Nghiên cứu trạm bù SVC trên lưới truyền tải 220 KV, phân tích sóng hài trong quá trình điều khiển dung lượng bù và biện pháp khắc phục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




ĐẶNG THỊ VÂN ANH





NGHIÊN CỨU TRẠM BÙ SVC TRÊN LƢỚI TRUYỀN TẢI 220KV, PHÂN
TÍCH SÓNG HÀI TRONG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN DUNG LƢỢNG BÙ VÀ
BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC






LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


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 có thành lập các trạm bù công suất phản kháng, tùy
theo công nghệ có nhiều loại trạm bù lại chính là nguồn phát sinh sóng điều hòa bậc
cao (gọi tắt là sóng hài) gây ô nhiễm lưới. Các sóng 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 đó các sóng 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 sóng điều hòa bậc cao trên lưới có nhiều giải pháp khác nhau,
một trong số đó 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 “Nghiên cứu trạm bù SVC trên lưới truyền tải 220 kV,
phân tích sóng hài trong quá trình điều khiển dung lượng bù và biện pháp khắc
phục”.
Hướng nghiên cứu của luận văn là phân tích sự phát sinh và ảnh hưởng của
sóng hài khi thực hiện bù công suất phản kháng trong hệ thống điện. Từ đó, áp dụng
cho nghiên cứu thực nghiệm tại trạm bù công suất phản kháng SVC Thái Nguyên và
đề xuất 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 truyền tải
điện.
Chương 2. Nghiên cứu thực nghiệm trạm bù SVC tại Thái Nguyên.

Chương 3. Mô hình hóa mô phỏng trạm SVC Thái Nguyên và đề xuất giải pháp
mới.
Kết luận.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


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 không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý của các
thầy cô giáo và người đọc.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo và tập thể cán bộ Trạm bù SVC Thái
Nguyên đã giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm tại Trạm.
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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Chƣơng I
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN TẢI CÔNG SUẤT VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN
KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1. Hệ thống điện và lƣới điện.
Hệ thống điện (HTĐ) là một tổ hợp bao gồm các khâu từ sản xuất, truyền
dẫn, phân phối đến tiêu thụ điện năng được kết nối theo một nguyên lý chung về
cân bằng năng lượng. Mỗi hệ thống điện quốc gia có thể được mô tả như sơ đồ
trên hình 1.1. Trong đó:








Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống điện và lưới điện
- Khâu sản xuất điện năng: Đó là các nhà máy điện, phân bố tại các vị trí
khác nhau trong HTĐ.
- Lưới truyền tải (LTT): Là các hệ thống các trạm biến áp, trạm phân
phối và đường dây cao áp, siêu cao áp từ 110 kV đến 500 kV nhằm thực hiện
truyền tải công suất giữa các khu vực. Trong lưới truyền tải không có phụ tải sản
xuất.

NMĐ
NĐ
TĐ
TBK
TKV
TKV
TKV
TTG
TPP
TPP
110-220-500kV
110-220kV
6-10-15-20-35kV
0,4kV
Phụ tải
TA
Phụ tải
HA
LPP
LTT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


- Lưới phân phối (LPP): Là hệ thống các trạm biến áp và mạng điện từ
cấp điện áp 35 kV trở xuống nhằm phân phối công suất cho các phụ tải tiêu thụ
điện phục vụ cho các hoạt động của đời sống con người.
Trên thực tế có rất nhiều cách phân loại hệ thống điện:

Hệ thống điện tập trung: Các nguồn điện và nút phụ tải lớn tập trung
trong một phạm vi không lớn chỉ cần các đường dây ngắn để tạo thành hệ thống.
Hệ thống điện hợp nhất: Trong đó các hệ thống điện độc lập ở cách rất
xa nhau được nối liền thành một hệ thống bằng các đường dây tải điện siêu cao
áp.
Hệ thống điện địa phương hay hệ thống điện cô lập: Là một hệ thống
điện riêng, như hệ thống điện tự dùng của các xí nghiệp công nghiệp lớn, hay các
hệ thống điện ở các vùng xa không thể nối vào hệ thống điện quốc gia.
Trong lưới phân phối lại chia ra:
- Lưới phân phối trung áp: có điện áp 6, 10, 15, 22, 35 kV phân phối cho
các trạm phân phối trung áp / hạ áp và các phụ tải trung áp.
- Lưới phân phối hạ áp cấp điện cho các phụ tải hạ áp 380/220 V.
1.2. Phụ tải điện
1.2.1. Phụ tải điện và đặc điểm của phụ tải điện
Phụ tải điện là công suất tác dụng và công suất phản kháng yêu cầu tại một
điểm nào đó của lưới điện tại điện áp định mức gọi là điểm đặt hay điểm đấu phụ
tải.
Trong hoạt động của một lưới, công suất do nhà máy điện (máy phát) phát
ra dưới dạng 3 pha xoay chiều tần số tiêu chuẩn 50Hz (60Hz) luôn thỏa mãn điều
kiện cân bằng với công suất tiêu thụ của phụ tải kể cả các tổn thất truyền dẫn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Công suất toàn phần gồm hai thành phần cơ bản là công suất tác dụng (CSTD)
và công suất phản kháng (CSPK) liên hệ với nhau qua các biểu thức (1.1)
S =
22
QP
; S =

3
UI (1.1)
P = S.cos ; Q = S.sin
= arctg (
P
Q
)
Trong đó:
- Công suất tác dụng P là thành phần công suất để sinh công, chuyển thành
cơ năng hay nhiệt năng, quang năng… tùy theo mỗi loại phụ tải cụ thể. Phải có
tiêu hao công sơ cấp các máy phát điện mới tạo ra được công suất tác dụng.
- Công suất phản kháng Q là thành phần công suất không sinh công nhưng
luôn tồn tại trong hoạt động của mạch điện xoay chiều. Đối với các phụ tải động
cơ, CSPK cần thiết để tạo từ trường quay và tổn thất từ tản, đối với máy biến áp
CSPK để từ hóa mạch từ, trên đường dây CSPK hình thành do điện kháng đường
dây …. Trong một chu kỳ tần số lưới, CSPK trao đổi qua lại giữa tải và máy phát
hai lần (Q đổi dấu 4 lần). Việc tạo ra CSPK không đòi hỏi tiêu tốn công sơ cấp,
tuy nhiên trong quá trình truyền tải CSPK có bị tiêu hao do tổn thất.
Phụ tải điện có những đặc điểm sau:
- Biến thiên theo quy luật ngày đêm, quy luật sinh hoạt và sản xuất.
- Tại một thời điểm, phụ tải trong các ngày đêm khác nhau biến thiên
ngẫu nhiên quanh giá trị trung bình theo phân phối chuẩn.
- Phụ tải điện có tính chất theo mùa.
- Phụ tải điện biến thiên mạnh theo thời tiết, như nhiệt độ môi trường,
mưa hoặc khô.
- Phụ tải điện biến thiên theo tần số và điện áp tại điểm nối vào lưới
điện.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

- Phụ tải điện luôn phát triển không ngừng trong thời gian và không
gian.
Phụ tải là thông số đầu vào quan trọng của bài toán quy hoạch, thiết kế và
vận hành hệ thống điện. Xác định chính xác được phụ tải sẽ thiết kế được hệ
thống điện tối ưu về kinh tế và kỹ thuật. Trong tính toán phụ tải có quy luật hoạt
động giống nhau được xếp vào cùng một loại để có phương pháp tính riêng.
Trong thực tế có một số loại phụ tải điển hình như sau: sinh hoạt, thương mại,
dịch vụ, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông.
1.2.2. Yêu cầu của phụ tải điện
Phụ tải điện luôn có yêu cầu với hệ thống điện về hai yếu tố là : chất lượng
điện năng và độ tin cậy cung cấp điện.
Chất lượng điện năng bao gồm chất lượng tần số và chất lượng điện áp.
Chất lượng tần số được đánh giá bằng:
+ Độ lệch tần số so với tần số định mức :
%100.
dm
dm
f
ff
f

+ Độ dao động tần số: Đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và giá trị
nhỏ nhất của tần số khi tần số biến thiên nhanh và với tốc độ lớn hơn 1%/s.
Chất lượng điện áp lại đánh giá bằng 4 chỉ tiêu là:
+ Độ lệch điện áp khỏi điện áp định mức của lưới điện:

%100.
đm
đm

U
UU
U

U phải thỏa mãn điều kiện: U
-
U U
+
Với U
-
và U
+
là giới hạn trên dưới của độ lệch điện áp.
Khi điện áp quá cao hay quá thấp đều gây ra phát nóng phụ cho các thiết
bị điện, làm giảm tuổi thọ, làm giảm năng suất gây hỏng thiết bị,…. Ngoài ra,
nếu điện áp thấp quá nhiều thiết bị còn không hoạt động được.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


+ Độ dao động điện áp:
Sự biến thiên nhanh của điện áp được cho bởi công thức:

%100.
minmax
đm
U
UU
V

Tốc độ biến thiên từ U
max
đến U
min
không nhỏ hơn 1%/s. Dao động điện áp
gây dao động ánh sáng hại mắt người lao động, gây nhiễu các thiết bị điện tử,….
+ Độ không đối xứng :
Các phụ tải của các pha không đối xứng dẫn điện áp các pha không đối xứng.
Điện áp không đối xứng làm giảm hiệu quả công tác và tuổi thọ của thiết bị dùng
điện, giảm khả năng tải của lưới điện và tăng tổn thất điện năng.
+ Độ không Sin:
Các phụ tải phi tuyến như máy biến áp không tải, bộ chỉnh lưu, thyristor,…
làm biến dạng đường đồ thị điện áp không còn dạng Sin, xuất hiện các thành
phần sóng hài bậc cao U
j
, I
j
. Sóng hài bậc cao này gây ra giảm điện áp trên đèn
điện và các thiết bị sinh nhiệt, tăng tổn thất sắt từ trong động cơ, tổn thất điện
môi trong cách điện, tăng tổn thất trong lưới điện và thiết bị dùng điện, gây nhiễu
các thiết bị bảo vệ, điều khiển, điện tử,….
Độ tin cậy cung cấp điện được tính bằng thời gian mất điện trung bình
năm cho một hộ dùng điện và các chỉ tiêu khác đạt giá trị hợp lý chấp nhận được
cho cả hai phía người dùng điện và hệ thống điện. Độ tin cậy cung cấp điện được
đảm bảo nhờ kết cấu của hệ thống điện và lưới điện được lựa chọn trong quy
hoạch, thiết kế.
Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa thì yêu cầu của phụ tải về
chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện cũng đòi hỏi ngày càng cao.
Bởi vậy, hệ thống điện cũng phải hoàn thiện không ngừng về cấu trúc cũng như
phương pháp vận hành để thích nghi, và đáp ứng những yêu cầu đó.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


1.2.3. Hoạt động của hệ thống điện và cân bằng công suất
Mục đích hoạt động của hệ thống điện là thỏa mãn nhu cầu điện năng
ngày càng tăng cao của người tiêu thụ; đảm bảo chất lượng phục vụ cao, an toàn
với khách hàng và đồng thời đạt hiệu quả kinh tế cao cho bản thân hệ thống điện.
Theo nguyên lý cân bằng công suất, công suất tác dụng và công suất phản
kháng của nguồn điện luôn phải cân bằng với công suất yêu cầu của phụ tải
trong mọi thời điểm vận hành. Có thể nói: Tần số chính là thước đo của công
suất tác dụng, khi công suất tác dụng của nguồn nhỏ hơn yêu cầu của phụ tải thì
tần số sẽ giảm và ngược lại. Do đó khi quan sát thấy nếu tần số cao hơn bình
thường thì công suất nguồn thừa so với yêu cầu và ngược lại nếu tần số thấp hơn
thì công suất phát ra đang thiếu so với yêu cầu. Cân bằng công suất tác dụng có
tính chất toàn hệ thống, tần số ở mọi điểm trên toàn hệ thống phải như nhau.
Cũng tương tự, Công suất phản kháng là thước đo điện áp, khi công suất
phản kháng nguồn nhỏ hơn yêu cầu của tải thì điện áp sẽ giảm đi và ngược lại
khi công suất phản kháng nguồn lớn hơn công suất phản kháng yêu cầu của tải
thì điện áp sẽ tăng. Cân bằng công suất phản kháng vừa có tính chất hệ thống lại
vừa có tính chất địa phương, tức chỗ này của hệ thống điện có thể đủ công suất
phản kháng trong khi chỗ khác lại có thể thiếu.
Công suất phản kháng được đáp ứng bởi các nhà máy điện, đây là phần
quan trọng có khả năng biến đổi nhanh đáp ứng được sự biến đổi của yêu cầu và
phần còn lại là nhờ các tụ bù, kháng điện, đặt tại các vị trí khác nhau trong hệ
thống.
Như vậy, trong điều khiển hệ thống điện, điều chỉnh công suất tác dụng P
là điều chỉnh tần số cho toàn hệ thống; còn điều chỉnh công suất phản kháng Q
tại một điểm nút nào đó trên lưới cũng chính là điều chỉnh điện áp cho tại nút
đóng đồng thời có cải thiện điện áp cho các nút lân cận.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


1.3. Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS)
1.3.1. Giới thiệu chung.
Trong xã hội hiện đại, điện năng ngày càng trở thành một nguồn năng
lượng không thể thiếu, nhất là trong các ngành công nghiệp và các đòi hỏi về
chất lượng điện năng cũng ngày một cao. Cũng bởi lý do đó nhiều công trình
nghiên cứu đã được thực hiện để tìm ra các phương pháp giải quyết vấn đề đó.
Trong đó có thể kể đến hệ thống truyền tải điện linh hoạt FACTS (Flexible AC
Transmission Systems).
Về sự ra đời của FACTS có rất nhiều ý kiến được nêu ra, FACTS là một
khái niệm được đưa ra từ những năm 80 của thế kỷ trước ở viện EPRI (Electric
Power Research Institute) của Mỹ. Đây là khái niệm về một hệ thống truyền tải
điện linh hoạt, có nghĩa là các thông số của hệ thống được điều khiển đáp ứng
nhanh chóng theo đầu vào cũng như khi thay đổi điểm làm việc.
FACTS là tập hợp của nhiều thiết bị điều khiển truyền tải điện năng trên
nền tảng các phần tử điện tử công suất lớn. Các thiết bị này có thể chia ra thành
các nhóm theo cách đấu: Đấu nối tiếp, đấu song song, đấu hỗn hợp. Đặc tính
hoạt động của chúng được suy ra từ hai kiểu bù nối tiếp lý tưởng và bù song
song lý tưởng.
+ Bù song song lý tưởng: là điều khiển dòng công suất phản kháng trên
lưới thông qua việc điều chỉnh điện áp phát ra từ thiết bị bù tại điểm kết nối
(nút). Nhằm cải thiện sự ổn định cho hệ thống.
+ Bù nối tiếp lý tưởng: là điều khiển công suất phản kháng chảy qua một
bộ phận của thiết bị bù tại điểm kết nối thông qua việc điều khiển làm thay đổi
biên độ, góc pha điện áp nguồn.
Công nghệ FACTS là dựa trên cơ sở các bộ biến đổi VSI (Voltage Source
Inverter), VSC (Voltage Source Converter) công suất lớn. Do sự phát triển của

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất lớn như GTO, IGTO, IGBT,
đã cho phép ứng dụng vào hệ thống điện, nâng cao khả năng điều khiển việc
truyền tải điện năng cũng như chất lượng điện năng.
1.3.2. Những lợi ích của việc ứng dụng hệ thống FACTS
Những khả năng của FACTS trong việc ứng dụng thực tế:
- Điều khiển các đường truyền công suất;
- Tăng dung lượng truyền tải điện năng bằng cách bù công suất phản
kháng;
- Tăng an toàn truyền dẫn;
- Gia tăng chất lượng điện năng;
- Huy động nhanh các thành phần công suất;
- Bù công suất phản kháng tại các điểm nút;
- Điều chỉnh, giữ vững điện áp tại bus truyền tải;
- Điều khiển sự đồng bộ giữa các điểm kết nối các hệ thống điện;
- Sự linh hoạt cao.
Nhờ những khả năng này khi sử dụng FACTS trong hệ thống điện đã
mang lại nhiều lợi ích:
- Tăng độ tin cậy và khả năng sử dụng của hệ thống:
FACTS làm giảm các tác động khi xảy ra lỗi, sự cố trong hệ thống (như
quá áp, mất đối xứng, ) tăng tính ổn định của hệ, tránh sự đóng cắt điện không
cần thiết của các thiết bị bảo vệ. Khi các lỗi này xảy ra với mức độ nằm trong
một giới hạn nào đó, các thiết bị của FACTS có thể giảm thiểu các lỗi này mặc
dù nguyên nhân gây các lỗi này vẫn tồn tại.
- Tận dụng tốt hơn các mạng truyền tải hiện có:
Hiện nay nhu cầu sử dụng điện năng luôn tăng lên không ngừng khiến ảnh
hưởng rất lớn đến chất lượng đáp ứng của hệ thống. Trong khi đó, việc xây dựng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


một hệ thống mới là rất tốn kém và mất nhiều công sức, thời gian. Nhưng nhờ có
hệ thống FACTS đã giúp cho khả năng tận dụng chính hệ thống hiện tại mà
không cần xây dựng mới mà vẫn đảm bảo tăng khả năng truyền tải CSTD, nâng
cao được chất lượng nguồn điện lưới.
- Tăng khả năng hoạt động, khả năng ổn định nhánh của hệ thống điện.
- Tăng chất lượng nguồn cho các ngành công nghiệp vi điện tử.
1.3.3. Giới thiệu về các thiết bị trong FACTS
Trong FACTS có rất nhiều thiết bị, phân biệt rõ nhất là theo cách đấu nối:
nhóm mắc nối tiếp, nhóm mắc song song, nhóm mắc hỗn hợp.
Nhóm mắc nối tiếp:
- Bộ lọc tích cực nối tiếp (SAPF: Series Active Power Filter)
- Bộ bù đồng bộ tĩnh nối tiếp (SSSC: Static Synchronous Series
Controller)
- Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC: Thyristor
Controlled Series Compensation)
- Nhóm mắc song song :
- Bộ lọc tích cực mắc song song (PAPF: Parallel Active Power Filter)
- Bộ bù tĩnh (SVC: Static Var Compensators)
- Bộ bù đồng bộ tĩnh mắc song song (STATCOM: Static Synchronous
Compensator)
- Battery Energy Storage System (BESS)
- Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)
- Nhóm mắc hỗn hợp:
- Unified Power Flow Controller (UPFC)
- Unified Power Quality Conditioner (UPQC)
- Universal Power Line Conditioner (UPLC)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


- Interline Power Flow Conditioner (IPFC)
1.3.4. Nguyên lý hoạt động của các thiết bị trong FACTS
1- Thiết bị bù nối tiếp
Nguyên lý truyền tải điện năng trên đường dây có thể được trình bày dựa
trên trên sơ đồ hình 1.2 và hình 1.3

Hình 1.2. Quá trình truyền tải điện năng trên đường dây
Trong đó:
- V
S
và
S
là điện áp và góc pha của nguồn,
- V
r
và
r
là điện áp và góc pha của hộ tiêu thụ,
Do đường dây có điện kháng X
L
nên sau khi truyền tải một khoảng cách
thì điện áp V
s
và V
r
sẽ lệch nhau một góc .

Hình 1.3. Nguyên lý truyền tải điện năng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Việc điều khiển dòng công suất phản kháng Q
r
và dòng công suất tác dụng
P
r
được các thiết bị FACTS thực hiện bằng cách thay đổi các thông số X
L
, V, góc
lệch . Hay nói một cách khác, Một thiết bị bù nối tiếp đóng vai trò điện khác
XL có thể điều khiển được sẽ cho phép điều khiển độ lớn hay hướng dòng công
suất qua lại theo hướng mong muốn. Các đại lượng P
r
, Q
r
trao đổi giữa hai nguồn
xác định theo công thức (1.2), (1.3).
P
r
=
sin
.
L
X
VrVs

(1.2)
Q
r
=
)(cos
.
Vs
Vr
X
VrVs
L
(1.3)
Khi =
s
–
r
> 0 thì dòng công suất tác dụng sẽ chảy từ nguồn V
s
sang
tải V
r
và ngược lại; khi =
s
–
r
< 0 thì dòng công suất tác dụng sẽ chảy từ tải
V
r
sang nguồn V
s

.
Với công suất phản kháng, khi (V
s
- V
r
.Cos ) > 0 dòng công suất phản
kháng chảy từ nguồn sáng tải và ngược lại.
Như vậy, khi điều chỉnh biên độ điện áp, góc lệch sẽ điều chỉnh được
dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng trao đổi giữa hai nguồn. Trong
khi đó, nếu xem nguồn và phụ tải như hai nguồn điện thì giữa chúng còn có sự
tác động qua lại với nhau về mặt điện áp và dòng điện, xảy ra hiện tượng tăng
cường hoặc triệt tiêu các thành phần thứ tự điện áp, các thành phần sóng hài
tương ứng giữa hai nguồn.
2- Các thiết bị bù song song
Những ứng dụng của các thiết bị này trong truyền tải, phân phối và mạng
công nghiệp:
- Giảm nhỏ dòng công suất phản kháng không mong muốn và do đó giảm
thiểu được tổn thất trong mạng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


- Bù cho tải tiêu thụ và nâng cao chất lượng điện năng đặc biệt là với
những phụ tải có yêu cầu cao về độ dao động như máy công nghiệp, nhà máy
nung thép, hay hệ thống xe điện ngầm,
- Tăng khả năng ổn định tĩnh và ổn định động.
 Bộ bù tĩnh SVC (Static Var Compensators )
SVC là thiết bị bù song song, sử dụng thyristor để đóng cắt tụ điện tĩnh,
cảm kháng kết nối với đường dây như trên hình 1.4

Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc và đặc tính hoạt động của SVC
SVC gồm hai thành phần chính:
+ Thành phần phát hay hấp thu công suất phản kháng (tụ, cuộn cảm)
+ Khóa đóng cắt không tiếp điểm (GTO, thyristor, )
Thông qua việc điều khiển đóng cắt các tụ điện và cuộn cảm, SVC sẽ hấp
thụ hoặc phát công suất phản kháng tại điểm kết nối lưới.
Các phần tử chính của SVC:
- Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR (Thyristor Controller Reactor)
- Kháng đóng, cắt bằng thyristor TSR (Thyristor Switch Reator)
- Bộ tụ đóng, cắt bằng thyristor (Thyristor Switch Capacitor)
Những ưu điểm của SVC:
- Tăng khả năng truyền tải của đường dây

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


- Điều khiển được điện áp tại điểm kết nối SVC
- Điều khiển được dòng công suất phản kháng tại điểm kết nối SVC
- Giảm dao động công suất tác dụng khi có sự cố ngắn mạch, mất tải đột
ngột.
Tuy nhiên, SVC còn một số hạn chế là cồng kềnh, dải điều chỉnh còn hạn
chế do sử dụng dãy tụ điện, cuộn cảm, phát sinh nhiều sóng hài gây ô nhiễm
lưới.
 Bộ bù đồng bộ tĩnh Statcom
Statcom là thiết bị bù song song dựa trên nguyên tắc hoạt động của bộ
nghịch lưu nguồn áp VSI. Cấu trúc của mạch lực Statcom bao gồm máy biến áp
kết nối, bộ nghịch lưu nguồn áp VSI, tụ điện một chiều.

Hình 1.5. Sơ đồ cấu trúc và đặc tính hoạt động của Statcom
Trên thực tế có hai loại Statcom được phân loại theo công nghệ VSI sử

dụng trong Statcom. Đó là Statcom thông thường và PWM Statcom.
Nguyên lý hoạt động của Statcom như sau:
Statcom hoạt động ở hai chế độ được thể hiện ở sơ đồ trên hình 1.6.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


V
s
X
s
X
r
V
r
E
I
q
V
I
q
E<V : dung
kh¸ng
Xn
E
E
V
E
V
I

q
I
q
E<V : c¶m
kh¸ng
(a)
(b)
(c)
STATCOM
V-E

Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý làm việc của Statcom
Trong đó:
- V
s
, X
s
là điện áp và điện kháng tương đương của nguồn,
- V
r
, X
r
là điện áp và điện kháng tương đương của tải,
- Xn
E
là điện kháng kết nối tương đương giữa Statcom và lưới.
Khi điện áp phát ra từ Statcom là E nhỏ hơn điện áp lưới V thì giữa
Statcom và lưới tồn tại dòng điện I
q
sớm pha hơn so với hiệu (E-V) một góc 90

0

tương ứng ta có chế độ dung kháng hay Statcom phát công suất phản kháng lên
lưới. Trường hợp ngược lại thì ta có chế độ cảm kháng.
Khác với SVC dựa trên điều khiển trở kháng, Statcom dựa trên việc điều
khiển nguồn điện áp. Bởi vậy về kích thước Statcom nhỏ hơn so với SVC do
không cần đến những tụ điện và điện cảm lớn. Bên cạnh đó do dòng của Statcom
có thể giữ không đổi ngay cả khi điện áp thấp, còn dòng của SVC có thể bị sụt
giảm theo điện áp. Do đó, trong những trường hợp điện áp bị sụt giảm thì
Statcom có khả năng vận hành tốt hơn.
Với sự phát triển của các lý thuyết và công nghệ ngày nay đã có nhiều
thiết bị điều khiển truyền tải điện năng mới với nhiều khả năng khác nhau
nhưng đều dựa trên công nghệ Statcom. Về cơ bản, cấu trúc mạch lực của các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


thiết bị này là tương tự như Statcom chỉ khác là ở phần điều khiển của chúng tạo
tín hiệu đặt cho VSI.
Nói chung Statcom được thiết kế cho cho việc bù công suất phản kháng và
không cần đến thành phần lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng
Statcom còn có thêm thành phần lưu trữ năng lượng như ắc quy thì nó có thêm
khả năng bù được cả công suất tác dụng trong một thời gian nhất định.
3- Các thiết bị bù nối tiếp
Tác dụng của các thiết bị bù nối tiếp:
- Giảm độ sụt áp cả về độ lớn và góc pha;
- Giảm dao động điện áp với việc định rõ giới hạn trong quá trình thay
đổi truyền tải công suất;
- Cải thiện biên độ dao động khi sự cố;
- Hạn chế dòng ngắn mạch;

- Ngăn chặn dòng chảy quẩn và điều chỉnh dòng công suất.
Một số thiết bị bù nối tiếp điển hình:
 Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC).
Sơ đồ cấu trúc của một TCSC được mô tả như trên hình 1.7







Hình 1.7. Sơ đồ cấu trúc của TCSC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


TCSC gồm các thành phần cơ bản như sau: SVC (Static Var Control), bộ
lọc sóng hài bậc cao. Về cấu trúc TCSC giống với SVC đều dựa trên các TCR,
tuy nhiên TCSC lại được kết nối nối tiếp vào đường dây. TCSC điều khiển điện
kháng X của đường dây thông qua việc sử dụng các thyristor để đóng cắt nối tắt
tụ điện của TCSC theo quy luật của điều khiển, nhờ đó làm thay đổi điện dung
của tụ điện.
Chức năng chính của TCSC:
- Giảm sự dao động điện áp;
- Tăng ổn định cho hệ thống điện;
- Tăng khả năng truyền tải cho đường dây qua việc bù công suất phản
kháng;
- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện;
- Giảm góc làm việc .
 Bộ bù đồng bộ tĩnh mắc nối tiếp ( SSSC).

Cấu trúc của SSSC bao gồm bộ VSI, tụ điện một chiều, máy biến áp kết
nối. SSSC kết nối nối tiếp vào hệ thống điện như trên hình 1.8.







Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc của SSSC
Về cấu hình, SSSC khá giống với Statcom nhưng nó phức tạp hơn. Trong
SSSC có mạch bảo vệ cho các thyristor, SSSC điều khiển điện kháng X của

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


đường dây thông qua V
q
. Nhờ cách đấu nối tiếp nên cho phép tạo ra tổng trở
cách ly với các sóng hài giữa nguồn và tải theo ý muốn. Sơ đồ cấu trúc của SSSC
chỉ ra trên hình 1.9 và sơ đồ nguyên lý trên hình 1.10

Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý SSSC

Hình 1.10. Nguyên lý hoạt động của SSSC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Nguyên lý điều khiển của SSSC dựa trên biểu thức (1.2) và (1.3) giống

như TCSC.
Khi thay đổi góc làm việc , thì các giá trị P
r
, Q
r
xác định theo công thức
được điều khiển, từ đó thay đổi được điện áp V
q
. Tùy theo giá trị của mà V
q
có
giá trị âm hay dương hay bằng không - tương ứng với ba chế độ làm việc của
SSSC.
4- Các thiết bị bù hỗn hợp.
 Thiết bị hợp nhất các luồng công suất UPFC
Khi kết nối giữa Statcom và SSSC, hoặc kết hợp 2 bộ Statcom với nhau ta
tạo ra những khả năng mới trong việc điều khiển luồng công suất tác dụng, công
suất phản kháng. Một trong những thiết bị tạo ra đó là UPFC, cấu trúc của một
bộ UPFC được mô tả như trên hình 1.11:

Hình 1.11. Sơ đồ cấu trúc của UPFC
Từ hình 1.11 thấy rõ, UPFC là sự kết hợp của SSSC và Statcom thông qua
khâu một chiều trung gian. Bởi vậy UPFC kết hợp được tính năng của cả
Statcom và SSSC vừa có thể điều khiển góc lệch , vừa có thể điều khiển điện
kháng X của đường dây, điện áp U
T
. Bên cạnh đó, việc điều khiển công suất
phản kháng từ bộ biến đổi nối tiếp hay song song là hoàn toàn có thể độc lập,
điều này tạo nên sự linh hoạt trong việc điều khiển dòng công suất.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Nguyên lý hoạt động của UPFC được phân tích dựa trên sơ đồ hình 1.12:

Hình 1.12. Sơ đồ kết nối UPFC
Như vậy, UPFC có được ưu điểm và chức năng của cả TCSC và SSSC.
 Thiết bị phân luồng công suất IPFC.
IPFC được dùng để phân luồng công suất truyền tải từ một hệ thống ra hai
hệ thống con. IPFC là sự kết hợp của hai bộ SSSC, sơ đồ cấu trúc được mô tả
trên hình 1.13 và sơ đồ nguyên lý trên hình 1.14. Khi điều khiển V
l1
, V
l2
sẽ dẫn
đến điều khiển hai dòng điện I
l1
, I
l2
ở trên đường dây 1 và 2. Từ đó thực hiện
được phân luồng công suất trên mỗi đường dây truyền tải có giá trị công suất
theo yêu cầu của kịch bản điều độ. Hoạt động này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng
khi vận hành hệ thống điện trong chế độ không bình thường, nhằm ngăn chặn
sớm các trào lưu công xuất ngoài ý muốn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 1.13. Sơ đồ cấu trúc của IPFC

Hình 1.14. Sơ đồ kết nối IPFC
Mở rộng hơn, IPFC có thể ứng dụng cho tới n đường dây với n bộ biến đổi
nối tương ứng. Khi đó một số bộ biến đổi có thể phát hoặc thu công suất tác
dụng trong khi các bộ biến đổi khác làm nhiệm vụ điều khiển điện áp một chiều
trung gian.
1.4. Kết luận
Chương một đã khái quát một số vấn đề cơ bản trong hoạt động của hệ
thống điện nói chung và bù công suất phản kháng nói riêng. Dẫn những thiết bị
bù CSPK truyền thống và những thiết bị mới, điển hình trong FACTS. Tuy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


nhiên, mỗi thiết bị ra đời trong một điều kiện hoàn cảnh khác nhau cả về thời
gian và nhu cầu của hệ thống điện, chức năng của thiết bị nên chưa thể có được
sự hoàn hảo cho bất cứ một thiết bị nào. Theo dòng thời gian, các tiến bộ về
khoa học kỹ thuật, công nghệ của cả bên hệ thống điện cũng như lĩnh vực chế tạo
thiết bị, các thiết bị ra đời sớm bộc lộ những nhược điểm là lẽ đương nhiên và
vấn đề khắc phục các nhược điểm đó là bài toán đặt ra cho thế hệ nối tiếp. Đề tài
định hướng nghiên cứu vào một thiết bị cụ thể là trạm bù công suất phản kháng
kiểu SVC, trên cơ sở phân tích hoạt động của trạm đánh giá các ưu điểm đạt
được đồng thời chỉ ra nhược điểm cần khắc phục và đề xuất giải pháp.
Nhiệm vụ chương hai, sẽ phân tích hoạt động của một trạm SVC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Chƣơng II
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRẠM BÙ SCV TẠI THÁI NGUYÊN

2.1. Nghiên cứu mô hình lý thuyết trạm SVC
2.1.1. Cấu trúc trạm SVC
: T
(TCR). Tùy theo cách
tổ hợp có được những trạm khác nhau được giới thiệu trên hình 2.1a,b
-
(Fixed Capacitor).
-
(Thyristor Switched Capacitor)

a) Cấu hình TCR/FC b) Cấu hình TCR/TSC
Hình 2.1. Sơ đồ mô tả các phần tử chính của trạm bù SVC
Mỗi phần tử có một chức năng riêng.