Nghiên cứu hiệu quả của thiết bị bù ngang có điều khiển SVC trong hệ thống điện

VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

MỞ ĐẦU
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, nên các thiết bị bù dùng thyristor hay triắc sử dụng rất nhiều thông tin trong
toàn hệ thống được nghiên cứu và ứng dụng tại 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
hay triắc 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 hay triắc (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.
Hệ thống điện càng ngày càng phát triển với những đường dây truyền tải điện
năng đi xa như đường dây siêu cao áp 500kV Bắc – Nam. Để đáp ứng nhu cầu sử dụng
chúng ta cần phải làm cho hệ thống điện truyền tải điện năng ổn định và chất lượng
điện năng càng ngày càng được cải thiện. Việc nghiên cứu thiết bị bù ngang có khả
năng điều chỉnh nhanh bằng thyristor hay triắc đối với việc nâng cao ổn định và chất
lượng điện áp của hệ thống điện Việt Nam trong tương lai và nhiệm vụ rất cần thiết,
góp phần mở ra một hướng mới trong việc áp dụng các phương pháp điều chỉnh, điều
khiển hoạt động của hệ thống điện. Luận văn “Nghiên cứu hiệu quả của thiết bị bù
ngang có điều khiển SVC trong hệ thống điện” sẽ đưa ra những đánh giá bước đầu
ảnh hưởng và hiệu quả của thiết bị bù có điều khiển SVC đối với việc ổn định điện
áp và dự trữ ổn định tĩnh trong chế độ vận hành hệ thống điện.
Nội dung của luận văn:
- Chương 1: Tổng quan về FACTS.
- Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động SVC.
- Chương 3: Ứng dụng phần mềm CONUS khảo sát hiệu quả của SVC.

1


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ FACTS
1.1. HỆ THỐNG ĐIỆN HỢP NHẤT VÀ NHỮNG YÊU CẦU ĐIỀU CHỈNH
NHANH CÔNG SUẤT
1.1.1. Đặc điểm
Hiện nay, xu hướng hợp nhất các HTĐ nhỏ thành HTĐ hợp nhất bằng các
đường dây siêu 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.
+ 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.
+ 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
2


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

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 và sẽ phát triển mạnh mẽ trong thế kỷ 21.
1.1.2. Yêu cầu đối với hệ thống truyền tải điện [1]
Hệ thống truyền tải điện phải đảm bảo được hai yêu cầu cơ bản, đó là:
+ Đảm bảo đồng bộ: yêu cầu về đảm bảo tần số.
+ Đảm bảo biên dạng điện áp.
Đảm bảo đồng bộ là yêu cầu các máy phát đều đưa ra tần số chính xác, ví dụ
50Hz, với độ sai lệch cho phép trong phạm vi +/- 0,1 Hz. Điều này chỉ có thể đạt được
nếu mỗi máy phát đều hoạt động trong giới hạn ổn định ở chế độ xác lập. Khi có thêm
biến động hệ thống điều khiển phải có tác động đúng để đưa hệ thống về lại trạng thái
cân bằng mới. Các biến động lại chia ra làm biến động nhỏ và biến động lớn.
Đảm bảo biên dạng điện áp là giữ đúng điện áp tại mọi điểm kết nối trên hệ
truyền tải trong phạm vi cho phép. Có thể thấy rằng biến động điện áp liên quan đến
dòng công suất phản kháng, thay đổi theo diễn biến của phụ tải và chế độ hoạt động
của hệ thống như kết nối nguồn, sa thải phụ tải hoặc chuyển hướng đường truyền, …

Mọi diễn biến quá điện áp hoặc thấp điện áp đều dẫn đến những hậu quả về kinh tế, kỹ
thuật.
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
nay, 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
3


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

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. 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.
1.2. HỆ THỐNG BÙ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI
Bù trong hệ thống truyền tải nhằm đảm bảo các yêu cầu:
+ Giữ biên dạng điện áp phẳng với mọi công suất truyền.
+ Đảm bảo độ ổn định để tăng dung lượng đường truyền.
+ Cung cấp công suất phản kháng theo một mục tiêu kinh tế - kỹ thuật nhất định.
Các hệ thống bù có thể là bù thụ động và bù tích cực. Các hệ thống và thiết bị

bù phổ biến bao gồm:
+ Bù bằng kháng hoặc tụ song song. Kháng song song có tác dụng bù dung kháng
đường dây khi tải nhẹ để điện áp không tăng quá mức. Tụ song song có tác dụng bù
phản kháng cho tải khi tải nặng.
+ Hệ thống bù nối tiếp: bù cho độ dài đường dây.
1.2.1. Bù tĩnh song song

Hình 1.1. Sơ đồ mạch bù tĩnh bằng kháng song song

4


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hình 1.2. Biên dạng điện áp và dòng điện trong bù kháng song song

Hình 1.3. Nguyên lý điều chỉnh điện áp bằng bù song song
1.2.2. Bù giữa đường dây

Hình 1.4. Mạch bù giữa đường dây

5


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Bình thường khi chưa bù:

P=

Sau khi bù ở giữa đường dây: P = 2

Er E s
sin δ
XL
Er Es
δ
sin
XL
2

Như vậy công suất max tăng gấp 2 lần bình thường, khả năng truyền tải và độ dữ
trữ ổn định cũng tăng gấp đôi.

Hình 1.5. Đặc tính đường truyền có mạch bù giữa đường dây
1.2.3. Bù tĩnh nối tiếp
Tụ bù nối tiếp có thể trung hòa phần cảm kháng của đường dây, giảm góc tải δ, do
đó giảm dòng nạp cho đường dây, dẫn đến có thể tăng được công suất tải tự nhiên. Bù
nối tiếp thường dùng cho đường dây rất dài nhưng cũng có thể dùng cho mạch nhánh
song song của đường truyền để hiệu chỉnh dòng công suất.

Hình 1.6. Mạch bù nối tiếp

6

VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hình 1.7. Đồ thị vectơ tụ bù nối tiếp
1.2.4. Bù dọc và bù ngang
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 động 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 siêu cao áp có chiều dài lớn, đặc biệt lả
những đường dây có chiều dài gần 1/4 bước sóng như đường dây 500KV Bắc – Nam.
1.2.4.1. Bù dọc [2]
Trị số cảm kháng lớn của các đường dây tải điện xoay chiều siêu cao áp làm
ảnh hưởng xấu đến hàng loạt chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật quan trọng của đường dây:
+ Góc lệch pha giữa điện áp ở đầu và cuối đường dây thay đổi trong phạm vi rộng.
+ Tổn thất công suất và điện năng trên đường dây cao.
Bù dọc là giải pháp mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây để giảm bớt (bù) cảm
kháng XL của đường dây bằng dung kháng XC của tụ điện.

7


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Thiết bị bù dọc thường được sử dụng để giảm tổng trở của đường dây làm giảm
góc lệch pha giữa các vectơ điện áp ở đầu và cuối đường dây, tăng khả năng tải của

đường dây, cải thiện điều kiện phân bố điện áp dọc đường dây, giảm tổn thất trên
đường dây qua đó nâng cao độ ổn định tĩnh của hệ thống điện.
Một tác dụng quan trọng nữa của các bộ tụ bù dọc là dòng điện tải chạy qua tụ
điện sẽ phát ra một lượng công suất phản kháng bù lại phần tổn thất trên cảm kháng
của đường dây, do đó giảm tổn thất công suất và điện năng trong các chế độ tải đầy.
Đối với những đường dây có chiều dài lớn, các thiết bị bù dọc thường được tính
toán và đặt cho từng đoạn có chiều dài 250 ÷ 500 Km. Khi chọn vị trí đặt thiết bị bù
dọc người ta thường xét đến 3 tiêu chuẩn sau:
− Mức độ phân bố điện áp dọc đường dây
− Trị số dòng điện ngắn mạch qua bộ tụ
− Thuận lợi cho việc quản lý vận hành bộ tụ.

Hình 1.8. Hiệu quả của bù dọc trên đường dây siêu cao áp
8


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

1.2.4.2. 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 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 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 siêu 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.
Trong chế độ non tải (PTải < Po), thì công suất phản kháng trên đường dây thừa
và đi về hai phía của đường dây. Để đảm bảo được trị số cos φ 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 thì công suất phản kháng do đường dây sinh ra rất lớn
(đối với đường dây siêu cao áp 500kV với Qo ≈1MVAR/km) 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 – 500 Km. 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 [2].

9


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

1.3. TỔNG QUAN VỀ FACTS [5]
Hệ thống điện phát triển ngày càng nhanh đòi hỏi phải mở rộng và xây dựng
thêm các tuyến truyền tải mới để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện, tuy nhiên điều này dẫn
đến tốn kém về vốn xây dựng, thời gian thi công và mất quĩ đất cho các hành lang an
toàn của tuyến đường dây. Vì thế đòi hỏi những công nghệ mới để khai thác triệt để
các khả năng của hệ thống điện hiện có mà không ảnh hưởng đến sự an toàn của hệ

thống. Để đáp ứng nhu cầu này, các nghiên cứu về thiết bị điều chỉnh linh hoạt hệ
thống truyền tải điện xoay chiều FACTS (Flexible AC Transmission System) đã được
tiến hành vào cuối năm 1980 nhằm giải quyết hai vấn đề chính đó là nâng cao khả năng
truyền tải của hệ thống truyền tải và giữ công suất trong khoảng giới hạn định trước.
Với sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, cùng với sự phát
triển nhanh chóng của các phần tử bán dẫn công suất lớn đã tạo ra các bộ biến đổi bán
dẫn điện tử công suất lớn cho phép điều khiển, khống chế các dòng năng lượng gần
như tức thời, giúp cho quá trình điều khiển hệ thống điện có thể thực hiện được theo
các cách thức mà các phần tử cơ khí, điện từ trước đó không thể đảm bảo được. Công
nghệ FACTS có đủ khả năng điều khiển nhanh một cách linh hoạt công suất tác dụng
và phản kháng của hệ thống điện. Các thiết bị FACTS khác nhau có các thông số điều
khiển và có các mô hình vật lý khác nhau để điều khiển công suất.
1.3.1 Phân loại các thiết bị FACTS
Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible AC
Transmission Systems) là hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều có kết hợp với các
thiết bị điện tử công suất hoặc các thiết bị điều khiển tĩnh khác để tăng cường khả
năng điều khiển (linh hoạt) và tăng khả năng truyền tải công suất.
Các thiết bị điều khiển FACTS có thể chia ra làm 4 loại sau :
o

Thiết bị điều khiển nối tiếp (điều khiển dọc)

o

Thiết bị điều khiển song song (điều khiển ngang)

o

Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp
10

VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

o

Thiết bị điều khiển nối tiếp – song song

* Thiết bị điều khiển khiển nối tiếp: Thiết bị điều khiển nối tiếp hay điều khiển dọc có
thể là 1 điện kháng thay đổi được giá trị như tụ điện, kháng điện,…hoặc 1 nguồn có thể
thay đổi dựa trên các thiết bị điện tử công suất (hình 1.9). Về nguyên lý, tất cả các thiết
bị điều khiển nối tiếp đưa vào một điện áp nối tiếp vào nhánh (đường dây...). Điện áp
có thể điều khiển được mô đun hoặc góc pha (hoặc cả hai). Thiết bị điều khiển nối tiếp
chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng.

Hình 1.9. Bộ điều khiển nối tiếp
* Thiết bị điều khiển song song: Giống như trường hợp thiết bị điều khiển dọc, thiết bị
điều khiển song song có thể là 1 điện kháng, 1 nguồn có thể thay đổi giá trị hoặc sự kết
hợp các thiết bị này. Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển song song đưa thêm
một nguồn công suất phản kháng vào nút kết nối. Giống như thiết bị điều khiển nối
tiếp, thiết bị điều khiển song song cũng chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản
kháng.

11


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hình 1.10. Bộ điều khiển song song
* Các thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp-nối tiếp: Là sự kết hợp các bộ điều khiển nối
tiếp riêng lẻ, được điều khiển phối hợp trong hệ thống nhiều đường dây truyền tải.
Hoặc nó cũng có thể là một bộ điều khiển khối, trong đó bộ điều khiển nối tiếp bù công
suất phản kháng nối tiếp độc lập cho mỗi đường dây đồng thời có khả năng truyền
công suất tác dụng giữa các đường dây đang truyền công suất. Khả năng truyền công
suất tác dụng của bộ điều khiển nối tiếp-nối tiếp khối, làm cho nó có khả năng cân
bằng cả công suất phản kháng lẫn tác dụng chạy trên đường dây và do đó cực đại hóa
khả năng sử dụng của đường dây.

Hình 1.11. Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp-nối tiếp
*Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp-song song: Là sự kết hợp của các bộ điều khiển
nối tiếp và song song, được điều khiển theo 1 cách thức phối hợp. Về nguyên lý, bộ
điều khiển kết hợp nối tiếp song song đưa dòng điện vào hệ thống nhờ các phần tử
song song của bộ điều khiển, tuy nhiên khi các bộ điều khiển nối tiếp và song song
được kết hợp, sẽ có sự trao đổi công suất tác dụng giữa bộ điều khiển nối tiếp và song
song thông qua đường dẫn công suất

12


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hình 1.12. Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp-song song
1.3.2. Một số thiết bị FACTS [6]
1.3.2.1. SVC (Static Var Compensator)

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 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.
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...
13


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

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.

Hình 1.13. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC
1.3.2.2. 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 thyristor 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.
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.
+ 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...)
14


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

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, STATCOM còn có đặc điểm nổi trội so với SVC như sau:
+ Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ được sự
cố.
+ Khi trang bị thêm nguồn công suất tác dụng hoặc các thiết bị dự trữ năng lượng ở
phía một chiều, STATCOM có thể trao đổi công suất phản kháng và công suất tác
dụng với hệ thống, do đó nâng cao khả năng ổn định động và chống dao động công
suất.
+ Có thể phát công suất phản kháng khi điện áp thanh cái nhỏ hơn điện áp lưới và
ngược lại, tiêu thụ công suất phản kháng khi điện áp thanh cái lớn hơn điện áp lưới.

Hình 1.14. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM
1.3.2.3. UPFC (Unified Power Flow Controller)
UPFC là một khái niệm mới ứng dụng các thiết bị bù đa chức năng để điều khiển
điện áp tại các thanh cái độc lập, dòng công suất tác dụng P và phản kháng Q trên các
15


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

đường dây truyền tải, đặc biệt là trên các đường dây siêu cao áp nối giữa các HTĐ
nhỏ. UPFC la thiết bị làm cho lưới điện vận hành rất linh hoạt và hiệu quả.
Về nguyên lý cấu tạo, UPFC được hiểu như sự kết hợp thiết bị bù dọc làm thay
đổi góc pha (Static Synchoronous Series Compensator) với thiết bị bù ngang
STATCOM. Nó được cấu tạo từ 2 bộ chuyển đổi (converter) điều khiển thyristor có
cửa đóng mở GTO. Mỗi một bộ chuyển đổi gồm có van đóng mở (GTO) và MBA
trung gian điện áp thấp.

Hình 1.15. Nguyên lý cấu tạo của UPFC
Về chức năng, UPFC có các chức năng của STATCOM và SSSC, đó là:
− Điều khiển dòng công suất tác dụng và phản kháng tại nút bù.
− Tăng cường tính ổn định tĩnh và ổn định động của hệ thống.
− Giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống.
− Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi đã loại trừ
được sự cố.
1.3.2.4. TCPAR ( Thyristor Controlled Phase Angle Regulator)
Thiết bị TCPAR là một khái niệm mới ứng dụng thyristor để điều chỉnh góc
lệch pha của điện áp pha của đường dây. Nó có tác dụng điều khiển công suất
truyền tải trên đường dây.
16


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Về mặt cấu tạo, nó như một máy biến áp 3 cuộn dây nối song song với
đường dây truyền tải và có thể điều chỉnh góc lệch của điện áp Uf truyền tải trên
đường dây.

Hình 1.16. Nguyên lý cấu tạo của TCPAR
Các tính năng của TCPAR bao gồm:
- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút bù.
- Tăng cường tính ổn định tĩnh của hệ thống điện.
- Tăng cường tính ổn định động 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...
- Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ được sự

cố.
1.3.2.5. 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
17


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

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.

Hình 1.17. 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 đờng 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.
- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện.
1.3.2.6. Nhận xét
Các thiết bị bù dọc và ngang trên đường dây tải điện xoay chiều đều có những

đặc điểm chung là khả năng nâng cao độ tin cậy trong vận hành hệ thống điện. Tuy
nhiên, giữa các thiết bị vẫn có sự khác biệt tuỳ theo yêu cầu trong từng hệ thống điện
cụ thể, chế độ vận hành cụ thể mà ta có thể lựa chọn các thiết bị hợp lý.
Trong thực tế vận hành, tuỳ theo yêu cầu điều chỉnh điện áp, trào lưu công suất,
18


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

nâng cao ổn định hay giảm dao động công suất trên đường dây mà ta lựa chọn các
thiết bị hợp lý dựa trên khả năng của chúng.
Tên thiết bị

Điều
chỉnh điện
áp

Ổn định
tĩnh

Ổn định
động

Chống
dao động
công suất

SVC

Điều
chỉnh trào
lưu công
suất
*

***

**

*

**

TCSC

**

*

***

***

**

STATCOM

*

***

**

*

**

UPFC

***

***

**

**

**

TCPAR

***

**

**

*

**

Bảng 1.1. So sánh các chức năng của từng thiết bị bù có điều khiển bằng thyristor
Ghi chú: *** Rất tốt; ** Tốt; * Bình thường
1.4. KẾT LUẬN
Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS có ứng dụng rất rộng rãi
trong việc nâng cao khả năng truyền tải, nâng cao mức độ ổn định tĩnh, ổn định động,
ổn định điện áp và giảm các dao động trong hệ thống điện.
Các thiết bị FACTS đã được thiết kế và chế tạo với nhiều loại khác nhau tương
ứng với các loại điều khiển và các thông số điều khiển trong hệ thống điện. Nhìn chung
các thiết bị FACTS được chia thành các thiết bị điều khiển dọc, ngang và tổ hợp giữa
chúng. Các thiết bị bù dọc có điều khiển chủ yếu sử dụng để điều khiển dòng điện cũng
như dòng công suất trong hệ thống truyền tải. Ngoài ra chúng còn được sử dụng để
tăng cường mức độ ổn định và giảm dao động của hệ thống điện. Các thiết bị bù ngang
có điều khiển chủ yếu sử dụng để điều khiển và giữ điện áp tại các điểm nút của hệ
thống điện, ngoài ra còn có tác dụng bù công suất phản kháng, nâng cao ổn định tĩnh
và ổn định động, giảm các dao động trong hệ thống điện.
Trong điều kiện địa lý như ở Việt Nam, đường dây truyền tải 500 kV rất dài,
các nguồn phát ở xa trung tâm phụ tải thì với những ưu điểm như giá thành rẻ, đảm
bảo các yêu cầu kỹ thuật, khả năng ứng dụng thiết bị SVC sẽ mang lại hiệu quả trong
19


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

vận hành và tăng ổn định chất lượng điện năng của HTĐ Việt Nam.

CHƯƠNG 2
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC
SVC là một loại thiết bị bù tĩnh có dung lượng bù thay đổi được nối song song
với lưới điện, công suất đầu ra của nó có thể được điều chỉnh để trao đổi dòng điện
điện cảm hoặc điện dung để duy trì hoặc điều khiển các thông số cụ thể của hệ thống
điện (điển hình là điện áp nút).
2.1. CHỨC NĂNG CỦA SVC [5]

Hình 2.1 Các chức năng cơ bản của SVC.
2.1.1. Điều khiển điện áp và trào lưu công suất phản kháng tại điểm kết nối với
lưới điện
Công suất phản kháng ảnh hưởng lớn tới điện áp, mà SVC là thiết bị có khả
năng tạo ra hoặc tiêu thụ công suất phản kháng. Trong hệ thống điện đối với các sự cố
20


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ngắn mạch và đường dây tải điện khoảng cách lớn chất lượng điện áp bị ảnh hưởng
mạnh bởi sự thay đổi công suất tải. Với công suất tải lớn thì điện áp bị giảm đáng kể.
Quá áp cũng gây nên các hậu quả nghiêm trọng cần phải được kiểm soát. Quá áp gây
nên hiện tượng bão hòa mạch từ của máy biến áp, và làm tăng vọt các thành phần sóng
hài của máy phát điện. Các thành phần sóng hài này cộng hưởng với tụ điện và điện
cảm kí sinh trên đường dây dẫn đến có thể phá hỏng các thiết bị điện.
2.1.2. Giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố bình thường như
mất tải đột ngột trên một đường dây và ngắn mạch yếu
Vì SVC có thể tác động trong khoảng 10ms, do đó thời gian quá áp sẽ giảm thấp
hơn cả thời gian chỉnh định Rơ le. Do đó các Rơ le không cần tác động và tính chất tải

liên tục được nâng cao. Đặc điểm này rất quan trọng đối với đường dây cao áp và siêu
cao áp ở nước ta vì nó có chiều dài lớn nên nhiều trường hợp phải ngắn mạch một phía
các đoạn đường dây nên có thể dẫn đến hiện tượng quá áp.
2.1.3. Ổn định dao động công suất hữu công
Dao động công suất hữu công là một hiện tượng có thể xảy ra sau quá trình quá
độ, ví dụ: mất tải thình lình, giảm bớt công suất phát điện tại nguồn hoặc tự động đóng
lại sau sự cố… Hệ thống điện càng yếu thì hiện tượng này càng dễ xảy ra.
Khi có dao động công suất hữu công xảy ra, SVC gần như điều khiển góc mở
thyristor tức thời để ổn định dao động công suất hữu công.
2.1.4. Giảm cường độ dòng điện vô công
Giảm dòng vô công sẽ giảm bớt tổn thất gây bởi dòng điện này mà các nhà máy
điện phải cung cấp. Nói chung là ta sẽ tiết kiệm được năng lượng và tăng năng suất của
hệ thống điện.
2.1.5. Tăng khả năng tải của đường dây và tăng độ dự trữ ổn định

21


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Công suất truyền tải của hệ thống điện thường được giới hạn bởi cấp điện áp và
điện kháng của máy biến áp trong hệ thống. Ta sẽ hiểu rõ điều này qua bài toán bù giữa
đường dây như sau:

Hình 2.2. Mạch bù có SVC ở giữa đường dây.
Bình thường khi chưa bù:

P=

Er E s
sin δ
XL

Sau khi bù ở giữa đường dây: P = 2

Er E s
δ
sin
XL
2

Như vậy công suất max tăng gấp 2 lần bình thường, khả năng truyền tải và độ dữ
trữ ổn định cũng tăng gấp đôi.

Hình 2.3. Đặc tính đường truyền có SVC giữa đường dây. Công suất truyền tải lớn gấp
đôi so với khi không bù.
2.1.6. Cân bằng các phụ tải không đối xứng

22


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Do SVC có khả năng ổn định điện áp tại từng pha riêng rẽ do đó nó làm cho sự
không đối xứng của phụ tải giảm xuống. Sự không đối xứng và sự xuất hiện của các tải
1 phả làm ảnh hưởng đến chất lượng điện áp của hệ thống điện Vì vậy cân bằng phụ tải

cũng là một nhiệm vụ quan trọng.
2.1.7. Cải thiện ổn định sau sự cố
Để cho hệ thống điện giữ được trạng thái ổn định sau nhiễu loạn lớn do việc loại
trừ các sự cố bằng tác động của các phần tử bảo vệ. Hệ thống phải giữ công suất truyền
tải nhỏ hơn giá trị công suất giới hạn ổn định. Khi thiết bị SVC được ứng dụng thì khả
năng tải của đường dây được tăng lên, và theo đó giá trị công suất giới hạn ổn định
tăng lên. Mặt khác, thông qua SVC ta có thể giữ công suất truyền tải bằng cách thay
đổi góc mở Thyristor của TCR.
2.2. CẤU TẠO CỦA SVC
2.2.1. Các phần tử cơ bản trong cấu tạo của SVC [3]
Để hiểu rõ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của SVC trước hết ta đi tìm hiểu
nguyên lý cấu tạo của một số phần tử cơ bản tạo nên SVC. Các thiết bị này được tạo ra
là nhờ sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật điện tử công suất.
2.2.1.1. Diode
Đi ốt cho dòng điện chạy qua như van một chiều. Thực tế, do đặc điểm của nơi
tiếp xúc 2 lớp bán dẫn, khi điện áp xuôi chiều điện dẫn tiếp xúc rất lớn (cho dòng điện
chạy qua) còn khi điện áp đặt theo chiều ngược lại điện dẫn rất nhỏ (gần như ngắt
mạch).

23


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hình 2.4. Cấu tạo Diode

Mạch chỉnh lưu thuần trở và thuần cảm dòng xoay chiều 1 pha như trên hình 2.5.
i

u

i

R

u
t

i

u

i
t

u

L

Hình 2.5. Mạch chỉnh lưu thuần trở và thuần cảm dòng xoay chiều

24


VIỆN ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

2.2.1.2. Thyristor (diode có điều khiển)

Hình 2.6. Cấu tạo thyristor
So với diode, thyristor cũng chỉ cho dòng điện chạy qua 1 chiều, tuy nhiên ngoài
điều kiện thuận chiều của điện áp (đặt lên 2 cực anode - cathode) , thyristor chỉ cho
dòng điện qua (trạng thái mở) khi có điện áp đặt vào cổng điều khiển. Với điện áp đặt
vào cổng điều khiển dạng xung hẹp thyristor vẫn mở liện tục cho đến khi điện áp đặt
vào 2 cực thyristor đổi chiều.
Trên hình 2.6 biểu thị dòng chạy qua mạch thuần trở và thuần cảm có thyristor,
khi đặt vào điện áp xoay chiều hình sin. Xung điều khiển xuất hiện vào thời điểm trễ so
với điểm bắt đầu của chu kỳ điện áp một góc α. Nếu xét thành phần cơ bản của dòng
điện trong mạch, nó có biên độ thay đổi liên tục theo góc α, khả năng này là cơ sở để
tạo ra cuộn kháng có điều khiển nhanh bằng thyristor (TCR).
i

i

u
t

u

R

uđk

α
uđk

u

i

u

uđk

i

L

25α

uđk

t