Tiểu luận - SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA BỘ BÙ TĨNH CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG (SVC) TRÊN LƯỚI TRUYỀN TẢI CAO ÁP

ĐẠI HỌC BKHN

HV: Hoàng Thị Mỹ
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

1.1. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN
Về mặt lý thuyết, chúng ta cần xây dựng các nguồn điện ngay gần những trung tâm
phụ tải nhằm tránh chi phí truyền tải cao và phân bố tối ưu nguồn điện. Tuy nhiên, với
những rào cản kỹ thuật, môi trường, tài nguyên…không cho phép xây dựng nhà máy điện
ở đó mà phải di chuyển ra các vùng cách xa hàng trăm km. Từ đó phát sinh vấn đề về lựa
chọn hình thức và cấp điện áp truyền tải để vừa đảm bảo an toàn, tin cậy, vừa đem lại lợi
ích kinh tế tốt nhất.

Hình 1.1 Hệ thống truyền tải và phân phối điện năng
Xây dựng hệ thống điện liên kết đa quốc gia cũng trở thành xu hướng chung trên
thế giới nhằm khai thác tối ưu nguồn năng lượng có giá thành thấp như thủy điện và các
nguồn năng lượng tái tạo như hình 1.1. Xu hướng hợp nhất các HTĐ nhỏ bằng các đường
dây cao áp đang được phát triển tại nhiều quốc gia, khu vực trên khắp thế giới. Đây là xu
hướng phát triển tất yếu của các hệ thống điện hiện đại nhằm nâng cao tính kinh tế - kỹ
thuật trong sản xuất, vận hành các hệ thống điện thành viên. Cụ thể:
+ Giảm lượng công suất dự trữ trong toàn hệ thống do hệ thống lớn nhờ khả năng
huy động công suất từ nhiều nguồn phát.

HV: Hoàng Thị Mỹ

2

Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

+ Giảm dự phòng chung của HTĐ liên kết, qua đó giảm được chi phí đầu tư vào các
công trình nguồn - một gánh nặng lớn trong việc phát triển HTĐ.
+ Tăng tính kinh tế chung của cả hệ thống lớn do tận dụng được các nguồn phát có
giá thành sản xuất điện năng thấp như thuỷ điện, các nguồn nhiệt điện có giá thành rẻ như
tuabin khí, điện nguyên tử...
+ Tăng hiệu quả vận hành HTĐ do có khả năng huy động sản xuất điện từ các
nguồn điện kinh tế và giảm công suất đỉnh chung của toàn HTĐ lớn.
+ HTĐ hợp nhất vận hành linh hoạt hơn so với phương án vận hành các hệ thống
riêng rẽ nhờ sự trao đổi, hỗ trợ điện năng giữa các hệ thống thành viên.
+ Giảm giá thành điện năng do tận dụng được công suất tại các giờ thấp điểm của
phụ tải hệ thống điện thành viên để cung cấp cho hệ thống khác nhờ chênh lệch về múi
giờ.
+ Giảm được chi phí vận hành, đồng thời nâng cao tính linh hoạt trong việc sửa
chữa, đại tu các thiết bị trong toàn hệ thống.
+ Nâng cao độ dự trữ ổn định tĩnh của hệ thống, qua đó nâng cao độ tin cậy cung
cấp điện do công suất dự trữ chung của cả HTĐ hợp nhất là rất lớn.
Ngoài các lợi ích đã nêu ở trên, việc hợp nhất các hệ thống điện còn cho phép dễ
dàng trao đổi năng lượng thương mại giữa các khu vực, quốc gia thành viên góp phần
thúc đẩy nền kinh tế phát triển. Việc hợp nhất hệ thống điện là cơ sở cho việc hình thành
các “thị trường điện” (Power pool), một xu hướng phát triển tất yếu của các hệ thống điện
hiện đại
1.2. CÁC BIỆN PHÁP ÁP DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN.
Khi tính toán các chế độ vận hành của hệ thống điện hợp nhất có đường dây siêu

cao áp, do cấp điện áp cao nên lượng công suất phản kháng mà đường dây sinh ra là rất
lớn. Đặc biệt là khi đường dây không mang tải thì lượng công suất phản kháng phát ra rất
lớn gây nên hiện tượng quá áp ở cuối đường dây. Để hạn chế hiện tượng này, ta phải
dùng các biện pháp kỹ thuật khác nhau như:
+ Tăng số lượng dây phân nhỏ trong một pha (phân pha) của đường dây để giảm
điện kháng và tổng trở sóng, tăng khả năng tải của đường dây.
+ Bù thông số đường dây bằng các thiết bị bù dọc và bù ngang (bù công suất phản
kháng) để giảm bớt cảm kháng và dung dẫn của đường dây làm cho chiều dài tính toán
rút ngắn lại.

HV: Hoàng Thị Mỹ

3
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

+ Phân đoạn đường dây bằng các kháng điện bù ngang có điều khiển đặt ở các
trạm trung gian trên đường dây. Đối với đường dây siêu cao áp 500kV, khoảng cách giữa
các trạm đặt kháng bù ngang thường không quá 600km.
+ Đặt các thiết bị bù ngang hoặc bù dọc ở các trạm nút công suất trung gian và
trạm cuối để nâng cao ổn định điện áp tại các trạm này.
1.3.1. VẤN ĐỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG.
Khác với các đường dây cao áp (điện áp nhỏ hơn 330kV), quá trình truyền tải điện
xoay chiều trên đường dây siêu cao áp liên quan đến quá trình truyền sóng điện từ dọc
theo đường dây. Điện trường của đường dây ít thay đổi trong quá trình vận hành vì điện
áp trên đường dây được khống chế trong giới hạn cho phép (thường l 10%), song từ

trường lại thay đổi trong dải khá rộng theo sự thay đổi của dòng điện tải của đường dây.
+ Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng điện trường tính trên một đơn vị
chiều dài của một pha đường dây là:
WE = C.Uf2
+ Công suất điện trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là:
QE = 3.ω.C.Uf2.l
+ Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng từ trường tính trên một đơn vị
chiều dài của một pha đường dây khi dòng điện tải là I:
WM = L.I2
+ Công suất từ trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là:
QM = 3.ω.WM.l=3.ω.L.I2.l
+ Công suất phản kháng do đường dây sinh ra được xác định như là hiệu giữa
công suất điện trường và từ trường:
Q = QE - QM = 3.ω.C.Uf2.l - 3.ω.L.I2.l

L.I 2
Q = 3.ω.l.C.U 2f 1 −
 C.U 2f



÷
÷


+ Khi công suất phản kháng của đường dây bằng 0, ta có:

L.I 2
1
−


2
 C.U f
→ I =U f


=0
÷
÷

C Uf
=
= ITN
L ZC

Trong đó:
ZC =

L
: là tổng trở sóng của đường dây
C

Khi đó, đường dây tải dòng điện tự nhiên ITN. Đối với đường dây dài hữu hạn, hiện
tượng này xảy ra khi điện trở phụ tải tác dụng bằng tổng trở sóng XC của đường dây. Đây
là chế độ tải công suất tự nhiên. Trong trường hợp này, đường dây siêu cao áp không tiêu
thụ hay phát thêm công suất phản kháng.
HV: Hoàng Thị Mỹ

4
Lớp 13BKTĐ - TBĐ

Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện
PTN =

ĐẠI HỌC BKHN

3U 2f
ZC

Việc bù thông số của đường dây siêu cao áp làm tăng khả năng tải của đường dây
và qua đó nâng cao tính ổn định. Các biện pháp thường được áp dụng và đem lại hiệu quả
cao là bù dọc và bù ngang trên các đường dây siêu cao áp.
1.3.2. Bù dọc và bù ngang trong đường dây siêu cao áp
Các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn thường được bù thông số thông qua
các thiết bị bù dọc và bù ngang.Mục đích chủ yếu của việc đặt các thiết bị bù là nâng cao
khả năng tải của đường dây và san bằng điện áp phân bố dọc đường dây. Hơn nữa, bù
thông số còn nâng cao tính ổn định tĩnh, ổn định động, giảm sự dao dộng công suất…
làm cho việc vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt và hiệu quả hơn. Đây là biện
pháp rất cần thiết cho các đường dây cao áp có chiều dài lớn, đặc biệt là những đường
dây có chiều dài gần 1/4 bước sóng như đường dây 500kV Bắc - Nam ở Việt Nam.
1.3.2.1. Bù dọc
Trị số cảm kháng lớn của đường dây cao áp làm ảnh hưởng xấu đến hàng loạt chỉ
tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như: góc lệch pha giữa đầu và cuối
đường dây lớn, tổn thất công suất và điện năng trên đường dây cao, tính ổn định điện áp
tại các trạm giữa và cuối đường dây kém… Bù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết
(giảm điện kháng XL của đường dây) bằng dung kháng XC của tụ điện. Giải pháp này
được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây. Qua đó giới hạn truyền tải
của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh được nâng lên. Hơn nữa, giới hạn ổn định
động cũng tăng lên một cách gián tiếp do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ.

Khi mắc thêm tụ nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng của mạch tải điện sẽ
giảm xuống còn (XL - XC). Giả sử góc lệch ϕ giữa dòng điện phụ tải I và điện áp cuối
đường dây U2 không đổi thì độ lệch điện áp U1 ở đầu đường dây và góc lệch pha δ giữa
vectơ điện áp giữa hai đầu đường dây giảm xuống khá nhiều. Qua đó, ta thấy được hiệu
quả của bù dọc:
• Ổn định điện áp:
+ Giảm lượng sụt áp với cùng một công suất truyền tải.
+ Điểm sụp đổ điện áp được dịch chuyển xa hơn (hình 1.2 a).
• Ổn định về góc lệch δ:
HV: Hoàng Thị Mỹ

5
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

+ Làm giảm góc lệch δ trong chế độ vận hành bình thường, qua đó nâng cao độ ổn
định tĩnh của hệ thống điện (hình 1.2 b)
+ Làm tăng giới hạn công suất truyền tải của đường dây.
+ Trước khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:
P=

U1.U 2
sin δ
XL

Ta có giới hạn công suất truyền tải là:

Pgh =

U1.U 2
XL

+ Sau khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:
P' =

U1.U 2
sin δ
X L − XC

Ta có giới hạn công suất truyền tải là:
Pgh =

U1.U 2
XL − XC

Ta thấy sau khi bù, giới hạn truyền tải công suất của đường dây tăng lên:
k = XL/(XL - XC)

(hình 1.2)

Trong đó:
U1, U2 lần lượt là điện áp đầu đường dây và cuối đường dây truyền tải.
δ là góc lệch giữa điện áp U1 và U2
XL là điện kháng đường dây, XC là dung kháng của tụ điện.
• Giảm tổn thất công suất và điện năng:
+ Dòng điện chạy qua tụ điện C sẽ phát ra một lượng công suất phản kháng bù lại
phần tổn thất trên cảm kháng của đường dây.

+ Đặc trưng cho mức độ bù dọc của đường dây là hệ số bù dọc KC:
KC =

XC
100%
XL

Thông thường, đối với các đường dây cao áp thì hệ số bù dọc K C từ 40 - 75% tuỳ
theo chiều dài của đường dây.

HV: Hoàng Thị Mỹ

6
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

Hình 1.2: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây cao áp
1.2.3.2. Bù ngang
Bù ngang được thực hiện bằng cách lắp kháng điện có công suất cố định hay các
kháng điện có thể điều khiển tại các thanh cái của các trạm biến áp. Kháng bù ngang này
có thể đặt ở phía cao áp hay phía hạ áp của máy biến áp. Khi đặt ở phía cao áp thì có thể
nối trực tiếp song song với đường dây hoặc nối qua máy cắt được điều khiển bằng khe hở
phóng điện.
Dòng điện Il của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện I C của điện dung đường dây
phát ra do chúng ngược chiều nhau. Nhờ đó mà công suất phản kháng do đường dây phát
ra sẽ bị tiêu hao một lượng đáng kể và qua đó có thể hạn chế được hiện tượng quá áp ở

cuối đường dây.
Việc lựa chọn dung lượng và vị trí đặt của kháng bù ngang có ý nghĩa rất quan
trọng đối với một số chế độ vận hành của đường dây cao áp trong hệ thống điện như chế
độ vận hành non tải, không tải... của đường dây.
+ Trong chế độ không tải, phía nguồn khép mạch, phía tải hở mạch thì các nguồn
phát vẫn phải phát công suất tác dụng rất lớn để bù vào tổn thất điện trở của đường dây
và máy biến áp. Để khắc phục sự quá áp và quá tải máy phát ta phải đặt kháng bù ngang
tại một số điểm trên đường dây.
HV: Hoàng Thị Mỹ

7
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

+ Trong chế độ non tải (PTải < PTN), thì công suất phản kháng trên đường dây thừa
và đi về hai phía của đường dây. Để đảm bảo được trị số cosϕ cho phép của máy phát, ta
phải đặt kháng bù ngang ở đầu đường dây để tiêu thụ công suất phản kháng.
+ Trong chế độ tải cực tiểu, công suất phản kháng do đường dây sinh ra rất lớn
(đối với đường dây cao áp 500kV với Qo ≈1MVAR/km) nên ta phải đặt các kháng bù
ngang phân bố dọc theo đường dây để tiêu thụ lượng công suất phản kháng này. Thông
thường, khoảng cách giữa các kháng bù ngang từ 200 - 500km.
+ Công suất phản kháng của đường dây phát ra trong chế độ không tải được tính
gần đúng như sau:
2
QC = U dd
.bo .l

Trong đó:
Udd: Điện áp danh định của đường dây.
l: chiều dài của đường dây.
+ Đối với các đường dây cao áp có điện áp 330 ÷ 750kV thì ta có thể sử dụng các
quan hệ gần đúng như sau:
Xo.bo≈ 1,15.10-6
ZC =

Xo
bo

Nên ta có: bo ≈

1,07.10 −3
ZC

Như vậy công suất phản kháng của đường dây cao áp 500kV phát ra là:
QC =

U dd
1,07.10− 3.l = 1,07.10 −3.l.PTN
ZC

Đặc trưng cho mức độ bù ngang trên đường dây là hệ số KL:
KL =

IL
Q
100% = L 100%

IC
QC

Trong đó:
QL: Công suất phản kháng của kháng bù ngang
QC: Công suất phản kháng của điện dung đường dây phát ra.

HV: Hoàng Thị Mỹ

8
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

Đối với các đường dây có cấp điện áp 500kV, tổng công suất của các kháng bù
ngang trên đường dây thường bằng 60 - 70% công suất phản kháng do điện dung đường
dây phát ra.
NHẬN XÉT:
- Đường dây cao áp có nhiều đặc điểm riêng về kỹ thuật cần quan tâm khi thiết kế
phát triển lưới điện, đặc biệt là về giới hạn ổn định và ổn định điện áp.
- Mô hình đường dây cao áp khi tính toán phải theo sơ đồ thông số rải. Để đưa về
dạng thông số tập trung cần sử dụng sơ đồ tương đương: chia thành những mắt xích nối
tiếp.
- Đặc điểm chủ yếu của các đường dây cao áp là có điện cảm và điện dung lớn. Để
đảm bảo khả năng mang tải và tránh gây ra hiện tượng quá điện áp khi vận hành non tải
hoặc không tải cần phải có biện pháp bù dọc và bù ngang.
- Trị số tối ưu của các thiết bị bù cần phải được tính toán trong từng chế độ vận

hành để đem lại hiệu quả về kinh tế - kỹ thuật.
1.3. THIẾT BỊ BÙ TĨNH CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG SVC (STATIC VAR
COMPENSATOR)
Trong hệ thống truyền tải điện, trị số cảm kháng lớn của đường dây cao áp làm
ảnh hưởng xấu đến hàng loạt chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như:
góc lệch pha giữa đầu và cuối đường dây lớn, tổn thất công suất và điện năng trên đường
dây cao, tính ổn định điện áp tại các trạm giữa và cuối đường dây kém…
Để cải thiện vấn đề trên, người ta đã chế tạo và ứng dụng các thiết bị bù nhằm điều
khiển trào lưu công suất và tăng tính ổn định của lưới điện. Thiết bị bù ngang tĩnh SVC là
một trong số những thiết bị đã được ứng dụng khá nhiều trong vài chục năm trở lại đây
trên thế giới và đã đạt được những kết quả khá tốt cả về mặt kĩ thuật lẫn kinh tế trong bài
toán truyền tải điện.
Tụ bù tĩnh có dung lương thay đổi hay còn gọi là SVC (Static VAR Compensator)
là một thiết bị bù công suất phản kháng tác động nhanh trên lưới truyền tải điện áp cao.
SVC là một thiết bị trong nhóm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt
(FACTS). Nó được dùng để điều chỉnh điện áp và tăng khả năng ổn định của hệ thống
điện. Yếu tố static cho thấy, SVC sử dụng các thiết bị không chuyển động hay rõ hơn là
HV: Hoàng Thị Mỹ

9
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

sử dụng các thiết bị điện tử công suất để điều chỉnh thông số thiết bị hơn là sử dụng máy
cắt và dao cách ly.
Trước khi phát minh ra SVC, người ta phải sử dụng các máy phát điện cỡ lớn hay

tụ đồng bộ để bù công suất phản kháng.
SVC là thiết bị tự động điều chỉnh điện kháng, được chế tạo để điều chỉnh điện áp
tại các nút đặt SVC và điều chỉnh công suất phản kháng. Nếu hệ thống thừa công suất
phản kháng hay điện áp tại nút cao hơn giá trị cho phép, SVC sẽ đóng vai trò là các
kháng bù ngang. Khi đó, SVC sẽ tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống và hạ thấp
điện áp tại nút điều chỉnh.
Ngược lại, nếu hệ thống thiếu công suất phản kháng, các tụ bù ngang sẽ được tự
động đóng vào. Do đó, công suất phản kháng được bơm thêm vào hệ thống, điện áp của
nút được cải thiện.
SVC cũng thường được đặt tại các vị trí có tải thay đổi nhiều với tốc độ cao, như lò điện.
SVC dùng để làm trơn dao động điện áp
1.3.1. Cấu tạo của SVC
SVC là thiết bị bù ngang dùng để tiêu thụ công suất phản kháng có thể điều chỉnh
bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản:
- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát
hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành).
- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor hoặc triắc có
cực điều khiển, hệ thống điều khiển góc mở có thể dùng các bộ vi điều khiển.
* Cấu tạo của thiết bị bù SVC: Một thiết bị SVC trong thực tế thường bao gồm các
phần tử như TCR, TSC, TSR, MSR, bộ lọc sóng hài… (hình vẽ 2.1)

HV: Hoàng Thị Mỹ

10
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

Hình 1.4: Nguyên lý cấu tạo của thiết bị bù SVC
SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm:
+ Cuộn kháng điều chỉnh bằng thyristor - TCR (Thyristor Controlled Reactor): Nó
được mắc nối tiếp với 2 van thyristor lắp ngược chiều nhau. Mỗi bộ thyristor điều khiển
một pha. Điện kháng đẳng trị là một giá trị liên tục. Có chức năng điều chỉnh liên tục
công suất phản kháng tiêu thụ.
+ Cuộn kháng đóng mở bằng thyristor - TSR (Thyristor Switched Reactor): Thiết
bị có cấu tạo tương tự như TCR nhưng thyristor chỉ có hai trạng thái đóng hoặc mở hoàn
toàn. Điện kháng đẳng trị là một giá trị nhảy cấp. Có chức năng tiêu thụ công suất phản
kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor.
+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor - TSC (Thyristor Switched Capacitor): có chức
năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor. Do đó, điện dung đẳng
trị là một giá trị nhảy cấp.
Trong đó, các phần tử TCR, TSC là những phần tử quan trọng nhất, đặc trưng cho
cấu tạo và hoạt động của thiết bị bù SVC. Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, các
bộ thyristor đã được ứng dụng để đóng cắt và điều khiển trong những phần tử này.

HV: Hoàng Thị Mỹ

11
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

* Một SVC điển hình gồm các tụ bù ngang được đóng cắt riêng biệt (TSC), các
cuộn cảm (có hoặc không có lõi sắt) được điều chỉnh bằng thyristor (TCR). Nhờ việc

thay đổi góc dẫn của thyristor mà điện kháng đẳng trị của SVC có thể thay đổi liên tục
được. Do đó, công suất phản kháng của lưới điện có thể được bơm vào hay hút đi một
cách liên tục. Theo cấu trúc này, các tụ điện sẽ điều chỉnh thô, sau đó các TCR sẽ điều
chỉnh giá trị cảm kháng, kết quả là giá trị điện kháng đẳng trị là một giá trị liên tục.
Các bộ lọc sóng điện tử công suất lớn được sử dụng để làm trơn sóng điện áp. Bản
thân các bộ lọc sóng điều hòa này lại có tính dung, do đó bộ lọc còn có tác dụng cung cấp
công suất phản kháng cho lưới điện.
Các thiết bị SVC thường được đặt ở những nơi có yêu cầu điều chỉnh điện áp chính
xác. Việc điều chỉnh điện áp thường dùng các bộ điều khiển có phản hồi (closed-loop).
Việc điều chỉnh điện áp được tiến hành từ xa bằng hệ thống SCADA hoặc bằng tay theo
giá trị đặt.
1.3.2. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA SVC.
1.3.2. 1. ĐẶC TÍNH ĐIỀU CHỈNH CỦA SVC
Nguyên lý làm việc của SVC được đặc trưng bởi nguyên lý làm việc của phần tử
TCR. Theo sơ đồ nguyên lý của TCR, TSC, TSR ta thấy khi thay đổi góc cắt α dẫn đến
việc thay đổi công suất phản kháng phát ra hay thu vào của SVC. Do SVC kết hợp từ
TCR, TSC, TSR mặc dù TSC, TSR điều

U

chỉnh nhảy bậc nhưng SVC vẫn điều
chỉnh liên tục trong quá trình điều

U ref

α max

khiển. Các phần tử của SVC được nối
vào mạng điện thông qua các van

X L/X C
X SL

αmin

α0

XC

thyristor mà không dùng máy cắt. Nhờ
C

vậy mà SVC có tốc độ điều chỉnh rất
Hình 2.13:
Đặc
tính§Æc
volt-ampe
H×nh
2.17:
tÝnh U-Icủa
cñaSVC
SVC
cao (≤ 40ms), gần như không có thời

I

gian quá độ. Đặc tính hoạt động của SVC được thể hiện trên hình 2.13.
1.3.2.2. Đặc tính làm việc của SVC

HV: Hoàng Thị Mỹ

12
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

Ở chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, SVC làm nhiệm vụ tự động điều
chỉnh để giữ nguyên điện áp nút. Tín hiệu điều khiển là độ lệch giữa điện áp nút đặt SVC
đo được từ biến điện áp BU với điện áp đặt. Tín hiệu này điều khiển góc mở của các
thyristor làm thay đổi trị số hiệu dụng thành phần cơ bản của dòng điện đi qua TCR nhờ
đó điều chỉnh được dòng công suất phản kháng của SVC. Khi điện áp tăng, tác dụng của
hệ thống điều chỉnh làm dòng điện qua SVC tăng, công suất phản kháng tiêu thụ tăng,
điện áp nút được giảm xuống. Ngược lại khi điện áp bị giảm thấp, dòng điện qua SVC
giảm, công suất phản kháng tiêu thụ giảm hoặc một lượng công suất phản kháng nhất
định được phát lên hệ thống, điện áp nút được nâng cao.
X

X

X max
X min
0

X max
Uo

0

X min

U

Q

U

Uo

U

Q

Q max
Q min
0

Uo

Q max
Uo

0
Q min

U

=

a) SVC chỉ có tính cảm

b) SVC có cả tính dung và tính cảm

Hình 2.14: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp
Đặc tính làm việc của SVC là mối quan hệ giữa điện kháng hay công suất phản
kháng của SVC với điện áp của nút đặt thiết bị này. Trong phạm vi điều chỉnh được công
suất (phạm vi của TCR) tức Xmin ≤ XSVC ≤ Xmax hay Qmin≤ QSVC ≤ Qmax , điện áp nút được
giữ ở trị số đặt U0. Tuy nhiên trên thực tế, các SVC thường được chế tạo với đặc tính làm
việc mềm.
Trong phạm vi điều chỉnh được của công suất, điện áp nút được phép dao động với
độ lệch ∆U. Nhờ độ nghiêng của đặc tính trong vùng điều chỉnh được công suất, có thể
HV: Hoàng Thị Mỹ

13
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

phân bố công suất cho các SVC làm việc song song hoặc làm việc cùng với các thiết bị
điều chỉnh công suất phản kháng khác.
• Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng kể
mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong vận
hành. Các chức năng chính của SVC bao gồm:
- Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp.
- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù.
- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn

mạch...) trong hệ thống điện.
- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện.
- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn
mạch, mất tải đột ngột...
Ngoài ra, SVC còn có các chức năng phụ mang lại hiệu quả khá tốt cho quá trình
vận hành hệ thống điện như:
- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh.
- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây.
- Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây.
- Giảm tổn thất công suất và điện năng.
1.4. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BÙ SVC
Các linh kiện điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị bù của
hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS ở các nước phát triển trên thế giới.
Kỹ thuật truyền tải điện hiện đại đó sử dụng các thiết bị bù, dịch pha được điều
khiển để cung cấp nguồn năng lượng khi cần thiết để bảo đảm tính ổn định của hệ thống
điện. Các thiết bị này kết hợp với các bộ điều khiển cho phép điều khiển nguồn năng
lượng một cách linh hoạt, khả năng tự động hóa cao đảm bảo độ tin cậy và ổn định của
hệ thống, trong đó hệ thống điều khiển đóng một vai trò rất quan trọng.
Trong phần này sẽ xét thiết bị bù SVC hoạt động dựa trên sự đóng mở của các van
Thyristor trong các tổ hợp như TSC, TCR…
1.4.1 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR
HV: Hoàng Thị Mỹ

14
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

Với cơ sở lý thuyết điều khiển Thyristor: Thyristorchỉ mở cho dòng điện chạy qua
khi có điện áp dương đặt lên anot và xung điện áp dương đặt lên cực điều khiển. Sau khi
Thyristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng, dòng điện chảy qua Thyristor
do thông số của mạch động lực quyết định.
Nguyên tắc cơ bản để điều khiển thông thyristor phải thỏa mãn 2 điều kiện:
+ UAK > 0
+ UGK > 0 (IGK≠0)
- Từ đó trong khối điều khiển phải có khâu đồng pha (tạo điện áp trong khối điều khiển
thông Thyristor UĐP đồng pha với UAK):
+ UĐP dạng tam giác → so sánh thẳng đứng
+ UĐP dạng sin → so sánh arcos
1.4.1.1. SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN
* Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor như hình 3.1.

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ điều khiển van Thyristor
Trong đó: :
- ĐP: khâu tạo điện áp đồng pha: Tạo tín hiệu đồng bộ với điện áp anốt-catốt của
Thyristor hoặc triắc cần mở. Tín hiệu này là điện áp xoay chiều, thường lấy từ biến áp có
sơ cấp nối song song với Thyristor hoặc triắc cần mở.
- SS: khâu so sánh giữa Uđp với Uđk: Làm nhiệm vụ so sánh giữa điện áp đồng bộ
với tín hiệu phản hồi, thường được biến thể với tín hiệu điều khiển một chiều để tạo ra
xung kích mở Thyristor.
- TXKĐ: khâu tạo xung và khuếch đại xung, đảm bảo xung điều khiển vào cực G
có đủ công suất và dạng xung theo yêu cầu
HV: Hoàng Thị Mỹ

15
Lớp 13BKTĐ - TBĐ

Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

Khâu phản hồi (Uđk): Tạo ra tín hiệu điện áp một chiều lấy từ điện áp nút trên lưới
hệ thống điện.
Khi thay đổi giá trị điện áp một chiều Uđk thì góc mở α sẽ thay đổi.
* Chức năng của mạch điều khiển:
- Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện
áp trên anốt- catốt của Thyristor.
- Tạo ra được các xung có đủ điều kiện mở được Thyristor. Xung điều khiển
thường có biên độ từ 2 đến 10V, độ rộng xung t x= 20-100 µs đối với cặp Thyristor đấu
song song ngược hoặc Triắc.
Độ rộng xung được xác định theo biểu thức:
tx =

I dt
di
dt

Trong đó:
Idt là dòng duy trì của Thyristor;
di/dt là tốc độ tăng trưởng của dòng tải.
1.4.1.2. NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN.
Sử dụng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” như hình 3.2 để thực hiện
điều chỉnh vị trí đặt xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên Thyristor.
Theo nguyên tắc này, ở khâu so sánh có hai điện áp đặt vào:
- Điện áp đồng bộ sin, sau khi ra khỏi khâu ĐB được tạo thành tín hiệu cos
- Điện áp điều khiển là áp một chiều có thể biến đổi được:

Hình 3.2: Nguyên tắc điều khiển thắng đứng “arccos”
Điện áp uđb= Um sinωt thì: Uc = Um cosωt
Giá trị α được tính theo phương trình sau: Umcosα = Uđk
HV: Hoàng Thị Mỹ

16
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện
Do đó:

α = arccos(Udk/Um)

- khi Udk = Um thì

α=0

- khi Udk = 0 thì

α =Л/2

- khi Udk = -Um thì

α=Л

ĐẠI HỌC BKHN

Như vậy, khi điều chỉnh U dk từ trị -Um đến +Um, ta có thể điều chỉnh được góc α

từ 0 đến Л.
1.4.2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SVC.
1.4.2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ ĐIỀU KHIỂN SVC
Sơ đồ khối điều khiển các van của SVC được chỉ ra trên hình 3.3.

Trong đó:
- Khối đo lường: Có chức năng đo lường và phản hồi điện áp.
- Khối điều chỉnh điện áp: Có chức năng xử lý sai lệch điện áp giữa điện áp phản
hồi với điện áp đặt, từ đó xác định giá trị điện dẫn B (nghịch đảo giá trị điện kháng) của
SVC để có thể giữ điện áp lưới ổn định.
- Khối phân phối: Có chức năng xác định số lượng tổ hợp TSC ( có thể cả TSR)
phải đóng hoặc cắt khỏi hệ thống, đồng thời tính toán góc mở α của tổ hợp TCR.
- Khối đồng bộ hóa và phát xung: Có chức năng đồng bộ hóa điện áp phía thứ
cấp biến áp và phát xung điều khiển đóng mở các tổ hợp trên.
1.4.2.2. CÁC KHỐI CHỨC NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SVC.
Hệ thống điều khiển SVC ở hình 3.3 có thể khai triển như sau:

HV: Hoàng Thị Mỹ

17
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

A) KHỐI ĐO LƯỜNG (Measurement systems):
Khối đo lường Measurement có chức năng cung cấp những tín hiệu đầu vào cần
thiết cho hệ thống điều khiển SVC để thiết bị bù có thể hoạt động tốt. Các tín hiệu khác

nhau sẽ được gửi đến từ khối đo lường tùy theo yêu cầu về chức năng điều khiển của
SVC, cụ thể như sau:
Cân bằng điện áp ba pha.
Bao gồm các tín hiệu như:
•

Giá trị điện áp sau chỉnh lưu của 3 pha

•

Thành phần điện áp thứ tự thuận.

•

Giá trị dòng điện sau chỉnh lưu của 3 pha

•

Bình phương giá trị điện áp U2

Điều chỉnh điện áp, dòng công suất phản kháng riêng từng pha.
Bao gồm các tín hiệu như:
HV: Hoàng Thị Mỹ

18
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

• Điện áp pha.
• Thành phần điện áp thứ tự thuận và ngược.
• Bình phương điện áp U2.
• Dòng điện pha.
• Dòng công suất phản kháng của pha đang xét.
Ôn hòa dao động công suất.
Bao gồm các tín hiệu như:
• Dòng tải của đường dây truyền tải.
• Dòng công suất tác dụng và phản kháng của đường dây.
• Góc công suất tác dụng trên lưới.
• Tần số lưới.
Trong các tín hiệu ở trên, một số tín hiệu có thể đo được trực tiếp, một số khác được
điều chế từ tín hiệu dòng và áp. Trong hình vẽ 3.5 chỉ ra các khối đo lường điện áp và
dòng điện, khối tính toán dòng công suất…
1) Khối đo lường điện áp:
Chức năng của khối này là đưa ra được tín hiệu điện áp một chiều tỉ lệ với giá trị hiệu
dụng của điện áp 3 pha ở tần số cơ bản, điện áp trên thanh cái sẽ qua máy biến áp đo
lường PT trước khi đi vào khối đo lường. Hình 3.5 chỉ ra nguyên lý hoạt động của khối:

HV: Hoàng Thị Mỹ

19
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

Từ hình 3.5 ta thấy rằng điện áp sau khi đưa qua biến áp PT sẽ được gửi vào bộ khuếch
đại so lệch điện áp Voltage Differential Amplifier => lấy giá trị tuyệt đối =>
qua bộ chỉnh lưu.
Bộ chỉnh lưu có thể là chỉnh lưu cầu không điều khiển 3 pha 6 xung hoặc 12 xung
(dùng các van diode). Trong bộ chỉnh lưu 12 xung, điện áp xoay chiều lần lượt cấp cho
nhóm Valves 6 xung,tổng hợp lại, ta có nhóm Valve chỉnh lưu 12 xung lệch pha nhau
300, làm triệt tiêu các dòng điện thứ tự 5 và thứ tự 7 phía xoay chiều, thứ tự 6 phía 1
chiều, làm giảm chi phí cho bộ lọc sóng hài so với bộ chỉnh lưu 6 xung.
Một vấn đề rất quan trọng mà ta cần nhắc đến, đó là: hệ thống điều khiển SVC làm
việc dựa trên giá trị thành phần điện áp, dòng điện cơ bản.
Từ các tín hiệu điện áp đo được trên lưới, có 2 phương pháp để tìm ra giá trị thành
phần điện áp cơ bản Vrms là phương pháp chuyển sang hệ quy chiếu α-β hoặc phương
pháp phân tích Fourier.
• Phương pháp đổi hệ quy chiếu:
HV: Hoàng Thị Mỹ

20
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

Quy tắc chuyển đổi như sau:

Mô hình hóa ta được:

Vrms

Hình 3.6: Phương pháp tìm giá trị điện áp bằng đổi hệ quy chiếu
Ở hình vẽ 3.6 ta đưa ra thuật toán tính Vrms với giả thiết không có sự xuất hiện của thành
phần thứ tự không chạy trong 3 pha.
• Phương pháp phân tích Fourier :
Giá trị thành phần điện áp cơ bản Vmeas tại thời điểm τ được cho bởi:

HV: Hoàng Thị Mỹ

21
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

Hình 3.7: (a) Phương pháp phân tích áp dụng cho một pha.
(b) Phương pháp phân tích áp dụng cho ba pha.
Trong công thức tính Vmeas ở trên a, b lần lượt là các giá trị ứng với thành phần điện áp
bậc 1, được tính như sau:

b) Khối đo lường dòng điện:
Tín hiệu đo được từ khối đo lường dòng điện sử dụng trong những trường hợp sau:
-

Xác định độ nghiêng của đường đặc tính SVC.

-

Giới hạn dòng điện.

-

Các mục đích bảo vệ và ôn hòa dao động.

HV: Hoàng Thị Mỹ

22
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

Dòng điện SVC sẽ được đưa qua máy biến dòng => đưa qua bộ chuyển đổi => qua bộ
lọc. Quá trình này khá giống với quá trình diễn ra trong khối đo điện áp. Cụ thể như ở
hình 3.8:

Hình 3.8: Sơ đồ khối của bộ lọc
Trong hình 3.8 thì đường nét liền mô tả cấu trúc và đặc tính thường dùng của bộ lọc, còn
đường nét đứt mô tả cấu trúc và đặc tính cần có thêm khi đường dây có bù dọc.
Ở hình 3.9 cho ví dụ về trường hợp sử dụng biến dòng DCT (differentiating current
transformer) trong bộ điều khiển tổ hợp TCR.

HV: Hoàng Thị Mỹ

23
Lớp 13BKTĐ - TBĐ

Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

Hình 3.9: Khối đo lường dòng điện dùng biến dòng DCT
Biến dòng DCT được dùng vừa để hạ thấp dòng điện qua SVC vừa để cách ly mạch lực
với mạch điều khiển.
c) Khối đo công suất
Nhờ các biến áp và biến dòng đo lường, ta có thể xác định dễ dàng các giá trị điện áp và
dòng điện dây. Những tín hiệu này được đưa qua các mạch nhân để tính công suất tác
dụng và công suất phản kháng như ở hình 3.5. Lấy ví dụ tính dòng công suất phản kháng
qua pha A như sau:
QA= iA.(vB - vC)
Trong đó: iA là dòng điện qua pha A.
vB , vC là các giá trị điện áp tương ứng của pha B và C.
• Bộ điều khiển tín hiệu dạng tương tự : Một bộ điều chế xung PRM (Analog ratio
pulse modulated) được sử dụng để đo dòng công suất tác dụng và phản kháng như hình
3.10 :

HV: Hoàng Thị Mỹ

24
Lớp 13BKTĐ - TBĐ


Môn học: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện

ĐẠI HỌC BKHN

Hình 3.10: Bộ điều chế xung dạng tương tự
Từ độ lớn của tín hiệu điện áp Vin , kết hợp với khối phát xung tam giác Triangular –
Wave Generator, ta điều chế được dãy xung vuông nhờ khối Comparator Circuit. Dãy
xung vuông kết hợp với tín hiệu dòng điện Iin, qua mạch điều biến biên độ, qua khâu lọc,
kết thúc quá trình thu được giá trị hiệu dụng của dòng công suất Prms .
• Bộ điều khiển dạng số : Những bộ điều khiển và đo dạng số sẽ sớm được tích hợp
trong thiết bị này. Khi đó, tín hiệu dạng tương tự đi ra từ máy biến áp được biến đổi
thành tín hiệu dạng số nhờ bộ AD (Analog to digital) trước khi tín hiệu này được gửi
sang các khâu kế tiếp.
B) KHỐI ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP (Voltage regulator):
Khối điều khiển này sẽ sử dụng các tín hiệu gửi sang từ bộ đo lường ở trên, xử lý và
đưa ra tín hiệu quyết định tới giá trị dòng công suất bù. Cụ thể, tín hiệu đưa sang từ khối
đo lường sẽ được so sánh với tín hiệu đặt V ref , ta thu được độ sai lệch (error signal) gửi
sang khối điều khiển tiếp theo. Kết thúc quá trình này được tín hiệu ra là điện dẫn B ref ,
giá trị Bref được xác định sao cho độ sai lệch error signal bằng 0. Sau đó, điện dẫn B ref sẽ
được gửi sang khối phát xung Gate pulse generation.
Viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đã đề xuất 2 mô hình
hệ thống điều khiển cơ bản của SVC như sau:

HV: Hoàng Thị Mỹ

25
Lớp 13BKTĐ - TBĐ