điều khiển thiết bị bù tĩnh ( svc ) và ứng dụng trong việc nâng cao cho ổn định chất lượng điện năng của hệ thống điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BÙ TĨNH (SVC) VÀ ỨNG DỤNG
TRONG VIỆC NÂNG CAO CHO ỔN ĐỊNH CHẤT LƯỢNG
ĐIỆN NĂNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
Học viên: Nguyễn Thế Vĩnh
Người HD Khoa học: T.S Nguyễn Thanh Liêm
THÁI NGUYÊN 2007
1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc

-tnu. e d

u. v

n
LỜI CAM
ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản thuyết minh luận văn này do tôi thực hiện. Các số liệu sử
dụng trong thuyết minh, kết quả phân tích và tính toán được tìm hiểu qua các tài
liệu.
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc

-tnu. e d

u. v

n
MUC
LỤC
Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt

6
Danh mục các báng biểu

7
Danh mục các hình vẽ, đồ
thị


9
Lời nói đầu

11
Chương 1: Thiết bị điều khiển công suất trong hệ thống điện

13
1.1. Hệ thống điện hợp nhất và những yêu cầu điều chỉnh nhanh công suất trong các
điều kiện làm việc bình thường và sự cố

13
1.1.1. Đặc điểm

13
1.1.2. Các biện pháp áp dụng trong công nghệ truyền tải điện của hệ thống điện
hợp
nhất

14
1.1.3. Bù công suất phản kháng

14
11.4. Bù dọc và bù ngang trong đường dây siêu cao áp

16
1.1.4.1. Bù dọc
16
1.1.4.2. Bù ngang
18
1.1.4.3. Nhận xét
20
1.2. Một số thiết bị điều khiển công suất phản kháng trong hệ thống điện

20
1.2.1. Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor
(SVC - Static Var Compensator)
20
1.2.2. Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor
(TCSC - Thyristor Controlled Series Capacitor)
22
1.2.3. Thiết bị bù tĩnh (STATCOM - Static Synchronous Compensator)

23
1.2.4. Thiết bị điều khiển dòng công suất
(UPFC - Unified Power Flow
Controller) 24

1.2.5. Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc

-tnu. e d

u. v

n
(TCPAR - Thyristor Controlled Phase Angle
Regulator)

26
1.2.6. Nhận xét
27
Kết luận

27
Chương 2: Ứng dụng của thiết bị bù SVC trong việc nâng cao ổn định
hệ thống
điện 29
2.1. Khả năng ứng dụng của SVC trong hệ thống điện

29
2.1.1. Đặt vấn đề
29
2.1.2. Một số ứng dụng của
SVC

30

2.1.2.1. Điều chỉnh điện áp và trào lưu công
suất


30
2.1.2.2. Giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố

32
2.1.2.3. Ôn hòa dao động công suất hữu
công


33
2.1.2.4. Giảm cường độ dòng điện vô
công


33
2.1.2.5. Tăng khả năng tải của đường dây

33
2.1.2.6. Cân bằng các phụ tải không đối
xứng


36
2.1.2.7. Cải thiện ổn định sau sự cố

36
2.2. Thiết bị bù ngang có điều khiển

SVC


37
2.2.1. Cấu tạo từng phần tử của
SVC 37
2.2.1.1. Nguyên lý hoạt động của bộ thyristor mắc song song
ngược


37
2.2.1.2. Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR
(thyristor controlled
reactor)
40
2.2.1.3. Tụ đóng mở bằng thyristor TSC ( thyristor switch
capacitor)


49
2.2.1.4. Kháng đóng mở bằng thyristor TSR ( thyristor switch reactor)

49
2.2.1.5. Hệ thống điều khiển các van trong
SVC


50
2.2.2. Các đặc tính của SVC 51
2.2.2.1. Đặc tính điều chỉnh của

SVC
51
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc

-tnu. e d

u. v

n
2.2.2.2. Đặc tính làm việc của
SVC


52
2.3. Mô hình SVC trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện

53
2.3.1. Mô hình hóa SVC như một điện kháng có trị số thay đổi

53
2.3.2. Mô hình SVC theo tổ hợp nguồn và phụ tải phản
kháng
55
Kết luận

58
Chương 3: Bộ điều khiển bù công suất phản kháng
SVC

59
3.1. Sơ đồ SVC ứng dụng điều khiển bù công suất phản
kháng


59
3.1.1. Chức năng hệ điều
khiển


60
3.1.2. Nguyên tắc điều
khiển
60
3.1.3. Các khâu trong hệ thống điều khiển các van của
SVC
61
3.1.3.1. Khâu tạo xung đồng bộ cho bộ
VĐK
61
3.1.3.2. Khâu phản hồi

62
3.1.3.3. Khâu khuếch đại
xung
63
3.1.3.4. Khâu điều khiển tạo xung sử dụng VĐK pic
16f877
64

3.1.4. Thuật toán PID dùng cho bộ vi điều khiển
PIC16f877
69
3.1.4.1. Bộ điều khiển PID dưới dạng tương
tự


69
3.1.4.2. Bộ điều khiển PID dưới dạng
số


70
3.1.4.3. Thuật toán điều khiển PID nâng
cao


70
3.1.5. Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển góc mở các van của SVC

71
3.2. Phần mềm ISIS mô phỏng hệ thống điều khiển
SVC


71
3.3. Mô phỏng hệ điều khiển van thyristor hoặc triắc của bộ
TCR
72
3.3.1. Mô phỏng các phần tử của hệ điều

khiển
72
3.3.1.1. Bộ đo giá trị dòng điện và điện áp

72
3.3.1.2. Khâu lấy tín hiệu phản
hồi
72
3.3.1.3. Khâu tạo xung đồng bộ

73
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc

-tnu. e d

u. v

n
3.3.1.4. Khâu khuếch đại
xung
74
3.3.1.5. Khâu điều khiển xung

75
3.3.2. Các phần tử khác trong mô phỏng

76
3.3.2.1. Nguồn
điện

76
3.3.2.2. Bộ kháng có điều khiển
TCR


77
Kết luận

78
Chương 4: ứng dụng phần mềm ISIS mô phỏng thiết bị bù SVC có điều
khiển
79
4.1. Sơ đồ mô phỏng thiết bị bù công suất phản kháng SVC có điều
khiển


79
4.2. Kết quả mô
phỏng
79
4.2.1. Đồ thị điều khiển xung theo chế độ điện áp thay
đổi
80
4.2.2. Đặc tính dòng qua thyristor điện khi điều khiển điện áp tại
nút


83

4.3. Đặc tính hệ thống điều khiển các van SVC

89
Kết luận

92
Kết luận chung và hướng phát
triển


93
Tài liệu tham khảo
Phụ lục 1
Phụ lục 2
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc

-tnu. e d

u. v

n
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
Chữ
viết
tắt
Ý
nghĩa
Chú thích

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
HTĐ
SVC
TCSC
STATCOM
UPFC
TCPAR
FACTS
ISIS
PCB
VĐK
SS-TX
Hệ thống điện
Static Var Compensator
Thyristor Controlled Series
Capacitor
Static Synchronous Compensator
Unified Power Flow Controller
Thyristor Controlled Phase Angle
Regulator

Flexible Alternating Current
Transmission Systems
Proteus 6 Professional
Printed Circuit Board
Bộ vi điều khiển
Khâu so sánh và tạo xung
Phần mềm
mô
phỏng mạch
điện-
điện
tử
7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc

-tnu. e d

u. v

n
DANH MỤC CÁC
BẢNG
Bảng 1-1: So sánh chức năng của các thiết bị bù có điều
khiển

27
Bảng 2-1: Giá trị của I
3
khi thay đổi góc điều khiển
α

47
Bảng 3-1: Các phần tử sử dụng trong bộ đo
72
Bảng 3-2: Các phần tử sử dụng trong bộ phản hồi 73
Bảng 3-3: Các phần tử sử dụng trong bộ tạo xung đồng bộ
74
Bảng 3-4: Các phần tử sử dụng trong bộ khuếch đại xung 75
Bảng 3-5: Các dạng nguồn được ISIS mô phỏng
77
Bảng 3-6: Các phần tử tạo thành bộ TCR 78
Bảng 4-1: Tổng hợp thời gian làm ổn định điện áp tại nút trường hợp 1
90
Bảng 4-2: Tổng hợp thời gian làm ổn định điện áp tại nút trường hợp 2
92
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc

-tnu. e d

u. v

n
DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ
THỊ
Hình 1.1: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây siêu cao
áp 17
Hình 1.2: Cấu tạo vànguyên lý làm việc của
SVC 21
Hình 1.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của

TCSC 22
Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của
STATCOM

23
Hình 1.5: Nguyên lý cấu tạo của
UPFC

24
Hình 1.6: Nguyên lý cấu tạo của
TCPAR

26
Hình 2.1: Điều chỉnh điện áp tại nút phụ tải bằng
SVC 31
Hình 2.2: Sự thay đổi điện áp tại thanh cái phụ tải khi có và không có
SVC 32
Hình 2.3: Quan hệ thời gian và điện áp quá
áp

32
Hình 2.4: Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi có và không có
SVC 35
Hình 2.5: Đặc tính công suất khi có và không có SVC
37
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý bộ
thyristor

38
Hình 2.7: Đồ thị dòng điện

tải 38
Hình 2.8: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCR
40
Hình 2.9: Đặc tính điều chỉnh liên tục của
TCR

41
Hình 2.10: Ảnh hưởng của góc cắt đến dòng điện qua
TCR 41
Hình 2.11: Dạng sóng của tín hiệu dòng điện qua TCR
42
Hình 2.12: Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc
cắt 46
Hình 2.13: Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR
46
Hình 2.14: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của
TSC

49
Hình 2.15: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của
TSR

50
Hình 2.16: Hệ điều khiển các van của SVC 51
Hình 2.17: Đặc tính U-I của
SVC 51
Hình 2.18: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp
52
9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc

-tnu. e d

u. v

n
Hình 2.19: Đặc tính làm việc của nguồn công suất
phản
55
Hình 2.20: Đặc tính của phụ tải công suất phản kháng qua máy biến áp điều áp
dưới tải

55
Hình 2.21: Đặc tính làm việc của
SVC


56
Hình 2.22: Phối hợp đặc tính của một nguồn và hai phụ tải phản kháng

57
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ điều khiển các van
SVC
59
Hình 3.2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng 61
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của khâu tạo xung đồng bộ

62
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của khâu phản hồi

63
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của khâu khuếch đại
xung
64
Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc của PIC 16f877

66
Hình 3.7:Sơ đồ mô phỏng bộ phản hồi

73
Hình 3.8: Đồ thị tín hiệu ra của bộ phản
hồi


73
Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng bộ tạo xung đồng bộ

74
Hình 3.10: Đồ thị tín hiệu ra của bộ tạo xung đồng
bộ


74
Hình 3.11:Sơ đồ mô phỏng bộ khuếch đại
xung
75
Hình 3.12: Đồ thị tín hiệu ra của bộ khuếch đại xung

75
Hình 3.13: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển xung

76
Hình 3.14: Đồ thị tín hiệu ra của bộ điều khiển
xung


76
Hình 3.15: Cửa sổ thay đổi dạng
nguồn
77
Hình 3.16: Sơ đồ mô phỏng bộ TCR

78
Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng tổng thể hệ điều khiển các van của
TCR
79
Hình 4.2: Xung điều khiển ra với góc mở 10
0

80
Hình 4.3: Xung điều khiển ra với góc mở 30
0

80
Hình 4.4: Xung điều khiển ra với góc mở 45
0

81
Hình 4.5: Xung điều khiển ra vơi góc mở 90
0

81
10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc

-tnu. e d

u. v

n
Hình 4.6: Xung điều khiển ra vơi góc mở 180
0

81
Hình 4.7: Dòng điện qua van với góc mở 0
0

83
Hình 4.8: Dòng điện qua van với góc mở
60
0

83
Hình 4.9: Dòng điện qua van với góc mở 95
0

84
Hình 4.10: Dòng điện qua van với góc mở 120
0

84
Hình 4.11: Dòng điện qua van với góc mở 135
0

85
Hình 4.12: Dòng điện qua van với góc mở 145
0
85
Hình 4.13: Dòng điện qua van với góc mở 160
0

86
Hình 4.14: Dòng điện qua van với góc mở 165
0

86
Hình 4.15: Dòng điện qua van với góc mở 170
0

87
Hình 4.16: Dòng điện qua van với góc mở 175
0

87
Hình 4.17: Dòng điện qua van với góc mở 180
0

88
Hình 4.18: Đồ thị các sóng hài bậc cao của bộ TCR

88
Hình 4.19: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút tăng

89
Hình 4.20: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút giảm

90
Hình 4.21: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút tăng

91
Hình 4.22: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút giảm

91
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc

-tnu. e d

u. v

n
LỜI NÓI
ĐẦU
Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên
thế giới do nó có ưu điểm rất quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang dạng năng
lượng khác. Hơn nữa, điện năng còn là dạng năng lượng dễ dàng trong sản xuất, vận
chuyển và sử dụng. Hệ thống điện của mỗi quốc gia ngày càng phát triển để đáp
ứng sự phát triển lớn mạnh của nền kinh tế xã hội. Cùng với xu thế toàn cầu hoá
nền kinh tế, hệ thống điện cũng đã, đang và hình thành các mối liên kết giữa các
khu vực trong mỗi quốc gia, giữa các quốc gia trong khu vực hình thành nên hệ

thống điện hợp nhất có quy mô rất lớn về cả công suất lãnh thổ.
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, công nghiệp
chế tạo các linh kiện công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển trong hệ thống
điện, nên các thiết bị bù dùng thyristor hay triắc sử dụng rất nhiều thông tin trong
toàn hệ thống được nghiên cứu và ứng dụng. ậ một số nước có trình độ cong nghệ
tiên tiến trên thế giới, các thiết bị bù dọc và bù ngang điều chỉnh nhanh bằng
thyristor hay triắc đã được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao
ổn định chất lượng điện áp của hệ thống điện. Các thiết bị thường dùng là: thiết bị
bù tĩnh có điều khiển thyristor hay triắc (SVC), thiết bị bù dọc có điều khiển
(TCSC). Các thiết bị này cho phép chúng ta vận hành hệ thống điện một cách linh
hoạt, hiệu quả cả trong chế độ bình thường hay sự cố nhờ khả năng điều chỉnh
nhanh công suất phản kháng và các thông số khác (trở kháng, góc pha) của chúng.
Việc nghiên cứu thiết bị bù ngang có khả năng điều chỉnh nhanh bằng
thyristor hay triắc đối với việc nâng cao ổn định và chất lượng điện áp của hệ thống
điện Việt Nam trong tương lai và nhiệm vụ rất cần thiết. Nhằm mở ra một hướng
mới trong việc áp dụng các phương pháp điều chỉnh, điều khiển hoạt động của hệ
thống điện. Bản luận văn sẽ đưa ra những đánh giá bước đầu hiệu quả của thiết bị
bù nhanh đối với công suất phản kháng trong chế độ vận hành hệ thống điện. Bản
luận văn trình bày ứng dụng phần mềm mô phỏng vào việc thiết kế, phân tích hệ
điều khiển bù công suất phản kháng SVC. Tuy nhiên, còn giới hạn về nhiều mặt nên
bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót, nên rất mong các Thầy, Cô chỉ
bảo để nội dung của đề tài được hoàn thiện hơn.
12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc

-tnu. e d

u. v

n

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo T.S
Nguyễn Thanh Liêm cùng toàn thể các Thầy, Cô trong bộ môn. Kính chúc các
Thầy, Cô mạnh khoẻ và Hạnh phúc!
Tác
giả
Nguyễn Thế
Vĩnh
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc

-tnu. e d

u. v

n
CHƯƠNG
1
THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN
1.1. HỆ THỐNG ĐIỆN HỢP NHẤT VÀ NHỮNG YÊU CẦU ĐIỀU CHỈNH NHANH
CÔNG SUẤT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG VÀ SỰ CỐ.
1.1.1. ĐẶC ĐIỂM.
Hiện nay, xu hướng hợp nhất các HTĐ nhỏ thành HTĐ hợp nhất bằng các
đường dây siêu cao áp đang được phát triển tại nhiều quốc gia, khu vực trên khắp
thế giới. Đây là xu hướng phát triển tất yếu của các hệ thống điện hiện đại nhằm
nâng cao tính kinh tế - kỹ thuật trong sản xuất, vận hành các hệ thống điện thành
viên. Cụ thể:
+ Giảm lượng công suất dự trữ trong toàn hệ thống do hệ thống lớn nhờ khả
năng huy động công suất từ nhiều nguồn phát.
+ Giảm dự phòng chung của HTĐ liên kết, qua đó giảm được chi phí đầu tư

vào các công trình nguồn - một gánh nặng lớn trong việc phát triển HTĐ.
+ Tăng tính kinh tế chung của cả hệ thống lớn do tận dụng được các nguồn
phát có giá thành sản xuất điện năng thấp như thuỷ điện, các nguồn nhiệt điện có
giá thành rẻ như tuabin khí, điện nguyên tử
+ Tăng hiệu quả vận hành HTĐ do có khả năng huy động sản xuất điện từ các
nguồn điện kinh tế và giảm công suất đỉnh chung của toàn HTĐ lớn.
+ HTĐ hợp nhất vận hành linh hoạt hơn so với phương án vận hành các hệ
thống riêng rẽ nhờ sự trao đổi, hỗ trợ điện năng giữa các hệ thống thành viên.
+ Giảm giá thành điện năng do tận dụng được công suất tại các giờ thấp điểm
của phụ tải hệ thống điện thành viên để cung cấp cho hệ thống khác nhờ chênh lệch
về múi giờ.
+ Giảm được chi phí vận hành, đồng thời nâng cao tính linh hoạt trong việc
sửa chữa, đại tu các thiết bị trong toàn hệ thống.
+ Nâng cao độ dự trữ ổn định tĩnh của hệ thống, qua đó nâng cao độ tin
cậy
cung cấp điện do công suất dự trữ chung của cả HTĐ hợp nhất là rất lớn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w

w. l r

c -tnu. e d

u. v

n
14
Ngoài các lợi ích đã nêu ở trên, việc hợp nhất các hệ thống điện còn cho
phép dễ dàng trao đổi năng lượng thương mại giữa các khu vực, quốc gia thành viên
góp phần thúc đẩy nền kinh tế phát triển. Việc hợp nhất hệ thống điện là cơ sở cho
việc hình thành các “thị trường điện” (Power pool), một xu hướng phát triển tất yếu

của các hệ thống điện hiện đại được hình thành từ những năm cuối thế kỷ 20 và sẽ
phát triển mạnh mẽ trong thế kỷ 21.
1.1.2. CÁC BIỆN PHÁP ÁP DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN.
Khi tính toán các chế độ vận hành của hệ thống điện hợp nhất có đường dây
siêu cao áp, do cấp điện áp cao nên lượng công suất phản kháng mà đường dây sinh
ra là rất lớn. Đặc biệt là khi đường dây không mang tải thì lượng công suất phản
kháng phát ra rất lớn gây nên hiện tượng quá áp ở cuối đường dây. Để hạn chế hiện
tượng nay, ta phải dùng các biện pháp kỹ thuật khác nhau như:
+ Tăng số lượng dây phân nhỏ trong một pha (phân pha) của đường dây để
giảm điện kháng và tổng trở sóng, tăng khả năng tải của đường dây.
+ Bù thông số đường dây bằng các thiết bị bù dọc và bù ngang (bù công suất
phản kháng) để giảm bớt cảm kháng và dung dẫn của đường dây làm cho chiều dài
tính toán rút ngắn lại.
+ Phân đoạn đường dây bằng các kháng điện bù ngang có điều khiển đặt ở
các trạm trung gian trên đường dây. Đối với đường dây siêu cao áp 500kV, khoảng
cách giữa các trạm đặt kháng bù ngang thường không quá 600km.
+ Đặt các thiết bị bù ngang hoặc bù dọc ở các trạm nút công suất trung gian
và trạm cuối để nâng cao ổn định điện áp tại các trạm này.
1.1.3. BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG.
Khác với các đường dây cao áp (điện áp nhỏ hơn 330kV), quá trình truyền
tải điện xoay chiều trên đường dây siêu cao áp liên quan đến quá trình truyền sóng
điện từ dọc theo đường dây. Điện trường của đường dây ít thay đổi trong quá trình
vận hành vì điện áp trên đường dây được khống chế trong giới hạn cho phép
(thường là ±10%), song từ trường lại thay đổi trong dải khá rộng theo sự thay đổi
của dòng điện tải của đường dây.
f



Z

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w

w. l r

c -tnu. e d

u. v

n
15
+ Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng điện trường tính trên một đơn
vị chiều dài của một pha đường dây là:
W
E
= C.U
f
2
+ Công suất điện trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là:
Q
E
= 3.ω.C.U
f
2
.l
+ Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng từ trường tính trên một đơn vị
chiều dài của một pha đường dây khi dòng điện tải là I:
W
M
= L.I
2

+ Công suất từ trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là:
Q
M
= 3ω.W
M
.l = 3ω.L.I
2
.l
+ Công suất phản kháng do đường dây sinh ra được xác định như là hiệu
giữa công suất điện trường và từ trường:
Q = Q
E
- Q
M
= 3.
ω
.C.U
f
2
.l - 3
ω
.L.I
2
.l

Q
=
3
ω
.l.C.U

2

1

−
L.I
2

f

C.U
2

+ Khi công suất phản kháng của đường dây bằng 0, ta có:

L.I
2

1

−

=




=
0


.
2

Trong đó:


C
U
f

→ I = U
f
C
U
=
f
L Z
C
= I
TN
Z
C
=
L
là tổng trở sóng của đường dây.
C
Khi đó, đường dây tải dòng điện tự nhiên I
TN
. Đối với đường dây dài hữu

hạn, hiện tượng này xảy ra khi điện trở phụ tải tác dụng bằng tổng trở sóng X
C
của
đường dây. Đây là chế độ tải công suất tự nhiên. Trong trường hợp này, đường dây
siêu cao áp không tiêu thụ hay phát thêm công suất phản kháng.
3.U
2
P
=
f
TN
C
Việc bù thông số của đường dây siêu cao áp làm tăng khả năng tải của đường
dây và qua đó nâng cao tính ổn định. Các biện pháp thường được áp dụng và đem
lại hiệu quả cao là bù dọc và bù ngang trên các đường dây siêu cao áp.
1.1.4. BÙ DỌC VÀ BÙ NGANG TRONG ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP.
Các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn thường được bù thông số thông
qua các thiết bị bù dọc và bù ngang. Mục đích chủ yếu của việc đặt các thiết bị bù là
nâng cao khả năng tải của đường dây và san bằng điện áp phân bố dọc đường dây.
Hơn nữa, bù thông số còn nâng cao tính ổn định tĩnh, ổn định động, giảm sự dao
dộng công suất… làm cho việc vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt và hiệu
quả hơn. Đây là biện pháp rất cần thiết cho các đường dây siêu cao áp có chiều dài
lớn, đặc biệt là những đường dây có chiều dài gần 1/4 bước sóng như đường dây
500kV Bắc - Nam ở Việt Nam.
1.1.4.1. Bù dọc.
Trị số cảm kháng lớn của đường dây siêu cao áp làm ảnh hưởng xấu đến
hàng loạt chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như: góc lệch pha
giữa đầu và cuối đường dây lớn, tổn thất công suất và điện năng trên đường dây
cao, tính ổn định điện áp tại các trạm giữa và cuối đường dây kém… Bù dọc là giải
pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện cảm kháng X của đường dây) bằng dung

kháng X
C
của tụ điện. Giải pháp này được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện
vào đường dây. Qua đó giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định
tĩnh được nâng lên. Hơn nữa, giới hạn ổn định động cũng tăng lên một cách gián
tiếp do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ.
Khi mắc thêm tụ nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng của mạch tải
điện sẽ giảm xuống còn (X
L
- X
C
). Giả sử góc lệch ϕ giữa dòng điện phụ tải I và
điện áp cuối đường dây U
2
không đổi thì độ lệch điện áp U
1
ở đầu đường dây và góc
lệch pha δ giữa vectơ điện áp giữa hai đầu đường dây giảm xuống khá nhiều. Qua
đó, ta thấy được hiệu quả của bù dọc:
* Ổn định điện áp:
+ Giảm lượng sụt áp với cùng một công suất truyền tải.
X
X
+ Điểm sụp đổ điện áp được dịch chuyển xa hơn.
* Ổn định về góc lệch δ:
+ Làm giảm góc lệch δ trong chế độ vận hành bình thường, qua đó nâng cao
độ ổn định tĩnh của hệ thống điện.
+ Làm tăng giới hạn công suất truyền tải của đường dây:
+ Trước khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:
P

=

U
1
.U

2
sin
δ
X

L
Ta có giới hạn công suất truyền tải là:
P
=

U
1
.U
2
gh
L
+ Sau khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:
P
'
=
U
1
.U

2
X

L
−

X

C
sinδ
Ta có giới hạn công suất truyền tải là:
P
=
U
1
.U

2
gh
L
−

X

C
Ta thấy sau khi bù, giới hạn truyền tải công suất của đường dây tăng lên:
k = (X
L
- X
C

)/X
C
Hình 1.1: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây siêu cao áp
* Giảm tổn thất công suất và điện năng:
+ Dòng điện chạy qua tụ điện C sẽ phát ra một lượng công suất phản kháng
bù lại phần tổn thất trên cảm kháng của đường dây.
+ Đặc trưng cho mức độ bù dọc của đường dây là hệ số bù dọc K
C
:
K
=

X

C
100%
C
X
L
Thông thường, đối với các đường dây siêu cao áp thì hệ số bù dọc K
C
từ 40 -
75% tuỳ theo chiều dài của đường dây.
1.1.4.2. Bù ngang.
Bù ngang được thực hiện bằng cách lắp kháng điện có công suất cố định hay
các kháng điện có thể điều khiển tại các thanh cái của các trạm biến áp. Kháng bù
ngang này có thể đặt ở phía cao áp hay phía hạ áp của máy biến áp. Khi đặt ở phía
cao áp thì có thể nối trực tiếp song song với đường dây hoặc nối qua máy cắt được
điều khiển bằng khe hở phóng điện.
Dòng điện I

l
của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện I
C
của điện dung đường
dây phát ra do chúng ngược chiều nhau. Nhờ đó mà công suất phản kháng do đường
C dd
o
b
dây phát ra sẽ bị tiêu hao một lượng đáng kể và qua đó có thể hạn chế được hiện
tượng quá áp ở cuối đường dây.
Việc lựa chọn dung lượng và vị trí đặt của kháng bù ngang có ý nghĩa rất
quan trọng đối với một số chế độ vận hành của đường dây siêu cao áp trong hệ
thống điện như chế độ vận hành non tải, không tải của đường dây.
+ Trong chế độ không tải, phía nguồn khép mạch, phía tải hở mạch thì
các nguồn phát vẫn phải phát công suất tác dụng rất lớn để bù vào tổn thất
điện trở của đường dây và máy biến áp. Để khắc phục sự quá áp và quá tải
máy phát ta phải đặt kháng bù ngang tại một số điểm trên đường dây.
+ Trong chế độ non tải (P
Tải
< P
TN
), thì công suất phản kháng trên
đường dây thừa và đi về hai phía của đường dây. Để đảm bảo được trị số
cosϕ cho phép của máy phát, ta phải đặt kháng bù ngang ở đầu đường dây để
tiêu thụ công suất phản kháng.
+ Trong chế độ tải cực tiểu, công suất phản kháng do đường dây sinh
ra rất lớn (đối với đường dây siêu cao áp 500kV với Q
o
≈1MVAR/km) nên ta
phải đặt các kháng bù ngang phân bố dọc theo đường dây để tiêu thụ lượng

công suất phản kháng này. Thông thường, khoảng cách giữa các kháng bù
ngang từ 200 - 500km.
+ Công suất phản kháng của đường dây phát ra trong chế độ không tải
được tính gần đúng như sau:
Q
=
U
2
.b
.l
Trong đó:
U
dd
: Điện áp danh định của đường dây.
l: chiều dài của đường dây.
+ Đối với các đường dây siêu cao áp có điện áp 330 ÷ 750kV thì ta có thể sử
dụng các quan hệ gần đúng như sau:
X
o
.b
o
≈ 1,15.10
-6
Z
=
X

o
C
o

L
Nên ta có: b
o
≈
1,07.10
−
3
Z
C
Như vậy công suất phản kháng của đường dây siêu cao áp 500kV phát ra là:
U

dd
−3
−3
Q
C
=
1,07.10
Z

C
.l
=

1,07.10
.l.P
TN
Đặc trưng cho mức độ bù ngang trên đường dây là hệ số K
L

:
K
=

I

L
100%
=

Q
L
100%
I
C
Q
C
Trong đó:
Q
L
: Công suất phản kháng của kháng bù ngang
Q
C
: Công suất phản kháng của điện dung đường dây phát ra.
Đối với các đường dây có cấp điện áp 500kV, tổng công suất của các kháng
bù ngang trên đường dây thường bằng 60 - 70% công suất phản kháng do điện dung
đường dây phát ra.
1.1.4.3. Nhận xét.
- Đường dây siêu cao áp có nhiều đặc điểm riêng về kỹ thuật cần quan tâm
khi thiết kế phát triển lưới điện, đặc biệt là về giới hạn ổn định và ổn định điện áp.

- Mô hình đường dây siêu cao áp khi tính toán phải theo sơ đồ thông số rải.
Để đưa về dạng thông số tập trung cần sử dụng sơ đồ tương đương: chia thành
những mắt xích nối tiếp.
- Đặc điểm chủ yếu của các đường dây siêu cao áp là có điện cảm và điện
dung lớn. Để đảm bảo khả năng mang tải và tránh gây ra hiện tượng quá điện áp khi
vận hành non tải hoặc không tải cần phải có biện pháp bù dọc và bù ngang.
- Trị số tối ưu của các thiết bị bù cần phải được tính toán trong từng chế độ
vận hành để đem lại hiệu quả về kinh tế - kỹ thuật.
1.2. MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN.
1.2.1. THIẾT BỊ BÙ TĨNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR (SVC - STATIC
VAR COMPENSATOR).
SVC là thiết bị bù ngang dùng để tiêu thụ công suất phản kháng có thể điều
chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, được tổ hợp từ hai thành phần
cơ bản:
- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể
phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành).
- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor hoặc triắc
có cực điều khiển, hệ thống điều khiển góc mở dùng các bộ vi điều khiển như
8051, PIC 16f877, VAR
SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm:
+ Kháng điều chỉnh bằng thyristor - TCR (Thyristor Controlled Reactor): có
chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ.
+ Kháng đóng mở bằng thyristor - TSR (Thyristor Switched Reactor): có
chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor.
+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor - TSC (Thyristor Switched Capacitor): có
chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC như trên hình 1.2
Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng
kể mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong

vận hành. Các chức năng chính của SVC bao gồm:
Hình 1.2: Cấu tạo vànguyên lý làm việc của SVC
- Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp.
- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù.
- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn
mạch ) trong hệ thống điện.
- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện.
- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn
mạch, mất tải đột ngột
Ngoài ra, SVC còn có các chức năng phụ mang lại hiệu quả khá tốt cho quá
trình vận hành hệ thống điện như:
- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh.
- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây.
- Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây.
- Giảm tổn thất công suất và điện năng.
1.2.2. THIẾT BỊ BÙ DỌC ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR (TCSC -
THYRISTOR CONTROLLED SERIES CAPACITOR).
Tương tự như SVC, phần tử TCSC là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh của
đường dây và hoạt động trong điều kiện ổn định của hệ thống điện. Nó được tổ hợp
từ một hay nhiều module TCSC, mỗi một module bao gồm hai thành phần cơ bản:
- Thành phần cảm kháng có thể thay đổi được điện dung nhờ bộ điều chỉnh
van thyistor.
- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như van thyristor; các
cửa đóng mở GTO,
Ngoài ra, TCSC còn có một số thiết bị phụ như bộ lọc f nhằm lọc bỏ các
sóng hài bậc cao, thiết bị đóng ngắt phục vụ các chế độ vận hành của TCSC trong
các chế độ khác nhau của hệ thống điện.
Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCSC như hình 1.3 sau:
Hình 1.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của
TCSC

Các chức năng chính của TCSC bao gồm:
- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh.
- Giảm sự thay đổi điện áp.
- Tăng cường khả năng truyền tải của đờng dây.
- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện.
- Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây.
- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện.
Tuy nhiên, TCSC còn có nhiều chức năng khác có thể tăng tính linh hoạt
trong vận hành các đường dây siêu cao áp nói riêng và HTĐ nói chung. Tuỳ theo
yêu cầu của từng đường dây siêu cao áp cụ thể và chức năng của chúng trong từng
HTĐ cụ thể mà ta có thể áp dụng các phương pháp, mạch điều khiển TCSC cho phù
hợp với các chế độ vận hành trong HTĐ.
1.2.3. THIẾT BỊ BÙ TĨNH (STATCOM - STATIC SYNCHRONOUS
COMPENSATOR).
STATCOM là sự hoàn thiện của SVC, bao gồm các bộ tụ điện được điều
chỉnh bằng các thiết bị điện tử như thyistor có cửa đóng mở GTO. So với SVC, nó
có ưu điểm là kết cấu gọn nhẹ hơn, không đòi hỏi diện tích lớn như SVC và đặc biệt
là nó điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn.
Cấu tạo của STATCOM và đặc tính hoạt động của nó như sau:
Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của
STATCOM
Các tính năng của STATCOM cũng giống như của SVC nhưng khả năng
điều chỉnh, điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao gồm:
- Điều khiển điện áp tại nút có đặt STATCOM có thể cố định giá trị điện áp.
- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù.
- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn
mạch ) trong hệ thống điện.
- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện.