Nghiên cứu tác dụng ổn định điện áp của thiết bị bù tĩnh có điều khiển SVC tại trạm truyền tải 220 KV thái nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỖ THỊ THU

NGHIÊN CỨU TÁC DỤNG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CỦA THIẾT
BỊ BÙ TĨNH CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC TẠI TRẠM TRUYỀN
TẢI 220 KV THÁI NGUYÊN
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số: 62.52.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HIỀN TRUNG

THÁI NGUYÊN - 2016

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỖ THỊ THU
NGHIÊN CỨU TÁC DỤNG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CỦA THIẾT BỊ BÙ TĨNH
CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC TẠI TRẠM TRUYỀN TẢI 220 KV THÁI NGUYÊN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số: 62.52.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN
TRƢỞNG KHOA

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. ĐỖ TRUNG HẢI

TS. NGUYỄN HIỀN TRUNG

PHÕNG ĐÀO TẠO

TS. ĐẶNG DANH HOẰNG

THÁI NGUYÊN - 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




i

LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên: Đỗ Thị Thu
Học viên: Lớp cao học K16- KTĐ, Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái
Nguyên.
Nơi công tác: Điện lực Đại Từ - Công ty Điện lực Thái Nguyên.
Tên đề tài luận văn thạc sỹ: “ Nghiên cứu tác dụng ổn định điện áp của thiết
bị bù tĩnh có điều khiển SVC tại trạm truyền tải 220 KV Thái Nguyên”.

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện.
Mã số:
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, em lựa chọn thực hiện
đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu tác dụng ổn định điện áp của thiết bị bù tĩnh có
điều khiển SVC tại trạm truyền tải 220 KV Thái Nguyên”.
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo TS. Nguyễn Hiền
Trung và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành.
Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân em. Các số liệu, kết
quả có trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công
trình nào khác.
Thái Nguyên, ngày 23 tháng 01 năm 2016
Học viên thực hiện

Đỗ Thị Thu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học và làm đề tài thạc sỹ, em đã nhận được sự truyền đạt về
kiến thức, phương pháp tư duy, phương pháp luận của các giảng viên trong trường. Sự
quan tâm rất lớn của nhà trường, khoa Điện, các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên và các bạn cùng lớp.
Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy
cô giáo tham gia giảng dạy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để em hoàn thành
luận văn này.
Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy TS. Nguyễn Hiền Trung

và tập thể cán bộ giảng viên bộ môn Hệ thống điện. Hội đồng bảo vệ đề cương thạc sỹ
khóa K16 – KTĐ đã cho những chỉ dẫn quý báu để em hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng xong do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc
chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong muốn sẽ nhận được
những chỉ dẫn từ các thầy, cô giáo và các bạn học để luận văn được hoàn thiện và có ý
nghĩa hơn trong thực tiễn.
Xin chân thành cảm ơn!
Học viên

Đỗ Thị Thu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iii

MỤC LỤC
Lời nói đầu ....................................................................................................................... i
Lời cảm ơn ..................................................................................................................... ii
Mục lục .......................................................................................................................... iii
Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt .................................................................................. vi
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ....................................................................................... vii
Lời nói đầu ...................................................................................................................... 1
Chƣơng I: Tổng quan về ứng dụng các thiết bị FACTS trong hệ thống điện ....... 3
1.1. Giới thiệu ................................................................................................................ 3
1.2. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 5
1.3. Các biện pháp áp dụng trong công nghệ truyền tải điện ......................................... 6
1.4. Bù công suất phản kháng ......................................................................................... 6

1.4.1. Bù dọc và bù ngang trong hệ thống điện .................................................. 8
1.4.1.1. Bù dọc ........................................................................................... 8
1.4.1.2. Bù ngang ...................................................................................... 10
1.5. Một số thiết bị điều khiển công suất phản kháng trong hệ thống điện ................. 11
1.5.1. Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng Thyristor ……………………………...11
( SVC – Static Var Compensator )
1.5.2. Thiết bị bù dọc điều khiển bằng Thyristor ................................................. 13
( TCSC – Thyristor Controlled Series Capacitor )
1.5.3. Thiết bị bù tĩnh............................................................................................ 14
( STATCOM – Static Synchronous Compensator )
1.5.4. Thiết bị điều khiển dòng công suất ............................................................ 15
( UPFC – Unified Power Flow Controller )
1.5.5. Thiết bị điều khiển góc pha bằng Thyristor ............................................... 17
( TCPAR – Thyristor Controlled Phase Angle Regulator )
1.6. Nhận xét ................................................................................................................. 18
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iv
1.7. Kết luận chương I .................................................................................................. 18
Chƣơng II: Tác dụng của thiết bị bù SVC trong việc nâng cao ổn định
hệ thống điện .................................................................................................. 19
2.1. Tác dụng của SVC trong hệ thống điện ................................................................ 19
2.1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 19
2.1.2. Một số ứng dụng của SVC ........................................................................ 20
2.1.2.1. Điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất ............................................... 20
2.1.2.2. Giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố ....................... 22
2.1.2.3. Ôn hòa dao động công suất hữu công .................................................... 23

2.1.2.4. Giảm cường độ dòng điện vô công ........................................................ 23
2.1.2.5. Tăng khả năng tải của đường dây ........................................................ 23
2.1.2.6. Cân bằng các phụ tải không đối xứng ................................................. 25
2.1.2.7. Cải thiện ổn định sau sự cố .................................................................. 25
2.2. Thiết bị bù ngang có điều khiển SVC ................................................................... 27
2.2.1. Cấu trúc trạm SVC động ............................................................................ 27
2.2.2. Các thiết bị chính và nguyên lý hoạt động .............................................. 28
2.2.2.1. Cuộn kháng điều chỉnh bằng Thyristor ................................................ 28
2.2.2.2. Các bộ tụ cố định FC ( Fixed Capacitor) ............................................ 30
2.2.2.3. Tụ điện đóng ngắt bằng Thyristor TSC ............................................. 31
(Thyristor Switch Capacitor)
2.2.3. Hiệu quả bù ................................................................................................. 32
2.3. Cấu tạo từng phần tử của SVC .............................................................................. 33
2.3.1. Nguyên lý hoạt động của bộ Thyristor mắc song song ngược ................. 33
2.3.2. Kháng điều chỉnh bằng Thyristor TCR ( Thyristor controlled reactor) ... 36
2.3.3. Tụ đóng mở bằng Thyristor TSC (Thyristor switch capacitor) ................ 46
2.3.4. Kháng đóng mở bằng Thyristor TSR (Thyristor switch reactor) ............. 46
2.3.5. Hệ thống điều khiển các van trong SVC ................................................... 47
2. 4. Các đặc tính của SVC ........................................................................................... 48
2.4.1. Đặc tính điều chỉnh của SVC .................................................................... 48
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




v
2.4.2. Đặc tính làm việc của SVC ....................................................................... 49
2.5. Mô hình SVC trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện .......................... 51
2.5.1. Mô hình hóa SVC như một điện kháng có trị số thay đổi ........................ 51
2.5.2. Mô hình SVC theo tổ hợp nguồn và phụ tải phản kháng ......................... 53

Kết luận chương II ........................................................................................................ 56
Chƣơng III: Mô hình hóa mô phỏng trạm SVC Thái Nguyên .............................. 57
3.1. Cấu trúc mô phỏng trạm SVC ............................................................................... 57
3.1.1. Giới thiệu chung ........................................................................................ 57
3.1.2. Mô tả sơ đồ bố trí thiết bị ........................................................................... 57
3.1.3. Mô tả sơ đồ kết nối lưới ............................................................................ 59
3.1.4. Phân tích nhiệm vụ của trạm SVC ............................................................. 60
3. 2. Mô phỏng trạm SVC ............................................................................................ 63
3.2.1. Cấu trúc mô phỏng .................................................................................... 63
3.2.2. Mô phỏng hoạt động của trạm SVC ....................................................... 70
3.2.2.1. Mô phỏng khi không có SVC.................................................................. 70
3.2.2.2. Mô phỏng khi hệ thống kết nối SVC ...................................................... 72
3.3. Đề xuất giải pháp khắc phục nhược điểm của trạm SVC Thái Nguyên ............... 75
Kết luận chương III........................................................................................................ 83
Kết luận chung và hướng phát triển .............................................................................. 84
Tài liệu tham khảo ......................................................................................................... 85

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chú

STT

Chữ viết tắt

Ý nghĩa

1

HTĐ

Hệ thống điện

2

SVC

Static Var Compensator

3

TCSC

Thyristor Controlled Series Capacitor

4

STATCOM

5

UPFC

6

TCPAR

Thyristor Controlled Phase Angle Regulator

7

FACTS

Flexible Alternating Current Transmission

thích

Static Synchronous Compensator
Unified Power Flow Controller

Systems
8

VĐK

Bộ vi điều khiển

9

CSPK

Công suất phản kháng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

vii
DANH MỤC CÁC HÌNH , ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây ............................................................. 9
Hình 1.2: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của SVC ...................................................... 12
Hình 1.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC ................................................. 13
Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM ........................................ 14
Hình 1.5: Nguyên lý cấu tạo của UPFC ....................................................................... 16
Hình 1.6: Nguyên lý cấu tạo của TCPAR .................................................................... 17
Hình 2.1: Điều chỉnh điện áp tại nút phụ tải bằng SVC ............................................... 21
Hình 2.2: Sự thay đổi điện áp tại thanh cái phụ tải khi có và không có SVC ............. 22
Hình 2.3: Quan hệ thời gian và điện áp quá áp ............................................................ 22
Hình 2.4: Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi có và không có SVC ......... 24
Hình 2.5: Đặc tính công suất khi có và không có SVC ............................................... 26
Hình 2.6: Sơ đồ mô tả các phần tử chính của trạm bù SVC ......................................... 27
Hình 2.7: Sơ đồ cấu tạo và hoạt động TCR .................................................................. 28
Hình 2.8: Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR ........................................................... 29
Hình 2.9: Dạng sóng điện áp và dòng điện của TCR 1 pha.......................................... 29
Hình 2.10: Nhánh FC của hệ thống SVC ...................................................................... 31
Hình 2.11: Sơ đồ cáu tạo của TSC ................................................................................ 31
Hình 2.12: Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi có hoặc không có SVC .... 32
Hình 2.13: So sánh khả năng truyền tải và độ dự trữ ổn định trên đường dây khi có bù
và không có bù .............................................................................................................. 33
Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý bộ Thyristor ..................................................................... 34
Hình 2.15: Đồ thị dòng điện tải .................................................................................... 34
Hình 2.16: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCR ................................................. 36
Hình 2.17: Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR ........................................................ 37

Hình 2.18: Ảnh hưởng của góc cắt đến dòng điện qua TCR ....................................... 38
Hình 2.19: Dạng sóng của tín hiệu dòng điện qua TCR .............................................. 39
Hình 2.20: Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc cắt ...................................... 43
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




viii
Hình 2.21: Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR .................................................. 43
Hình 2.22: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TSC ..................................................... 46
Hình 2.23: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TSR .................................................. 47
Hình 2.24: Hệ điều khiển các van của SVC ................................................................. 48
Hình 2.25: Đặc tính U – I của SVC .............................................................................. 49
Hình 2.26: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp ................................. 50
Hình 2.27: Đặc tính làm việc của nguồn công suất phản kháng .................................. 53
Hình 2.28: Đặc tính của phụ tải công suất phản kháng qua máy biến áp điều áp dưới
tải ................................................................................................................................... 53
Hình 2.29: Đặc tính làm việc của SVC ........................................................................ 54
Hình 2.30: Phối hợp đặc tính của một nguồn và hai phụ tải phản kháng .................... 55
Hình 3.1: Hình ảnh các thiết bị ngoài trời của trạm SVC Thái Nguyên ...................... 57
Hình 3.2: Hình ảnh các van Thyristor của TCR và hệ thống làm mát ........................ 58
Hình 3.3: Hình ảnh dàn nóng của hệ thống làm mát các van Thyristor của TCR ....... 58
Hình 3.4: Sơ đồ kết nối lưới trạm SVC Thái Nguyên .................................................. 59
Hình 3.5: Nguyên lý bù CSPK và lọc sóng hài của trạm SVC .................................... 61
Hình 3.6: Hệ thống các thiết bị chính trong trạm bù SVC ........................................... 62
Hình 3.7: Cấu trúc mô phỏng trạm SVC ...................................................................... 63
Hình 3.8: Cấu trúc mô phỏng khối TCR ...................................................................... 65
Hình 3.9: Cấu trúc mô phỏng khối TSC ...................................................................... 65
Hình 3.10: Cấu trúc mô phỏng điều khiển SVC .......................................................... 67

Hình 3.11: Khối đo lường ............................................................................................. 68
Hình 3.12: Khối điều chỉnh điện áp sử dụng bộ điều khiển PI .................................... 68
Hình 3.13: Khối tính toán góc mở Thyristor ................................................................ 69
Hình 3.14: Khối phát xung điều khiển các Thyristor của TCR ................................... 70
Hình 3.15: Mô phỏng hệ thống khi không có SVC ...................................................... 71
Hình 3.16: Mô phỏng hoạt động hệ thống khi có SVC ................................................ 74
Hình 3.17: Mô hình đối tượng và cấu trúc điều khiển BDPC ...................................... 76
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ix
Hình 3.18: Cấu trúc mô phỏng trạm SVC với bộ biến đổi BDPC................................ 78
Hình 3.19: Cấu trúc mạch lực của bộ BDPC ................................................................ 78
Hình 3.20: Cấu trúc hệ điều khiển của BDPC .............................................................. 79
Hình 3.21: Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện iq .............................................. 79
Hình 3.22: Kết quả mô phỏng bù CSPK của BDPC..................................................... 80
Hình 3.23: Điện áp trên thanh cái kết nối với thiết bị bù được giữ vững theo giá trị đặt
Hình 3.24: Biểu diễn quá trình đổi pha của dòng và áp khi BDPC đổi chiều bù CSPK
Hình 3.25: Kết quả phân tích FFT đối với dòng bù của BDPC.................................... 80

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1
LỜI NÓI ĐẦU
Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên

thế giới do nó có ưu điểm rất quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang dạng năng
lượng khác. Hơn nữa, điện năng còn là dạng năng lượng dễ dàng có trong sản xuất, vận
chuyển và sử dụng. Trong những năm vừa qua, bên cạnh sự phát triển với tốc độ
cao của nền kinh tế thì nhu cầu tiêu thụ điện của nước ta cũng tăng trưởng không
ngừng. Đặc biệt, trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, từng bước hội
nhập nền kinh tế khu vực và thế giới. Để đảm bảo cho việc cung cấp điện an toàn và ổn
định điện áp đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội của cả nước, HTĐ Việt Nam đã
có những bước phát triển mạnh mẽ liên kết với Trung Quốc, Lào, …..
Đường dây 220 KV Hà Giang – Thái Nguyên đưa vào hoạt động trong những
năm gần đây đã giải quyết được yêu cầu cấp nguồn trong những thời điểm thiếu điện.
Tuy nhiên khi nhận điện từ Trung Quốc làm nảy sinh vấn đề dao động điện áp. Điện áp
lúc tăng lúc giảm làm ảnh hưởng xấu tới các phụ tải dùng điện. Vì vậy, trạm bù SVC
được lắp đặt nhằm khắc phục nhược điểm này. Trạm 220 KV Thái Nguyên nhận điện
từ nguồn với cấp điện áp 220 KV. Sau đó, thông qua các máy biến áp, đưa điện áp
xuống cấp thấp hơn như 110 KV, 35KV, 22KV,….
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, công nghiệp
chế tạo các linh kiện công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển trong hệ thống
điện với việc áp dụng các thành tựu của công nghệ bán dẫn vào lĩnh vực truyền tải
điện, các linh kiện điện tử công suất lớn, nên các thiết bị bù dùng thyristor sử dụng
rất nhiều thông tin trong toàn hệ thống được nghiên cứu và ứng dụng ở một số nước
có trình độ công nghệ tiên tiến trên thế giới, các thiết bị bù dọc và bù ngang điều
chỉnh nhanh bằng thyristor đã được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong việc
nâng cao ổn định chất lượng điện áp của hệ thống điện. Các thiết bị thường dùng là:
thiết bị bù tĩnh có điều khiển thyristor (SVC), thiết bị bù dọc có điều khiển
(TCSC). Các thiết bị này cho phép chúng ta vận hành hệ thống điện một cách linh
hoạt, hiệu quả cả trong chế độ bình thường hay sự cố nhờ khả năng điều chỉnh
nhanh công suất phản kháng và các thông số khác (trở kháng, góc pha) của chúng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

2
Việc nghiên cứu thiết bị bù ngang có khả năng điều chỉnh nhanh bằng thyristor
đối với việc nâng cao ổn định và chất lượng điện áp của hệ thống điện Việt Nam
trong tương lai là nhiệm vụ rất cần thiết. Nhằm mở ra một hướng mới trong việc áp
dụng các phương pháp điều chỉnh, điều khiển hoạt động của hệ thống điện.
Bản luận văn sẽ đưa ra những đánh giá bước đầu hiệu quả của thiết bị bù
nhanh đối với công suất phản kháng trong chế độ vận hành hệ thống điện. Bản luận
văn trình bày ứng dụng phần mềm mô phỏng vào việc thiết kế, phân tích hệ điều
khiển bù công suất phản kháng SVC. Tuy nhiên, còn giới hạn về nhiều mặt nên bản
luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, nên rất mong các Thầy, Cô chỉ bảo để
nội dung của đề tài được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo T.S Nguyễn
Hiền Trung cùng toàn thể các Thầy, Cô trong bộ môn. Kính chúc các Thầy, Cô mạnh
khoẻ và Hạnh phúc!
Tác giả

Đỗ Thị Thu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÁC THIẾT BỊ FACTS
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1

Giới thiệu:

Hiện nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS, đặc
biệt là sử dụng các thiết bị phát nguồn công suất phản kháng cho hệ thống lưới điện
nhằm đảm bảo ổn định điện áp cho hệ thống. Tuy nhiên, việc đánh giá, lựa chọn thiết
bị phát công suất nào hợp lý, cũng như dung lượng bù tối ưu trong phân tích ở chế độ
xác lập, quá độ là chưa được quan tâm sâu sắc.
Theo thực tế hiện nay, hệ thống điện chúng ta đang sử dụng là hệ thống điện
xoay chiều. Hệ thống điện xoay chiều là một hệ thống điện phức tạp, gồm có các máy
phát đồng bộ, đường dây truyền tải, máy biến áp, các thiết bị bù và các phụ tải….. và
được chia thành ba khâu: sản xuất,truyền tải và phân phối.
Một hệ thống điện xoay chiều hoạt động cơ bản phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
-

Các máy phát điện làm việc trong chế độ đồng bộ.

-

Điện áp vận hành nằm trong giới hạn cho phép theo quy định.

-

Tần số vận hành nằm trong giới hạn cho phép theo quy định.

-

Các phụ tải được cung cấp nguồn điện đầy đủ.

-

Các đường dây phải được vận hành ở điều kiện bình thường không quá tải.

Trong hệ thống điện, công suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vào
tổng trở đường dây, điện áp và góc truyền tải giữa điểm đầu và điểm cuối của đường
dây, những đại lượng này giới hạn công suất truyền tải trên đường dây. Vì vậy, khả
năng truyền tải công suất của đường dây được cải thiện đáng kể bằng việc tăng công
suất phản kháng ở phía phụ tải, lắp cuộn kháng bù ngang (mắc song song), tụ điện bù
dọc (mắc nối tiếp) vào đường dây để điều khiển điện áp dọc theo chiều dài đường dây.
Để nâng cao chất lượng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt
Nam, hiện tại đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bù
công suất phản kháng. Tuy nhiên, các thiết bị bù đó vẫn chưa đáp ứng được các yêu
cầu về phản ứng nhanh nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




4
suất phản kháng. Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS-Flexible
AC Transmission System) đã đáp ứng được yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy cũng
như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc.
FACTS dùng để nâng cao khả năng điều khiển hệ thống điện và tăng khả năng
truyền tải công suất trên đường dây.
FACTS được định nghĩa bởi IEEE là: “ Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử
công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ thống
đường dây tải điện xoay chiều, qua đó, nâng cao khả năng điều khiển và khả năng
truyền tải công suất”.
Qua định nghĩa FACTS, ta nhận thấy tầm quan trọng của thiết bị FACTS đến
hệ thống điện, có sự ảnh hưởng rất lớn về kinh tế và kỹ thuật.

Trong thực tế, do tính chất tiêu thụ điện ở từng thời điểm luôn khác nhau, cho
nên tình trạng vận chuyển công suất trên các đường dây truyền tải cũng khác nhau, có
thể tại một thời điểm trên hệ thống sẽ có những đường dây bị quá tải trong khi các
đường dây khác thì non tải và ngược lại.
Với đà phát triển công nghiệp hóa như hiện nay, đòi hỏi nhu cầu truyền tải để
đáp ứng cho các phụ tải ngày càng cao và hiện nay đường dây truyền tải luôn đặt
trong tình trạng báo động về giới hạn vật lý của chúng ta như là: quá tải đường dây,
những hiện tượng nhiễu hệ thống như là: dao động tần số, điện áp……
Nhằm tăng khả năng truyền tải điện năng trên hệ thống điện, khắc phục
những nhược điểm nêu trên, trên thế giới người ta đã sử dụng thiết bị FACTS.
Các thiết bị này được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của
đường dây xoay chiều cao áp. Các thiết bị FACTS đã giúp cho nhà cung cấp
điện những lợi ích sau đây:
-

Tận dụng lưới truyền tải hiện hữu để lắp đặt các thiết bị FACTS.

-

Giảm chi phí đầu tư

-

Tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải.

-

Tăng độ ổn định của lưới.

-

Tăng chất lượng cung cấp điện năng cho các ngành công nghiệp và các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5
ngành có yêu cầu chất lượng điện năng cao.
1.2

Ảnh hưởng không đáng kể đến môi trường xung quanh.
Đặt vấn đề:

Để hệ thống điện hoạt động linh hoạt ở mọi tình huống, kể cả tình huống sự cố
nghiêm trọng nhất, thì phải có thiết bị để điều khiển các đại lượng trong hệ thống điện.
Đại lượng được nghiên cứu trong luận văn này chính là đại lượng điện áp, theo
nhận định thực tế, các sự cố tan rã hệ thống điện gần đây đều có liên quan đến sự
sụp đổ điện áp hoặc là mất ổn định điện áp, mà nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự
sụp đổ điện áp thường là do sự không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng,
do tăng mạnh bất thường của nhu cầu phụ tải, nhất là các phụ tải công nghiệp (
các công ty luyện sắt, thép….)
Điện áp là một trong những đại lượng quan trọng để đánh giá chất lượng điện
năng. Ổn định điện áp đáp ứng khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ
thống ở trong một phạm vi cho phép ( tùy thuộc vào tính chất mỗi nút mà phạm vi dao
động cho phép của điện áp sẽ khác nhau). Trong điều kiện vận hành không bình
thường hoặc sau các nhiễu loạn, hệ thống sẽ đi vào trạng thái không ổn định khi xuất
hiện các kích động như: tăng tải đột ngột hay thay đổi các thông số của hệ thống. Các
thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng nề nhất có thể rơi

vào tình trạng không thể điều khiển được hay còn gọi là sụp đổ điện áp. Nguyên nhân
chủ yếu dẫn đến sự mất ổn định và sụp đổ điện áp thường là do không đáp ứng đủ các
nhu cầu công suất phản kháng cần thiết khi phụ tải tăng bất thường và đột biến.
Trước đây, khi mà ngành công nghệ điện tử công suất cao chưa phát triển
mạnh thì việc nâng cao chất lượng điện áp trên hệ thống điện bị hạn chế và thời gian
đáp ứng cũng rất chậm, bởi vì lúc đó ta phải thực hiện việc đóng cắt các khóa cơ khí
các phần tử điện như là: cuộn dây, tụ điện, bộ chuyển đổi nấc máy biến áp….. để ổn
định điện áp trên hệ thống.
Ngày nay, với sự phát triển mạnh và nhanh của các thiết bị điện tử công suất
lớn, điện áp cao cho nên công nghệ FACTS ra đời nhằm giúp cho quá trình thực hiện
điều khiển điện áp trên hệ thống điện, cụ thể là đường dây truyền tải được linh hoạt và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




6
nhanh chóng, một số nước tiên tiến đã sử dụng thiết bị FACTS trong mạng truyền tải,
cụ thể như: Mỹ, Canada, Brazil… là những nước tiên phong sử dụng công nghệ
FACTS. Các thiết bị FACTS thường được sử dụng là:
- SVC ( Static Var Compensator): Bộ bù công suất VAR tĩnh.
- UPFC (Unified Power Flow Controller): Bộ điều khiển dòng công suất
hợp nhất.
- STATCOM (Static Synchronous Compensator): Bộ bù đồng bộ tĩnh.
- TCSC (Thyristor Controller Series Compensator): Bộ bù dọc điều khiển
thyristor.
- SSSC (Static Synchronous Series Compensator): Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh.
- HVDC (Hight Voltage Direct Current): Dòng một chiều điện áp.
1.3. 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,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.
+ Phân đoạn đường dây bằng các kháng điện bù ngang có điều khiển đặt ở các
trạm trung gian trên đường dây..
+ 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.
1.4. 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 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 là ±
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7
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.U 2f

+ Công suất điện trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là:
QE  3..C.U 2f .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.I 2

+ Công suất từ trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là:
QM  3.WM .l  3.L.I 2 .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.C.U 2f .l  3.L.I 2 .l


L.I 2
Q  3.l.C.U 1 

C.U 2f

2
f





+ Khi công suất phản kháng của đường dây bằng 0, ta có:
(1 

L.I 2
)0
C.U 2f

 I U f

L
C

Trong đó:
ZC 

L
: là tổng trở sóng của đường dây.
C

Khi đó, đường dây tải dòng điện tự nhiên I TN. 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
không tiêu thụ hay phát thêm công suất phản kháng.
Việc bù thông số của đường dây làm tăng khả năng tải của đường dây và qua
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




8
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.
1.4.1 BÙ DỌC VÀ BÙ NGANG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN.

Các đường dây 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 hệ thống điện..
1.4.1.1 Bù dọc.
Trị số cảm kháng lớn của đường dây 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 cảm kháng X 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 và hai đầu đường dây giảm xuống khá nhiều. Qua đó, ta
thấy được hiệu quả của bù dọc:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




9
* 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.
* Ổn định về góc lệch δ:
+ Làm giảm góc lệch δ trong chế độ vận hành bình thường, qua đó nâng cao độ
ổn định tĩnh của hệ thống điện.
+ Làm tăng giới hạn công suất của đường dây.
+ Trước khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:
P

U1.U 2
sin 
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
X L  XC

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

U1.U 2
X L  XC

Ta thấy sau khi bù, giới hạn truyền tải công suất của đường dây tăng lên:
k   X L  XC  XC

Hình 1.1: Hiệu quả của bù dọc trên đƣờng dây .
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




10
* 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 

XL
.100%
XC

Thông thường, đối với các đường dây thì hệ số bù dọc KC từ 40 75% tuỳ theo chiều dài của đường dây.
1.4.1.2 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 IC 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 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.
+ Trong chế độ non tải (P Tải < 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




11
+ Trong chế độ tải cực tiểu: công suất phản kháng do đường dây sinh ra rất
lớn 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.
1.5. MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN.
1.5.1. THIẾT BỊ BÙ TĨNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR (SVCSTATICVARCOMPENSATOR)
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 có cực điều
khiển, hệ thống điều khiển góc mở dùng các bộ vi điều khiển như 8051, PIC
16f877, VAR...
SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm:
+ Kháng điều chỉnh bằng thyristor - TCR (Thyristor Controlled Reactor): có
chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ.
+ Kháng đóng mở bằng thyristor - TSR (Thyristor Switched Reactor): 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




12
* Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC như trên hình 1.2
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:

Hình 1.2: Cấu tạo vànguyên lý làm việc của SVC
- 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




13
1.5.2.

THIẾT BỊ BÙ DỌC ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR (TCSC -

THYRISTOR CONTROLLED SERIES CAPACITOR).
Tương tự như SVC, phần tử TCSC là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh của
đường dây và hoạt động trong điều kiện ổn định của hệ thống điện. Nó được tổ hợp
từ một hay nhiều module TCSC, mỗi một module bao gồm hai thành phần cơ bản:
- Thành phần cảm kháng có thể thay đổi được điện dung nhờ bộ điều chỉnh
van thyistor.

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như van thyristor; các
cửa đóng mở GTO,...
Ngoài ra, TCSC còn có một số thiết bị phụ như bộ lọc F nhằm lọc bỏ các
sóng hài bậc cao, thiết bị đóng ngắt phục vụ các chế độ vận hành của TCSC trong
các chế độ khác nhau của hệ thống điện.
Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCSC như hình 1.3 sau:

Hình 1.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC.
Các chức năng chính của TCSC bao gồm:
- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh.
- Giảm sự thay đổi điện áp.
- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây.
- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện.
- Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




14
- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện.
Tuy nhiên, TCSC còn có nhiều chức năng khác có thể tăng tính linh hoạt
trong vận hành các đường dây nói riêng và HTĐ nói chung. Tuỳ theo yêu cầu của
từng đường dây cụ thể và chức năng của chúng trong từng HTĐ cụ thể mà ta có thể
áp dụng các phương pháp, mạch điều khiển TCSC cho phù hợp với các chế độ vận
hành trong HTĐ.
1.5.3. THIẾT BỊ BÙ TĨNH (STATCOM -

STATIC SYNCHRONOUS

COMPENSATOR).
STATCOM là sự hoàn thiện của SVC, bao gồm các bộ tụ điện được điều
chỉnh bằng các thiết bị điện tử như thyistor có cửa đóng mở GTO. So với SVC, nó
có ưu điểm là kết cấu gọn nhẹ hơn, không đòi hỏi diện tích lớn như SVC và đặc biệt là
nó điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn.
Cấu tạo của STATCOM và đặc tính hoạt động của nó như sau:

Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM
Các tính năng của STATCOM cũng giống như của SVC nhưng khả năng
điều chỉnh, điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao gồm:
- Điều khiển điện áp tại nút có đặt STATCOM có thể cố định giá trị điện áp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN