Phân tích ảnh hưởng của sóng hài trong trạm bù công suất phản kháng kiểu SVC và những giải pháp khắc phục

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 1


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP



VŨ THỊ VÒNG


PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA SÓNG HÀI TRONG
TRẠM BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG KIỂU SVC VÀ
NHỮNG GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
Mã số: 60.52.50






LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên - 2013

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 2


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn, ngoài nỗ lực bản thân, tác giả đã nhận được rất nhiều
sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các Thầy, các Cô trong suốt quá trình giảng
dạy và khoa Đào tạo sau đại học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên,
đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của thầy TS. Ngô Đức Minh Trường Đại
học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Ngày 28 tháng 12 năm 2012.
Học viên


Vũ Thị Vòng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 1
LỜI CẢM ƠN 2
MỤC LỤC 3
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 6
DANH MỤC CÁC BẢNG 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8
LỜI NÓI ĐẦU Error! Bookmark not defined.
Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN 13
1.1. Tổng quan về truyền tải công suất trong hệ thống điện 13
1.1.1. Đặt vấn đề 13
1.1.2. Công suất phản kháng trên đường dây truyền tải 14
1.1.3. Bù công suất phản kháng trên đường dây truyền tải 15
1.1.4. Sự tiêu thụ công suất phản kháng của các thiết bị điện 17
1.1.5. Tình hình bù công suất phản kháng ở Việt Nam 20
1.1.6. Vấn đề bù công suất phản kháng ở một số nước trên thế gi ới 23
1.2. Những tồn tại và hướng khắc phục 27
1.2.1. Những tồn tại 27
1.2.2. Giải pháp khắc phục 28
1.3. Kết luận chương 1 28
Chƣơng II. PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA TRẠM BÙ SVC 29

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 4


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2.1. Trạm bù SVC Thái Nguyên 29
2.2. Cấ u tạ o và nguyên lý hoạt động củ a thiết bị bù tĩnh SVC 34
2.2.1. Các phần tử chính 34
2.2.1.1. Cuộn kháng điều chỉnh bằng Thyristor TCR ( Thyristor controlled
Reactor). 35
2.2.1.2. Các bộ tụ cố định FC (Fixed Capacitors) 38
2.2.1.3. Tụ điện đng ngắt bằng Thyristor TSC (Thyristor Switch Capacitor) . 39
2.2.2. Nguyên lý hoạt động 40
2.3. Hiệu quả bù 41
2.4. Vấn đề sng hài và bù sng hài của trạm SVC 43
2.4.1. Tổng quan về sng hài, tiêu chuẩn IEEE std 519 43
2.4.2. Các nguồn phát sinh sng hài trên lưới 46
2.4.3. Tác hại của sng hài 47
2.4.4. Tiêu chuẩn đánh giá sng hài 49
2.5. Kết luận chương 2 51
Chƣơng III. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LỌC TÍCH CỰC TRONG TRẠM BÙ
SVC 52
3.1. Đặt vấn đề 52
3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bộ lọc tích cực 52
3.2.1. Cấu tạo bộ lọc tích cực 54
3.2.2. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực 54
3.3. Cấu trúc điều khiển của bộ lọc tích cực 61
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3.4. Kết luận chương 3 64
Chƣơng IV. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB – SIMULINK 65
4.1. Mô phỏng hoạt động của trạm SVC 65
4.1.1. Cấu trúc mô phỏng trạm SVC 65
4.1.1.1. Khối TCR 67
4.1.1.2. Khối TSC 67
4.1.1.3. Cấu trúc mạ ch điề u khiể n 69
4.1.2 Kết quả mô phỏng trạm SVC 74
4.2. Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực 81
4.2.1 Cấu trúc mô phỏng 82
4.2.2 Mô hình sử dụng bộ lọc tích cực kết hợp SVC 85
4.2.3 Kết quả mô phỏng lọc AF 86
4.2.4. Kết quả mô phỏng bộ lọc tích cực kết hợp SVC 89
4.3. Kết luận chương 4 92







Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 6


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
CSPK

Công suất phản kháng
CSTD
Công suất tác dụng
SVC
Static Var Compensator
(Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh)
TCR
Thyristor Controlled Reactor
(Kháng điều chỉnh bằng thyristor)
TSR
Thyristor Switched Reactor
(Kháng đng mở bằng thyristor)
TSC
Thyristor Switched Capacitor
(Bộ tụ đng mở bằng thyristor)
FC
Fixed Capacitor
(Tụ điện c điện dung cố định)
THD
Total Harmonic Distortion
(Hệ số méo dạng)
FFT
Fast Fourier Transform
(Biến đổi nhanh Fourier)
PWM
Pulse Width Modulation
(Điều chế độ rộng xung)
AHF
Active Harmonic Filter
(Bộ lọc sng hài tích cực)

AF
Active Filter
(Bộ lọc tích cực)
FACTS
Flexible AC Transmission System
(Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt)
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
(Viện kỹ thuật Điện điện tử Mỹ)
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 7


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. IEEE std 519 49
Bảng 2.2. Tiêu chuẩn IEEE std 519 IEC 1000-3-4 cho thiết bị trên 75A ở dòng đầu vào
mỗi pha. 50
Bảng 2.3. IEC 1000-3-4 50
Bảng 4.1 Các khối sử dụng trong mô hình 66
Bảng 4.2. Các thiết bị chính của khối TCR và TSC 68
Bảng 4.3. Các khối sử dụng trong mô hình mô phỏng 82

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 8


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ lưới điện. 21
Hì nh 1.2. Các phương án đặt thiết bị bù công suất phản kháng 24
Hình 2.1. Sơ đồ nhất thứ trạm 220kV Thái Nguyên. 30
Hình 2.2. Sơ đồ mạch lực trạm SVC. 31
Hình 2.3. Hệ thố ng bù tĩnh SVC. 32
Hình 2.4. Giao diệ n chương trình giá m sá t, điề u khiể n hệ thố ng bù SVC. 33
Hình 2.5. Các cấu hình SVC 34
Hình 2.6. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động TCR 35
Hình 2.7. Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR. 36
Hình 2.8. Dạng sng điện áp và dòng điện của TCR một pha với các gc mở
(a) α = 90
0
; (b) α = 100
0

; (c) α = 130
0
; (d) α = 150
0
. 37
Hình 2.9. Nhánh FC của hệ thống SVC 39
Hình 2.10. Sơ đồ cấ u tạ o củ a TSC 39
Hình 2.11. Sơ đồ thay thế tương đương của SVC 41
Hình 2.12. Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi c và không c SVC. 42
Hình 2.13: Thiế t bị bù tĩnh SVC đặ t giữa đường dây 42
Hình 2.14. So sánh khả năng truyền tả i và độ dự trữ ổn định trên đường dây khi c bù
và không có bù 43
Hình 2.15. Dạng sng sin và dạng sng điều hòa. 43
Hình 2.16. Phân tích F
n
thành a
n
và b
n
45
Hình 2.17. Phổ của sng điều hòa. 45
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 9


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 3.1. Mô hình hệ thố ng điệ n vớ i tả i phi tuyế n và bộ lọ c tích cự c mắ c song song. . 53
Hình 3.2. lọc tích cực kết nối với hệ thống điện 54
Hình 3.3. Sơ đồ tương đương của bộ lọc tích cực khi nối vào lưới. 55
Hình 3.4. CLPWM làm việc ở chế độ chỉnh lưu bình thường. 56

Hình 3.5. CLPWM làm việc ở chê độ chỉnh lưu tích cực, cosυ = 1. 56
Hình 3.6. CLPWM làm việc ở chế độ nghịch lưu với cos = -1 56
Hình 3.7. Các thành phần công suất theo thuyết p – q trong hệ tọa độ abc. 57
Hình 3.8. Bù các thành phần công suất trong hệ tọa độ abc. 60
Hình 3.9. Mô hình các khối của bộ lọc tích cực. 61
Hình 3.10. Cấu trúc bộ điều khiển lọc tích cực 62
Hình 3.11. Cấu trúc của bộ lọc tích cực và lưới. 63
Hình 4.1. Cấu trúc môphỏ ng trạm SVC 65
Hình 4.2. Cấu trúc mô phỏng khối TCR 67
Hình 4.3. Cấu trúc mô phỏ ng khố i TSC 68
Hình 4.4. Cấu trúc mô phỏng khố i điề u khiể n SVC 70
Hình 4.5. Khố i đo lườ ng 71
Hình 4.6. Khố i điề u chỉ nh điệ n á p sử dụ ng bộ điề u khiể n PI 71
Hình 4.7. Khố i tính toá n gó c mở thyristor 73
Hình 4.8. Khố i phá t xung điề u khiể n cá c Thyristor củ a TCR 74
Hình 4.9. Mô phỏ ng hệ thống khi không c SVC 75
Hình 4.10. Mô phỏ ng hệ thống khi c SVC 75
Hình 4.11. Sơ đồ mô phỏng khối đo thành phần sng hài 77
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 10


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 4.12. Dòng điện một pha sơ cấp biến áp Ia sau khi được lọc 77
Hình 4.13. Sng hài bậc 3 sau khi lọ c 78
Hình 4.14. Sng hài bậc 5 sau khi lọ c 78
Hình 4.15. Sng hài bậc 7 sau khi lọ c 79
Hình 4.16. Đo THD dòng điện khi bỏ lọc bậc 7 80
Hình 4.17. Đo THD dòng điện khi bỏ lọc bậc 5 80
Hình 4.18. Đo THD dòng điện khi bỏ lọc bậc 3 81

Hình 4.19. Mô hình mô phỏng hệ thống điện với thiết bị lọc tích cực AHF (Active
Harmonic Filter) 82
Hình 4.20. Mô hình khối lọc tích cực 84
Hình 4.21. Bộ lọc tích cực sử dụng cùng thiết bị SVC 86
Hình 4.22. Biên dạng điện áp và dòng điện của nguồn. 87
Hình 4.23. Biên dạng điện áp và dòng điện của bộ lọc tích cực. 87
Hình 4.24. Biên dạng điện áp và dòng điện của tải. 87
Hình 4.25. Biên dạng điện áp và dòng điện của tụ. 88
Hình 4.26. Sng hài ở tải a) và nguồn b) tại thời điểm chỉ c tải I được đấu vào lưới
điện 88
Hình 4.27. Sóng hài ở tải (a) và nguồn (b) khi cả 2 tải được đấu vào lưới điện 89
Hình 4.28.Sng hài ở tải a) và nguồn b) khi lưới đã hoạt động ổn định 89
Hình 4.29. Kết quả mô phỏng lưới điện khi chỉ c hệ thống bù SVC 90
Hình 4.30. Kết quả mô phỏng với lưới điện khi c bộ lọc tích cực tham gia lọc sng hài
cùng SVC 90
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 11


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển không ngừng của đất nước. Điện năng cung cấp cho phụ tải không
chỉ phải đảm bảo yêu cầu về số lượng mà chất lượng điện năng cũng phải được đảm bảo.
Trong hệ thống truyền tải c thành lập các trạm bù công suất phản kháng, tùy theo công nghệ
c nhiều loại trạm bù lại chính là nguồn phát sinh sng điều hòa bậc cao (gọi tắt là sng hài)
hài gây ô nhiễm lưới. Các sng hài gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng như làm tăng tổn hao
phụ trên thiết bị, giảm hệ số công suất, ảnh hưởng tới tuổi thọ các thiết bị điện, làm giảm chất
lượng điện năng Do đ các sng hài trên lưới phải đảm bảo một số tiêu chuẩn giới hạn theo
quy định (tiêu chuẩn). Hiện nay, ở nước ta cũng như trên thế giới chủ yếu căn cứ theo tiêu
chuẩn IEEE std 519, tiêu chuẩn IEC 1000-3-4. Để hạn chế sng điều hòa bậc cao trên lưới c

nhiều giải pháp khác nhau, một trong số đ là sử dụng bộ lọc mà điển hình là bộ lọc tích cực.
Vì vậy sau hai năm học tập và nghiên cứu cùng với sự định hướng của thầy hướng dẫn TS.
Ngô Đức Minh tôi đã lựa chọn đề tài là “ Phân tích ảnh hưởng của sng hài trong trạm bù
công suất phản kháng kiểu SVC và những giải pháp khắc phục”.
Hướng nghiên cứu của luận văn là phân tích sự phát sinh và ảnh hưởng của sng hài
khi thực hiện bù công suất phản kháng trong hệ thống điện ni chung và xét tại trạm bù công
suất phản kháng SVC Thái Nguyên ni riêng, từ đ đề xuất những giải pháp khắc phục. Nội
dung luận văn được bố cục như sau:
Chương 1. Tổng quan về bù công suất phản kháng trong hệ thống điện
Chương 2. Phân tích hoạt động của trạm bù SVC
Chương 3. Nghiên cứu ứng dụng lọc tích cực trong trạm bù SVC
Chương 4. Mô phỏng bằng Matlab – Simulink.
Kết luận.
Trong quá trình thực hiện luận văn, được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Ngô
Đức Minh cùng với sự cố gắng của bản thân, nay đã hoàn thành. Tuy nhiên bản luận văn
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 12


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

không tránh khỏi những thiếu st, kính mong nhận được sự gp ý của các thầy cô giáo và
người đọc.
Tôi xin chân thành cảm ơn khoa Sau Đại học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành của mình tới thầy giáo TS. Ngô Đức Minh
đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện để tôi hoàn thành bản luận văn này.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 13


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Chƣơng I
TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN
1.1. Tổng quan về truyền tải công suất trong hệ thống điện
1.1.1. Đặt vấn đề
Để đánh giá vấn đề sử dụng điện c hợp lý và tiết kiệm hay không người ta đánh
giá thông qua hệ số công suất PF (Power Factor). Nâng cao hệ số công suất là một
trong những biện pháp quan trọng để tiết kiệm điện năng.
Biểu thức tính toán hệ số công suất:
(1.1)
Phần lớn các thiết bị dùng điện khi tiêu thụ công suất tác dụng (CSTD) P để
sinh công đều c tiêu thụ công suất phản kháng (CSPK) Q kèm theo.
- Công suất tác dụng P (công suất hữu công) là công suất được biến thành cơ
năng hoặc nhiệt năng trong các thiết bị sử dụng điện.

- Công suất phản kháng Q (công suất vô công) không sinh công nhưng bắt buộc
phải c thì một số thiết bị mới hoạt động được, chẳng hạn n là công suất từ hóa lõi
thép máy biến áp, động cơ…
Do đ trong vận hành người ta mong muốn sử dụng CSPK của lưới điện càng ít
càng tốt miễn sao thiết bị vẫn hoạt động bình thường.
Trong quá trình truyền tải công suất Q từ nơi sản xuất điện (các nhà máy thủy
điện, nhiệt điện…) đến các thiết bị sử dụng thì c gây tổn thất công suất tác dụng và
tổn thất điện áp. Mặt khác CSPK cung cấp cho tải tiêu thụ không nhất thiết phải lấy từ
nguồn vì vậy để tránh truyền tải một lượng CSPK lớn người ta đặt gần các tải tiêu thụ
các thiết bị phát CSPK để cung cấp trực tiếp cho tải, việc thực hiện như vậy gọi là bù
CSPK.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 14


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1.1.2. Công suất phản kháng trên đƣờng dây truyền tải
Quá trình truyền tải điện xoay chiều trên đường dây siêu cao áp liên quan đến
quá trình truyền sng điện từ dọc theo đường dây. Điện trường của đường dây thường
ít thay đổi trong quá trình vận hành vì điện áp đường dây được khống chế trong giới
hạn cho phép (với đường dây 500kV- không quá ±10%). Song từ trường đường dây tạo
ra c thể biến thiên trong một giới hạn rộng theo sự thay đổi của dòng điện tải trên
đường dây.
Trị số trung bình cho một chu kỳ của năng lượng điện trường tính trên đơn vị
chiều dài của một pha đường dây bằng:

2
1
.
2

w
Ep
CU
(1.2)
Trong đ:
p
U
là điện áp pha của đường dây
Công suất của điện trường đường dây 3 pha c chiều dài l:

2
33
. . . . .
22
w
E E p
Q l CU l


(1.3)
Trị số trung bình cho một chu kỳ của năng lượng từ trường tính trên đơn vị
chiều dài của một pha đường dây (khi tải dòng điện I) bằng:

2
1
.
2
w
M
LI

(1.4)
Công suất từ trường 3 pha của đường dây c chiều dài 1:

2
33
. . . . .
22
w
MM
Q l L I l


(1.5)
Công suất phản kháng của đường dây được xác định như là hiệu công suất của
điện trường và từ trường:
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 15


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


2
2
2
22
.
. ) (1 )
.
33
. .( . . . .

22
EM
p
pp
LI
Q Q Q L I
CU
l CU l CU

     
(1.6)
Khi công suất phản kháng của đường dây bằng không (trong trường hợp công
suất của điện trường và từ trường bằng nhau) ta có :

2
2
.
10
.
p
LI
CU

(1.7)
Từ đ :
P
PH
C
U
C

I U I
LZ
  
(1.8)
- z
C
gọi là tổng trở sng của đường dây. Với các đường dây trên không không
phân pha trị số điện trở sng
C
Z
khoảng 400

, khi phân mỗi pha thành 4 dây trị số
này giảm xuống còn 270

.
- Dòng điện chạy trong đường dây ở trường hợp này được gọi là dòng điện tự
nhiên (
H
I
), n tương ứng với trường hợp chạy trong đường dây c chiều dài vô cùng
lớn được nối với nguồn điện áp, khi ấy trên đường dây chỉ c sng tới mà không c
sng phản xạ. Đối với đường dây c chiều dài hữu hạn c thể xảy ra trường hợp tương
tự khi điện trở phụ tải tác dụng c trị số tổng trở sng của đường dây
C
Z
. Chế độ làm
việc của đường dây trong trường hợp này gọi là chế độ tải công suất tự nhiên. Ở chế độ
này đường dây không phát thêm cũng không tiêu thụ công suất phản kháng.
Công suất tự nhiên của đường dây:

2
3.
p
H
C
U
P
Z

(1.9)
1.1.3. Bù công suất phản kháng trên đƣờng dây truyền tải
Khi đường dây không tải (không tiêu thụ công suất tác dụng) lượng công suất
phản kháng của điện trường phát ra rất lớn c thể gây quá điện áp ở một số phần của
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 16


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

đường dây. Để hạn chế mức quá điện áp không tải người ta dùng các kháng điện bù
ngang.
Khi tăng dần công suất tác dụng tải trên đường dây, lượng công suất phản kháng
thừa do đường dây phát ra sẽ giảm dần. Do vậy, các kháng điện bù ngang cần phải
được cắt ra. Việc cắt kháng điện bù ngang ra khỏi đường dây cần được kiểm tra sao
cho ở thời điểm cắt kháng điện, điện áp ở bất kỳ điểm nào ở trên đường dây cũng
không được vượt quá giới hạn tối đa cho phép. Khi công suất tải bằng công suất tự
nhiên thì các kháng điện phải được cắt ra hoàn toàn hoặc phải làm sao cho lượng công
suất phản kháng của thiết bị bù từ bên ngoài đưa vào hoặc rút ra khỏi đường dây phải
bằng không. Yêu cầu này c thể được thực hiện bằng nhiều cách:
- Sử dụng kháng điện c điều khiển giới hạn điều chỉnh (

dd
QQ
). Đây là
phương án tốt nhất cả về kỹ thuật lẫn kinh tế.
- Dùng kháng điện c công suất cố định kết hợp với máy bù đồng bộ. Phương án
này đảm bảo yêu cầu thay đổi công suất phản kháng từ
()
KB
QQ
đến
()
KB
QQ
,
trong đ
K
Q
là công suất phản kháng điện,
B
Q
là công suất phản kháng máy bù đồng
bộ. Trong phương án này công suất kháng điện c thể bé hơn phương án 1 tuy nhiên
giá tiền thiết bị cao hơn.
- Dùng kháng điện c công suất cố định kết hợp với thiết bị bù tĩnh c khả năng
thay đổi công suất bù liên tục. Phương án này đảm bảo yêu cầu thay đổi công suất phản
kháng từ
K
Q
đến
()

BT K
QQ
, trong đ
BT
Q
là công suất của thiết bị bù tĩnh.
- Điều khiển bằng đng cắt các điện kháng c công suất cố định trong quá trình
vận hành. Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh nhảy bậc và khả năng điều chỉnh
không cao.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 17


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Đối với đường dây dài, để đảm bảo các yếu tố kỹ thuật cho vận hành ổn định
của hệ thống và nâng cao năng lực truyền tải của đường dây cần sử dụng các biện pháp
kỹ thuật đặc biệt. Đ là:
- Tăng số lượng dây phân nhỏ trong một pha đường dây để giảm bớt điện kháng
và tổng trở sng, tăng công suất tự nhiên và khả năng tải của đường dây.
- Bù thông số của đường dây bằng các thiết bị bù dọc và bù ngang để giảm cảm
kháng và dung dẫn của đường dây tương đương với việc làm cho chiều dài tính toán
của đường dây như được rút ngắn lại.
- Phân đoạn đường dây bằng các kháng điện bù ngang c điều khiển đặt ở gc
trạm trung gian trên đường dây. Với đường dây 500kV, khoảng cách giữa các trạm đặt
kháng bù ngang không được quá 600km.
- Đặt máy bù đồng bộ hoặc thiết bị bù tĩnh ở trạm rút công suất trung gian hoặc
trạm cuối.
Ở các đường dây dài cao áp hoặc siêu cao áp, khi không tải hoặc non tải, lượng
công suất phản kháng do đường dây phát ra rất lớn c thể gây quá điện áp ở một số
phần của đường dây. Để hạn chế mức quá áp, tăng khả năng quá tải của đường dây,

nâng cao ổn định người ta sử dụng phương án bù dọc và bù ngang.
1.1.4. Sự tiêu thụ công suất phản kháng của các thiết bị điện
Như đã biết, các thiết bị điện từ khi làm việc sẽ tiêu thụ từ lưới một dòng điện
bao gồm các thành phần: phụ tải, tổn thất, dòng điện tản (dòng rò) và dòng từ hoá.
Tức là cùng với việc tiêu thụ một lượng công suất tác dụng để sinh công, các thiết bị
điện còn tiêu thụ một lượng công suất phản kháng. Lượng công suất phản kháng mà
các thiết bị điện tiêu thụ phụ thuộc vào đặc tính của chúng, các động cơ không đồng
bộ, máy biến áp vv… là những thiết bị tiêu thụ nhiều công suất phản kháng. Theo số
liệu thống kê, thì lượng công suất phản kháng do động cơ không đồng bộ tiêu thụ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 18


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

chiếm tỷ trọng lớn nhất (khoảng 65÷ 75%), tiếp theo là máy biến áp khoảng 15÷ 20%
và các đường dây 5÷ 8%.
Mức độ tiêu thụ công suất phản kháng được đánh giá bởi hệ số công suất tính
bằng tỷ số giữa công suất tác dụng (P) và công suất biểu kiến (S):

UI
P
S
P
3
cos 

(1.10)
Trong thực tế vận hành giá trị cosυ thường được xác định theo công thức:

2

)(1
1
cos
r
x
tb
A
A



(1.11)
Trong đ:
- A
r,
A
x
: Điện năng tác dụng và phản kháng trên thanh cái trạm biến áp.
- P : Công suất tác dụng.
Để thuận tiện cho việc phân tích và tính toán, đôi khi người ta thường dùng khái
niệm hệ số tgυ thay cho hệ số cosυ, đ là tỷ lệ giữa công suất phản kháng và công suất
tác dụng: tgυ = Q/P. Tuy nhiên hệ số tgυ chỉ được áp dụng trong các bước tính trung
gian, kết quả cuối cùng lại được chuyển về hệ số cosυ tương ứng.
Khi cosυ của thiết bị điện càng lớn, tức là mức độ tiêu thụ công suất phản kháng
càng bé, vì vậy làm cho mức độ yêu cầu về Q từ lưới ít, n gp phần cải thiện chế độ
làm việc của lưới. Hệ số cosυ của các hộ tiêu thụ lại phụ thuộc vào chế độ làm việc của
các phụ tải điện. Khi hệ số cosυ thấp sẽ dẫn đến sự tăng công suất phản kháng, sự
truyền tải công suất phản kháng trong mạng điện làm giảm sút các chỉ tiêu kinh tế - kỹ
thuật của mạng điện như:
a) Làm tăng tổn thất công suất và tăng đốt nóng dây dẫn:

Tổn thất công suất trong mạng điện được xác định theo biểu thức
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 19


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


xr
PPR
U
QP
RIP 


2
22
2
3
(1.12)
Khi truyền tải điện năng trong mạng điện cao áp do điện trở phản kháng lớn
nên thành phần tổn hao công suất phản kháng thường lớn hơn thành phần tổn thất công
suất tác dụng. Đặc biệt đối với máy biến áp thành phần tổn thất công suất phản kháng
chiếm tỷ lệ rất lớn. Chẳng hạn đối với máy 320 kVA 10/0,4 thì ΔP% = 2,4 còn ΔQ% =
3,2.
b) Tăng tiết diện dây dẫn
Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện
phát nng cho phép, tức là phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng. Dòng điện
chạy qua dây dẫn và máy biến áp được xác định:

U

QP
U
S
I
33
22


(1.13)
Từ biểu thức trên chúng ta nhận thấy: với cùng một điều kiện phát nng nhất
định của đường dây và máy biến áp với P = const, nếu tăng lượng công suất phản
kháng Q buộc phải tăng tiết diện dây dẫn, do đ sẽ làm tăng chi phí của mạng điện.
Theo số tính toán, khi hệ số công suất giảm 20% (từ 1 xuống 0,8) thì lượng tổn thất
công suất tăng lên khoảng 1.56 lần và khối lượng dây dẫn tăng lên 25%. Ví dụ minh
họa dưới đây cho thấy ảnh hưởng của hệ số cosυ đối với sự thay đổi của công suất toàn
phần.
cosυ = 1 cosυ = 0,8 cosυ = 0,7
P = 100 kW P = 100 kW P = 100 kW
Q = 0 Q = 75 kVAr Q = 100 kVAr
S = 100 kVA S = 125kVA S = 141 kVA
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 20


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Kết quả tính toán ở ví dụ trên cho thấy khi hệ số cosυ giảm từ 1 xuống 0,7 thì
giá trị công suất toàn phần tăng lên 1,41 lần.
c) Làm hạn chế khả năng truyền tải công suất tác dụng
Cũng từ biểu thức (1.3) trên ta thấy, nếu vẫn giữ dòng I = const thì khi Q tăng
buộc phải giảm P để đảm bảo điều kiện đốt nng cho phép của các phần tử hệ thống

điện. Còn nếu vẫn giữ nguyên giá trị P = const thì nếu công suất phản kháng quá lớn sẽ
c thể gây quá tải cho các thiết bị điện vì công suất toàn phần S phải tăng lên. Điều đ
sẽ làm giảm tuổi thọ thậm chí c thể phá hủy thiết bị. Việc giảm công suất tác dụng sẽ
làm giảm hiệu suất truyền tải của mạng điện.
d) Giảm chất lƣợng điện
Tăng công suất phản kháng sẽ làm giảm chất lượng điện do tổn thất điện áp
tăng và do dao động điện áp khi công suất phản kháng thay đổi. Như đã biết, tổn thất
điện áp được xác định theo biểu thức:

xr
UU
U
QXPR
U 


(1.14)
Thành phần tổn thất phản kháng ΔU
x
tỷ lệ thuận với công suất phản kháng.
Việc tăng công suất Q sẽ làm tăng đáng kể tổn thất điện áp, do đ làm giảm chất lượng
điện. Điều đ làm tăng thêm chi phí do phải trang bị các cơ cấu điều chỉnh điện áp
trong hệ thống. Khi chất lượng điện giảm quá mức cho phép sẽ dẫn đến sự thay đổi chế
độ làm việc của các phần tử hệ thống điện. Sự thay đổi này c thể làm giảm năng suất
của các thiết bị gây thiệt hại về kinh tế cho các ngành sản xuất.
1.1.5. Tình hình bù công suất phản kháng ở Việt Nam
Sơ đồ mạng điện ở các địa phương c dạng như trên hình 1. Nguồn cấp là từ
thanh cái trạm 110 kV, 220 kV hay thanh cái phía cao áp của nhà máy điện bằng
đường dây tải điện theo cơ cấu mạch vòng hay hình tia dẫn điện đến khu vực phụ tải
điện áp được hạ xuống 35 kV, 22 kV hay 10 kV, 6 kV. Nếu là 35 kV thì tồn tại các

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 21


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

đường dây 35 kV đi sâu tới phụ tải hơn và tại đ hạ xuống 22 kV, 10 kV hay 6 kV. Từ
thanh cái 22 kV, 10 kV, 6 kV hình thành các đường dây phân phối hình tia, cũng c thể
là mạch vòng nhưng khi vận hành vẫn để ở chế độ hình tia. Từ các đường dây này theo
điểm phụ tải đấu đến các máy biến áp hạ xuống điện áp hạ thế 400/220V để cấp điện
cho các phụ tải hạ thế. Sau trạm hạ áp hình thành các đường dây hạ thế c cấu trúc
hình tia dẫn điện đến từng hộ tiêu thụ.

Hình 1.1. Sơ đồ lưới điện.
Trong sơ đồ cấp điện nêu trên, hệ số công suất cosυ và bù công suất phản kháng
được đề cập đến ở từng cấp điện áp. Qua khảo sát thực tế ở một số điện lực, các giá trị
cosυ ở các cấp điện áp thể hiện khá rõ nét như sau:
- Tại các cấp điện áp 35 kV trở lên hệ số công suất cosυ c giá trị thường từ
0,85 trở lên. Trường hợp nguồn cấp là nhà máy điện, ví dụ như tại điện lực Thái
Nguyên thì cosυ c giá trị khoảng 0,85; còn trường hợp nguồn cấp là thanh cái trạm
110 kV, 220 kV thì cosυ c giá trị cao hơn, thậm chí tới 0,92 ÷ 0,95. Cũng chính vì
vậy mà cosυ c giá trị tại các đầu nhánh đường dây cấp 22 kV, 10 kV, 6 kV cũng cao,
không dưới 0,85. Do vậy các nhà quản lý điện lực cấp tỉnh tự cảm nhận là hệ số cosυ
dường như không c vấn đề gì.
35 kV
6 ÷ 22 kV
0,4 kV
110, 220 kV
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 22

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- Tại cuối các nhánh đường dây cấp 22 kV, 10 kV, 6 kV giá trị cosυ không còn
cao nữa. Các máy biến áp hạ áp 22 kV, 10 kV, 6 kV xuống 0,4 kV giá trị cosυ khá thấp
do chính các phụ tải điện (đồ điện) như quạt, điều hòa nhiệt độ, đèn Neon, tủ lạnh… c
giá trị cosυ thấp, tiêu thụ nhiều công suất phản kháng. Từ cuối các nhánh đường dây
cấp 22 kV, 10 kV, 6 kV và toàn bộ phía hạ thế do điện lực của các chi nhánh quản lý,
họ chủ yếu quan tâm đến cung cấp điện liên tục và thu tiền điện, ít quan tâm đến chất
lượng điện áp.
Thực tế là do các giá trị cosυ từ cuối các nhánh đường dây cấp 22 kV, 10 kV, 6
kV và toàn bộ phía hạ thế thấp dẫn đến phải tải công suất phản kháng để đáp ứng cho
nhu cầu phụ tải. Điều đ dẫn đến tổn thất công suất trên các đường dây lớn, tổn thất
điện áp lớn, làm giảm điện áp tại hộ tiêu thụ, không đảm bảo chất lượng điện năng.
Các vấn đề trình bày về chất lượng điện năng nêu trên ni chung ít được quán
triệt ở các điện lực và các chi nhánh, nên vấn đề bù công suất phản kháng rất ít được
quan tâm. Chỉ một vài điện lực như Hà Nội, Thái Nguyên, Hải Dương …các lãnh đạo
quan tâm tới vấn đề này thì công việc bù công suất phản kháng c được thực thi tốt
hơn, tuy chưa triệt để; còn đại bộ phận các điện lực tỉnh việc quan tâm đến vấn đề bù
công suất phản kháng là rất ít, hoặc c chăng thực thi một cách “cưỡng chế” do theo
yêu cầu hoặc theo nghị định của Tập đoàn Điện lực Việt Nam.
- Các xí nghiệp sử dụng điện công suất lớn, điện áp trung – cao thế c hệ số
công suất cosυ thấp dưới 0,85 ( do quy định của tập đoàn Điện lực Việt Nam) thường
tiến hành lắp đặt tụ bù để tránh không bị phạt cosυ. Các xí nghiệp công suất điện nhỏ
hay khu cơ quan hành chính, khu dân cư hầu như không đề cập đến bù công suất phản
kháng vì ý thức và quan trọng hơn cả là họ không phải đng tiền tiêu thụ công suất
phản kháng mà chỉ đng tiền điện qua công tơ điện ( tức là chỉ đng tiền điện tiêu thụ
công suất tác dụng).
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 23

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nhìn chung, đại đa số các thiết bị bù công suất phản kháng hiện tại không c cơ
cấu tự động điều chỉnh, vì vậy ở một số nơi vào giờ thấp điểm c hiện tượng dòng
công suất phản kháng chạy ngược, làm tăng tổn thất và quá áp cục bộ. Vị trí đặt thiết bị
bù thường được chọn sao cho dễ vận hành chứ không xét đến hiệu quả kinh tế của thiết
bị, vì vậy chưa tận dụng được hiệu quả làm việc của thiết bị, dẫn đến sự lãng phí. Tuổi
thọ của thiết bị bù thường thấp hơn nhiều so với giá trị quy định của nhà sản xuất vì
điều kiện làm việc của thiết bị chưa phù hợp. Đa số các trường hợp hỏng tụ do bị nổ
một pha. Nguyên nhân chủ yếu là do phần lớn tụ bù không c bộ lọc sng hài, mà
thông thường sự xuất hiện của sng hài đồng thời với sự mất đối xứng, do đ dẫn đến
một trong các pha bị quá nhiệt cục bộ, làm nổ tụ.
Để bảo vệ tụ bù và nâng cao tuổi thọ của chúng cần phải c sự nghiên cứu, phân
tích, áp dụng các thiết bị bảo vệ phù hợp như bộ lọc sng hài và các thiết bị giảm ảnh
hưởng của sng hài khác.
Trên cơ sở phân tích hiện trạng sử dụng điện và hệ số công suất của mạng điện ở
một số khu vực ta rút ra một số nhận xét sau:
1. Chế độ vận hành lưới chủ yếu là vận hành hở.
2. Một số thiết bị bù công suất phản kháng c thể đáp ứng cả ba chức năng là
điều chỉnh công suất, điều chỉnh điện áp và cân bằng pha.
3. Việc bù công suất phản kháng trong lưới phân phối là bù rải trên các xuất
tuyến trung áp.
4. Trong thực tế vận hành, đồ thị thay đổi không bằng phẳng,do vậy cần phải
xác định vị trí, dung lượng, thời gian đng cắt của tụ phù hợp (điều chỉnh dung lượng
bù).
1.1.6. Vấn đề bù công suất phản kháng ở một số nƣớc trên thế gi ới
Vấn đề bù công suất phản kháng là giải pháp giảm tổn thất điện năng rất
được coi trọng ở các nước tiên tiến. Giải pháp này được quan tâm ngay từ khâu
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 24

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

thiết kế, lựa chọn thiết bị và dây chuyền công nghệ sản xuất. Mạng điện ở hầu
hết các nước phương tây đều c trang bị tụ bù để nâng cao hệ số công suất. Việc
đặt thiết bị bù được thực hiện theo một số phương án cơ bản sau:















Hì nh 1.2. Các phương án đặt thiết bị bù công suất phản kháng.
1) Thiết bị bù lớn đặt trên thanh cái trạm biến áp hoặc tại các điểm nút của
mạng điện (hình a). Phương án này cho phép giám sát và vận hành dễ dàng thiết bị bù,
tuy nhiên tổn thất trên đoạn từ thanh cái 1 đến các thiết bị dùng điện không giảm vì ở
đoạn này vẫn c dòng công suất phản kháng của phụ tải chạy qua. Thêm vào đ, khi
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 25


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

phụ tải phản kháng nhỏ thì c thể xảy ra hiện tượng dư thừa công suất bù. Vì vậy đối
với phương án này người ta thường phải trang bị thêm hệ thống tự động điều chỉnh
dung lượng tụ bù.
2) Thiết bị bù tĩnh đặt trong tủ phân phối của nhm thiết bị dùng điện (hình
b). Phương án này cho phép giảm tổn thất trên đoạn dây từ thanh cái trạm biến áp đến
tủ phân phối của các nhm thiết bị dùng điện, tuy nhiên hệ số công suất phụ thuộc vào
số lượng thiết bị dùng điện. Trong trường hợp c ít động cơ trong nhm thì vẫn c khả
năng dư thừa công suất phản kháng. Vì vậy đối với phương án này cũng cần phải trang
bị thêm hệ thống tự động điều chỉnh dung lượng tụ bù.
3) Thiết bị bù tĩnh đng cắt ngay trên đầu vào của các thiết bị dùng điện (hình
c). Theo phương án này một công tắc tơ sẽ điều khiển cả động cơ và tụ bù. Khi động
cơ không làm việc thì tụ bù cũng sẽ được cắt khỏi mạng, do đ sẽ không cần đến các
thiết bị điều khiển.
Thường thì các cụm tụ bù không điều chỉnh được áp dụng nếu công suất tụ chỉ
chiếm 15% công suất của máy biến áp, còn nếu công suất tụ lớn hơn 15% công suất
máy biến áp thì cần phải đặt thiết bị bù c tự động điều chỉnh. Để bảo vệ cho thiết bị
bù người ta thường dùng bộ lọc sng hài và các máy cắt để bảo vệ chống ngắn mạch.
Hiện nay đã c rất nhiều thiết bị tự động điều chỉnh dung lượng bù được áp
dụng. Một trong những hệ thống hiện đại dùng để điều chỉnh hệ số công suất cosυ c
tên gọi là Hershey. Hệ thống này cho phép khắc phục được hiện tượng thừa công suất
phản kháng khi phụ tải cực tiểu, do đ ổn định được giá trị điện áp và giảm tổn thất
trong mạng điện, giá trị của hệ số cosυ được duy trì ở mức 0,95 ÷ 1. Khác với các thiết
bị bù thông thường , hệ thống Hershey c trang bị thêm bộ lọc sng hài. Ngoài ra hệ
thống Hershey còn được lắp đặt thiết bị tự chẩn đoán đặc biệt để cảnh báo khi c sự cố
bất thường xảy ra trong các ngăn tụ bù.