ứng dụng hệ điều khiển dead-beat nâng cao động học cho bộ nguồn trong mạng điện nguồn năng lượng mới và tái tạo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP







NGUYỄN THÀNH TRUNG




ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DEAD-BEAT
NÂNG CAO ĐỘNG HỌC CHO BỘ NGUỒN TRONG
MẠNG ĐIỆN NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO







LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN, NĂM 2014



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP







NGUYỄN THÀNH TRUNG



ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DEAD-BEAT
NÂNG CAO ĐỘNG HỌC CHO BỘ NGUỒN TRONG

MẠNG ĐIỆN NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO




Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT





Người hướng dẫn khoa học: TS. Ngô Đức Minh





THÁI NGUYÊN, NĂM 2014

i
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Thành Trung, học viên lớp cao học Tự động hoá niên khoá
2011-2013, sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô
giáo và đặc biệt là Thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, Thầy giáo TS. Ngô
Đức Minh. Tôi đã hoàn thành chương trình học tập và đề tài tốt nghiệp là “ Ứng
dụng hệ điều khiển Dead – Beat nâng cao động học cho bộ nguồn trong mạng
điện nguồn năng lượng mới và tái tạo”.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự
hướng dẫn của Thầy giáo TS. Ngô Đức Minh và chỉ sử dụng các tài liệu đã được
ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài
liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Thái Nguyên, ngày tháng 5 năm 2014
Học viên


Nguyễn Thành Trung
ii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

MỤC LỤC
i
ii
Mục lục iii
vi
ẽ, đồ thị vi
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 3
1.1.

Khái niệm về chất lượng điện năng. 3

1.1.1. Chất lượng tần số. 3
1.1.2. Chất lượng điện áp. 4
1.2. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng. 5

1.2.1. Chỉ tiêu tần số 5
1.2.2. Chỉ tiêu điện áp. 5
1.2.3. Chỉ tiêu độ tin cậy của lưới điện. 12
1.3. Các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng và nguồn dự phòng. 15

1.3.1. Giải pháp ổn định tần số. 15
1.3.2. Giải pháp ổn định điện áp. 16
1.3.3. Giải pháp tăng độ tin cậy của lưới điện. 16
1.4. Kết luận chương 1. 18

Chương 2: BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT VÀ CHỨC NĂNG CẢI THIỆN
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 20
2.1. Tổng quan về năng lượng tái tạo. 20

2.1.1. Năng lượng Mặt trời. 21
2.1.2. Năng lượng gió. 22
2.1.3. Thủy điện nhỏ. 23
2.1.4. Các dạng năng lượng tái tạo khác. 24
iii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2.2.

Mô hình Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN). 24

2.2.1. Giới thiệu chung. 24
2.2.2. Phân tích hoạt động của MĐCBTĐN. 26
2.2.3. Mô hình BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ. 33
2.3.

Hệ thống tích trữ năng lượng dùng acquy (BESS). 33

2.3.1. Giới thiệu chung. 33
2.3.2. Bộ biến đổi công suất. 34
2.3.3. Điện cảm đầu ra của bộ biến đổi công suất. 38
2.3.4. Kho tích trữ năng lượng một chiều. 39
2.3.5. Mô hình bộ biến đổi BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 47
2.3.6. Phương pháp điều khiển BESS. 51
2.4.

Thiết kế bộ điều khiển cho hệ BESS. 61

2.4.1. Các phương án thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho hệ BESS. 61
2.4.2. Cấu trúc bộ điều chỉnh kiểu PI 62
2.4.3. Bộ điều chỉnh kiểu Dead-Beat. 64
2.4.4. Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối chung PCC. 69
2.4.5. Bộ điều khiển công suất tác dụng. 71
2.5.

Kết luận chương 2. 72

Chương 3: MÔ HÌNH HÓA PHỎNG TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ
THỦY ĐIỆN NHỎ 74
3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng 74

3.2. Các khối chính. 74

3.2.1. Khối nguồn: 74
3.2.2. Khối đường dây và tải: 76
3.2.3. Khối BESS. 77
3.3. Kết quả mô phỏng. 81

3.3.1. So sánh động học của bộ điều khiển dòng kiểu PI và kiểu D-B. 81
iv
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

3.3.2. So sánh chất lượng điều khiển khi hệ thống bị kích động. 82
3.4. Kết luận chương 3. 87

Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ BESS TRONG
MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 88
4.1. Thực nghiệm hệ BESS trong phòng thí nghiệm. 88

4.1.1. Cấu trúc thí nghiệm hệ BESS. 88
4.1.2. Thông số kỹ thuật của bộ biến đổi: 91
4.2. Xây dựng chương trình phần mềm. 92

4.3. Kết quả thí nghiệm hệ BESS. 95

4.4. Kết luận chương 4. 97

KẾT LUẬN CHUNG 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

v
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt
Viết đầy đủ (tiếng Anh)
Nghĩa tiếng Việt
BESS
Battery Energy Storage System
Hệ thống lưu trữ năng lượng dùng
ăcquy
FACTS
Flexible Alternating Current
Transmission System
hệ thống truyền tải điện xoay chiều
linh hoạt
IGBT
Insulated Gate Bipolar
Transistor
Transistor có cực điều khiển cách ly
PCS
Power Conditioning System
Hệ thống điều khiển công suất
PCC
Point of Common Coupling
Điểm kết nối
IGBT
Insulated Gate Bipolar

Transistor
trasistor có cực điều khiển cách ly
MOSFET
Metal-Oxide Semiconductor
Field-Effect Transistor
transistor hiệu ứng trường Oxit Kim
loại - Bán dẫn
PWM
Pulse Width Modulation
Điều chế độ rộng xung
Dead - Beat

Bộ điểu khiển kiểu Dead - Beat
PI
Proportional–Integral controller
Bộ điểu khiển kiểu PI


vi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1: Độ biến dạng sóng hài điện áp 11
Bảng 2.1. Các số liệu và kết quả tính toán mạng điện trong trường hợp máy
phát vận hành đầy tải. 30
Bảng 2.2. Các số liệu và kết quả tính toán mạng điện trong trường hợp hạ
thấp công suất vận hành của máy phát. 32
Bảng 2.3. Bảng thời gian đóng/cắt cho các van bán dẫn trong mỗi sector 60

Bảng 3.1. Thông số mạch điều khiển turbine thủy điện 75
Bảng 3.2. Thông số mạch điều khiển dòng kích từ máy phát 76
Bảng 3.3. Thông số đường dây 76
Bảng 3.4. Thông số của IGBT 78


vii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

DANH MỤC HÌNH VẼ
(Hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị)
Trang
Hình 1.1. Đồ thị phân bố điện áp dọc theo đường dây cung cấp điện. 7
Hình 2.5. Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ có BESS. 33
Hình 2.6. Cấu trúc mạch lực của BESS. 34
Hình 2.7. Cấu trúc và ký hiệu IGBT. 35
Hình 2.8. Sơ đồ thử nghiệm IGBT. 36
Hình 2.9. Đặc tính đóng mở van IGBT. 36
Hình 2.10. Cấu tạo của ắcquy axít điện cực chì 41
Hình 2.11.mạch điện nối với mạch ngoài và 42
Hình 2.12. Sơ đồ tương đương của ắcquy. 44
Hình 2.13. Quá trình phóng điện ắcquy phụ thuộc vào dòng phóng. 45
Hình 2.14. Sự phụ thuộc của công suất vào dòng điện phóng. 46
Hình 2.15. a) Thay thế BESS như một nguồn áp tại PCCi; b) Cấu trúc bộ biến
đổi BESS. 47
Hình 2.16 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi BESS 48
Hình 2.18. Mô hình bộ biến đổi BESS trong hệ tọa độ quay dq tựa điện áp lưới 50
Hình 2.19. Mô hình bộ biến đổi BESS trong miền toán tử Laplace 51
Hình 2.20. Cấu trúc điều khiển hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ. 52
Hình 2.21. Biểu diễn các đại lượng vector trên tọa độ dq tựa điện áp. 53

Hình 2.22. Cấu trúc khối đồng bộ tựa điện áp lưới PLL. 55
Hình 2.23. Dạng tín hiệu tựa đồng bộ điện áp lưới có được bằng kết quả mô phỏng. . 55
Hình 2.24. Tám khả năng chuyển mạch trong bộ biến biến đổi van 58
Hình 2.25. Vị trí các vector chuẩn trên hệ toạ độ αβ 58
Hình 2.26. Tổng hợp vector chuẩn trong sector 1 59
Hình 2.27. Thời gian đóng/cắt mỗi van trong sector 1. 60
Hình 2.28. Dạng sóng biến điệu vector SVM có được bằng kết quả mô phỏng. 61
Hình 2.30.Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu PI cho bộ biến đổi BESS. 63
Hình 2.31. Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện kiểu Dead-Beat. 66
Hình 2.32. Đáp ứng động học giữa tín hiệu đặt và thực đối với bộ điều chỉnh
Dead-Beat. 67
Hình 2.33. Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat. 68
Hình 2.34. Cấu trúc điều khiển công suất tác dụng 72
Hình 3.1 Mô hình mô phỏng hệ BESS trong MĐCBTĐN công suất 85 kVA 74
viii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 3.2. Cấu trúc nguồn thủy điện 85 kVA-0,4kV 75
Hình 3.3. Cấu trúc mạch lực của BESS 77
Hình 3.4. Khối đo lường 79
Hình 3.5a. Cấu trúc bộ điều khiển vòng ngoài cho bộ điều dòng điện kiểu PI 79
Hình 3.5b. Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện kiểu PI 80
Hình 3.6a. Cấu trúc bộ điều khiển vòng ngoài cho bộ điều dòng điện kiểu D-B 80
Hình 3.6b. Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện kiểu D-B 81
Hình 3.7 So sánh đáp ứng động học của bộ điều chỉnh PI và D-B 81
Hình 3.8a. Trị hiệu dụng điện áp trên tải trong các chế độ khác nhau, trường
hợp dùng bộ điều khiển D-B 83
Hình 3.9a. Trị hiệu dụng điện áp trên tải trong các chế độ khác nhau, trường
hợp dùng bộ điều khiển PI 83
Hình 3.9b. Biên dạng điện áp trên tải trong các chế độ khác nhau, trường hợp

dùng bộ điều khiển PI 84
Hình 3.10a. Biên dạng dòng điện 3 pha trên tải, trường hợp dùng bộ điều khiển D-B 84
Hình 3.10b. Kiểm tra THD cho dòng điện tải do BESS cấp tại thời điểm 0,6s,
trường hợp dùng bộ điều khiển D-B 85
Hình 3.10c. Biên dạng dòng điện 3 pha trên tải, trường hợp dùng bộ điều
khiển PI 85
Hình 3.10d. Kiểm tra THD cho dòng điện tải do BESS cấp tại thời điểm 0,8s,
trường hợp dùng bộ điều khiển PI 86
Hình 3.11. Bess với BĐKD kiểu PI khi bù công suất đỉnh 87
Hình 3.11. Bess với BĐKD kiểu Dead-Beat khi bù công suất đỉnh 87
Hình 4.1 Cấu trúc thí nghiệm hệ BESS. 88
Hình 4.2 Bàn thí nghiệm hệ BESS. 89
Hình 4.3. Cấu trúc R&D DS1104. 90
Hình 4.4. Giao diện điển hình dùng DS1104. 90
Hình 4.5. Động cơ thí nghiệm. 91
Hình 4.6. Hệ thống ăcquy thí nghiệm. 92
Hình 4.7. Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển. 93
Hình 4.8. Cấu trúc chương trình phần mềm. 94
Hình 4.9. Thuật toán điều khiển hệ BESS. 94
Hình 4.10 Khối đo lường ADC. 95
Hình 4.11. BESS huy động thành phần công suất tác dụng cho động cơ khởi động 96
Hình 4.11. Biên độ dòng điện đỉnh nhọn khi động cơ khởi động và BESS 96
Hình 4.12. Điện áp ăcquy khi BESS khi động cơ khởi động. 97
ix
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình hình
năng lượng đang thay đổi - có một số lượng lớn các nguồn cung cấp năng
lượng không phải là dạng truyền thống đang được thúc đẩy phát triển mạch
mẽ không những riêng ở nước ta, mà trên phạm vi toàn cầu. Đó là các dạng
nguồn phát điện theo công nghệ sạch. Ví dụ như: phong điện, thủy điện nhỏ,
điện mặt trời, V.V Chúng có thể được khai thác dưới các loại hình mạng
điện khác nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng phân tán có kết nối với lưới
quốc gia, mạng điện thông minh Trước đây, những loại hình mạng điện này
chưa được quan tâm khai thác và phát triển, lý do chính là đặc tính của các
dạng nguồn này có tính chất mềm (siêu mềm), không ổn định. Tính kinh tế
của hệ thống còn thấp, chất lượng điện năng cung cấp chưa đảm bảo. Ngày
nay, đứng trước sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất
ngày càng phong phú, đời sống văn hóa tinh thần của con người ngày một
nâng cao dẫn đến đòi hỏi các lưới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu
chất lượng điện năng quy định (mang lại lợi ích cho phía người tiêu dùng),
giảm nhỏ tối thiểu các tổn thất năng lượng trong mạng và nâng cao hiệu quả
khai thác hệ thống (mạng lại lợi ích cho phía sản xuất và phân phối điện
năng). Đặc biệt, trong bối cảnh thế giới đang khuyến khích phát triển các
nguồn năng lượng sạch, các hệ nguồn phân tán, công suất nhỏ… luôn cần
thiết sự kết hợp với các bộ biến đổi, kho lưu trữ năng lượng và kỹ thuật điều
khiển hiện đại nhằm phát huy hết công năng của hệ nguồn.
Xuất phát từ những phân tích trên tác giả mong muốn đóng góp một
phần nghiên cứu của mình nhằm đảm bảo chất lượng hệ nguồn đối với chế độ
làm việc bình thường đồng thời có thể nâng cao động học một cách cần thiết.

Ví dụ: Chế độ đóng nguồn dự phòng.
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu bộ chỉnh lưu tích cực và
khả năng cải thiện chất lượng điện năng khi kết hợp với các mạng điện nguồn
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

năng lượng mới và tái tạo, phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu bộ biến đổi với
hệ điều khiển kiểu Dead - Beat so sánh động học với các bộ biến đổi và hệ
điều khiển khác, ý nghĩa khoa học là đề xuất thêm giải pháp sử dụng Bộ biến
đổi với hệ điều khiển Dead-Beat áp dụng trong mạng điện nguồn năng lượng
mới và tái tạo có thể nâng cao được động học hơn so với việc sử dụng những
bộ biến đổi khác qua đó sẽ đem lại nhiều lợi ích thực tế trong việc nâng cao
chất lượng điện năng.
Bố cục của luận văn này gồm có 3 chương.
Chương 1: Tổng quan về chất lượng điện năng cung cấp.
Chương 2: Các Bộ biến đổi công suất và chức năng cải thiện chất lượng
điện năng.
Chương 3: Mô hình hóa mô phỏng trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ.
Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm hệ BESS trong mạng điện cục bộ
Thủy điện nhỏ.
Trong quá trình nghiên cứu để thực hiện bài luận văn, mặc dù gặp rất
nhiều khó khăn về vấn đề chuyên môn. Nhờ sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình
của thầy giáo TS. Ngô Đức Minh đã giúp tôi hoàn hoàn thành luận văn với
kết quả mong muốn đạt được. Tuy nhiên bản luận văn này cũng không thể
tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót, tác giả kính mong nhận được sự góp ý và
nhận xét của các thầy cô giáo và các bạn để được hoàn thiện hơn.
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới thầy giáo TS. Ngô Đức Minh
cùng tập thể các thầy cô giáo Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp – Đại
học Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành
luận văn này.

Thái Nguyên, ngày tháng 5 năm 2014
Học viên


Nguyễn Thành Trung
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

1.1. Khái niệm về chất lượng điện năng.
Nền kinh tế quốc dân ngày càng phát triển, do đó đòi hỏi ngày càng
nhiều năng lượng điện. Điều đó đặt ra cho hệ thống cung cấp điện một nhiệm
vụ khó khăn là vừa phải thoả mãn lượng điện năng tiêu thụ, vừa phải đảm bảo
chất lượng của nó. Vì vậy chất lượng điện năng ảnh hưởng rất lớn đến chế độ
làm việc của các phụ tải, điều này sẽ làm ảnh hưởng tới các chỉ tiêu kinh tế kĩ
thuật của các phụ tải đó. Các thiết bị dùng điện chỉ có thể làm việc với hiệu
quả tốt trong trường hợp điện năng có chất lượng cao.
Chất lượng điện năng được đánh giá dựa trên hai chỉ tiêu chính là chất
lượng Tần số và chất lượng Điện áp. Như vậy chất lượng điện năng là mức độ
trùng hợp của Tần số và Điện áp so với giá trị chuẩn đã quy định. Ngoài ra,
chất lượng điện năng còn được đánh giá bằng chỉ tiêu là độ tin cậy của hệ
thống, tức là tính liên tục cung cấp điện.
1.1.1. Chất lượng tần số.
Được đánh giá theo 2 đại lượng:
1. Độ lệch tần số (lấy trong khoảng thời gian là 10 phút)
q
%100.

dm
dm
f
f
ff

2. Độ dao động tần số (khi tốc độ biến đổi của tần số nhỏ hơn 0.2 HZ trong
thời gian một giây)
p
%100.
minmax
dm
f
f
ff

Giữ cho độ lệch và dao động của tần số nằm trong phạm vi cho phép là
nhiệm vụ của các nhà máy phát điện, các phụ tải dùng điện ít ảnh hưởng tới
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

tần số, vì vậy về sau này chúng ta sẽ không đề cập đến các biện pháp đảm bảo
chất lượng tần số.
1.1.2. Chất lượng điện áp.
Được đánh giá theo 5 đại lượng. (Đối với lưới điện ba pha xoay chiều):
1. Độ lệch điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp nhỏ hơn 1% trong 1 giây)
so với giá trị định mức :
qU =
%100.
dm

dm
U
UU

2. Độ dao động điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp không nhỏ hơn 1%
trong 1 giây)
%100.
minmax
dm
U
UU
U

3. Độ không hình sin của dạng đường cong điện áp :
%100.
1
.
U
U
K
SinK
trong đó
2
2
UU

U
1
- Điện áp thành phần cơ bản
Khi

SinK
K
.
%5
thì dạng của đường cong điện áp thường chỉ cần tính đến
bậc 13 là đủ.
4. Độ không đối xứng của điện áp :
%100.
3
%100.
00
2
0
2
2
dm
CBA
U
UaUaU
U
U
K
phadinhmuc

Trong đó
2
U
- điện áp thứ tự nghịch a =
0
120j

e
;
0
240
2
j
ea

Nếu điện áp có
2
K
%1
thì có thể xem thực tế như là đối xứng.
5. Độ lệch trung tính.
%100.
3
)(
%100.
000
0
0
dm
CB
A
U
IUUUI
U
U
K
phadinhmuc

5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Trong đó
0
U
- điện áp thứ tự không
1.2. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng.
1.2.1. Chỉ tiêu tần số
1.2.1.1. Độ lệch tần số
Độ lệch tần số so với tần số định mức:
100.
dm
dm
f
ff
f

Độ lệch tần số phải nằm trong giới hạn cho phép:
f
min
f
f
max
Cũng có nghĩa là tần số phải luôn nằm trong giới hạn cho phép:
f
min
f f
max

Trong đó:
f
min
= f
đm
-
f
min

f
max
= f
đm
+ f
max
1.2.1.2. Độ dao động tần số
Độ dao động tần số đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ
nhất của tần số khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn hơn 0,1%. Độ dao
động tần số không được lớn hơn giá trị cho phép.
* Tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30 tháng 7
năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân phối (Điều
4) thì Tần số định mức trong hệ thống điện quốc gia là 50Hz. Trong điều kiện
bình thường, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi 0,2Hz so
với tần số định mức. Trường hợp hệ thống điện chưa ổn định, tần số hệ thống
điện được dao động trong phạm vi 0,5Hz so với tần số định mức.
1.2.2. Chỉ tiêu điện áp.
1.2.2.1. Độ lệch điện áp
Độ lệch điện áp tại một điểm trong hệ thống cung cấp điện là độ chênh
lệch giữa điện áp thực tế U và điện áp định mức Uđm với điều kiện là tốc độ
biến thiên của điện áp nhỏ hơn 1% Uđm/giây.

6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Vậy
)(VUUU
dm

qU=
U
% =
%100.
dm
dm
U
UU
(1)
Độ lệch điện áp
U
có dấu âm khi điện áp thực tế nhỏ hơn điện áp định
mức và có dấu dương trong trường hợp ngược lại. Thông thường có nhiều
nguyên nhân gây ra độ lệch điện áp. Vì vậy độ lệch điện áp tại một điểm nào
đó trong hệ thống cung cấp điện có thể được coi như là tổng đại số các độ
lệch điện áp thành phần :
n
i
i
UU
1
(2)
Trong đó

i
U
- độ lệch điện áp do nguyên nhân thứ i gây ra được tính
theo biểu thức (1). Chú ý khi tính
i
U
phải được tính cùng một pha và cùng
một thời điểm.
Độ lệch điện áp cho phép
%
cp
U
ở mỗi nước khác nhau thì được quy
định khác nhau.
Ví dụ :
* Tiêu chuẩn tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30
tháng 7 năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân phối
(Điều 5):
- Trong chế độ vận hành bình thường, điện áp vận hành cho phép được
sai lệch so với điện áp danh định như sau:Tại điểm đấu nối với Khách hàng sử
dụng điện là 5%; Tại điểm đấu nối với nhà máy điện là +10% và -5%.
- Trong chế độ sự cố đơn lẻ hoặc trong quá trình khôi phục vận hành ổn
định sau sự cố, cho phép mức dao động điện áp tại điểm đấu nối với Khách
hàng sử dụng điện bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự cố trong khoảng +5% và –
10% so với điện áp danh định.
- Trong chế độ sự cố nghiêm trọng hệ thống điện truyền tải hoặc khôi
phục sự cố, cho phép mức dao động điện áp trong khoảng 10% so với điện
áp danh định.
7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Những quy định trên cần phải được đảm bảo chặt chẽ, bởi vì độ lệch điện
áp có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc bình thường của các thiết bị điện. Ví dụ
khi điện áp giảm 10%, thì mômen quay của động cơ không đồng bộ giảm 19%,
độ trượt tăng 27,5%, dòng trong rôto tăng 14%, trong stato tăng 10%.
Các thiết bị chiếu sáng rất nhạy cảm đối với điện áp. Khi điện áp giảm
25% thì quang thông của đèn dây tóc giảm 9%, còn khi điện áp tăng 10% thì
tuổi thọ của nó giảm 30 - 35%. Chình vì vậy độ lệch điện áp cho phép đối với
các thiết bị chiếu sáng được quy định nhỏ hơn so với các thiết bị điện khác.
Để xác định độ lệch điện áp tại một điểm nào đó trong hệ thống cung cấp
điện ta phải xác định tổn thất điện áp trên các phần tử từ nguồn đến điểm đó
(chủ yêú là trên đường dây và máy biến áp), đồng thời phải kể đến việc nâng
cao điện áp do chọn đầu phân áp của máy biến áp và các biện pháp điều chỉnh
điện áp khác.
Vậy
U
% =
%;%%
Bdd
UUU

(3)
%8
1
%5
1
U
U
%5
2

U
%4
B
U
%5
2
U

5
0
10
5
Hình 1. Đồ thị phân bố điện áp dọc theo
đường dây cung cấp điện

Hình 1.1. Đồ thị phân bố điện áp dọc theo đường dây cung cấp điện.
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Trong đó
%U
- độ tăng điện áp do điều chỉnh đầu phân áp và các biện
pháp điều chỉnh điện áp khác,
%
dd
U
- tổn thất điện áp trên máy biến áp. Chú ý
rằng các điện áp trong công thức (3) phải được quy về cấp điện áp tại điểm xét.
Hình 1.1. trình bày một ví dụ về phân bố điện áp dọc theo đường dây
cung cấp điện và các độ lệch điện ápdo các phần tử trong hệ thống cung cấp

điện gây ra. Trong đó:
1
U
= 5% - độ lệch điện áp trên thanh cái trạm biến áp khu vực;
%5
B
U
- độ lệch điện áp do đầu phân áp của máy biến áp gây ra.
1
U
= 6% - tổn thất điện áp trên đường dây điện áp cao;
%4
B
U
- tổn thất điện áp trên máy biến áp;
%5
2
U
- tổn thất điện áp trên đường dây điện áp thấp.
Từ hình 1 ta thấy rằng để duy trì điện áp trên cực của phụ tải nằm trong
phạm vi cho phép chúng ta phải áp dụng các biện pháp điều chỉnh điện áp để bù
vào các tổn thất điện áp do các phần tử trong hệ thống cung cấp điện gâp ra.
Độ lệch điện áp là tiêu chuẩn điện áp quan trọng nhất ảnh hưởng lớn đến
giá thành hệ thống điện.
1.2.2.2. Độ dao động điện áp
Dao động điện áp là sự biến thiên của điện áp xảy ra trong khoảng thời
gian tương đối ngắn. Phụ tải chịu ảnh hưởng của dao động điện áp không
những về biên độ dao động mà cả về tần số xuất hiện các dao động đó.
Sự biến thiên nhanh của điện áp được tính theo công thức :
%100.

minmax
dm
U
UU
U

Tốc độ biến thiên từ U
min
đến U
max
không nhỏ hơn 1%/s.
Nguyên nhân chủ yếu gây ra dao động điện áp là do các phụ tải lớn làm
việc đòi hỏi sự đột biến về tiêu thụ công suất tác dụng và phản kháng. Các lò
9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

điện hồ quang, các máy hàn, các máy cán thép cỡ lớn v.v… là các thiết bị
thường gây ra dao động điện áp.
Tuỳ theo biên độ và tần số dao động, người ta quy định những giá trị cho
phép sau đây :
- Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/giờ,
dm
UU )%53(

- Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/phút,
dm
UU )%5,11(

- Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/giây,
dm

UU %5,0

Mức độ dao động điện áp phụ thuộc vào tỷ số giữa công suất nguồn và
công suất của những phụ tải biến thiên. Nói chung khi tỷ số nói trên từ 10 trở
lên thì biến thiên của phụ tải thực tế chỉ gây ra dao động điện áp cục bộ tại
điểm phụ tải làm việc mà thôi.
Tính toán giá trị của biên độ dao động điện áp khá phức tạp vì nó phụ
thuộc vào nhiều yếu tố bất định. Có thể sử dụng các công thức gần đúng nhằm
đánh giá sơ bộ dao động điện áp lúc thiết kế cung cấp điện sau đây:
Dao động điện áp khi các dao động cơ làm việc có sự biến đổi phụ tải
lớn được tính theo công thức:
;100.%
N
S
Q
U

Dao động điện áp khi lò điện hồ quang làm việc
;100.%
N
B
S
S
U

Trong các công thức trên
Q
- lượng phụ tải phản kháng biến đổi của
động cơ;
B

S
- công suất của máy biến áp lò điện hồ quang:
N
S
- công suất ngắn
mạch tại điểm có phụ tải làm việc.
Dao động điện áp gây ra dao động ánh sáng làm hại mắt người lao động,
làm nhiễu máy thu thanh, máy thu hình và các thiết bị điện tử…
Độ dao động điện áp cùng cần được hạn chế trong miền cho phép.
10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1.2.2.3. Độ không hình sin của đường cong điện áp và sóng điều hoà bậc cao.
Sóng điều hoà bậc cao của dòng điện và điện áp sẽ gây tổn hao phụ về
năng lượng điện, làm phát nóng thiết bị điện, tăng nhanh quá trình già hoá của
vật liệu cách điện, gây ảnh hưởng xấu đối với chế độ làm việc của các bộ biến
đổi van (đổi chiều không hoàn toàn), làm cho các thiết bị đo lường, bảo vệ,
điều khiển trong hệ thống cung cấp điện tác động không chính xác.
Nguyên nhân sinh ra những sóng hài bậc cao chủ yếu nằm ở phía tải.
Các tải phi tuyến (VD thường thấy ở các nhà máy dùng các bộ biến đổi điện
tử công suất như chỉnh lưu để mạ, sơn tĩnh điện, nghịch lưu tần số cao luyện
thép, máy hàn .v.v.) khi hoạt động sẽ phát những sóng hài bậc cao vào lưới,
làm méo dạng sóng của lưới.
Khi thiết kế cung cấp điện cũng như lúc vận hành phải xét tới các biện
pháp hạn chế sóng điều hoà bậc cao.
Khi trong hệ thống cung cấp điện có các bộ biến đổi van thì biện pháp
hữu hiệu để chống sóng điều hoà bậc cao là dùng các sơ đồ chỉnh lưu nhiều
pha (12,24,36,48 pha).
Các bộ lọc cộng hưởng động lực cũng có tác dụng rất tốt để lọc các sóng
điều hoà bậc cao. Bộ lọc được tạo thành từ điện kháng L và tụ điện C và được

chỉnh để cộng hưởng với sóng điều hoà bậc cao muốn lọc. Ngoài nhiệm vụ
hạn chế sóng điều hoà bậc cao, các tụ điện trong bộ lọc cộng hưởng còn có
tác dụng bù công suất phản kháng.
* Tiêu chuẩn tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30
tháng 7 năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân phối
(Điều 7). Tổng độ biến dạng sóng hài (THD) là tỷ lệ của giá trị điện áp hiệu
dụng của sóng hài với giá trị hiệu dụng của điện áp cơ bản, biểu diễn bằng
đơn vị phần trăm (%), theo công thức sau:
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Trong đó:
THD:
Tổng độ biến dạng sóng hài của điện áp;
Vi:
Thành phần điện áp tại sóng hài bậc i;
V1:
Thành phần điện áp tại tần số cơ bản (50Hz).
Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp tại mọi điểm đấu nối không được
vượt quá giới hạn quy định trong Bảng 1 như sau:
Bảng 1.1: Độ biến dạng sóng hài điện áp
Cấp điện áp
Tổng biến dạng sóng hài
Biến dạng riêng lẻ
110kV
3,0%
1,5%
Trung và hạ áp
6,5%

3,0%

Tần số được đảm bảo bằng cách điều khiển cân bằng công suất tác dụng
chung trong toàn hệ thống điện và được thực hiện trong các nhà máy điện.
1.2.2.4. Độ không đối xứng.
Nếu trong mạng điện có các phụ tải một pha công suất lớn như: máy hàn,
lò điện …thì chúng thường gây ra hiện tượng phụ tải không đối xứng do đó
kéo theo điện áp không cân bằng làm lệch điểm trung tính của mạng điện.
Để đánh giá mức độ phụ tải không cân bằng có thể dùng biểu thức sau:
độ không cân bằng sẽ nằm trong phạm vi cho phép nếu có tỉ số:
50
1 fa
N
S
S
trong đó: S
N
–Công suất ngắn mạch tại điểm có các phụ tải một
pha; S
1fa
là phụ tải một pha.
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.
* Tiêu chuẩn tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30
tháng 7 năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân
%100
2
1
2
V

V
i
THD
12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

phối(Điều 6). Trong chế độ làm việc bình thường, thành phần thứ tự nghịch
của điện áp pha không vượt quá 3% điện áp danh định đối với cấp điện áp
110kV hoặc 5% điện áp danh định đối với cấp điện áp trung áp và hạ áp.
Vì vậy để giảm độ không cân bằng chúng ta phải cố gắng phân đều phụ
tải một pha lên ba pha của mạng điện, đồng thời phân định lịch vận hành của
các phụ tải một pha sao cho chúng làm việc rải đều trong các ca sản xuất của
xí nghiệp.
1.2.3. Chỉ tiêu độ tin cậy của lưới điện.
Độ tin cậy của lưới điện là khả năng hệ thống có thể đảm bảo cung cấp
điện liên tục và chất lượng cho các hộ dùng điện. Độ tin cậy là một chỉ tiêu
quan trọng của hệ thống điện, nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khách quan
và chủ quan. Việc tính toán Độ tin cậy cung cấp điện phải được thực hiện
ngay từ khi thiết kế hệ thống điện, ngoài ra trong quá trình vận hành mạng
điện cũng cần phải thường xuyên khôi phục độ tin cậy của từng phần tử và
của cả hệ thống.
Tiêu chuẩn tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30
tháng 7 năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân phối
(Điều 12) thì:
Các chỉ số về độ tin cậy của lưới điện phân phối bao gồm:
- Chỉ số về thời gian mất điện trung bình của lưới điện phân phối
(System Average Interruption Duration Index - SAIDI);
- Chỉ số về số lần mất điện trung bình của lưới điện phân phối (System
Average Interruption Frequency Index - SAIFI);
- Chỉ số về số lần mất điện thoáng qua trung bình của lưới điện phân

phối (Momentary Average Interruption Frequency Index - MAIFI).
Các chỉ số về độ tin cậy của lưới điện phân phối được tính toán như sau:
- SAIDI được tính bằng tổng thời gian mất điện của các Khách hàng sử
dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

phối điện trong một quý chia cho tổng số Khách hàng sử dụng điện và các
Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong
quý đó, theo công thức sau:
4
1
1
j
j
n
i
ii
j
SAIDISAIDI
K
KT
SAIDI

Trong đó:
Ti: Thời gian mất điện lần thứ i kéo dài trên 5 phút trong quý j;
Ki: Số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện
mua điện của Đơn vị phân phối điện bị ảnh hưởng bởi lần mất điện thứ i trong
quý j;
n: số lần mất điện kéo dài trên 5 phút trong quý j;

K: Tổng số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ
điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong quý j.
- SAIFI được tính bằng tổng số lần mất điện của Khách hàng sử dụng
điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối
điện trong quý chia cho tổng số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân
phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong quý đó, theo
công thức sau:
4
1j
j
j
SAIFISAIFI
K
n
SAIFI

Trong đó:
n: số lần mất điện kéo dài trên 5 phút trong quý j;
K: Tổng số khách hàng trong quý j của Đơn vị phân phối điện.
- MAIFI được tính bằng tổng số lần mất điện thoáng qua của Khách
hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn
14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

vị phân phối điện trong quý chia cho tổng số Khách hàng sử dụng điện và các
Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong
quý đó, theo công thức sau:
4
1j
j

j
MAIFIMAIFI
K
m
MAIFI

Trong đó:
m: số lần mất điện thoáng qua trong quý j;
K: Tổng số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ
điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong quý j.
Căn cứ vào tiêu chuẩn này Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đã có
các quy định về chỉ tiêu suất sự cố (đường dây và trạm biến áp) trong quản lý,
vận hành hệ thống điện, làm cơ sở cho việc đánh giá chất lượng quản lý vận
hành nguồn lưới đáp ứng yêu cầu cung ứng điện liên tục cho khách hàng. Cụ
thể như sau:
- Suất sự cố thoáng qua đường dây trung thế : 12 vụ / 100 km/ năm.
- Suất sự cố vĩnh cửu đường dây trung thế : 3,6 vụ / 100 km/ năm.
- Suất sự cố vĩnh cửu TBA : 1,8 vụ / 100 MBA/ năm.
Ngoài ra chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện cũng dựa trên yêu cầu của
từng loại phụ tải, tùy theo tính chất quan trọng của phụ tải người ta chia phụ
tải thành 3 loại: Phụ tài loại 1, phụ tải loại 2 và phụ tải loại 3.
- Phụ tải loại 1 là những phụ tải quan trọng nhất, nếu mất điện ở các phụ
tải này có thể xảy ra chết người hoặc thiệt hại lớn về kinh tế, chính trị (Phụ tải
loại 1 là những phụ tải như: Các cơ quan quan trọng của Chính phủ, đài phát
thanh, truyền hình; Nhà quốc hội; Phòng giải phẫu ở các bệnh viện; các nhà
máy lớn hoặc là các thiết bị quan trọng như các dụng cụ cứu hỏa, các đèn
chiếu sáng sự cố…). Các phụ tải loại 1 tuyệt đối không được mất điện, để