Điện tử công suất trong hệ thống điện

ĐỀ CƯƠNG BÀI GiẢNG
Điện Tử Công Suất Trong
Hệ Thống Điện

Bộ môn Điện Công Nghiệp
Khoa Kỹ Thuật Điện

1


ĐỀ CƯƠNG BÀI GiẢNG

1

• Tổng quan về lưới điện

2

• Hệ thống truyền tải điện
xoay chiều linh hoạt (FACTS)

3

• Hệ thống truyền tải điện
một chiều cao áp (HVDC)
2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
1.1. Khái niệm và chức năng của hệ thống điện
Một hệ thống điện bao gồm tất cả các thành phần từ nguồn đến tải tiêu thụ.

Chức năng của hệ thống là sản xuất ra điện năng, truyền tải và phân phối
năng lượng điện này đến các tải tiêu thụ ở các cấp điện áp khác nhau và
với chất lượng điện năng đáp ứng các yêu cầu khách hàng khác nhau .

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
Các thành phần chính của hệ thống điện bao gồm:
Nhà máy điện
Trạm biến áp truyền tải

Đường dây truyền tải
Các trạm BA trung gian

Hệ thống phân phối điện

4


Đường dây truyền tải

MINH HỌA HỆ THỐNG ĐIỆN
Nhà máy điện
Trạm BA truyền tải

Sản xuất điện

Truyền tải
Trạm BA trung gian

Trạm BA phân phối

Phụ tải công nghiệp và
thương mại lớn

Phân phối

Thiết bị phân phối
điện tự động hóa

Phụ tải khu dân cư

5


Phát điện
Truyền tải

Nhà máy điện

Nhà máy điện

Nhà máy điện

Máy biến áp tăng áp

Lưới điện cao áp

Trung gian

Trạm biến áp trung gian
Máy biến áp
giảm áp

Máy biến áp
giảm áp

Phân phối

Máy biến áp
giảm áp

Trạm biến áp phân phối
Máy biến áp
giảm áp

Hệ thống phân phối sơ cấp

Máy cắt tự đóng lại-Đường dây cung cấp chính

Hệ thống phân phối thứ cấp

Khách hàng thứ cấp

6


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
1.2. Lý thuyết cơ bản về điều khiển dòng công suất

Công suất toàn phần và góc công suất δ:

V
I



7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
Dòng điện xoay chiều (AC) hay một chiều (DC) ?

Việc sử dụng dòng điện xoay chiều đang phổ biến vì khả năng dễ dàng thay đổi điện
áp của dòng AC bằng máy biến áp. Hơn nữa dòng năng lượng AC có thể truyền tải đi
xa với tổn thất bé hơn ở điện áp cao.

Dòng điện 1 chiều khó biến đổi từ cấp điện áp thấp sang điện áp cao và ngược lại.
Trong thực tế không thể thực hiện điều này một cách trực tiếp, thêm vào đó việc
kết nối giữa hệ thống DC và AC vẫn cần sử dụng máy biến áp.
Các máy phát điện trong nhà máy điện đang sử dụng phổ biến là máy phát điện
xoay chiều đồng bộ với điện áp đầu cực máy phát từ 10-30 (kV).
8


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
Truyền tải công suất :

Dòng năng lượng DC bị giới hạn bởi điện áp và điện trở (hiệu ứng nhiệt) của đường
truyền.

Dòng năng lượng AC ngoài bị hạn chế bởi điện trở của đường truyền còn bị giới hạn
bởi năng lượng dùng để tạo nên điện trường và từ trường quanh dây dẫn dọc theo
đường truyền công suất.

Điện trường gây nên hiện tượng nhiễm điện và phóng điện môi trường
cách điện xung quanh dây dẫn. Dòng điện rò qua cách điện của cáp giới
hạn chiều dài của cáp truyền tải dòng năng lượng AC.
Từ trường xuất hiện xung quanh dây dẫn mang dòng điện và có thể từ
hóa môi trường có từ tính từ đó cảm ứng nên dòng điện chạy trong dây
dẫy. Năng lượng cần dùng để thiết lập từ trường dọc theo đường dây
giới hạn chiều dài của đường dây trên không trong truyền tải công suất.

9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
Cáp so với đường dây trên không :

Dòng điện điện dung

Năng lượng từ trường

Điện trở vật dẫn

10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
Công suất truyền tải trên đường dây AC:

Trong đó:
VS là điệp áp tại nút phát công suất (sending)
VR là điện áp tại nút nhận công suất (receiving)
δ= δS – δR là góc lệch giữa 2 điện áp

11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
Các ràng buộc khác:
Trong thực tế ngoài giới hạn bởi hiệu ứng nhiệt của đường dây truyền tải thì giới
hạn công suất của hệ thống truyền tải còn bị ràng buộc bởi các yếu tố sau:
Giới hạn ổn định của hệ thống: đây là công suất truyền tải giới hạn ở đó hệ thống
truyền tải vẫn có thể vận hành sau khi trải qua những sự cố, kích động lớn trong hệ
thống. Điều này liên quan đến ổn định góc pha hay tốc độ đồng bộ của các máy
phát trong hệ thống - tần số định mức của hệ thống.

Giới hạn điện áp: là giá trị lớn nhất của công suất truyền tải mà vẫn giữ được điện
áp tại các nút trong phạm vi cho phép, không lệch quá nhiều so với giá trị định mức.
Điện áp phụ thuộc vào công suất phản kháng Q. Công suất phản kháng lại phụ
thuộc vào chiều dài của đường dây truyền tải và vào dòng công suất tác dụng P chạy
trên đường dây. Chiều dài càng lớn hoặc/và công suất tác dụng càng lớn thì công
suất phản kháng cũng tăng lên kéo theo đó là điện áp bị sụt giảm cho đến một mức
nguy hiểm nào đó gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp.
12


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
Đường đi của dòng công suất: điều này tuân theo các định luật tự nhiên vì thế
không phải lúc nào cũng trùng khớp với đường ngắn nhất, đường chúng ta mong

muốn nhất. Có nghĩa là trong lưới điện kín thì năng lượng chạy từ A đến B không có
nghĩa là đi theo đường trực tiếp, ngắn nhất mà có thể chạy theo nhiều đường khác
nhau có thể chạy được trong lưới điện. Do đó có thể có những thời điểm đường
dây này quá tải, đường khác lại non tải.

13


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
1.3. Ổn định điện áp và góc pha
1. Khái niệm về chế độ của hệ thống điện
Là tập hợp các quá trình xảy ra trong hệ thống điện, xác định trạng thái làm việc của
hệ thống trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó.
Mỗi chế độ được đặc trưng bởi các thông số chế độ : U, I, P, Q, f, δ.
Thông số chế độ chỉ tồn tại khi hệ thống làm việc ( khác với thông số hệ thống là
thông số của các phần tử trong hệ thống điện như đường dây, MBA…)
Các thông số chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số hệ thống

14


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
Phân loại các chế độ của hệ thống điện:
Chế độ xác lập : là chế độ trong đó các thông số dao động rất ít xung quanh giá trị
trung bình nào đó, gần đúng có thể coi như các thông số này là hằng số .
- Chế độ xác lập bình thường: là chế độ vận hành bình thường của hệ thống điện.
- Chế độ xác lập sau sự cố: là chế độ xác lập xảy ra sau khi đã loại trừ sự cố.
- Chế độ sự cố xác lập: là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ ( không loại trừ
sự cố ví dụ chế độ ngắn mạch duy trì…)
Chế độ quá độ: là chế độ trong đó các thông số thay đổi rất nhiều, rất nhanh.

- Chế độ quá độ bình thường: là quá trình thay đổi từ chế độ xác lập bình thường
này sang chế độ xác lập bình thường khác.

- Chế độ quá độ sự cố: là chế độ xảy ra sau sự cố.

15


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
Yêu cầu đối với các chế độ của hệ thống điện:
Với chế độ xác lập bình thường:
- Đảm bảo chất lượng điện năng: U, f, dạng sóng nằm trong giới hạn theo tiêu chuẩn
- Đảm bảo độ tin cậy: các phụ tải được cấp điện liên tục với chất lượng đảm bảo

- Có hiệu quả kinh tế cao: chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối nhỏ nhất
- Đảm bảo an toàn điện: cho người vận hành, người sử dụng và cho các thiết bị điện
Với chế độ xác lập sau sự cố: các yêu cầu có giảm đi so với chế độ xác lập bình
thường nhưng chỉ cho phép kéo dài trong một thời gian ngắn, sau đó phải có biện
pháp hoặc thay đổi thông số chế độ hoặc thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa về chế độ
xác lập bình thường.
Với chế độ quá độ:
- Chấm dứt một cách nhanh chóng bằng chế độ xác lập bình thường hoặc bằng chế
độ xác lập sau sự cố.
- Trong thời gian quá độ các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép như giá trị
của dòng điện ngắn mạch, điện áp tại các nút của phụ tải khi có ngắn mạch.
16


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
! Các yêu cầu của hệ thống điện được xét đến khi thiết kế hệ thống và được bảo

đảm bằng cách điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành HTĐ.

2. Điều kiện tồn tại chế độ xác lập
Sự cân bằng công suất:

- Điều kiện cần để chế độ xác lập có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng và
công suất phản kháng tức là công suất do các nguồn sinh ra phải bằng với công suất
tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử của HTĐ

Quan hệ giữa công suất tác dụng và phản kháng:

17


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
- Trong thực tế tính toán và vận hành HTĐ một cách gần đúng có thể xem sự biến
đổi của công suất tác dụng và phản kháng tuân theo quy luật riêng và ít ảnh hưởng
đến nhau như sau:
* Sự thay đổi công suất tác dụng chỉ có ảnh hưởng đến tần số của HTĐ, ảnh hưởng
của nó đến điện áp là không đáng kể. Tức là có thể xem tần số là chỉ tiêu để đánh
giá sự cân bằng công suất tác dụng.
** Sự biến đổi công suất phản kháng ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp của HTĐ như
vậy điện áp là chỉ tiêu để đánh giá cân bằng công suất phản kháng.
- Trong khi vận hành HTĐ các điều kiện cân bằng công suất được đảm bảo một cách
tự nhiên ( tự điều chỉnh trong phạm vi cho phép).
- Để đảm bảo sự làm việc bình thường của HTĐ và các phụ tải, người ta quy định
các giá trị cân bằng cho công suất tác dụng và phản kháng:

* Công suất tác dụng là cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng bộ ( f=50
Hz) hoặc là nằm trong giới hạn cho phép ( fcpmin <= f <= fcpmax ).

18


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
** Công suất phản kháng là cân bằng khi điện áp tại các nút của HTĐ nằm trong giới
hạn cho phép ( Ucpmin <= U <= Ucpmax ).
- Khi điện áp và tần số lệch khỏi các giá trị cho phép thì ta xem như cân bằng công
suất không đảm bảo và cần áp dụng các biện pháp để đảm bảo chúng:

+ Sự cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ thống vì ở mọi chỗ thì tần số
đều có một giá trị chung do đó để đảm bảo tần số có thể thực hiện bằng việc điều
chỉnh công suất tại một nguồn nào đó hoặc cắt bớt một vài phụ tải cho phép
+ Sự cân bằng công suất phản kháng mang tính chất cục bộ, có thể thừa chỗ này
thiếu chỗ khác do đó việc điều chỉnh công suất phản kháng không thể thực hiện
chung cho toàn hệ thống.

3. Khái niệm ổn định của HTĐ
- Điều kiện cân bằng công suất không đủ cho một chế độ xác lập tồn tại trong thực
tế vì các chế độ luôn chịu các kích động. Một chế độ thỏa mãn các điều kiện cân
bằng công suất muốn tồn tại trong thực tế phải chịu đựng được các kích động mà
điều kiện cân bằng công suất không bị phá hủy.
19


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
- Phân loại kích động : kích động nhỏ và kích động lớn

+ Kích động nhỏ xảy ra liên tục theo thời gian và có biên độ nhỏ. Đó là sự biến đổi
công suất liên tục trong HTĐ do đóng cắt phụ tải, do sự làm việc không tốt của các
thiết bị điều chỉnh… Các kích động này tác động lên rô-to máy phát điện, phá hoại

sự cân bằng công suất ban đầu làm cho chế độ xác lập tương ứng bị dao động.
+ Kích động lớn ít xảy ra hơn nhiều so với các kích động nhỏ nhưng có biên độ lớn
hoặc rất lớn. Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, đóng
cắt phụ tải lớn, các sự cố như ngắn mạch các loại…Các kích động lớn làm cho cân
bằng công suất cơ-điện của máy phát bị phá vỡ đột ngột và chế độ xác lập tương
ứng bị dao động rất mạnh.
- Khái niệm ổn định tĩnh : là khả năng của HTĐ khôi phục lại chế độ ban đầu hoặc
rất gần với chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ. Ổn định tĩnh là điều kiện đủ để
một chế độ xác lập tồn tại trong thực tế.

20


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
- Khái niệm ổn định động : là khả năng của HTĐ khôi phục lại chế độ ban đầu hoặc
rất gần với chế độ ban đầu sau khi bị kích động lớn. Ổn định động là điều kiện để
cho chế độ của HTĐ tồn tại lâu dài.
- Khi một chế độ nào đó của HTĐ chịu các kích động nhỏ hoặc lớn, nếu hệ thống có
ổn định tĩnh hoặc ổn định động thì sự cân bằng công suất tác dụng ban đầu sẽ được
khôi phục lại và chế độ làm việc được giữ vững. Trong quá trình dao động, tần số có
thể bị lệch khỏi giá trị định mức song độ lệch rất nhỏ có thể xem như không đổi vì
vậy đặc trưng của quá trình dao động của rô-to máy phát điện khi chưa mất ổn định
là tốc độ góc của chúng vẫn giữ giá trị đồng bộ ω = ω0 và chế độ vẫn là chế độ
đồng bộ.
-Ngược lại nếu HTĐ mất ổn định thì sự cân bằng tốc độ bị phá hủy, tốc độ góc của
rô-to bị lệch nhiều khỏi giá trị định mức, ta nói rằng HTĐ rơi vào chế độ không đồng
bộ. Trong chế độ không đồng bộ, công suất và các thông số khác của chế độ dao
động rất mạnh, biên độ lớn. Chế độ không đồng bộ kéo dài một thời gian có thể dẫn
đến hai khả năng: HTĐ bị tan rã, các máy phát tách khỏi nhau và ngừng làm việc
hoặc chế độ đồng bộ lại được khôi phục, ở trường hợp sau ta nói rằng HTĐ có khả

năng ổn định tổng quát.
21


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN
- Khái niệm ổn định tổng quát : là khả năng của HTĐ lập lại chế độ đồng bộ sau khi
đã rơi vào chế độ không đồng bộ do mất ổn định tĩnh hoặc ổn định động.
-Ở các nút phụ tải, các kích động nhỏ làm cho điện áp biến đổi. Sự biến đổi điện áp
này có thể làm cho cân bằng công suất bị phá vỡ dẫn đến mất ổn định phụ tải, các
động cơ ngừng làm việc. Khả năng của hệ thống chịu được kích động nhỏ này mà
chế độ làm việc không bị phá hoại gọi là ổn định phụ tải hay ổn định điện áp.
- Khái niệm ổn định điện áp: là khả năng của HTĐ khôi phục lại điện áp ban đầu hay
rất gần ban đầu sau khi bị các kích động nhỏ ở nút phụ tải.

22


CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN
XOAY CHIỀU LINH HOẠT (FACTS)
2.1. Khái niệm về FACTS
- FACTS: Flexible Alternating Current Transmission Systems
- FACTS: hệ thống truyền tải điện xoay chiều có tích hợp các thiết bị điều khiển bằng
phần tử điện tử công suất và các bộ điều khiển tĩnh khác nhằm nâng cao khả năng
truyền tải và ổn định của hệ thống.
- Mục tiêu của các hệ thống này là nhằm cung cấp/tiêu thụ một cách nhanh nhất có
thể công suất phản kháng cho hệ thống điện trong từng trường hợp theo yêu cầu,
cải thiện chất lượng điện năng cũng như tính hiệu quả của hệ thống truyền tải điện
năng.

23

CHƯƠNG 2: FACTS
2.2. Khả năng và nhiệm vụ của FACTS
- FACTS có khả năng:
+ Điều chỉnh nhanh điện áp; giữ điện áp theo yêu cầu dưới các điều kiện làm việc
khác nhau, sự thay đổi liên tục của tải
+ Tăng khả năng truyền tải công suất AC trên các đường dây dài
+ Giảm dao động công suất tác dụng và góp phần điều chỉnh dòng công suất trong
lưới điện kín vì thế cải thiện rõ rệt tính ổn định cũng như hiệu quả của các hệ thống
- Do đó với FACTS các công ty truyền tải điện có thể khai thác tốt hơn, tận dụng hết
khả năng hạ tầng lưới điện, trạm BA sẵn có ; tăng độ tin cậy, tính ổn định của hệ
thống cũng như cải thiện chất lượng điện năng.

24


CHƯƠNG 2: FACTS
2.3. Khái niệm bù song song và bù nối tiếp
- Cơ sở lý thuyết:

Ảnh hưởng của dòng công suất phản kháng đến điện áp hệ thống

25