Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn phân tán đến đánh giá sụt giảm điện áp ngắn hạn trong lưới phân phối điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
________________________

NGUYỄN DANH DŨNG

Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn phân
tán đến đánh giá sụt giảm điện áp ngắn
hạn trong lưới phân phối điện

LUẬN VĂN THAC SỸ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. BẠCH QUỐC KHÁNH

HÀ NỘI - 2010


MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ...................................................................3
Danh mục các bảng ...................................................................................................4
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ...................................................................................6
CHƯƠNG MỞ ĐẦU .................................................................................................8
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN.................................................................................11
1.1. Chất lượng điện năng.....................................................................................11
1.1.1. Định nghĩa về chất lượng điện năng.......................................................11
1.1.2. Các hiện tượng biểu hiện liên quan đến chất lượng điện năng. .............12
1.1.3. Kết luận. .................................................................................................23
1.2. Hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn ..........................................................23
1.2.1. Định nghĩa về hiện tượng sụt giảm điện áp............................................23
1.2.2. Nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt giảm điện áp. .................................24
1.3. Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng..............................................24

1.3.1. Chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện ...........................................................24
1.3.2. Các chỉ tiêu đánh giá sụt giảm điện áp trên lưới phân phối ...................27
1.3.3. Kết luận ..................................................................................................32
1.4. Nguồn điện phân tán và sự ảnh hưởng trong lưới phân phối điện ................32
1.4.1. Nguồn điện phân tán...............................................................................32
1.4.2. Các công nghệ tạo nguồn điện phân tán.................................................38
1.4.3. Ảnh hưởng của việc kết nối nguồn điện phân tán trong vận hành lưới
phân phối điện ..................................................................................................45
CHƯƠNG 2 – MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ...............................................................49
2.1. Đặt vấn đề. .....................................................................................................49
2.2. Mô phỏng phân bố sự cố................................................................................50
2.3. Sơ đồ khối tính toán.......................................................................................51

1


CHƯƠNG 3 - NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN PHÂN TÁN ĐẾN
HIỆN TƯỢNG SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN TRONG LƯỚI PHÂN
PHỐI ĐIỆN..............................................................................................................53
3.1. Lưới điện nghiên cứu.....................................................................................53
3.2. Thông số vận hành ở chế độ xác lập khi chưa có DG ...................................58
3.3. Tính toán ngắn mạch, giá trị điện áp và tần suất sụt áp.................................61
3.3.1. Tính toán sụt áp và tần suất sụt áp của trạm E17 khi chưa có DG.........62
3.3.2. Tính toán sụt áp và tần suất sụt áp của trạm E17 khi cuối lộ đường dây
474 có thêm DG với SDG = 9MVA ...................................................................72
3.3.3. Tính toán sụt áp và tần suất sụt áp của trạm E17 khi cuối lộ đường dây
474 có thêm DG với SDG = 13,5MVA ..............................................................78
3.3.3. Tính toán sụt áp và tần suất sụt áp của trạm E17 khi cuối lộ đường dây
474 có thêm DG với SDG = 18MVA .................................................................83
3.3.5. Tổng hợp kết quả tính toán.....................................................................88

CHƯƠNG 4 - CÁC KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT..................................................91
4.1 Các kết luận. ...................................................................................................91
4.2 Các đề xuất......................................................................................................92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................93
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN.....................................................................95

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Area EPS

– Area Electric Power System, Lưới điện khu vực

ASAI

- Average Service Availability Index, Chỉ tiêu thể hiện mức sẵn
sàng hoạt động của hệ thống

ASIDI

- Average System Interruption Duration Index, Chỉ tiêu thời
gian mất điện cho mỗi sự kiện trong một khoảng thời gian

CAIDI

- Customer Average Interruption Duration Index, Chỉ tiêu
khoảng thời gian mất điện trung bình của các khách hàng

CAIFI

- Customer Average Interruption Frequency Index, Chỉ tiêu tần
suất mất điện trung bình của khách hàng

DC Offset

– Direct Current Offset, Thành phần 1 chiều thêm vào

DG

– Distributed Generaion, Nguồn phân tán

HTĐ

– Hệ Thống Điện

Local EPS

– Local Electric Power System, Lưới điện địa phương (cục bộ)

PCC

– Point of Common Coupling, Điểm đấu nối chung

RMS

- Root Mean Square, Giá trị căn quân phương

SAIDI

- System Average Interruption Duration Index, Chỉ tiêu khoảng
thời gian mất điện trung bình của hệ thống

SAIFI

- System Average Interruption Frequency Index, Chỉ tiêu tần
suất mất điện trung bình của hệ thống

SARFI

- System Average RMS Frequency Index voltage, Chỉ tiêu tần
suất biến thiên điện áp trung bình của hệ thống

TBA

– Trạm Biến Áp

TÐN

– Thủy Điện Nhỏ

THC

- Total Harmonics Distortion, Tổng độ méo sóng hài

XPLE-M-3x300

– Cáp ngầm cách điện XLPE 3 lõi đồng 300mm2

3

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1.

Phân nhóm và các đặc tính của các hiện tượng điện từ trong hệ
thống điện

21

Bảng 1.2.

Thông số của một số DG sử dụng nhiên liệu hóa thạch

39

Bảng 1.3.

Thông số của một số DG sử dụng năng lượng tái tạo

40

Bảng 3.1.

Suất sự cố trên lưới điện

54

Bảng 3.2.

Điện áp pha tại các nút trong chế độ xác lập

59

Bảng 3.3.

Điện áp các nút khi ngắn mạch 1 pha (pha A) tại nút 25, chưa có
DG

Bảng 3.4.

62

Tần suất sụt giảm điện áp trong trạm E17 khi xảy ra ngắn mạch 1
pha tại nút 25, chưa có DG

Bảng 3.5.

65

Tần suất sụt giảm điện áp của trạm E17 khi xét tất cả các dạng
ngắn mạch tại nút 25, chưa có DG

Bảng 3.6.

67

Tần suất sụt giảm điện áp của trạm E17 khi xảy ra ngắn mạch tại
các điểm ngắn mạch tính toán, chưa có DG

68

Bảng 3.7.

Chỉ số SARFIx của trạm E17 khi chưa có DG

71

Bảng 3.8.

Tần suất sụt áp của trạm E17 khi xảy ra ngắn mạch tại các điểm
ngắn mạch tính toán cuối lộ đường dây 474 có DG với SDG =
74

9MVA
Bảng 3.9.

Chỉ số SARFIx của trạm E17 khi cuối lộ đường dây 474 có DG
với SDG = 9MVA

77

Bảng 3.10. Tần suất sụt áp của trạm E17 khi xảy ra ngắn mạch tại các điểm
ngắn mạch tính toán cuối lộ đường dây 474 có DG với SDG =
13,5MVA

79

Bảng 3.11. Chỉ số SARFIx của trạm E17 khi cuối lộ đường dây 474 có DG
với SDG = 13,5MVA

82

Bảng 3.12. Tần suất sụt áp của trạm E17 khi xảy ra ngắn mạch tại các điểm
ngắn mạch tính toán cuối lộ đường dây 474 có DG với SDG =
18MVA

4

84


Bảng 3.13. Chỉ số SARFIx của trạm E17 khi cuối lộ đường dây 474 có DG
với SDG = 18MVA

87

Bảng 3.14. Tần suất sụt áp của trạm E17 khi cuối lộ 474 chưa có và có DG

89

Bảng 3.15. Chỉ số SARFIx của trạm E17 khi cuối lộ 474 chưa có và có DG

89

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1.

Quá độ xung do sét đánh

13

Hình 1.2.

Xung dòng điện dao động quá độ gây ra bởi việc đóng cắt các tụ
điện

14

Hình 1.3.

Sụt giảm điện áp do sự cố ngắn mạch một pha

16

Hình 1.4.

Sụt giảm điện áp do khởi động một động cơ lớn

16

Hình 1.5.

Tăng áp ở pha không bị sự cố gây ra bởi sự cố chạm đất một pha

17

Hình 1.6.

Mất cân bằng điện áp trong một tuần tại một nhánh cung cấp
điện cho hộ gia đình

18

Hình 1.7.

Hiện tượng đột điện áp

20

Hình 1.8.

Dao động điện áp do hồ quang

20

Hình 1.9.

Định nghĩa về các hiện tượng điện áp theo tiêu chuẩn IEEE-1159

22

Hình 1.10.

Đường cong CBEMA

29

Hình 1.11.

Đường cong ITIC

30

Hình 1.12.

Đường cong SEMI

31

Hình 1.13.

Mô tả kết nối nguồn điện phân tán

34

Hình 1.14.

Dự báo phát triển các nguồn phân tán đến 2030

37

Hình 1.15.

Sơ đồ nguyên lý động cơ đốt trong

41

Hỉnh 1.16.

Sơ đồ nguyên lý Microturbines

41

Hỉnh 1.17.

Sơ đồ nguyên lý Turbines nhỏ

42

Hỉnh 1.18.

Sơ đồ nguyên lý Pin nhiên liệu

42

Hình 1.19.

Minh họa nguồn phân tán pin quang điện

43

Hình 1.20.

Minh họa nguồn điện phân tán turbines gió

44

Hình 1.21.

Chi phí đơn vị lắp đặt các loại nguồn điện

44

Hình 2.1.

Sơ đồ khối của chương trình tính toán

52

Hình 3.1.

Sân phân phối TBA 110kV Thăng Long (E17)

53

Hình 3.2.

Sơ đồ lưới điện phân phối từ trạm biến áp E17

55

Hình 3.3.

Sơ đồ một sợi lộ đường dây 474 của trạm biến áp E17

56

6


Hình 3.4.

Sơ đồ tính toán lộ đường dây 474 của trạm biến áp E17 khi chưa
có DG

Hình 3.5.

57

Điện áp pha tại các nút của lộ đường dây 474 E17 trong chế độ
xác lập

60

Hình 3.6.

Tần suất sụt áp trung bình của trạm E17 khi chưa có DG

72

Hình 3.7.

Chỉ sổ SARFIx của trạm E17 khi chưa có DG

72

Hình 3.8.

Sơ đồ tính toán lộ đường dây 474 của trạm biến áp Thăng Long
E17 khi có DG

Hình 3.9.

73

Tần suất sụt áp trung bình của trạm E17 khi cuối lộ 474 có DG
với SDG = 9MVA

Hình 3.10.

78

Chỉ sổ SARFIx của trạm E17 khi khi cuối lộ 474 có DG với SDG
= 9MVA

Hình 3.11.

78

Tần suất sụt áp trung bình của trạm E17 khi cuối lộ 474 có DG
với SDG = 13,5MVA

Hình 3.12.

83

Chỉ sổ SARFIx của trạm E17 khi khi cuối lộ 474 có DG với SDG
= 13,5MVA

Hình 3.13.

83

Tần suất sụt áp trung bình của trạm E17 khi cuối lộ 474 có DG
với SDG = 18MV

Hình 3.14.

88

Chỉ sổ SARFIx của trạm E17 khi khi cuối lộ 474 có DG với SDG
= 18MVA

88

Hình 3.15.

Tần suất sụt áp của trạm E17 khi cuối lộ 474 không có và có DG

90

Hình 3.16.

Chỉ sổ SARFIx của trạm E17 khi cuối lộ 474 không có và có DG

90

7


CHƯƠNG MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Đất nước ta hiện nay đang trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá với
tốc độ tăng trưởng kinh tế rất lớn. Trải đều trên khắp đất nước, các nhà máy, công
trường, xí nghiệp xuất hiện ngày càng nhiều với qui mô ngày một lớn. Đời sống
nhân dân ngày càng được nâng cao. Các thiết bị điện gia đình được sử dụng ngày
một rộng rãi và đa dạng. Nhu cầu điện năng ngày càng tăng cao. Tuy nhiên tình
trạng thiếu điện vẫn xảy ra thường xuyên, gây ảnh hưởng lớn tới sản xuất và sinh
hoạt.
Bên cạnh đó, việc ứng dụng các thiết bị điện - điện tử có hiệu suất cao, các
thiết bị có bộ vi điều khiển, các thiết bị điện tử công suất… ngày càng phổ biến.
Các thiết bị này rất nhạy cảm với những vấn đề về chất lượng điện năng trong hệ
thống điện. Trong các vấn đề về chất lượng điện năng, hiện tượng mất điện và sụt
giảm điện áp ngắn hạn rất được quan tâm. Mặc dù một lần sự cố mất điện gây hậu
quả nặng nề hơn một lần sụt giảm điện áp, tuy nhiên trong thực tế tần suất xảy ra
hiện tượng sụt giảm điện áp lại lớn hơn nhiều so với hiện tượng mất điện cho nên
nếu xét một cách tổng thể thì hiện tượng sụt giảm điện áp lại gây ra hậu quả lớn hơn
hiện tượng mất điện.
Vấn đề toàn cầu mà loài người hiện đang phải đối mặt là tình trạng ô nhiễm
môi trường, tình hình năng lượng thế giới. Các nguồn năng lượng không tái tạo (dầu
mỏ, than đá, khí thiên nhiên…) trên thế giới có trữ lượng lớn song cũng có hạn.
Việc khai thác sử dụng quá mức các sản phẩm dầu mỏ, than đá, khí đốt đưa vào
không khí một lượng rất lớn các khí CO2, NOx, SOx… gây ảnh hưởng xấu tới môi
trường khí hậu. Các nguồn năng lượng mới và tái tạo được (năng lượng mặt trời,
năng lượng gió…) có trữ lượng lớn nhưng nhìn chung phân tán, gặp nhiều khó khăn
trong khai thác sử dụng.

Những phân tích trên cho thấy việc phát triển nguồn điện, đưa vào các nguồn
điện mới sử dụng nguồn năng lượng sạch là rất quan trọng. Đưa các nguồn điện

8


phân tán vào vận hành đặt ra vấn đề nghiên cứu các ảnh hưởng khi đấu nối vào lưới
điện mà cụ thể ở đây là lưới phân phối điện.
Đã có một số công trình nghiên cứu về các ảnh hưởng này. Ở Việt Nam,
nghiên cứu về nguồn phân tán và các ảnh hưởng của nó còn khá mới mẻ. Những
nghiên cứu cụ thể, tỉ mỉ về các ảnh hưởng của nguồn phân tán khi kết nối vào lưới
điện là rất cần thiết. Tác giả đi sâu vào nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn phân tán
đến đánh giá sụt giảm điện áp ngắn hạn trong lưới phân phối điện theo phương pháp
dự báo ngẫu nhiên.
2. Tên đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn phân tán đến đánh giá
sụt giảm điện áp ngắn hạn trong lưới phân phối điện”.
3. Tóm tắt nội dung luận văn
Nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng, tình trạng ô nhiễm môi trường, sự có
hạn của các nguồn tài nguyên không tái tạo được thôi thúc loài người khai thác sử
dụng các nguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo. Bên cạnh đó, mối quan tâm
về các vấn đề chất lượng điện năng ngày càng nâng cao. Đưa các nguồn phân tán
vào vận hành đặt ra vấn đề nghiên cứu các ảnh hưởng, tác động khi kết nối nguồn
phân tán vào lưới điện mà cụ thể ở đây là vấn đề chất lượng điện năng trong lưới
phân phối điện.
Những nghiên cứu cụ thể, tỉ mỉ về các ảnh hưởng, tác động này là rất cần thiết.
Luận văn đi sâu vào nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn phân tán đến đánh giá sụt
giảm điện áp ngắn hạn (Voltage sag) trong lưới phân phối điện. Kết quả nghiên cứu
của luận văn cho ta căn cứ, phương pháp đánh giá ảnh hưởng của nguồn phân tán
tới chỉ tiêu chất lượng điện năng trong lưới phân phối điện.
Luận văn đề cập đến các vấn đề ngày càng được quan tâm là vấn đề chất lượng

điện năng, hiện hượng sụt giảm điện áp ngắn hạn, chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện
năng, nguồn phân tán và ảnh hưởng. Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn phân tán đến
đánh giá sụt giảm điện áp ngắn hạn trong lưới phân phối điện, luận văn đi vào xem
xét, đánh giá chỉ tiêu chất lượng điện năng tần suất sụt giảm điện áp ngắn hạn của
lưới điện nghiên cứu là 1 lộ đường dây và toàn trạm biến áp 110kV Thăng Long

9


(E17), tại khu công nghiệp Bắc Thăng Long – Hà Nội, khi chưa thêm nguồn phân
tán và đặt thêm nguồn phân tán
Luận văn sử dụng phương pháp dự báo ngẫu nhiên, phương pháp điểm sự cố
với phân bố sự cố là phân bố đều để tính toán đánh giá hiện tượng sụt áp ngắn hạn
trong lưới phân phối điện. Phương pháp này có ưu điểm không mất chi phí cho lắp
đặt các thiết bị đo lường theo dõi đến từng vị trí tính toán, có tính dự báo và cho
phép sử dụng tốt các phần mềm mô phỏng lưới điện trên máy tính. Công cụ mô
phỏng tính toán được sử dụng trong luận văn là phần mềm PSS/ADEPT 5.0 của
hãng PTI.
Kết quả nghiên cứu, tính toán cho thấy việc kết nối thêm nguồn điện phân tán
vào lưới phân phối điện cải thiện đáng kể chỉ tiêu chất lượng điện năng tần suất sụt
áp ngắn hạn của lưới điện, giảm các sụt áp ở mức điện áp thấp, nâng các sụt áp ở
mức điện áp cao hơn khi xảy ra sự cố trên lưới điện. Nhìn chung, nguồn điện phân
tán kết nối vào lưới điện có công suất lớn hơn thì mức cải thiên là lớn hơn. Kết quả
luận văn có thể làm tài liệu tham khảo cho việc xem xét các yếu tố kinh tế - kỹ thuật
và khẳng định lợi ích khi đưa nguồn phân tán vào vận hành.
Luận văn dừng lại ở mô hình mô phỏng lưới điện một cách đơn giản. Tác giả
đề xuất có thể dùng các mô phỏng sát thực hơn, sử dụng các luật phân bố sự cố
khác, mở rộng nghiên cứu xét thêm lưới truyền tải và lưới hạ áp, mở rộng nghiên
cứu với lưới đường dây trên không thay vì lưới cáp, với lưới điện độc lập hoặc lưới
điện phân tán thay vì nối với lưới điện quốc gia.

* Để bản luận văn trở nên hoàn chỉnh và hướng nghiên cứu trong bản luận
văn được phát triển tiếp, tác giả mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo, bạn
bè và các bạn đọc.

10


CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN
1.1. Chất lượng điện năng
Trên khía cạnh thị trường, điện năng là hàng hóa mà toàn dân đều có nhu cầu
sử dụng và đang sử dụng hàng ngày. Đã là hàng hóa được mua bán thì cần phải tuân
theo và đảm bảo về yêu cầu chất lượng. Tuy nhiên hiện nay tồn tại nhiều định nghĩa
về chất lượng điện năng mà mỗi định nghĩa này lại được xây dựng theo các tiêu chí
khác nhau bởi đối tượng đang quan tâm đến chất lượng điện năng như: các công ty
điện lực, các khách hàng sử dụng điện, các nhà sản xuất thiết bị...
Yêu cầu về chất lượng điện năng ngày càng được quan tâm. Nhiều thiết bị điện
mới có chứa bộ vi xử lý, vi điều khiển, thiết bị điện tử công suất đã được sử dụng.
Trong quá trình hoạt động, các thiết bị này rất nhạy cảm với các loại nhiễu loạn
trong hệ thống điện, hay nói cách khác chúng là các thiết bị rất nhạy cảm với các
vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng như là độ lệch về điện áp, dòng điện
cũng như là tần số. Đối với hệ thống phân phối điện, người ta đã sử dụng các thiết
bị bù nhằm làm giảm tổn thất và tăng hệ số công suất. Việc áp dụng các thiết bị mới
này sẽ gây ra các sóng hài trong hệ thống điện và có rất nhiều người quan tâm đến
các tác động của chúng trong tương lai đối với khả năng hoạt động của hệ thống. Hệ
thống ngày càng có nhiều yếu tố liên hệ với nhau, quá trình tích hợp đó có nghĩa
rằng bất cứ một sự cố xảy ra ở một phần tử nào trong hệ thống cũng đều gây ra hậu
quả lớn đối với hệ thống. Khách hàng sử dụng điện ngày càng nhận thức được về
những vấn đề về chất lượng điện năng. Họ ngày càng hiểu biết nhiều hơn về những
hiện tượng như là mất điện, sụt giảm điện áp, các dao động do việc đóng cắt điện.
Và điều đó đã kích thích họ cải thiện chất lượng của việc phân phối điện.

1.1.1. Định nghĩa về chất lượng điện năng.
Các đối tượng khác nhau xem xét về chất lượng điện năng theo các tiêu chí
khác nhau, điều này làm cho cách hiểu về chất lượng điện năng có khác nhau về
hình thức. Ngành điện mong muốn cung cấp điện năng liên tục, ổn định cho khách
hàng, chất lượng điện năng có thể được định nghĩa là độ tin cậy cung cấp điện và

11


chỉ ra qua các thống kê độ tin cậy của hệ thống là 0,9998 [10]. Các nhà sản xuất
thiết bị điện có thể định nghĩa chất lượng điện năng là các đặc tính của nguồn điện
cung cấp cái mà cho phép thiết bị điện làm việc một cách tối ưu (tuổi thọ thiết bị và
đặc tính làm việc của thiết bị điện được đảm bảo). Các định nghĩa này có thể là rất
khác nhau đối với mỗi loại thiết bị cũng như là đối với các nhà sản xuất khác nhau.
Sau đây ta sẽ xem xét chất lượng điện năng hướng theo người “sử dụng cuối
cùng”. Chất lượng điện năng được xem xét theo tiêu chí: “Bất kỳ vấn đề về điện
năng liên quan đến sai lệch về dòng điện, điện áp, tần số mà những sai lệch này dẫn
đến sự cố hoặc vận hành sai cho thiết bị của khách hàng sử dụng điện” [10].
Theo định nghĩa ở trên, chất lượng điện năng liên quan đến độ lệch dòng điện,
điện áp, tần số. Tần số là một chỉ tiêu mang tính hệ thống, chất lượng tần số liên
quan đến bài toán cân bằng công suất tác dụng phát và công suất tác dụng tiêu thụ.
Công suất tác dụng chỉ được đưa vào hệ thống bởi các máy phát điện. Chất lượng
điện áp là một chỉ tiêu mang tính cục bộ, điều khiển điện áp chủ yếu liên quan đén
sự cân bằng giữa công suất phản kháng phát ra và công suất phản kháng tiêu thụ.
Công suất phản kháng có thể đưa vào hệ thống theo nhiều cách khác nhau: từ máy
phát điện, các tụ bù tại nút phụ tải, điện dung đường dây.
Công suất thể hiện sự phát ra của năng lượng, công suất tỉ lệ với sự sinh ra của
dòng điện và điện áp. Rất khó có thể định nghĩa một cách đầy đủ ý nghĩa về số
lượng và chất lượng trong những cách hiểu đầy đủ về chất lượng điện năng. Điều
khiển công suất của hệ thống điện có thể điều khiển chất lượng điện áp, không thể

điều khiển chi tiết đến chất lượng dòng điện vì sẽ kéo theo tác động vào hoạt động
của các phụ tải, bởi vì dòng điện sinh ra trong các thiết bị điện sẽ thay đổi tuỳ theo
mức độ mang tải của thiết bị điện đó. Do đó tiêu chuẩn chất lượng điện năng thường
được dành hết cho việc duy trì chất lượng điện áp cung cấp trong một giới hạn nhất
định.
1.1.2. Các hiện tượng biểu hiện liên quan đến chất lượng điện năng.
1.1.2.1. Quá độ (transient).

12


Thuật ngữ quá độ được sử dụng từ lâu trong việc phân tích sự biến đổi của hệ
thống điện để thể hiện một sự kiện không mong muốn nhưng chỉ thoáng qua trong
tự nhiên. Một định nghĩa được sử dụng phổ biến: “Quá độ trong hệ thống điện là sự
chuyển tiếp hệ thống từ trạng thái xác lập này sang trạng thái xác lập khác”. Tùy
vào hình dạng của dòng điện và điện áp mà quá độ được phân thành hai loại là quá
độ xung và quá độ dao động.
a. Quá độ xung (Impulsive transient).
Quá độ xung là sự thay đổi đột ngột của điện áp, dòng điện hoặc cả hai theo
một cực dương hoặc âm, không làm thay đổi tần số công nghiệp trong một trạng
thái xác lập.
Xung quá độ thường được đặc trưng bởi thời gian tăng đến độ lớn xung cực
đại và thời gian giảm độ lớn xung còn một nửa giá trị độ lớn cực đại, những thứ mà
có thể được biểu thị bằng nội dung quang phổ của chúng.
Xung quá độ có thể kích thích tần số hoạt động của hệ thống và gây ra quá độ
dao động. Hình 1.1 minh hoạ dòng điện xung quá độ gây ra bởi sét đánh.

Dòng điện (kA)

Thời gian

Hình 1.1. Quá độ xung do sét đánh
b. Quá độ dao động (Oscillatory transient).
Quá độ dao động là sự thay đổi đột ngột độ lớn của dòng điện, điện áp hoặc cả
hai theo cả hai chiều dương và âm mà không làm thay đổi tần số của hệ thống ở
trạng thái xác lập.

13


Một quá độ dao động bao gồm điện áp và dòng điện có giá trị tức thời thay đổi
rất nhanh theo cực tính. Nó được đặc trưng bởi các thông số như hình dạng, thời

Dòng điện (A)

gian tồn tại, cũng như là cường độ của nó.

Thời gian (ms)

Hình 1.2. Xung dòng điện dao động quá độ gây ra bởi việc đóng cắt các tụ điện
1.1.2.2. Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian dài .
Một sự biến đổi điện áp được coi là trong khoảng thời gian dài khi ANSI giới
hạn là vượt quá một phút. Sự biến đổi điện áp trong khoảng thời gian dài bao gồm
quá điện áp và thấp điện áp. Quá áp và thấp áp thường không phải là kết quả của sự
cố trong hệ thống mà là kết quả của sự biến đổi của phụ tải trong hệ thống (hoạt
động đóng cắt tải) và hoạt động đóng cắt hệ thống.
a. Quá điện áp (Overvoltage).
Quá điện áp là sự tăng điện áp lên trên 110% giá trị định mức ở tần số công
nghiệp trong khoảng thời gian lớn hơn một phút.
Quá điện áp thường là kết quả của việc đóng cắt tải (ví dụ như đóng cắt một tải

lớn hoặc đóng một bộ tụ). Kết quả của quá điện áp là do hệ thống quá yếu cho sự
mong muốn điều chỉnh điện áp hoặc là việc điều khiển điện áp là không tương
xứng. Điều chỉnh đầu phân áp của máy biến áp không đúng cũng có thể gây ra hiện
tượng quá điện áp trong hệ thống điện.
b. Thấp điện áp (Undervoltage).
Thấp điện áp là sự giảm điện áp xuống dưới 90% giá trị định mức ở tần số
công nghiệp trong khoảng thời gian lớn hơn một phút.

14


Nguyên nhân gây ra thấp điện áp ngược lại với nguyên nhân gây ra quá điện
áp. Đưa một tải lớn vào hệ thống hoặc cắt một bộ tụ ra khỏi hệ thống có thể gây ra
hiện tượng giảm thấp điện áp cho đến khi thiết bị điều chỉnh điện áp đưa điện áp hệ
thống trở về giá trị cho phép. Quá tải trong các mạch điện cũng có thể gây ra hiện
tượng giảm thấp điện áp.
c. Gián đoạn duy trì (Sustained interruptions).
Gián đoạn duy trì là hiện tượng điện áp cung cấp trở về không trong khoảng
thời gian quá một phút. Gián đoạn duy trì có thời gian lâu hơn một phút thường là
sự cố vĩnh cửu, nó đòi hỏi sự can thiệp của con người để khôi phục lại hoạt động
bình thường của hệ thống điện.
1.1.2.3. Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian ngắn .
Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian ngắn (Short Durations Voltage
Variations) nhỏ hơn một phút gây ra bởi sự cố trong hệ thống điện, khởi động phụ
tải lớn có dòng khởi động lớn, lỗi kết nối dây dẫn điện. Tùy thuộc vào vị trí sự cố và
trạng thái hệ thống mà sự cố trong hệ thống điện có thể gây ra sự biến thiên điện áp
sụt áp (sags), tăng áp (swells) hay hoàn toàn mất điện áp (interruptions).
a. Mất điện áp (interruption).
Mất điện áp là hiện tượng điện áp hay dòng điện giảm xuống dưới 10% giá trị
định mức với thời gian không vượt quá 1 phút.

Mất điện áp gây ra bởi sự cố trong hệ thống điện, sự ngừng hoạt động của các
thiết bị và sự cố trong bộ phận điều khiển. Thời gian mất điện được xác định từ khi
độ lớn điện áp giảm xuống dưới 10% điện áp định mức.
b. Sụt giảm điện áp (Voltage Sags).
Sụt giảm điện áp (sụt áp) là hiện tượng điện áp hoặc dòng điện giảm xuống
trong khoảng từ 10% đến 90% giá trị điện áp hay dòng điện định mức ở tần số công
nghiệp trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kỳ đến 1 phút.
Nguyên nhân gây sụt áp thường là sự cố trong hệ thống điện, khởi động một số
phụ tải lớn. Hình 1.3 và 1.4 minh họa sụt áp do sự cố ngắn mạch một pha và do
khởi động một động cơ lớn.

15


Điện áp (V)
)

Thời gian (s)

Hình 1.3. Sụt giảm điện áp do sự cố ngắn mạch một pha
Thời gian sụt điện áp ngắn hạn cũng được chia ra làm 3 loại: Tức thời
(Instantaneous), thoáng qua (Momentary), Tạm thời (Temporary). Các khoảng thời
gian chia nhỏ này tương ứng với mức thời gian hoạt động của các thiết bị bảo vệ nói
chung, cũng như sự phân nhỏ thời gian theo các khuyến cáo của các tổ chức kỹ
thuật quốc tế.

Điện áp (%)

Thời gian tồn tại: 3.200 s
Nhỏ nhất: 79.38

Trung bình: 87.99
Lớn nhất: 101.2

Thời gian (s)

Hình 1.4. Sụt giảm điện áp do khởi động một động cơ lớn.
16


c. Tăng điện áp (Swells).
Tăng điện áp là hiện tượng điện áp hoặc dòng điện tăng lên trong khoảng từ
110% đến 180% giá trị điện áp hoặc dòng điện định mức ở tần số công nghiệp với
thời gian từ 0, 5 chu kỳ tới 1 phút.
Sự tăng điện áp được đặc trưng bởi biên độ và khoảng thời gian tồn tại.
Tăng áp có thể xuất hiện do sự tăng điện áp nhất thời trên các pha không sự cố
khi xảy ra sự cố chạm đất một pha. Ngoài ra, việc ngắt một phụ tải lớn ra khỏi hệ
thống cũng như là việc đóng các bộ tụ vào hệ thống cũng gây ra hiện tượng tăng điện
áp. Hình 1.5 thể hiện sự tăng điện áp ở pha không sự cố khi xảy ra sự cố chạm đất

Điện áp (pu)

một pha trong lưới điện.

Thời gian

Hình 1.5. Tăng áp ở pha không bị sự cố gây ra bởi sự cố chạm đất một pha.
1.1.2.4. Mất cân bằng điện áp (Voltage Imbalance) .
Mất cân bằng điện áp là độ lệch cực đại của điện áp 3 pha so với giá trị trung
bình của điện áp, độ lệch đó chia cho giá trị trung bình của điện áp và biểu diễn theo
phần trăm.

Mất cân bằng điện áp cũng có thể xác định theo các thành phần đối xứng. Tỉ lệ
giữa thành phần thứ tự nghịch hoặc thành phần thứ tự không với thành phần thứ tự
thuận có thể xác định rõ phần trăm mất cân bằng điện áp.

17


Độ mất cân bằng điện áp (%)
Thứ 2

Thứ 3

Thứ 4

Thứ 5

Thứ 6

Thứ 7 Chủ nhật Thứ 2

Hình 1.6. Mất cân bằng điện áp trong một tuần
tại một nhánh cung cấp điện cho hộ gia đình.
1.1.2.5. Độ méo sóng (Waveform Distortion) .
Độ méo dạng sóng là sự biến đổi trong trạng thái xác lập của một sóng hình
sin lý tưởng ở tần số công nghiệp được đặc trưng bởi nội dung quang phổ của sự
biến đổi đó.
Có 5 hiện tượng cơ bản gây ra méo sóng:
+ Thành phần một chiều thêm vào (DC Offset)
+ Sóng hài (Harmornics)
+ Liên sóng hài (Interharmonics)

+ Đột điện áp (Notching)
+ Nhiễu (Noise)
a. Thành phần một chiều thêm vào (DC Offset).
Điện áp và dòng điện một chiều tồn tại trong hệ thống điện xoay chiều gọi là
thành phần một chiều thêm vào (DC Offset). Thành phần một chiều có thể xuất hiện
do sự nhiễu loạn từ tính hoặc từ các bộ chỉnh lưu một nửa chu kỳ. Dòng điện một
chiều trong mạng điện xoay chiều mang lại kết quả xấu: làm bão hoà mạch từ máy

18


biến áp ngay cả trong hoạt động bình thường, gây thêm hiện tượng phát nóng dẫn
đến giảm tuổi thọ máy biến áp; dòng điện một chiều còn gây ra hiện tượng ăn mòn
điện phân các điện cực nối đất và các thiết bị kết nối.
b. Sóng hài (Harmonics).
Sóng hài là các dạng dòng điện hay điện áp hình sin có tần số là bội số của tần
số cơ bản của hệ thống. Các dạng sóng méo có thể phân tích thành tổng của sóng
với tần số cơ bản và các sóng hài. Độ méo sóng hài sinh ra từ đặc tính phi tuyến của
các thiết bị và phụ tải trong hệ thống điện. Mức độ méo của sóng hài được mô tả
bởi quang phổ các sóng hài với độ lớn biên độ và góc pha của mỗi thành phần sóng
hài. Tổng độ méo sóng hài THD (Total Harmonics Distortion) thường được dùng để
xác định độ lớn biên độ méo sóng hài.
c. Liên sóng hài (Interharmonics).
Liên sóng hài là các sóng điện áp hay dòng điện có tần số không phải là bội số
của tần số cơ bản của hệ thống điện. Chúng có thể xuất hiện với các tần số riêng
biệt hoặc cũng có thể là một dải tần số rộng.
Liên sóng hài có thể tìm thấy trên tất cả các lưới điện với các cấp điện áp khác
nhau. Nguồn gốc chủ yếu sinh ra méo liên sóng hài là các bộ biến đổi tần số tĩnh,
thiết bị chuyển đổi chu trình, động cơ cảm kháng, thiết bị phát hồ quang. Tín hiệu
sóng mang trên đường dây truyền tải cũng được xem là liên sóng hài.

d. Đột điện áp (Notching).
Đột điện áp là sự nhiễu loạn điện áp có chu kỳ gây ra bởi hoạt động bình thường
của thiết bị điện tử công suất khi dòng điện được chuyển mạch từ pha này sang pha
khác. Các đột điện áp xuất hiện khi đảo mạch dòng từ pha này sang pha khác. Trong
thời gian chuyển mạch, có hiện tượng ngắn mạch tạm thời xảy ra giữa hai pha . Hình
vẽ 1.7 chỉ ra ví dụ cho vết khắc điện áp hình V từ một bộ chỉnh lưu 3 pha sinh ra
dòng điện một chiều liên tục.

19


Hình 1.7. Hiện tượng đột điện áp.
e. Nhiễu (Noise).
Nhiễu là tín hiệu điện không mong muốn với các dải tần thấp hơn 200 khz đối với
dòng điện và điện áp trong dây pha, dây trung tính hay dây tín hiệu.
Nhiễu trong hệ thống điện có thể gây ra bởi các thiết bị điện tử công suất, các
mạch điều khiển, các thiết bị hồ quang, các tải với các bộ chỉnh lưu, đóng cắt các
nguồn điện. Nhiễu trong hệ thống điện thường là do sự nối đất không đúng. Về bản
chất, nhiễu bao gồm các méo của tín hiệu điện và chúng không thể phân loại như méo
sóng hài hay là quá độ. Nhiễu làm ảnh hưởng xấu đến các thiết bị điện tử như bộ vi xử
lý và các chương trình điều khiển. Ta có thể làm giảm nhiễu nhờ sử dụng bộ lọc, máy
biến áp cách ly, và điều kiện đối với dây dẫn điện.
1.1.2.6. Dao động điện áp (Voltage Fluctuation) .
Dao động điện áp là sự biến đổi mang tính hệ thống của điện áp hay một chuỗi
thay đổi điện áp ngẫu nhiên. Độ lớn biên độ dao động điện áp thường không vượt
quá mức điện áp được xác định rõ từ 90% đến 110% điện áp định mức bởi ANSI

Điện áp (V)

C84.1-1982.

Thời gian (s)

Hình 1.8. Dao động điện áp do hồ quang điện.
20


Lò hồ quang điện xoay chiều là một nguyên nhân phổ biến nhất gây ra dao
động điện áp trên hệ thống phân phối và truyền tải điện.
1.1.2.7. Sự biến thiên tần số công nghiệp (Power Frequency Variations) .
Sự biến thiên tần số công nghiệp (Power Frequency Variations) là độ lệch tần số
cơ bản của hệ thống khỏi giá trị định mức (VD: 50 Hz hoặc 60Hz).
Tần số của hệ thống liên quan trực tiếp tới tốc độ quay của hệ thống máy phát
điện. Tần số sẽ biến thiên nhỏ khi có cân bằng động giữa sự thay đổi của tải và sự
thay đổi của nguồn phát. Mức độ thay đổi của tần số và khoảng thời gian của sự
thay đổi phụ thuộc vào đặc tính của tải và áp ứng của hệ thống điều khiển máy phát
tới sự thay đổi của phụ tải.
Tổng hợp các Các khái niệm được xét theo biên độ theo tiêu chuẩn IEEE 1159 biểu diễn trên Bảng 1.1 và Hình 1.9.
Bảng 1.1. Phân nhóm và các đặc tính
của các hiện tượng điện từ trong hệ thống điện
Nhóm
1. Quá độ
1.1 Xung
1.1.1 Nano giây
1.1.2 Micro giây
1.1.3 Mili giây
1.2 Dao động
1.2.1 Tần số thấp
1.2.2 Tần số trung bình
1.2.3 Tần số cao

Phạm vi phổ Khoảng thời gian
tần điển hình
điển hình

Độ lớn điện
áp điển hình

5 ns
1 µs
0,1 ms

< 50 ns
50 ns – 1 ms
> 1 ms

< 5 kHz
5 – 500 kHz
0,5 – 5 MHz

0,3 – 50 ms
20 µs
5 µs

0 – 4 pu
0 – 8 pu
0 – 4 pu

0.5 – 30 chu kỳ
0.5 – 30 chu kỳ

0,5 – 30 chu kỳ

< 0,1 pu
0,1 – 0,9 pu
1,1 – 1,8 pu

30 chu kỳ - 3 s
30 chu kỳ - 3 s

<0,1 pu
0,1 – 0,9 pu

2. Biến thiên ngắn hạn
2.1 Tức thời
2.1.1 Ngắt điện
2.1.2 Sụt áp(Sag)
2.1.3 Tăng áp (Swell)
2.2 Thoáng qua
2.2.1 Ngắt điện
2.2.2 Sụt áp

21


Nhúm
2.2.3 Tng ỏp
2.3 Tm thi
2.3.1 Ngt in
2.3.2 St ỏp
2.3.3 Tng ỏp

3. Bin thiờn di hn
3.1 Ngt in duy trỡ
3.2 in ỏp thp
3.3 in ỏp cao
4. Mt cõn bng in ỏp
5. Mộo dng súng
5.1 Thnh phn mt chiu
5.2 Súng hi
5.3 a súng hi
5.4 Notching
5.5 Noise
6. Dao ng in ỏp
7. S bin thiờn tn s.

Phm vi ph Khong thi gian
tn in hỡnh
in hỡnh
30 chu k - 3 s

0 6 kHz
Bng thụng
< 25 Hz

ln in
ỏp in hỡnh
1,1 1,4 pu

3 s 1 phỳt
3 s 1 phỳt
3 s 1 phỳt

< 0,1 pu
0,1 0,9 pu
1,1 1,2 pu

> 1 phỳt
> 1 phỳt
> 1 phỳt
Trng thỏi xỏc lp

0.0 pu
0.8 0.9 pu
1,1 1,2 pu
0,5 2 %

Trng thỏi xỏc lp
Trng thỏi xỏc lp
Trng thỏi xỏc lp
Trng thỏi xỏc lp
Trng thỏi xỏc lp

0 1%
0,1 7%

< 10 s

Quá độ

Độ lớn

Voltage Swell
(Tăng áp ngắn hạn)

Điện áp cao

110%
Điện áp làm việc bình thờng
90%

VOLTAGE SAG
(sụt áp ngắn hạn)

Điện áp thấp

10%
Thoáng qua
0,5 chu kỳ

Tức thời
3 giây

Ngắt điện duy trì
1 phút

Khoảng thời gian

Hỡnh 1.9. nh ngha v cỏc hin tng in ỏp theo tiờu chun IEEE-1159
22

1.1.3. Kết luận.
Trong các vấn đề về chất lượng điện năng, hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn
hạn cũng như sự mất điện cung cấp có ảnh hưởng lớn đến hoạt động và tuổi thọ của
các phụ tải. Mặc dù một lần sự cố mất điện cung cấp gây hậu quả nặng nề hơn một
lần sụt giảm điện áp, tuy nhiên trong thực tế tần suất xảy ra hiện tượng sụt giảm
điện áp lại lớn hơn rất nhiều so với hiện tượng mất điện cho nên nếu xét một cách
tổng thể thì hiện tượng sụt giảm điện áp lại gây ra hậu quả lớn hơn hiện tượng mất
điện. Chính vì lý do đó mà trong luận văn này, tác giả sẽ đi sâu nghiên cứu ảnh
hưởng của nguồn phân tán tới hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn trong lưới phân
phối điện.
1.2. Hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn
1.2.1. Định nghĩa về hiện tượng sụt giảm điện áp.
Tiêu chuẩn IEEE 1159 – 1995 định nghĩa sụt áp là hiện tượng biên độ điện áp
hay dòng điện giảm xuống trong khoảng từ 10% đến 90% giá trị điện áp hay dòng
điện định mức ở tần số công nghiệp trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kỳ đến 1
phút.
Thông số đặc trưng cho điện áp sụt là độ lớn, khoảng thời gian sụt áp, sự mất
cân bằng điện áp giữa các pha, độ dịch chuyển góc pha. Độ lớn sụt áp tỉ lệ với trở
kháng tính từ nguồn đến điểm sự cố. Khoảng thời gian sụt áp quyết định bởi thời
gian loại trừ sự cố, liên quan đến hoạt động của thiết bị bảo vệ là rơ le, máy cắt và
mạng truyền thông tin. Mức độ không đối xứng của điện áp ba pha liên quan chủ
yếu với sự cố không đối xứng ngắn mạch 1 pha, 2 pha, 2 pha với đất, riêng ngắn
mạch 3 pha điện áp vẫn giữ tính đối xứng. Độ dịch chuyển góc pha với ngắn mạch
3 pha do sự khác nhau về tỉ lện X/R giữa nguồn và nhánh cung cấp, nguyên nhân
thứ hai là do sự chuyển đổi qua máy biến áp từ mức điện áp cao xuống mức điện áp
thấp hơn. Độ dịch góc pha không ảnh hưởng nhiều đến phần lớn các thiết bị điện,
ngoại trừ bộ chỉnh lưu điện tử công suất có sử dụng thông tin góc pha.
Hai đặc trưng cơ bản của sụt áp chính là biên độ sụt áp và khoảng thời gian sụt
áp. Biên độ sụt áp là giá trị hiệu dụng (rms) của điện áp còn lại trong quá trình xảy

23


ra sự sụt giảm điện áp (sag), được tính bằng phần trăm của điện áp danh định. Cách
xác định này đã được IEEE chấp nhận sử dụng. Độ lớn của điện áp sụt giảm được
tính theo công thức dưới đây:
Vrms =

1 N 2
.∑ vi
N i =1

Trong đó:
- N: là số mẫu lấy trong một chu kỳ;
- vi: là các điện áp lấy mẫu theo thời gian.
Thời gian sụt áp là khoảng thời gian mà biên độ điện áp giảm xuống thấp hơn
điện áp ngưỡng bằng 90% điện áp danh định.
Trong lưới điện 3 pha: biên độ sụt áp là biên độ thấp nhất trong 3 pha so với
điện áp danh định; thời gian sụt áp là khoảng thời gian sụt áp kéo dài nhất trong 3
pha.
1.2.2. Nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt giảm điện áp.
Hiện tượng sụt giảm điện áp thông thường được gây ra do những sự cố trên hệ
thống điện. Các sự cố ngắn mạch, việc khởi động các phụ tải lớn như động cơ điện
không đồng bộ công suất lớn, hiện tượng quá tải, cắt một hàng tụ bù, đóng máy biến
áp... là các nguyên nhân chính dẫn đến sụt giảm điện áp trong hệ thống điện. Trong
các nguyên nhân gây sụt giảm điện áp thì các sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện
chiếm hơn 90% [7]. Do đó luận văn giả thiết nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện
tượng sụt giảm điện áp là ngắn mạch trong hệ thống điện.
1.3. Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng.
1.3.1. Chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện

Một số chỉ tiêu được áp dụng để đánh giá chất lượng điện năng là hiện tượng
mất điện với các chỉ tiêu được biết đến là độ tin cậy cung cấp điện như SAIFI,
SAIDI, CAIDI, CAIFI, ASAI
1.3.1.1. Chỉ tiêu SAIFI (System Average Interruption Frequency Index)
Chỉ tiêu tần suất mất điện trung bình của hệ thống, được tính bằng tổng số
khách hàng bị mất điện trên tổng số khách hàng được phục vụ.

24