khảo sát và thiết kế thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh cho trạm truyền tải điện 220kv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



LÊ HOÀNH SẤM

Khảo sát và thiết kế thiết bị bù công suất
phản kháng tĩnh cho trạm truyền tải điện
220kV

Chuyên ngành:
Mã số:



LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



Người hướng dẫn khoa học: TS. VÕ QUANG VINH






THÁI NGUYÊN, 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm

LỜI CẢM ƠN


Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Khoa Đào tạo sau đại học, Bộ môn
Tự động hoá XNCN thuộc trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình tôi thực hiện luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Võ Quang Vinh, người đã
định hướng và tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tôi để tôi có thể hoàn thành bản
luận văn này.
Cuối cùng tôi xin được nói lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng
nghiệp, lãnh đạo Công ty Điện lực Thái Nguyên đã động viên, giúp đỡ và tạo
mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình tôi học tập và nghiên
cứu.


Thái Nguyên, tháng 9 năm 2010




Lê Hoành Sấm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là do tôi nghiên cứu dưới sự hướng dẫn
của thầy giáo.TS. Võ Quang Vinh. Các nội dung, thông số và số liệu trong đề
tài là hoàn toàn trung thực và chưa từng công bố trong bất kì công trình nào
khác.


Tác giả luận văn




Lê Hoành Sấm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT TRONG
LƯỚI ĐIỆN 1
1.1. Đặt vấn đề 1
1.2. Khái niệm hệ thống điện và phụ tải điện
1.2.1. Hệ thống điện
1.2.2. Phụ tải điện
1.3. Chế độ làm việc và cân bằng công suất trong hệ thống điện
1.3.1. Chế độ làm việc
1.3.2. Cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng
1.4. Tổn thất điên áp trên đường dây truyền tải điện
1.4.1. Tổn thất điện áp tính theo dòng điện, vectơ điện áp
1.4.2. Tính toán tổn thất điện áp theo công suất
1.5. Khái niệm chung về điều chỉnh điện áp
1.5.1. Ảnh hưởng của điện áp đến hoạt động của hệ thống điện
1.5.2. Nhiệm vụ của điều chỉnh điện áp

1.5.3. Quan hệ giữa công suất phản kháng và điện áp
1.6. Tổng quan về bù công suất phản kháng khi truyền tải
1.6.1. Công suất phản kháng trên đường dây truyền tải
1.6.2. Bù công suất phản kháng trên đường dây truyền tải
1.7. Bù dọc và bù ngang đường dây
1.7.1. Bù dọc
1.7.2. Bù ngang
CHƯƠNG 2: CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ ĐẶC TÍNH
LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ BÙ TĨNH CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC
2.1. Đặt vấn đề
2.2. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của các thiết bị bù tính SVC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm
2.2.1. Cấu tạo chung
2.2.2. Nguyên lý hoạt động
2.2.3. Đặc tính tĩnh V-I của SVC
2.3. Kháng điều chỉnh bằng Thyristor TCR (Thyristor Controlled Reactor)
2.3.1 Sơ đồ nguyên lý
2.3.2. Đặc tính làm việc của TCR
2.4. Thiết bị bù tĩnh FC-TCR (Fix capacitor and Thyristor control reactor)
2.4.1. Sơ đồ nguyên lý
2.4.2. Đặc tính làm việc
2.5. Tụ đóng mở bằng Thyristor TSC (Thyristor Switched Capacitor)
2.5.1. Sơ đồ nguyên lý
2.5.2. Nguyên lý hoạt động của TSC
2.6. Một số ứng dụng của SVC trong hệ thống điện
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG BÙ CÔNG SUẤT 100MVAr
CHO HỆ THỐNG ĐIỆN
3.1.Chọn sơ đồ mạch lực SVC
3.1.1. Sơ đồ mắc kiểu hình sao
3.1.2. Sơ đồ mắc kiểu hình tam giác

3.2. Tính toán thông số của SVC
3.2.1. Tính toán thông số cuộn kháng L của TCR
3.2.2. Tính toán thông số bộ lọc
3.2.3. Tính toán giá trị bộ tụ điện C
3.2.4. Tính toán thông số của thyristor
3.2.5. Tính toan bảo vệ thyristor
3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển
3.3.1. Khối lượng đo
3.3.2. Khối điều khiển điện áp
3.3.3. Khối tính toán góc mở Thyristor
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm
3.3.4 Khối phát xung điều khiển
3.3.5. Tín hiệu điều khiển bổ sung
CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VỚI CÔNG CỤ
MATLAB SIMULINK
4.1.Mô hình bài toán cần mô phỏng
4.2. Sơ đồ mô phỏng trong simulin k
4.2.1. Sơ đồ mạch công suất
4.2.2. Sơ đồ mạch điều khiển
4.3. Kết quả mô phỏng khi dùng bộ PI thông thường
4.3.1. Kết quả mô phỏng trường hợp 1
4.3.2. Kết quả mô phỏng trường hợp 2
4.3.3. Kết quả mô phỏng trường hợp 3
4.4. Sử dụng luật mờ để nâng cao chất lượng điều khiển SVC
4.4.1. Đặt vấn đề
4.4.2. Cơ sở thuật toán điều khiển
4.4.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ và luật mờ
4.4.4. Kết quả mô phỏng so sánh bộ PI thường và điều khiển mờ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm
DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Mạch RLC nối tiếp và đồ thị vectơ điện áp
Hình 1.2. Đồ thị quan hệ giữa P và Q
Hình 1.3. Mô hình truyền tải điện
Hình 1.4. Sơ đồ tổn thất điện áp
Hình 2.1. Mô hình SVC
Hình 2.2. Sơ đồ thay thế tương đương của SVC
Hình 2.3. Đặc tính V-I của SVC
Hình 2.4. Đặc tính điều chỉnh của SVC
Hình 2.5. Sơ đồ cấu tạo của TCR
Hình 2.6. Dạng sóng điện áp và dòng điện của TCR một pha với các góc mở .
(a)  = 90
0
; (b)  = 100
0
; (c)  = 130
0
; (d)  = 150
0

Hình 2.7. Đồ thị điện áp và dòng điện TCR
Hình 2.8. Quan hệ giữa điện dẫn B
L
và góc dẫn 
Hình 2.9. Đặc tính bù V- I của TCR
Hình 2.10. Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo FC - TCR
Hình 2.12. Đặc tính làm việc
Hình 2.13. Sơ đồ cấu tạo của TSC
Hình 2.14. Nguyên lý hoạt động của TSC
Hình 2.15. Sơ đồ kết nối của TSC
Hình 2.16. Mối quan hệ giữa B
TSC
và số lượng các TSC dẫn
Hình 2.17. Điều chỉnh điện áp tại nút phụ tải bằng SVC
Hình 2.18. Sự thay đổi điện áp tại thanh cái phụ tải khi có và không có SVC
Hình 3.1. Sơ đồ mắc FC- TCR kiểu hình sao
Hình 3.2. Sơ đồ mắc FC - TCR kiểu tam giác
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm
Hình 3.3. Sơ đồ bảo vệ quá điện áp
Hình 3.4. Sơ đồ mắc điện trở phân áp
Hình 3.5. Sơ đồ mạch lực TCR
Hình 3.6. Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển thiết bị bù tĩnh SVC
Hình 3.7. Khối đo lường
Hình 3.8. Sơ đồ khối mạch điều chỉnh điện áp
Hình 3.9. Quan hệ giữa điện dẫn và góc mở 
Hình 3.10. Sơ đồ tín hiệu bổ sung
Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống điện
Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống trên Matlab simulink

Hình 4.3. Sơ đồ mô phỏng khối TCR
Hình 4.4. Sơ đồ khối điều khiển
Hình 4.5. Sơ đồ mô phỏng khối đo lường
Hình 4.6. Sơ đồ mô phỏng khối điều chỉnh điện áp
Hình 4.7. Sơ đồ mô phỏng tính góc mở Thyristor
Hình 4.8. Sơ đồ mô phỏng mạch phát xung điều khiển TCR
Hình 4.9. Đồ thị điện áp hiệu dụng 3 pha tại nút phụ tải và công suất phản
kháng truyền tải trên lưới điện
Hình 4.10. Đồ thị điện áp hiệu dụng 3 pha tại nút phụ tải và công suất phản
kháng truyền tải trên lưới điện
Hình 4.11. Công suất phản kháng phát của SVC
Hình 4.12. Đồ thị góc mở  cấp cho TCR
Hình 4.13. Đồ thị điện áp hiệu dụng 3 pha tại nút phụ tải và công suất phản
kháng truyền tải trên lưới điện
Hình 4.14. Đồ thị điện áp hiệu dụng 3 pha tại nút phụ tải và công suất phản
kháng truyền tải trên lưới điện.
Hình 4.15. Công suất phản kháng phát của SVC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm
Hình 4.16. Đồ thị góc mở  cấp cho TCR
Hình 4.17. Đồ thị điện áp hiệu dụng 3 pha tại nút phụ tải và công suất phản
kháng truyền tải trên lưới điện
Hình 4.18. Đồ thị điện áp hiệu dụng 3 pha tại nút phụ tải và công suất phản
kháng truyền tải trên lưới điện
Hình 4.19. Công suất phản kháng phát của SVC
Hình 4.20. Đồ thị góc mở  cấp cho TCR
Hình 4.21. Cấu trúc điều khiển mờ
Hình 4.22. Biểu diễn luật mờ Ki trên không gian
Hình 4.23. Biểu diễn luật mờ Kp trong không gian
Hình 4.24. Sơ đồ cấu trúc điều khiển luật PI động
Hình 4.25. Điện áp tại thanh cái đặt SVC

Hình 4.26. Công suất phản kháng tại thanh cái đặt SVC







Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

FACTS: (Flexible AC Transmission System) Hệ thống truyền tải điện xoay
chiều linh hoạt
SVC (Static Var Compensator) : Máy bù tĩnh
TCR (Thyristor Controlled Reactor) : Kháng điều khiển bằng thyristor
TSC (Thyristor Switched Capacotpor) : Tụ đóng cắt bằng thyristor
TSR (Thyristor Switched Reactor) : Kháng đóng cắt bằng thyristor
FC (Fixed Capacitor) : Tụ điện cố định
 : Góc mở của thyristor
 : Góc dẫn của thyristor
I
L
: Dòng điện qua cuộn kháng
I
Lft
: Biên độ của dòng điện cơ bản qua cuộn kháng TCR
B
L()
: Điện dẫn tương đương của TCR theo góc dẫn 
X

L
: Điện kháng của TCR ở tần số cơ bản
X
sl
: Điện kháng đặc trưng cho độ dốc đường đặc tính tĩnh V-I của TCR
V
ref
: Điện áp của SVC
I
SVC
: Dòng điện chạy qua SVC
B
SVC
: Điện dẫn tương đương của SVC
B
TCR
: Điện dẫn tương đương của TCR
U
norm
: Điện áp định mức của hệ thống
S
short ciruit
: Cấp công suất ngắn mạch tương đương của hệ thống
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm
LỜI NÓI ĐẦU

Thời gian qua, cùng với sự phát triển kinh tế với tốc độ cao, nhu cầu tiêu
thụ điện của nước ta tăng trưởng không ngừng, đặc biệt trong quá trình công
nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước từng bước hội nhập vào nền kinh tế khu
vực và thế giới. Để đảm bảo cung cấp điện an toàn và ổn định, đáp ứng yêu

cầu phát triển kinh tế xã hội của cả nước, hệ thống điện Việt Nam đã có
những bước phát triển mạnh mẽ.
Từ giữa năm 1994, với việc đưa vào vận hành đường dây siêu cao áp
500 kV Bắc - Trung - Nam và có chiều dài gần 1500 km, hệ thống điện Việt
Nam đã trở thành hệ thống điện hợp nhất với đầy đủ các đặc trưng của hệ
thống lớn. Một mặt, hệ thống điện hợp nhất cho phép khai thác tối đa các ưu
điểm vận hành kinh tế (phối hợp các nguồn thủy điện, nhiệt điện, tối ưu hoá
công suất nguồn …), mặt khác cho phép nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.
Việc hợp nhất hệ thống còn là tiền đề thuận lợi cho việc phát triển các loại
nguồn điện công suất lớn và đấu nối vào hệ thống.
Tuy nhiên, với hệ thống điện hợp nhất có các đường dây siêu cao áp, một
trong những vấn đề quan trọng là tính ổn định trong quá trình vận hành.
Trong các hệ thống điện này, những sự cố do mất tính ổn định gây ra sẽ làm
ngừng cung cấp điện hoặc phân chia hệ thống thành từ phần riêng lẻ.
Với việc áp dụng các thành tựu đã đạt được của công nghệ bán dẫn vào
lĩnh vực truyền tải điện, các linh kiện điện tử công suất lớn, điện áp cao như
Thyristor, GTO có thể sử dụng vào các hệ thống truyền tải điện xoay chiều
linh hạot (FACTS: Flexible AC Transmission Systems). FACTS đã góp phần
vào việc giải quyết những hạn chế trên đường truyền tải, nâng cao tính ổn
định và tận dụng triệt để các thiết bị cho hệ thống hiện có.
Trên thế giới, nhiều hãng lớp như American Supper Conductor của Mỹ,
Rongxin Power Electric Co.Ltd của Trung Quốc, Misubisi, SIEMEN…. đã có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm
nhiều sản phẩm về thiết bị bù tĩnh có điều khiển SVC, STATCOM, thiết bị bù
dọc có điều khiển TSCS đã được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong
việc nâng cao tính ổn định và chất lượng điện áp của hệ thống điện. Việc
nghiên cứu các thiết bị bù này đối với việc nâng cao ổn định và chất lượng
điện áp của hệ thống điện Việt Nam trong tương lai là nhiệm vụ rất cần thiết.
Nhằm mở ra một hướng mới trong việc nghiên cứu, chế tạo thiết bị bù
ngang có điều khiển, em được giao đề tài "Khảo sát và thiết kế thiết bị bù

công suất phản kháng tĩnh cho trạm truyền tải điện 220kV" là đề tài thạc sỹ
của mình. Luận văn của em đưa ra những nghiên cứu về khả năng ổn định
điện áp tại nút phụ tải có mắc SVC với đường dây cao áp 220kV.
Bản luận văn tốt nghiệp của em được trình bày trong bốn chương với nội
dung chính như sau:
Chương I: Tổng quan về bù công suất phản kháng trong hệ thống điện
Chương II: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và đặc tính làm việc của thiết
bị bù tĩnh điện có điều khiển SVC
Chương III: Tính toán hệ thống bù công suất 100MVAR cho hệ thống
điện
Chương IV: Thực hiện mô phỏng hệ thống bằng Matlab/ Simulink
Do hạn chế về thời gian, cũng như kiến thức của bản thân, luận văn này
chắc chắn còn nhiều thiếu sót, em rất mong sẽ nhận được ý kiến phê bình về
những nội dung chưa hoàn thiện trong luận văn này.
Thái Nguyên, tháng 9 năm 2010
Tác giả thực hiện



Lê Hoành Sấm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt
[1] Trần Bách, Lưới điện và hệ thóng điện, tập 1, Nhà xuất bản Khoa học và
Kỹ thuật, 2004.
[2] Phan Đăng Khải, Huỳnh Bá Minh, Bù công suất phản kháng lưới cung
cấp và phân phối điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2003.

[3] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất,
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2004.
[4] Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất: Lý
thuyết - Thiết kế - Ứng dụng¸ Lý thuyết điều khiển mở, NXB KHKT, 2002.
[5] P.X. Minh, N.D. Phước, Lý thuyết điều khiển mờ, NXB KHKT, 2002.
Tiếng Anh
[6] G.Hingorani, L.Gyugyi, Understanding FACTS: Concept and Technology
of Flexible AC Transmission Systems, The Institute of Electrical and
Electronics Engineeres Inc., New York, 2000.
[7] E.Acha V.G. Agelidis, O.Anaya - Lara, T.J.E.Miller, Power Electronic
Control in Electrical Systems, Newnes Publisher, 2002.
[8] R.Mohan Mathur, Rajiv K.Varma Thyristor - Based Facts Controllers for
electrical Tranmission Systems, copyright@ 2002 John Wiley & Sons
from www.knovel.com.
[9] Genetic algorithm based opimal self - tuning fuzzy logic controller for
power system static VAR stabiliser.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm
TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay, nhu cầu điện năng tiếp tục tăng mạnh đòi hỏi chất lượng phân
phối điện và độ tin cậy cao hơn rất nhiều. Việc đưa thiết bị FACTS vào khai
thác đã giải quyết đúng đắn và có giá trị rất cao cho các vấn đề của lưới khi
truyền tải.
Từ nhu cầu đó, luận văn này phân tích được cơ sở ổn định điện áp lưới
bằng việc bù công suất phản kháng và nghiên cứu nguyên lý làm việc của các
thiết bị bù tĩnh SVC. Đánh giá ưu nhược điểm của các loại cấu hình SVC phổ
biến, từ đó chọn thiết kế mạch lực tối ưu FC - TCR, tính toán mạch lạc. Thiết
kế bộ lọc sóng hài LC và thiết kế nguyên lý điều khiển cho hệ thống bù có
công suất  100 MVAr.
Từ các kết quả thiết kế, xây dựng mô hình mô phỏng thiết bị bù có điều

khiển SVC ghép với hệ thống điện bằng chương trình Malab - Simulink. Mô
hình sử dụng điều khiển PI đã chứng minh được khả năng giữ ổn định và
nâng cao chất lượng điện áp lưới điện của thiết bị bù tĩnh đã thiết kế. Đối với
hệ bù đã thiết kế FC- TCR thì công suất phản kháng phát của tụ là cố định
nên việc điều chỉnh công suất phản kháng của hệ phụ thuộc vào kháng có điều
chỉnh TCR. Luận văn cũng đưa ra thuật toán dùng luật mờ để cải thiện chất
lượng điều khiển hệ thống. Kết quả mô phỏng chứng minh thấy chất lượng
điều chỉnh được cải thiện đó là: Chính xác hơn, nhanh hơn và sát giá trị
đặt hơn.
Từ khoá: Bù công suất phản kháng, FACTS, điều khiển kháng điện TCR,
điều chỉnh điện áp, SVC, Fuzzy.




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm

SUMURY OF THESIS

Today, the demand for electricity continues to incerase and that quality
and distribution reliability and higher to serve the needs of economic
development. FACTS devices to bring into use the proper resolution and high
- value problems of the transmission grid.
From the demand that this thesis is the basis of analysis of voltage
stability compensation network capacity by protests and research work
principle of the devives make up a static SVC. Assess advantages and
disadvantages of types of common SVC configuration, thereby selecting the
optimal power circuit design FC - TCR, computing power circuit. Design LC
filter harmonics and design principles for the control system can compensate
capacity  100 MVAr.

From the reslts of designing and building equipment simulations
compensate controlled SVC pair with the electrical system in the Malab -
Simulink. Model using pI control law has been proven ability to maintain and
improve the quality of the grid voltage of the device were offset static design.
For compensation system designed FC - TCR has the capacity of the
convergent protests are fixed so the adjustment capacity of protesting
dependency on anti - TCR adjusted. Thesis also makes the algorithm used
fuzzy reles to impove the quality control system. Simulation results
demonstrate that quality control is improved: faster and more accurately
placed than sticking value.
Keyword: Compensation capacity protests, FACTS, TCR control, adiust
voltage, SVC, Fuzzy.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm

1
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT TRONG LƢỚI ĐIỆN

1.1. Đặt vấn đề
Để thiết bù công suất phản kháng, trứơc hết ta cần biết về vai trò tác
dụng quan trọng của nó trong một hệ thống điện. Bù công suất phản kháng có
tác dụng:
Điều chỉnh hệ số công suất thường là thực hiện việc cấp công suất phản
kháng càng gần tải càng tốt. Hầu hết các phụ tải công nghiệp, nông nghiệp
tiêu thụ nhiều công suất phản kháng. Vì thế dòng tải có khuynh hướng lớn
hơn dòng điện cần thiết để cung cấp riêng cho công suất sinh công vì vậy lãng
phí do phải tăng tiết diện dây, gây tổn thất điện áp cũng như điện năng lớn
hơn yêu cầu thực tế.
Điều áp là một vấn đề quan trọng và đặc biệt cần thiết nếu trong lưới

điện có các phụ tải có nhu cầu công suất phản kháng luôn thay đổi. Trong mọi
trường hợp, sự biến thiên về nhu cầu công suất phản kháng sẽ gây ra sự biến
thiên điện áp tại điểm cung cấp làm ảnh hưởng đến hoạt động của các phụ tải
đấu nối tiếp vào điểm đó và làm tăng khả năng nhiễu loạn giữa các phụ tải ở
gần. Để ngăn ngừa việc này các công ty điện lực phải cố gắng duy trì điện áp
trong giới hạn quy định. Ở các nước, người ta quy định giới hạn thay đổi điẹn
áp trong khoảng  5% trong thời gian vài phút hay vài giờ, đến các giới hạn
khắc nghiệt đối với các tải lớn biến thiên nhanh gây ra độ dốc điện áp lớn, có
hại cho việc vận hành các thiết bị bảo vệ và hiện tượng chớp nháy gây khó
chịu cho mắt người. Trong trường hợp này thiết bị bù đóng vai trò quan trọng
việc duy trì điện áp trong giới hạn quy định.
Cân bằng phụ tải: Hầu hết các phụ tải xoay chiều lớn đều dùng dòng
điện ba pha và được thiết kế vận hành ở chế độ cân bằng. Nếu các phụ tải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm

2
hoạt động không cân bằng làm bằng làm tăng các thứ tự nghịch và thứ tự
không của dòng điện. Các thành phần này sẽ có tác dụng xấu như tổn thất
trong động cơ máy phát gây dao động mômen ở các máy điện xoay chiều, gia
tăng độ gợn sóng điện áp trong các bộ phân chỉnh lưu làm cho thiét bị điện
học sinh không đúng chế độ, làm tăng bão hoà từ cho các máy biến áp và
dòng trung tính vượt quá mức cho phép một số thiết bị bao gồm nhiều loại
thiết bị bù làm việc phụ thuộc vào việc vận hành cân bằng để hạn chế sóng
hài. Số lượng sóng hài trong sóng điện áp là thông số quan trọng của chất
lượng nguồn điện được đặc trưng bởi phổ các dao động điều hoà trên phổ tần
công nghiệp cơ bản. Các sóng hài thường được hạn chế bởi các bộ lọc, các bộ
lọc này có nguyên tắc thiết kế khác với vấn thiết bị bù. Tuy nhiên vấn đề sóng
hài thường nảy sinh cùng vấn đề phụ tải do đó vấn đề bù và lọc sóng hài cũng
được quan tâm.

1.2. Khái niệm hệ thống điện và phụ tải điện
1.2.1. Hệ thống điện
Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây
tải điện và các thiết bị khác (thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ…) được
nối liền với nhau thành hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân
phối điện năng.
Tập hợp các bộ phân của hệ thống điện (HTĐ) gồm các đường dây tải
điện và các trạm biến áp được gọi là lưới điện.
Điện năng truyền tải đến hộ tiêu thụ phải thoả mãn các tiêu chuẩn phục
vụ (bao gồm chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện) và có chi phí
sản xuất, truyền tải và phân phối nhỏ nhất.
Các thiết bị dùng điện được gọi chung là phụ tải điện.



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm

3
1.2.2. Phụ tải điện
Phụ tải điện gồm công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q yêu
cầu tại một điểm nào đó của lưới điện. Công suất tác dụng là P là công suất
sinh ra công, tiêu hao năng lượng của nguồn điện. Công suất phản kháng Q
thường là công suất sinh ra từ trường, mang cảm tính, không tiêu thụ năng
lượng của nguồn, nhưng dòng điện do nó sinh ra khi chạy trong dây dẫn gây
ra tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng . Công suất P và Q có
tương quan với nhau , được đặc trưng chung bằng công suấ t biểu kiến S và
cos.
22
QPS 
và

IUS 3

)/( PQarctg



cos.SP
;

sin.SQ

U là điện áp dây
U3
là điện áp pha (1.2)
Xét dòng điện hình sin trong mạch.
)sin()(

 tIti
m

Trong đó: I
m
: Trị số cực đại của dòng điều hoà
t +  : Góc pha
 : Tần số góc
 : Pha ban đầu
Với dòng chu kỳ i(t) đã cho có thể tìm được trị số dòng không đổi I
tương dương về mặt tiêu tán năng lượng trong thời gian một chu kỳ T, nghĩa
là trong một mạch đơn giản thuần trở.



T
dttiRTIRA
0
22
)(
(1.3)
Trị số dòng không đổi I tương đương về mặt tiêu tán với dòng chu kỳ i(t)
được gọi là giá trị hiệu dụng của chu kỳ. Như vậy có thể viết:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm

4
)sin( 2)(

 tIti
(1.4)
Xét mạch gồm các phần tử nối tiếp R-L-C với kích thích điều hoà
)sin( 2)(

 tUtu
(1.5)
=
)
2
sin( 2)sin( 2


 tILtIR

+
 
2
sin
.
1
.2



tI
C

=
 
2
sin 2
2
sin 2sin 2




tUtUtU
CLR


Theo quan hệ hiệu dụng giữa U và I ta có:
ZXXRCLR
I

U
CL

2222
)()/1(

(1.6)
Hay:
22
XR
I
U
Z 

Ở đây ta thấy R và X đặc trưng cho hai quá trình năng lượng khác nhau
hẳn về bản chất (tiêu tán và dao động).

Hình 1.1. Mạch R L C nối tiếp và đồ thị véctơ điện áp
Từ đồ thị véctơ (hình 1.1) ta tìm được góc lệch pha giữa u và i.
R
X
R
XX
U
UU
tg
CL
R
CL







(1.7)
Hay
)( RXarctg




cos.ZR


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm

5


sin.ZX

Xét sự tiêu thụ năng lượng xảy ra trong mạch điện có tải là điện trở và
điện kháng. Mạch điện được cung cấp bởi một điện áp.
tUu
m

sin.
(1.8)
Dòng điện i lệch pha với u một góc :

 

 tIi
m
sin.
(1.9)
=
)cos.sincos.(sin ttI
m




'' ii 

Với
tIi
m

sin.cos.'
(1.10)

tIi
m

cos.sin.''


 
2cos.sin.


 tI
m
(1.11)
Như vậy dòng điện i là tổng của hai thành phần:
i' - Có biên độ I
m
. cos cùng pha với điện áp.
i'' - Có biên độ I
m
. sin chậm pha với điện áp một góc /2
Công suất tương ứng với hai thành phần i' và i'' là:
+ P = U.I. cos gọi là công suất tác dụng
P = U.I.cos = Z. I
2
.R/Z = R.I
2
(1.12)
Vậy công suất tác dụng P là công suất biến năng lượng điện thành ra các
dạng năng lượng khác và sinh công.
+ Q = U.I. cos gọi là công suất tác dụng
Q = U.I.sin = Z. I (I.sin) = Z.I
2
.X/Z = R.I
2
(1.13)
Vậy công suất phản kháng Q của một nhánh nói lên cường độ của quá
trình dao động năng lượng.
Ta có biểu diễn quan hệ P, Q như sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm

6

Hình 1.2. Đồ thị quan hệ giữa P và Q

1.3. Chế độ làm việc và cân bằng công suất trong hệ thống điện
1.3.1. Chế độ làm việc
Khi hệ thống điện hoạt động, tập hợp các dạng quá trình xảy ra trong hệ
thống điện hoặc một phần hệ thống điện và trạng thái của nó trong một thời
điểm hoặc trong một khoảng thời gian nhất định gọi là chế độ của hệ thống điện.
Chế độ của hệ thống điện đặc trưng bởi các thông số chế độ đó là công
suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, điện áp U, góc pha của điện áp,
dòng điện I tại mọi điểm của hệ thống điện. Các thống số này biến thiên liên
tục trong thời gian do nhu cầu điện năng của phụ tải luôn biến đổi theo quy
luật của sản xuất, đời sống và do sự kiện bất thường khác được gọi chung là
sự cố như: ngắn mạch, hỏng hóc ngẫu nhiên các tổ máy hoặc các đường dây
điện
Chế độ xác lập là chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, trong
đó các thông số chế độ được coi không đổi.
Chế độ quá độ là chế độ trong đó các thông số chế độ biến đổi rất nhanh,
mạnh.
Chế độ quá độ bình thường là chế độ xảy ra khi yêu cầu công suất phụ
tải biến đổi rất nhanh, còn chế độ quá độ sự cố là chế độ xảy ra khi xảy ra sự
cố trong hệ thống điện.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm

7
1.3.2. Cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng

* Cân bằng công suất là điều kiện cần của chế độ xác lập, để có thể tồn
tại chế độ xác lập còn phải có đủ điều kiện, đó là điều kiện ổn định tĩnh.
Trong vận hành hệ thống điện luôn bị các kích động nhỏ, đó là sự biến đổi
nhỏ cân bằng công suất tác dụng. Các kích động này tác động lên cân bằng
công suất cơ điện ở trục tuabin của các tổ máy phát làm cho tốc độ quay cơ
học của tuabin bị biến đổi. Nếu sau khi bị kích động này, máy phát có khả
năng khôi phục lại chế độ ban đầu thì máy phát có khả năng ổn định tĩnh. Khả
năng ổn định tĩnh của hệ thống điện phụ thuộc vào cấu trúc của nó và vào chế
độ làm việc. Hệ thống điện phải có độ dự trữ nhỏ hơn công suất cực đại mà
một đường dây có thể tải được theo điều kiện ổn định tĩnh một khoảng cách ít
nhất bằng độ dự trữ ổn định tĩnh.
* Công suất tác dụng và công suất phản kháng của nguồn điện phải luôn
cân bằng với công suất yêu cầu của phụ tải trong mọi thời điểm vận hành.
- Nếu công suất tác dụng của nguồn điện nhỏ hơn yêu cầu của phụ tải thì
tần số sẽ giảm và ngược lại. Tần số là thước đo cân bằng công suất tác dụng.
Khi tần số nằm trong phạm vi cho phép quy định bởi tiêu chuẩn chất lượng
điện năng thì có nghĩa là đủ công suất tác dụng. Nếu tần số cao hơn thì công
suất nguồn dư thừa so với phụ tải, ngược lại nếu tần số thấp hơn thì công súât
nguồn thiếu so với phụ tải. Cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ
thống, tần số tại mọi nơi trên hệ thống điện luôn như nhau. Để có thể đáp ứng
tức thời mọi biến đổi của nhu cầu, công suất nguồn phải có dự trữ một lượng
công suất nhất định, trong đó phần lớn là dự trữ nóng (dưới dạng các máy
phát chạy non tải), một phần có thể là dự trữ lạnh, tổ máy ở trạng thái nghỉ,
khi sự cố xảy ra mới khởi động, tổ máy dự trữ lạnh phải có thời gian khởi
động và nhận tải nhanh, lượng công suất này được điều khiển nhờ hệ thống

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm

8
điều chỉnh tần số. Như vậy, công suất đặt của ngùôn điện phải lớn hơn yêu

cầu phụ tải một lượng công suất dự trữ sự cố P
dtsc
.
Ngoài công suất dự trữ sự cố còn phải đặt thêm công suất dự trữ bảo
quản P
dtbq
để có thể bảo quản các tổ máy mà không ảnh hưởng đến phụ tải.
Công suất dự trữ sự cố đựơc xác định ở thời điểm phụ tải cực đại năm, ở
chế độ này cân bằng công suất được xác định như sau:


tddtbqdtcsptFdm
PPPPPP
(1.14)
Trong đó:


Fdm
P
: Tổng công suất định mức của nguồn điện


pt
P
: Tổng công suất yêu cầu của phụ tải


P
: Tổng tổn thất công suất trên lưới điện và trong máy
biến áp

P
td
: Công suất tự dùng của các nhà máy điện
P
dtcs
: Công suất dự trữ sự cố bằng khoảng từ

 

 PP
pt
%150
và lớn hơn công suất tổ máy
lớn nhất
P
dtbq
: Công suất dự trữ bảo quản, nhu cầu công suất này
được tính theo điều kiện cụ thể của hệ thống
- Tương tự, với công suất phản kháng, nếu công suất phản kháng nhỏ
hơn yêu cầu thì điện áp sẽ giảm, còn công suất phản kháng nguồn lớn hơn
công suất phản kháng yêu cầu của phụ tải thì điện áp sẽ tăng. Điện áp là thước
đo cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện. Nếu điện áp thấp hơn
giới hạn quy định bởi chất lượng điện áp thì có nghĩa là công suất phản kháng
của nguồn thiếu so với phụ tải, còn nếu điện áp cao hơn thì có nghĩa là công
suất phản kháng nguồn thừa.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm

9
Khác với công suất tác dụng, cân bằng công suất phản kháng vừa có tính

chất hệ thống vừa có tính chất địa phương. Có nghĩa là chỗ này của hệ thống
điện có thể đủ công suất phản kháng nhưng chỗ khác lại thiếu.
Công suất phản kháng được đáp ứng một phần bởi các nhà máy điện,
phần còn lại được hệ thống cấp nhờ các tụ bù, kháng điện được đặt một cách
hợp lý trong hệ thống điện. Hệ thống điện cần một lượng công suất phản
kháng dự trữ chung để điều chỉnh mức điện áp hệ thống khi nhu cầu biến đổi
hoặc sự cố nhà máy điện. Cân bằng công suất phản kháng được điều chỉnh
nhờ hệ thống điều chỉnh điện áp.
Công suất bù Q
b
xác định từ điều kiện cân bằng công suất phản kháng
trong chế độ cực đại năm của hệ thống điện:


FcdttdBtpt
QQQQQQQQ
(1.15)
Trong đó:

 

ptiptipt
tgPQ

.
là công suất yêu cầu của phụ tải



dmdmiF

tgPQ

.
là công suất nguồn điện phát được trong
chế độ định mức

 

tditditd
tgPQ

.
là công suất phản kháng tự dùng



l
Q
là tổn thất công suất phản kháng trong lưới điện



B
Q
là tổn thất công suất phản kháng trong các máy biến áp



C
Q

là tổn thất công suất phản kháng do đường dây sinh ra
Q
dt
là công suất phản kháng dự trữ khoảng
 


lBpt
QQQ%87

1.4. Tổn thất điện áp trên đƣờng dây truyền tải điện
Xét đường dây có điện trở R, điện trở kháng X cấp điện cho phụ tải có
công suất S
2
= P
2
+ jQ
2
. Điện áp cuối đường dây là U
2
điện áp nguồn là U
1
và
công suất của nguồn cần cung cấp là S
1
= P
1
+ jQ
1
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm

1
0






Hình 1.3. Mô hình truyền tải điện
1.4.1. Tổn thất điện áp tính theo dòng điện, véctơ điện áp

Hình 1.4. Sơ đồ tổn thất điện áp
Dòng điện I có thể phân tích thành 2 phần thực I
P
(trùng với U
2
) và ảo I
q

(vuông góc với U
2
).

sin cos IjIIjII
qp

(1.16)

Với Z = R + jX là tổng trở của đường dây
Theo định luật Ohm ta có tổn thất điện áp pha trên đường dây tính cho 1
pha

 
jXRIjIjXRIjIZIU
qpf


sin cos

  
RIXIjXIRI .sin cos sin cos.


(1.17)
ff
UjU



U
1
Z.L
U
2
1
2
S
1

= P
1
+jQ
1
S
2
= P
2
+jQ
2