSC
8
Bộ TCSC là một thiết bị bù dùng trong truyền tải điện, để nâng cao khả năng
ổn định của hệ thống điện, đặc biệt là khả năng ổn định động trong chế độ sự cố.
1.3.5. Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất UPFC (Unified Power Flow
Controller).
V
V
I
I
Vc
I
V
dc
STATCOM
Bộ UPFC
SSSC
Hình 1.5: Sơ đồ kết nối UPFC với hệ thống
Bộ UPFC là một thiết bị dùng để điều khiển dòng công suất trên đường dây
truyền tải điện. UPFC cho phép điều khiển đồng thời dòng công suất thực, dòng
công suất phản kháng và độ lớn điện áp tại thanh cái kết nối.
Qua phân tích những ứng dụng của các thiết bị FACTS được nêu trên, tôi

nhận thấy giải pháp điều khiển điện áp trong hệ thống điện bằng bộ STATCOM
(Static Synchronous Compensator) và bộ SVC (Sta tic VAr Compensator) có ưu
điểm tốt nhất, đây là hai thiết bị bù được sử dụng để điều khiển điện áp trên đường
dây truyền tải, hai thiết bị này hoạt động với độ chính xác cao, đáp ứng nhanh các
dao động khi hệ thống bị nhiễu, có thể đạt được trạng thái ổn định và điều khiển
điện áp với chất lượng cao và linh hoạt nhất. Đó cũng là lý do để tôi chọn hai thiết
bị FACTS là SVC và STATCOM nối song song , đồng thời sử dụng bộ điều khiển
o
o
9
điện áp cấp 2 phối hợp với bộ đo lường đại lượng phức (PMUs) và mạng truyền
thông diện rộng để điều khiển biên độ điện áp ở tất cả các nút trong hệ thống điện.
Mục đích chính của luận văn là xây dựng chiến lược điều khiển điện áp trong
hệ thống điện có các thiết bị FACTS thuộc loại SVC và STATCOM. Chiến lược
điều khiển sẽ phối hợp việc điều khiển điện áp tai các máy phát với chức năng điều
khiển điện áp của các thiết bị SVC và STATCOM. Chiến lược điều khiển được xây
dựng dựa trên cơ sở cực tiểu độ lệch điện áp so với giá trị định mức tại các nút tải.
Điện áp tại các nút tải được đo lường thông qua bộ đo lường đại lượng phức, trong
đó đo cả biên độ và góc pha của điện áp nút, và mạng truyền thông diện rộng.
Chiến lược điều khiển được xây dựng trong luận văn đã được ứng dụng cho
một mạng điện tiêu biểu. Các kết quả mô phỏng cho thấy tính hiệu quả và khả năng
áp dụng chiến lược điều khiển cho mạng điện thực tế.
10
CHƯƠNG 2:
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ
FACTS NỐI SONG SONG
Để làm cơ sở cho việc xây dựng chiến lược điều khiển điện áp cho hệ thống
điện có các thiết bị SVC và STATCOM. Trong chương này sẽ trình bày cấu tạo và
nguyên lý làm việc của hai loại thiết bị FACTS được nêu trên.
2.1. Bộ SVC (Static VAr Compensator): Bộ bù công suất VAr tĩnh.

2.1.1. Mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ SVC:
Thành phần chính và cấu tạo điển hình của bộ SVC [3,4], gồm có:
Nút điện áp cao
Máy biến áp
ghép bộ
Nút điện áp thấp SVC
Filters
TSCs TCR
Hình 2.1: Bộ SVC kết nối với hệ thống điện
Hầu hết các bộ SVC luôn luôn được kết nối đến mạng lưới tải điện thông qua
một máy biến áp tăng áp ghép bộ. Ở phía nút điện áp thấp của máy biến áp, nói
chung có 3 phần tử được sử dụng: cuộn kháng điều khiển bằng thyristor (TCR), bộ
tụ chuyển mạch bằng thyristor (TSCs) và bộ lọc sóng hài ổn định.
11
2.1.1.1. TCR (Thyristor Controlled Reactor): Là thiết bị dùng điều khiển một
cách liên tục dòng điện qua cuộn cảm mắc song song với lưới bằng cách điều khiển
góc kích của thyristor và được nối vào thanh cái điện áp thấp.
Sơ đồ mạch một pha của bộ TCR, bao gồm cặp thyristor mắc song song,
ngược chiều nhau và nối vào cuộn điện kháng tuyến tính.
Nút điện
áp thấp SVC
XL
T
G
Hình 2.1.1: Cấu tạo bộ TCR
Trong đó:
X L: Điện kháng chính.
T : Thyristor có chức năng điều chỉnh dòng điện đi qua TCR.
G : Cực kích của thyristor.
Đóng ngắt có điều khiển các thyristor kết hợp với đáp ứng của cuộn kháng

tuyến tính cho phép điện kháng hiệu dụng tần số cơ bản của TCR, mà nó là hàm số
của góc kích, thay đổi một cách liên tục từ giá trị điện kháng xác định của cuộn
kháng (ứng với trạng thái dẫn hoàn toàn của Thyristor) đến một giá trị vô hạn (ứng
với trạng thái ngắt của thyristor). Điện kháng hiệu dụng của bộ TCR được cho trong
biểu thức sau:
Trong đó:
X tcr (〈 ) = X L


− 2
〈
− sin
〈
(2.1)
12
α : là góc trể, được đo từ đỉnh của điện áp đặt của TCR, 0 ≤ α ≤ π/2
X tcr : là điện kháng hiệu dụng của bộ TCR ở tần số cơ bản.
X L : là điện kháng của cuộn kháng ở tần số cơ bản.
2.1.1.2. TSC (Thyristor Switched Capacitor): Là thiết bị bù công suất phản
kháng được điều chỉnh theo dạng nhảy cấp, nó có khả năng đóng cắt tụ điện bằng
cách kích đóng ngắt các thyristor. Bộ TSC kết hợp với bộ TCR sẽ cho phép điện
kháng tương đương của chúng có thể thay đổi liên tục từ tính dung sang tính kháng.
Sơ đồ mạch một pha của bộ TSC, bao gồm cặp thyristor mắc song song,
ngược chiều nhau và nối vào bộ tụ điện.
Nút điện áp thấp SVC
C
G
T
Hình 2.1.2: Cấu tạo bộ TSC
Trong đó:

- C : Bộ tụ điện.
- T : Thyristor có chức năng đóng hoặc ngắt bộ tụ điện.
- Van thyristor được đóng mở phụ thuộc vào tí n hiệu xung điều khiển
vào cực G của thyristor.
Bộ TSC thực chất là bộ tụ điện được đóng mở bằng hai thyristor nối song song
và ngược chiều nhau, khi thay đổi tín hiệu xung sẽ làm thay đổi giá trị điện dung C
trong mạch.
13
2.1.1.3. Fixed Filters: Là thiết bị dùng để lọc sóng hài. Mục đích là lọc các
sóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng cho phụ tải. Các sóng hài bậc cao xuất
hiện do chế độ làm việc của TCR gây ra (khi thyristor dẫn không hoàn toàn, dòng
điện qua TCR sẽ không có dạng hình sin).
Sơ đồ mạch một pha của bộ lọc sóng hài gồm có cuộn điện kháng X L nối
tiếp với bộ tụ điện C.
Nút điện áp thấp SVC
C
XL
Hình 2.1.3: Cấu tạo bộ lọc sóng hài
Trong đó:
C : Bộ tụ điện.
X L : Cuộn điện kháng
Các phụ tải phi tuyến và cả phần tử điều chỉnh công suất phản kháng (TCR)
là nguồn tạo ra các sóng hài bậc cao. Trong hệ thống điện 3 pha, các thành phần bậc
cao xuất hiện và ảnh hưởng chủ yếu là bậc 5,7,11 và 13, riêng sóng h ài bậc ba
thường được hạn chế hoặc loại bỏ nhờ hình thức đấu dây của máy biến áp hoặc giải
thuật điều khiển cung cấp cho các bộ biến đổi công suất. Các mạch lọc cộng hưởng
được điều chỉnh đến các giá trị tần số của các thành phần sóng hài bậc cao cần được
khử bỏ và lúc đó mạch lọc cộng hưởng tác động như trở kháng ngắn mạch cho các
sóng hài bậc cao này nên hạn chế ảnh hưởng của nó lên nguồn điện áp của lưới
điện.

Khi thay đổi góc kích α của thyristor, điện kháng hiệu dụng c ủa bộ TCR sẽ
thay đổi th eo phương trình 2.1. Sự thay đổi điện kháng của TCR sẽ thay đổi điện
14
kháng hiệu dụng của SVC. Với nguyên lý làm việc như trên , cho nên bộ SVC có thể
cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng cho một hệ thống truyền tải điện. Sự
thay đổi để phát hay thu công suất phản kháng nhằm mục đích điều chỉnh giá trị
điện áp tại điểm kết nối với hệ thống điện.
Nút điện áp cao SVC
Isvc
Y
Máy biến áp
ghép bộ
Plsvc
Nút điện áp thấp SVC
SVC
Hình 2.2: Sơ đồ bộ SVC
I svc : Dòng điện của SVC với điện áp ở nút điện áp cao.
P lsvc : Công suất tác dụng bơm vào bên trong máy biến áp ghép
bộ từ nút điện áp thấp SVC.
2.1.2. Chế độ xác lập bộ SVC:
Theo hình 2.3 biểu diễn m ột đường bao làm việc điển hình và đường đặc
tuyến ở trạng thái xác lập của bộ SVC với đầu ra làm việc liên tục trong chế độ điều
khiển sụt áp [4]. Trong miền điều chỉnh, dòng điện phản kháng được cho bởi:
I
I
RAT
=
(

V

−

V

REF

)
slope
(2.2)
Trong đó tất cả các giá trị được tính trong hệ đơn vị tương đối (pu) và dòng
điện âm chỉ sự làm việc của dòng điện dung. Giá trị V REF nằm trong giới hạn giữa
0.95 đến 1.05 và độ dốc được giới hạn giữa 1% đến 10 %.
15
Hình 2.3 biểu diễn một đường bao là m việc điển hình và đường đặc tuyến ở
trạng thái xác lập của bộ SVC:
Điện áp cao
Giới hạn điện
cảm (Bmin)
Giới hạn điện
dung (Bmax)
IC (dòng điện dung)
Đường đặc tuyến đặc trưng ở
trạng thái xác lập trong chế độ
điều khiển điện áp
IL (dòng điện cảm)
Hình 2.3: Đường đặc tính đặc trưng của SVC
Một mô hình xác lập đều được mô tả mục đích của đường đặc tính ở trạng
thái xác lập. Tuy nhiên, trong nhiều chương trình phân bố công suất, dạng đường
đặc tính này thì không thực hiện chính xác. Một mô hình được sử dụng rộng rãi mà

có thể ứng dụng hầu hết cho các chương trình phân bố công suất là mô hình trong
đó SVC được biểu diễn bằng một nút PV đặt sau điện kháng như được trình bày ở
hình 2.4. Nút PV có điện áp bằng với điện áp đặt của SVC và điện kháng, trong hệ
đơn vị tương đối được cho bởi công thức:
X
SL
=
slope
I
RAT
(2.3)
16
Hình 2.4 biểu diễn mô hình tải rút gọn của SVC:
Các nhánh nối đến phần
còn lại của hệ thống
Nút P,Q của hệ thống
XSL
Trạng thái nút P,V
P=0
V= VREF
QMIN = BMIN
QMAX = BMAX
Hình 2.4: Mô hình tải rút gọn của SVC
Như vậy, khi đưa ra đường đặc tính điều chỉnh vượt q uá giới hạn làm việc
của bộ điều khiển. Quá giới hạn này, bộ SVC sẽ làm việc như một điện nạp không
đổi. Hình 2.5 so sánh kết quả của những đường đặc tuyến, nhận thấy:
Đáp ứng tốt ở những điện áp thấp và quá giới hạn làm việc của bộ điều khiển
thì vẫn được đáp ứng, nhưng với điện áp cao thì khả năng đáp ứng của bộ SVC bị
giảm.
17

Hình 2.5 biểu diễn kết quả của những đường đặc tuyến:
1.4
1.2
0.8
0.6
0.4
0.2
V(pu) V(pu)
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-1 -0.5 0 0.5 1
-2
-1
0 1
2
Công suất phản kháng lúc điện áp cao (pu) Dòng điện phản kháng (pu)
Hình 2.5: Đường đặc tuyến điển hình: Định mức +1/0.5pu lúc V=1pu; Mục tiêu
V=1.0pu, độ dốc= 5% .
Chú thích:
: Đường đặc tuyến của SVC.
: Chế độ tải 1.
: Chế độ tải 2.
Để nhận được đường đặc tính điều chỉnh điện áp thấp, điện nạp song song có
thể được thêm vào bằng với điện nạp bộ SVC lớn nhất, được biểu diễn ở hình 2.6.

18
Hình 2.6 biểu diễn mô hình 2 cho dòng tải SVC (ứng với điện áp thấp):
Các nhánh nối đến phần còn lại của hệ thống
Nút P,Q của
hệ thống
XSL/(1+slope)
BMAX
Trạng thái nút P,V
P=0
V=VREF/(1+slope)
QMIN = BMIN- BMAX
QMAX= 0
Hình 2.6: Mô hình 2 cho dòng tải SVC (ứng với điện áp thấp)
Hình 2.7 biểu diễn mô hình mở rộng của tải 1, trong đó nút điện áp thấp của
bộ SVC và điện kháng máy biến áp ghép bộ thì được mô tả. Trong mô hình này, nút
điện áp thấp bộ SVC thì được yêu cầu để điều chỉnh điện áp của một nút giả định
mà nó được xác định bên trong điện kháng máy biến áp. Chú ý, mức phản kháng lúc
điện áp thấp thì khác với mức phản kháng lúc điện áp cao, bởi do ảnh hưởng của
máy biến áp ghép bộ, với điện nạp tương đương và được liên hệ bởi:
1 1
B
LV
B
HV
(2.4)
= − X
T
19
Hình 2.7 biểu diễn mô hình 3 cho dòng ảt i SVC ( biểu diễn nút điện áp
thấp):

Các nhánh nối đến phần còn
lại của hệ thống
Nút P,Q hệ thống
XSL
Hình thức nút P,V
P=O, V=VREF
XT-XSL
Điều chỉnh
điện áp
Nút LV SVC
P=0
QMIN=BMIN/(1-BMIN.XT)
QMAX=BMAX/(1-BMAX.XT)
Hình 2.7: Mô hình 3 cho dòng tải SVC (biểu diễn nút điện áp thấp)
Điều này giống như việc sử dụng nút điện áp thấp LV của bộ SVC để điều
chỉnh điện áp cho một nút giả định, có thể mở rộng đường bao giới hạn bộ SVCs
nối đến cuộn dây thứ 3 của máy biến áp. Sử dụng nối hình sao các cuộn dây máy
biến áp, với hình thức điều chỉnh điện áp nút đã được lắp đặt bên trong nhánh điện
áp cao và được nối hình sao.
Nếu bộ SVC làm việc trong chế độ MVAr không đổi, vậy thì khi khảo sát ở
trạng thái xác lập, nó có thể được biểu diễn bằng một nguồn MVAr không đổi. Để
khảo sát những vị trí làm việc ngẫu nhiên, yêu cầu điện áp nên thay đổi cho đến khi
đầu ra MVAr lặp lại ngẫu nhiên đáp ứng theo yêu cầu đạt được.
20
Giải thích ký hiệu:
X T : Điện kháng của máy biến áp ghép bộ.
B LV : Điện dung ở điện áp thấp.
B HV: Điện dung ở điện áp cao.
B: Điện nạp bộ SVC tương đương từ thanh cái hệ thống.
B MIN: Điện nạp bộ SVC nhỏ nhất từ thanh cái hệ thống.

B MAX: Điện nạp bộ SVC lớn nhất từ thanh cái hệ thống.
I: Dòng điện phản kháng được lấy từ bộ SVC.
I RAT: Dòng điện định mức bộ SVC = B MAX.
Slope : Hệ số góc điều khiển đường dốc nghiêng điện áp.
Slope= ΔV/(I/I RAT).
Q: Công suất phản kháng lấy ra từ bộ SVC ở thanh cái hệ thống.
Q MIN: Công suất phản kháng ở nút nhỏ nhất.
Q MAX: Công suất phản kháng ở nút lớn nhất.
X SL: Điện kháng dốc cho mô hình nhánh.
V: Điện áp thanh cái hệ thống.
Tóm lại:
SVC là một bộ được thiết kế tổng hợp các phần tử như là tụ điện, biến điện
thế, cuộn kháng, các thiết bị đóng cắt cùng với các thiết bị điều khiển, tất cả cùng
hoạt động để trở thành một khối cung cấp nguồn phát hoặc hấp thu công suất phản
kháng có thể điều khiển được nhanh chóng.
21
2.2. Bộ STATCOM (Static Synchronous Compensator): Bộ bù đồng bộ tĩnh.
2.2.1. Mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động bộ STATCOM:
VT
Ista
Máy biến áp
ghép bộ
Plsta
V
Bộ biến đổi nguồn
điện áp (VSC)
+Vdc -
Hình 2.8: Giản đồ bộ STATCOM
Bộ STATCOM [5,6,7,8] được mắc song song với đường dây và hoạt động
không cần nguồn năng lượng dự trữ có tác dụng như là một máy bù công suất phản

kháng. Việc điều khiển dòng công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống điện
được thực hiện bằng cách điều khiển điện áp ngõ ra V cùng pha với điện áp hệ
thống V T (hình 2.8).
- Nếu V nhỏ hơn điện áp hệ thống V T thì dòng điện bộ nghịch lưu đi qua cuộn
kháng sẽ mang tính cảm, bộ STATCOM nhận công suất phản kháng từ hệ thống.
- Nếu V lớn hơn điện áp hệ thống V T thì dòng điện bộ nghịch lưu đi qua cuộn
kháng sẽ mang tính dung, bộ STATCOM phát công suất phản kháng lên hệ thống.
22
Hình 2.9 Mô tả cấu trúc cơ bản của bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC):
Đầu ra
V0,a
V0,b
+
-
V0,c
Hình 2.9: Cấu trúc cơ bản bộ VSC
Hình 2.9. biểu diễn cấu trúc cơ bản của một bộ biến đổi toàn sóng 3 pha có 6
bộ chuyển mạch, mổi bộ gồm có một GTO(gate-turn-off) thyristor nối đối song với
một diode. Với mục tiêu là tạo ra một dạng sóng điện áp đầu ra gần như dạng sóng
hình sin có thể, bộ chuyển mạch của thyristor GTO riêng lẽ trong bộ VSC t hì được
điều khiển bằng khối chương trình điều khiển chuyển mạch, được thiết kế để giảm
đến mức tối thiểu phát sinh sóng hài lúc bộ VSC làm việc và nhu cầu cho việc lọc
sóng hài.
Hầu hết các phương pháp thường được sử dụng cho việc điều khiển điện áp
xoay chiều bằng các phương pháp biến đổi như là:
- Thay đổi điện áp một chiều với một bộ biến đổi sóng đầy đủ, đôi khi còn
được gọi là bộ điều biến biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation - PAM).
- Điện áp một chiều không đổi với bộ điều biến độ rộng xung (Pulse Width
Modulated - PWM).
Nguyên lý cơ bản của STATCOM là sử dụng bộ biến đổi nguồn điện áp

(VSC) dựa trên kỹ thuật các phần tử điện tử công suất (GTO) thyristor hay tranzitor
lưỡng cực có cổng cách điện (IGBT) với khả năng ngắt dòng điện khi có xung ngắt
gửi đến cổng điều khiển. Điều này cho phép cho bộ STATCOM phát ra một nguồn
23
điện áp xoay chiều AC ở đầu cực bộ biến đổi lúc tần số cơ bản yêu cầu với biên độ
điều chỉnh được, sơ đồ khối của một bộ STATCOM được thể hiện ở hình 2.10.
Sự chuyển đổi công suất phản kháng với lưới điện thì đạt được bởi điều
khiển biên độ điện áp V và sự chuyển đổi công suất tác dụng do điều khiển dịch
chuyển pha ψ. Sự thay đổi công suất tác dụng thì chỉ thường điều khiển điện áp một
chiều.
VT
Nút hệ thống
Máy biến áp
ghép bộ
Iq
V V
Bộ biến đổi
nguồn điện áp
I
Id
Iq
VT
q
(VSC)
+
Vdc
_
d
Hình 2.10: Nguyên lý hoạt động của bộ STATCOM
2.2.2. Chế độ xác lập của bộ STATCOM:

Mục tiêu điều khiển ở trạng thái xác lập của bộ STATCOM được xem là
điều khiển điện áp mà nó được biểu diễn dưới dạng một đường đặc tuyến V-I cho
trong hình 2.11[3]. Giới hạn dòng điện làm việc bộ STATCOM trong đường đặc
tuyến ở hình 2.11 nhận được từ những giới hạn dòng điện của những thiết bị bán
dẫn trong bộ VSC.
Dựa vào đường đặc tuyến V-I trong hình 2.11 và theo sơ đồ mạch của bộ
STATCOM trong hình 2.10, chế độ xác lập của bộ STATCOM được rút ra như sau:
Giống như bộ SVC, phương trình thứ nhất mô tả ch ế đ ộ l àm việc của bộ
STATCOM nó mô tả chức năng điều khiển điện áp. Trong giới hạn điều khiển được
24
biểu diễn bằng dòng điện nhỏ nhất (I stamin) và dòng điện lớn nhất (I
stamax),
biên độ
điện áp ở nút nhánh điện áp cao thì được điều khiển theo hàm tuyến tính như sau:
ІV hstaІ = V staref + a staIsta
(2.5)
Từ đường đặc tuyến được cho trong hình 2.11, có thể nhận thấy rằng giới
hạn làm việc của một bộ STATCOM thì có liên quan ếđn dòng điện của bộ
STATCOM:
I stamin≤ I sta≤ I stamax
(2.6)
Nếu dòng điện của bộ STATCOM mà vượt phạm vi giới hạn cho phép trong
phương trình (2.6) thì dòngđiệ n STATCOM lúc bấy giờ sẽ được gán bằng dòng
điện giới hạn thích ứng (nếu I stamin≥ I sta thì nó sẽ gán I sta= I stamin; nếu I sta≥ I stamax
thì nó sẽ gán I sta= I stamax) và lúc này dòng điện STATCOM nó hoạt động giống như
nguồn dòng không đổi.
Phương trình thứ 2 mô tả chế độ xác lập của bộ STATCOM được kết hợp
với công suất tác dụng bơm vào ở nút điện áp thấp của bộ STATCOM. Do tổn hao
công suất tác dụng trong bộ STATCOM quá nhỏ nên cho phép bỏ qua [9].
P lsta = 0

(2.7)
Ở phương trình 2.7, P lsta là công suất tác dụng bơm vào bên trong máy biến
áp ghép bộ từ nút điện áp thấp của nó.
Bảo vệ điện
áp thấp
ІVhstaІ
Vrefsta
Bảo vệ quá
điện áp
Istamin
Dung kháng
Cảm kháng
Istamax Ista
Hình số 2.11: Đặc tính V-I của bộ STATCOM