Nghiên cứu điều khiển công suất phản kháng trong hệ thống truyền tải điện năng

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

PHÙNG QUANG TRUNG

Nghiên cứu điều khiển công suất
phản kháng trong hệ thống truyền
tải điện năng

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN VĂN THỊNH

HÀ NỘI - 2010


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan

5

Lời cảm ơn

6

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt

7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

8

MỞ ĐẦU

11

1. Lý do chọn đề tài

11

2. Mục đích nghiên cứu

12

3. Đối tượng nghiên cứu

12

4. Phạm vi của đề tài

12

5. Bố cục của luận văn

12

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN 13
KHÁNG
1.1. Tổng quan về công suất phản kháng

13

1.1.1. Công suất phản kháng

13

1.1.2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng

15

1.1.3. Các nguồn phát công suất phản kháng

17

1.2. Tổng quan về bù công suất phản kháng

17

1.2.1.Tổng quan

17

1.2.2. Các lợi ích khi bù công suất phản kháng

18

1.2.3. Khảo sát các loại đường dây

19

1.2.3.1. Các đường dây không bù

19

1.2.3.2. Đường dây đối xứng

24

1


1.2.4. Các phương pháp bù công suất phản kháng đường dây

26

1.2.4.1. Bù nối tiếp

26

1.2.4.2. Bù song song

27

1.2.5. Áp dụng bù nối tiếp cho đường dây đối xứng

28

1.2.6. Áp dụng bù song song cho đường dây đối xứng

30

1.3. Các thiết bị bù công suất phản kháng

32

1.3.1. Máy bù đồng bộ

32

1.3.2. Thiết bị bù tĩnh điều khiển được SVC

33

1.3.2.1. Cuộn kháng điều khiển bằng thyristor TCR

35

1.3.2.2. Cuộn kháng điều khiển thyristor-Tụ điện cố định FC-TCR

40

1.3.2.3. Cuộn kháng điều khiển thyristor-Tụ điện đóng ngắt tiếp 41
điểm MSC - TCR
1.3.2.4. Tụ đóng ngắt bằng thyristor TSC

42

1.3.2.5. Cuộn kháng điều khiển bằng Thyristor-Tụ chuyển mạch 45
bằng thyristor TSC - TCR
1.3.2.6. . So sánh về tổn hao của các kiểu SVC khác nhau

46

1.3.3. Thiết bị bù nối tiếp điều khiển bằng thyristor TCSC

47

1.3.4. Thiết bị bù tĩnh STATCOM

49

CHƯƠNG 2 – NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SVC ĐỂ ĐIỀU 52
KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ ĐIỆN ÁP HỆ
THỐNG ĐIỆN
2.1. Cấu tạo bộ bù công suất phản kháng SVC

52

2.2. Các đường đặc tính U - I của SVC

53

2.3. Điều khiển điện áp bằng SVC

57

2.4. Tác động của SVC lên điện áp hệ thống

60

2.4.1. Khi không có máy biến áp

60

2


2.4.2. Khi có thêm máy biến áp

61

2.4.3. Độ khuếch đại hệ thống

62

2.5. Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp SVC

65

2.6. Ảnh hưởng của hiện tượng công hưởng lưới điện lên đáp ứng

67

bộ điều khiển
2.7. Sự tương tác điều hòa bậc hai giữa SVC và lưới điện xoay 68
chiều`

2.7.1. Nguyên nhân của sự biến dạng điều hòa bậc hai

68

2.7.2. Ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc hai

69

2.7.3. Điều khiển cân bằng TCR

69

2.8. Ứng dụng SVC tới các hệ thống điện xoay chiều bù nối tiếp

70

2.8.1. Các kiểu cộng hưởng hệ thống điện xoay chiều

71

2.8.1.1. Cộng hưởng điện dung song song

71

2.8.1.2. Cộng hưởng đường dây nối tiếp

71

2.8.1.3. Cộng hưởng điện kháng song song

72

2.8.2. Đáp ứng quá độ SVC với các đường dây truyền tải điện xoay 72
chiều được bù nối tiếp
2.9. Sự biến dạng sóng hài bậc 3

72

2.10. Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển điện áp

73

2.10.1. Các dạng mô hình

73

2.10.2. Các nghiên cứu đánh giá đặc tính hoạt động

74

2.10.3. Các phương pháp nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển

74

2.10.3.1. Phân tích giá trị riêng

74

2.10.3.2. Nghiên cứu mô phỏng

74

CHƯƠNG 3 - MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG 76
SUẤT PHẢN KHÁNG BẰNG PHẦN MỀM PSCAD

3


3.1. Giới thiệu chung về phần mềm mô phỏng PSCAD.

76

3.1.1. Giao diện chính của phần mềm

77

3.1.2. Thư viện của PSCAD

80

3.1.3. Cách tạo một thiết kế mới trong PSCAD

81

3.1.4. Lưu thiết kế

84

3.1.5. Tải một thiết kế đã có

85

3.2. Ứng dụng PSCAD mô phỏng một hệ thống bù công suất phản 85
kháng bằng SVC
3.2.1. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống

86

3.2.2. Xác định các thông số của SVC

86

3.2.3. Thiết kế mạch điều khiển

90

CHƯƠNG 4 – KIẾN NGHỊ VỀ ĐÀO TẠO BÙ CÔNG SUẤT 98
PHẢN KHÁNG CHO SINH VIÊN
4.1. Thực trạng đào tạo bù công suất phản kháng cho sinh viên

98

4.2. Nhu cầu đào tạo bù công suất phản kháng

99

4.3. Kiến nghị về đào tạo bù công suất phản kháng cho sinh viên

99

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

102

Kết luận

102

Hướng phát triển

103

TÀI LIỆU THAM KHẢO

104

TÓM TẮT LUẬN VĂN

106

PHỤ LỤC

110

4


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những gì tôi viết trong luận văn này là toàn bộ kết quả quá trình
nghiên cứu của bản thân tôi dựa trên các nguồn tài liệu tham khảo. Cho tới nay luận

văn này chưa được ai bảo vệ tại bất kỳ hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào và chưa
được công bố trên bất kỳ phương tiện thông tin nào.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những điều tôi đã cam đoan.

Hà Nội, tháng 10 năm 2010
Học viên

Phùng Quang Trung

5


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này tôi xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo sau đại học,
Ban chủ nhiệm khoa Sư phạm kỹ thuật, Bộ môn Thiết bị điện - điện tử đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi thực hiện thành công luận văn này.
Đặc biệt với lòng biết ơn sâu sắc tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến thầy giáo
T.S Trần Văn Thịnh người trực tiếp giao đề tài và giúp đỡ tác giả rất nhiều để có
thể hoàn thành quyển luận văn này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện và động viên
khích lệ tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu hoàn thành đề tài này.
Do trình độ bản thân còn hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu
sót. Tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp, chỉ bảo và bổ sung của hội
đồng chấm luận văn tốt nghiệp và bạn đọc để luận văn được hoàn thiện hơn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn

Phùng Quang Trung

6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CHỮ VIẾT TẮT

Ý NGHĨA

CSPK

Công suất phản kháng

EMTDC

Electromagnetic Transients including DC

FACTS

Flexible AC Transmission Systems

FC

Fixed Capacitor

HTĐ

Hệ thống điện

HVDC

High Voltage Direct Current

MBA

Máy biến áp

MSC

Mechanically Swiched Capacitor

PSCAD

Power Systems Computer Aided Design

STATCOM

Static Compensator

SVC

Static VAR Compensator

TCR

Thyristor Controlled Reactor

TCRBC

TCR - Balance - Control

TCSC

Thyrristor Controlled Series Compensator

TSC

Thyristor Swiched Capacitor

VAR

Volt Ampere Reactive

VSC

Voltage Source Converter

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MINH HỌA
Hình 1.1. Tam giác công suất thông thường trong hệ thống điện.
Hình 1.2. Sơ đồ mạch điện xoay chiều đơn giản và các dạng sóng dòng điện, điện áp và
công suất của nó.
Hình 1.3. Đường dây truyền tải với điện cảm nối tiếp phân phối và điện dung song
song phân phối.
Hình 1.4. Tải cung cấp đường dây truyền tải ngắn, không tổn hao.
Hình 1.5. Điều khiển công suất phản kháng để điều chỉnh điện áp.
Hình 1.6. Bù nối tiếp đường dây.
Hình 1.7. Bù song song đường dây
Hình 1.8. Đường dây truyền tải đối xứng.
Hình 1.7. Bù nối tiếp đường dây.

Hình 1.8. Bù nối tiếp đường dây đối xứng.
Hình 1.10. Bù song song tại điểm giữa đường dây đối xứng.
Hình 1.11. TCR một pha.
Hình 1.12. Dòng điện và điện áp của TCR với các góc α khác nhau.
Hình 1.13. TCR 3 pha nối tam giác với các dạng sóng dòng điện dây và pha của nó với
các góc mở α khác nhau.
Hình 1.14. Sơ đồ đường dây của bộ bù TCR với các tụ bù song song cố định.
Hình 1.15. Đặc tính hoạt động của TCR với các góc mở α khác nhau.
Hình 1.16. Một bộ bù FC-TCR.
Hình 1.17. Các mạch điện khác nhau của bộ bù MSC-TCR
Hình 1.18. Các mạch TSC khác nhau: nhánh TSC một pha; TSC 3 pha nối tam giác;
Nối trung tính với thứ cấp máy biến áp 3 pha nối sao.
Hình 1.20. Đặc tính hoạt động của TSC
Hình 1.21. Một SVC kiểu TSC-TCR nói chung.
Hình 1.22. So sánh tổn hao các kiểu SVC khác nhau

8


Hình 1.23. Cấu tạo một TCSC cơ bản.
Hình1.24 STATCOM nối với hệ thống điện xoay chiều.
Hình1.25. Sơ đồ tương đương một pha của hệ thống điện với bộ điều khiển
STATCOM
Hình 2.1. Cấu tạo một SVC kiểu FC – TCR.
Hình 2.2 Các đặc tính của SVC: Đặc tính điện áp – dòng điện của SVC
và đặc tính điện áp - công suất phản kháng của SVC
Hình 2.3. Hệ thống điện có SVC: Sơ đồ khối đơn giản; Biểu đồ véc tơ của hệ thống với
dòng điện điện cảm và các đường đặc tính của nó.
Hình 2.4. Sự biểu diễn của hệ thống điện và SVC bao gồm máy biến áp ghép.
Hình 2.5. Các phần tử cơ bản của bộ điều chỉnh điện áp SVC điều khiển với TSC

Hình 2.6. Trở kháng lưới điện như một hàm số của tần số
Hình 2.7. Sơ đồ khối điều khiển cân bằng TCR cơ bản
Hình 2.8. SVC được lắp đặt trong hệ thống bù nối tiếp.
Hình 3.1. Giao diện thiết kế của phần mềm PSCAD
Hình 3.2. Thanh menu chính
Hình 3.3. Thanh công cụ chính trong PSCAD
Hình 3.4. Thanh công cụ run time trong PSCAD
Hình 3.5. Các thanh công cụ chức năng trong PSCAD
Hình 3.6. Thư viện chính của PSCAD
Hình 3.7. Cửa sổ giao diện Project Setting trong PSCAD
Hình 3.8. Cửa sổ Workspace trong PSCAD
Hình 3.9. Sơ đồ một hệ thống điện được nối với SVC
Hình 3.10. các giá trị điện cảm và điện dung của SVC
Hình 3.11. Sơ đồ mô phỏng mạch điện SVC trong PSCAD
Hình 3.12. Sơ đồ điều khiển của FC-TCR
Hình 3.13. Sơ đồ mạch điều khiển SVC trong PSCAD

9


Hình 3.14. Điện áp hiệu dụng tại điểm tải: Với SVC hoạt động trong kiểu vòng hở và
SVC hoạt động trong kiểu vòng kín
Hình 3.15. Điện áp tải: (a) khi không bù công suất phản kháng và (b) khi có bù công
suất phản kháng
Hình 3.16. Các dạng sóng của dòng điện SVC: Khi SVC hoạt động trong kiểu vòng hở
và khi SVC hoạt động trong kiểu vòng kín
Hình 3.17. Các dạng sóng đặc trưng SVC trong kiểu vòng hở: Điện áp tải; điện áp cuộn
cảm; dòng điện qua cuộn cảm; điện áp trên tụ; dòng điện qua tụ và dòng điện tổng
SVC
Hình 3.18. Các dạng sóng đặc trưng SVC trong kiểu vòng kín: Điện áp tải; điện áp

cuộn cảm; dòng điện qua cuộn cảm; điện áp trên tụ; dòng điện qua tụ và dòng điện
tổng SVC.

10


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên thế giới do
nó có ưu điểm là dễ dàng chuyển đổi sang các dạng năng lượng khác.
Ở Việt Nam điện năng giữ một vai trò then chốt trong sự nghiệp công nghiệp hóa và
hiện đại hóa đất nước. Nó trở thành nguồn năng lượng trong tất cả các ngành kinh tế
quốc dân và sinh hoạt hàng ngày của con người, do đó nảy sinh ra yêu cầu cung cấp
điện cho các xí nghiệp, nông thôn thành phố…Tuy nhiên các nhà máy điện thường
được xây dựng tập trung có công suất lớn tại những nơi có nguồn nhiên liệu (than, dầu
khí, nước…) để tiện cho việc vận hành nhà máy vì vậy cần phải cung cấp điện từ nơi
sản xuất đến nơi tiêu thụ bằng hệ thống các đường dây truyền tải điện và các máy biến
áp cùng các thiết bị khác trên đường dây. Vấn đề đặt ra là làm sao đảm bảo sự ổn định
điện áp trên đường dây truyền tải đến nơi tiêu thụ và một nguyên nhân lớn ảnh hưởng
tới sự ổn định điện áp đó là sự thay đổi của một đại lượng công suất được gọi là công
suất phản kháng.
- Khi đầy tải, công suất phản kháng làm sụt áp trên đường dây làm giảm ổn định tĩnh
của hệ thống tải điện, giảm khả năng ổn định động và ổn định tổng quát, nếu thấp quá
có thể gây mất ổn định phụ tải.
- Khi non tải, công suất phản kháng làm tăng điện áp trên đường dây gây nguy hiểm
cho thiết bị hệ thống điện.
Vì vây cần thiết phải điều khiển công suất phản kháng trong hệ thống truyền tải điện.
Tuy nhiên hiện nay ở Việt Nam các bộ bù công suất phản kháng hiện chưa có nhiều mà
lưới thì cần được ổn định.
Vì vậy tác giả quyết định chọn đề tài: “ Nghiên cứu điều khiển công suất phản

kháng trong hệ thống truyền tải điện năng” làm đề tài luận văn tốt nghiệp thạc sĩ
chuyên ngành “Sư phạm kỹ thuật”

11


2. Mục đích nghiên cứu:
- Nghiên cứu tổng quan về việc bù công suất phản kháng và đưa ra các giải pháp để ổn
định lưới. Ngoài ra mục đích của đề tài còn muốn kiến nghị về việc đào tạo trang bị
thêm kiến thức về bù công suất phản kháng cho sinh viên nghành điện.
3. Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu chính ở đây là các phương pháp dùng để điều khiển công suất
phản kháng trong hệ thống lưới truyền tải và phân phối điện.
4. Phạm vi của đề tài:
Chỉ dừng ở mức nghiên cứu lý thuyết về điều khiển công suất phản kháng và mô
phỏng.
5. Bố cục luận văn:
Ngoài phần mở đầu, kết luận, các danh mục tài liệu tham khảo, nội dung luận văn bao
gồm 4 chương:
- Chương 1: Tổng quan về bù công suất phản kháng.
- Chương 2: Nghiên cứu ứng dụng SVC để điều khiển công suất phản kháng và điện
áp hệ thống điện.
- Chương 3: Mô phỏng hệ thống điều khiển công suất phản kháng bằng phần mềm
PSCAD
- Chương 4: Kiến nghị về đào tạo bù công suất phản kháng cho sinh viên.

12


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
1.1.Tổng quan về công suất phản kháng:
1.1.1.Công suất phản kháng:
Trong chương này, giúp chúng ta hiểu về công suất phản kháng và các phương pháp
bù công suất phản kháng.
Trong hệ thống điện có ba loại công suất:
- Công suất tác dụng P là công suất đặc trưng cho hiện tượng biến đổi điện năng
thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, cơ năng, quang năng…đây chính là
công suất sinh công. Công suất tác dụng được đo bằng Watts (W)
- Công suất phản kháng Q là công suất đặc trưng cho cường độ quá trình trao đổi
năng lượng điện từ trường. Công suất này không sinh công vì thế nó còn được gọi là
công suất vô công. Đơn vị của công suất phản kháng là VAR (Volt – Ampere –
Reactive)
- Công suất biểu kiến S đây là công suất toàn phần được tính bằng công thức
S = U .I = P 2 + Q 2 . Đơn vị của công suát biểu kiến là VA (Volt _ Ampere).

Quan hệ giữa P, Q, S được mô tả bằng tam giác công suất như sau:
S
Q
φ
φ

P

U

I

Hình 1.1. Tam giác công suất thông thường trong hệ thống điện.

13


Để tìm hiểu thêm ta xét một mạch điện như sau:
P,Q

Us

I

U 0o

Z φ

u = Umax sin(ωt)
i = Imax sin(ωt - φ)
0

t
φ
p=ui

0

P = UIcosφ

UIcosφ(1-cos2ωt)

t

Q = UIsin φ

0
t

UIsinφsin2ωt

Hình 1.2. Sơ đồ mạch điện xoay chiều đơn giản và các dạng sóng dòng điện, điện áp
và công suất của nó.
Ta có:

14


Công suất tức thời từ nguồn điện áp tới tải Z ∠ϕ được rút ra từ điện áp tức thời u và
dòng điện i được cho như sau:

p = ui

(1.1)

Trong trạng thái ổn định, tại đó:
u = U max sin ωt =

2.U .sin ωt .

và i = I max .sin (ωt − ϕ ) =

2 I .sin (ωt − ϕ ) .

Với U và I là giá trị hiệu dụng của u và i
U max I max
⎡⎣cosϕ − cos ( 2ωt − ϕ ) ⎤⎦ = UI ⎡⎣ cosϕ − ( cosϕ .cos2ωt − sin ϕ .sin 2ωt ) ⎤⎦
2
p = UI .cosϕ (1 − cos2ωt ) + UI sin ϕ sin 2ωt .
(1.2)
p=

Nhận xét:
Số hạng đầu tiên có giá trị trung bình cực đại là U.I.cosφ. Giá trị trung bình này chính
là công suất tác dụng, P, đi từ nguồn tới tải.
Số hạng thứ hai có giá trị trung bình bằng 0 vì đối xứng qua trục thời gian, nhưng giá
trị cực đại của nó là U.I.sinφ. Giá trị này chính là công suất phản kháng
Công suất biểu kiến trong hình như sau:
.

.

S = U I = P + jQ = UIcosϕ + jUI sin ϕ

(1.3)

Vậy công suất tác dụng P được tính theo công thức:
P = UI sin ϕ

(1.4)

công suất phản kháng được tính theo công thức:
Q = UI sin ϕ

(1.5)

Trong đó φ là góc lệch pha giữa u và i
1.1.2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng:
Công suất phản kháng được tiêu thụ ở động cơ không đồng bộ, máy biến áp, trên
đường dây điện và mọi nơi có từ trường. Yêu cầu công suất phản kháng chỉ có thể

15


giảm đến tối thiểu chứ không thể triệt tiêu được vì nó cần thiết để tạo ra từ trường, yếu
tố trung gian cần thiết trong quá trình chuyển hóa điện năng.
Sự tiêu thụ công suất phản kháng trên lưới điện có thể được phân chia một cách gần
đúng như sau:
- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 60% đến 65%.
- Máy biến áp tiêu thụ 22% đến 25%.
- Đường dây tải điện và các phụ tải khác là 10%.
Như vậy động cơ không đồng bộ và máy biến áp là hai loại máy điện tiêu thụ nhiều
công suất phản kháng nhất. Công suất tác dụng P là công suất được biến thành công
như cơ năng hoặc nhiệt năng trong các máy dùng điện, còn công suất phản kháng Q là
công suất từ hóa trong máy điện xoay chiều, nó không sinh ra công. Quá trình trao đổi
công suất phản kháng giữa máy phát điện và phụ tải là một quá trình dao động.
Trong mỗi chu kỳ của dòng điện, Q đổi chiều 4 lần, giá trị trung bình của Q trong 1 2
chu kỳ dòng điện bằng không. Cho nên việc tạo ra công suất phản kháng cung cấp cho
phụ tải không nhất thiết phải lấy từ nguồn mà có thể cung cấp trực tiếp cho phụ tải (tụ
điện, máy bù đồng bộ cùng các thiết bị bù công suất phản kháng khác).
Nhu cầu công suất phản kháng chủ yếu là ở các xí nghiệp công nghiệp cosφ của
chúng dao động từ 0,5 đến 0,8 nghĩa là cứ 1kW công suất tác dụng thì chúng yêu cầu
từ 0,75 đến 1,7 kVAr công suất phản kháng.
Trong xí nghiệp công nghiệp các động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 65% đến

75% công suất phản kháng, các máy biến áp từ 15% đến 22%, các phụ tải khác là 5%
đến 10% tổng dung lượng công suất phản kháng yêu cầu. Do vậy muốn giảm công suất
phản kháng phải chú ý đến các động cơ không đồng bộ.
Nhu cầu công suất phản kháng ở các hộ phụ tải sinh hoạt dân dụng không nhiều vì
cosφ của chúng thường lớn hơn 0,9. Nhu cầu công suất phản kháng ở các máy công
suất nhỏ là 10% công suât định mức của chúng, ở máy biến áp lớn là 3%, còn ở các
máy biến áp siêu cao áp có thể từ 8% dến 10% để hạn chế dòng ngắn mạch.

16


Đặc điểm của công suất phản kháng là thay đổi theo thời gian cũng như công suất tác
dụng.
1.1.3.Các nguồn phát công suất phản kháng:
Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện rất hạn chế, cosφ = 0,8
đến 0,85. Vì lý do kinh tế người ta không làm các máy phát có khả năng phát nhiều
công suất phản kháng đủ cho phụ tải (ở chế độ max). Các máy phát chỉ đảm đương 1
phần yêu cầu công suất phản kháng của phụ tải, nó gánh chức năng điều chỉnh công
suất phản kháng trong hệ thống điện làm cho nó đáp ứng được nhanh chóng yêu cầu
luôn thay đổi của phụ tải. Phần còn lại trông vào các nguồn công suất phản kháng đặt
thêm tức là nguồn công suất bù (máy bù đồng bộ, tụ điện) và các thiết bị bù khác.
Trong hệ thống điện còn phải tính đến một nguồn công suất phản kháng nữa đó là các
đường dây siêu cao áp. Các đường dây này phát ra một lượng công suất phản kháng
đáng kể, trong chế độ max nó làm nhẹ đi khá nhiều vấn đề thiếu công suất phản kháng.
Nhưng trong chế độ non tải nó gây thừa công suất phản kháng đến mức có thể gây ra
sự cố mà cần phải đối phó bằng cách đặt các kháng điện, nếu các đường dây này quá
dài.
1.2. Tổng quan về bù công suất phản kháng:
1.2.1. Tổng quan:
Trong các hệ thống điện, điện áp nút bị ảnh hưởng tương đối lớn bởi các sự thay đổi

tải và các thay đổi trong cấu trúc lưới truyền tải điện. Khi lưới điện làm việc ở chế độ
tải nặng điện áp có thể sụt giảm xuống và thậm chí có thể sụp đổ và mất ổn định. Nó sẽ
dẫn tới sự làm việc của các rơ le thấp áp và các bộ điều khiển cảm biến điện áp khác
dẫn tới sự ngắt điện rộng của các tải, tác động không mong muốn đến các khách hàng.
Nói cách khác khi mức độ tải trong hệ thống là thấp, các quá áp có thể bắt nguồn từ các
hiệu ứng Ferranti gây ra trong các đường dây không tải dẫn tới việc bù quá điện dung
và sự quá kích thích của các máy điện đồng bộ. Các quá điện áp gây hư hỏng thiết bị,

17


gây ra phá hỏng cách điện và sinh ra bão hòa từ trong các máy biến áp, kết quả là sinh
ra các sóng hài không mong muốn.
Theo cách truyền thống, các cuộn cảm lõi sắt đã được dùng để hấp thụ công suất phản
kháng kết quả là làm giảm điện áp tại điểm nối. Ngược lại, các bộ tụ điện được sử dụng
để cung cấp công suất phản kháng, kết quả là điện áp tại điểm nối tăng lên. Khi các bộ
điều chỉnh điện áp thích hợp được yêu cầu, các máy bù đồng bộ đã được dùng. Chúng
phát và hấp thụ công suất phản kháng từ lưới phụ thuộc vào chúng hoạt động ở chế độ
quá kích kích hay chế độ dưới kích thích. Các tiến bộ trong điện tử công suất cùng với
các phương pháp điều khiển điện tử phức tạp và tinh xảo, đã có thể chế tạo ra và phát
triển các thiết bị SVC nhanh vào đầu những năm 1970 dẫn tới sự thay thế dần máy bù
đồng bộ (Miller, 1982). Sự phát triển gần đây nhất trong lĩnh vực bù song song được
điều khiển kiểu điện tử là STATCOM (Hingorani và Gyugyi, 2000). Nó dựa trên VSC
và kết hợp với các ưu điểm hoạt động của máy bù đồng bộ quay và SVC. Cho đa số
các mục đích sử dụng, nó được hi vọng thay thế SVC trở nên dễ hiểu hơn với các kỹ sư
thực hành và gia thành hạ.
1.2.2. Các lợi ích khi bù công suất phản kháng:
- Bù công suất phản kháng sẽ giúp ổn định điện áp lưới điện.
- Bù công suất phản kháng nâng cao hệ số công suất cosφ làm việc sử dụng các thiết bị
điện hiệu quả hơn.

- Bù công suất phản kháng sẽ tăng công suất phát cho các nhà máy điện, tăng khả năng
tải cho các phần tử mang điện, giảm tổn thất công suất góp phần khắc phục thiếu điện.
- Bù công suất phản kháng sẽ giảm chi phí đầu tư nguồn và nâng cấp lưới điện, giảm
tổn thất điện năng góp phần bình ổn giá điện.
Để có thể bù công suất phản kháng một cách có hiệu quả. Ta sẽ khảo sát từng loại
đường dây để đưa ra các phương pháp bù phù hợp.

18


1.2.3. Khảo sát các loại đường dây:
1.2.3.1. Các đường dây không bù:
Hình 1.3 chỉ ra đường dây truyền tải một pha với điện cảm phân phối l (H/m) và điện
dung phân phối c (F/m).
I(x)
Ir

Us

Ur

U(x)
x

a

Hình 1.3. đường dây truyền tải với điện cảm nối tiếp phân phối và điện dung song song
phân phối
.

.

Phương trình véc tơ điện áp và dòng điện U ( x ) và I ( x ) là:
.

.
d2U
=
ZyU
dx 2

(1.6a)

.

.
d2 I
=
Zy
I
dx 2

(1.6b)

Tại đó: Zy = ( r + jωl )( g + jω c )
Với: x: là chiều dài đường dây (m)
r: là điện trở trên độ dài đơn vị (Ω/m) nối tiếp với l.
g: là điện dẫn trên độ dài đơn vị (S/m) song song với c.
ω: là tần số góc, ω = 2π f .

19


Với đường dây không tổn hao, r và g đều nhỏ, khi đó Z y = j β , với β = ω l.c rad/m:
Số sóng.. Vận tốc truyền sóng v = 1

lc

(

nhỏ hơn vận tốc của ánh sáng 3.108 m

s

) và

β = 2π f v = 2 λ , tại đó λ = u f là bước sóng.
Các nghiệm tổng quát được cho như sau:
.

.

.

U ( x ) = U s cosβ x − jZ 0 I s sin β x

(1.7a)

.

Us
I ( x ) = I s cosβ x − j
sin β x
Z0
.

.

(1.7b)

Các phương trình này được dùng để tính điện áp và dòng điện tại bất kỳ điểm nào
trên đường dây, tại một khoảng cách x tính từ đầu cấp.
Trong đó:
l
Ω: Tổng trở đặc tính hay trở kháng sóng xung của đường dây.
c

Z0 =

Giá trị điển hình của Z 0 với đường dây điện áp cao là 250Ω. Lưu ý rằng nếu
xL = ωl (Ω/m) là cảm kháng nối tiếp và xC =

1
(Ω/m) là dung kháng song song, khi
ωc

đó chúng ta có thể viết lại Z 0 = xL .xC và β =

xL

xC

β a = ω l.c .a rad: độ dài điện của a km đường dây.
Từ công thức (1.7), chúng ta có:
.

.

U s cosβ a − U r
Is =
j.Z 0 .sin β a
.

20


.

.

Nếu U s = U s ∠0o và U r = U r ∠ − δ = U r ( cosδ − j sin δ ) thì:
.

IS =

U r sin δ + j (U r cosδ − U s cosβ a )

(1.8)

Z 0 .sin β a

Từ đó, ta đưa ra công suất tại đầu cấp là:
.

.

S s = Ps + jQs = U s . I s

U sU r sin δ
U s2cosβ a − U sU r cosδ
=
+j
Z 0 sin β a
Z0 sin β a

(1.9)

Tương tự ta có công suất tại đầu nhận là:
U sU r sin δ
U r2cosβ a − U sU r cosδ
S r = Pr + jQr = −
+j
Z 0 sin β
Z0 sin β a

(1.10)

So sánh công thức (1.9) và (1.10) và hình (1.3), đưa ra kết luận cho dây dẫn không tổn
hao, Ps = − Pr , giống như ta mong muốn. Tuy nhiên, Qs ≠ Qr bởi vì sự hấp thụ / sự phát
công suất phản kháng trên đường dây.

Từ công thức (1.9) và (1.10), ta có công suất từ đầu cấp đến đầu nhận như sau:

P=

U sU r sin δ
Z 0 sin β a

Trong các đường dây điện ngắn, β a là rất nhỏ, giả thiết:
Sinβ a = β a hoặc Z 0 sin β a = Z 0 β a = ω a

l
.lc = ωla
c

tại đó ω.L.a = X L là điện kháng nối tiếp tổng của đường dây.
Từ đó:
P=

U sU r
sin δ
XL

(1.11)

21


Vì vậy, việc truyền công suất lớn nhất phụ thuộc vào chiều dài của đường dây. Khi
yêu cầu truyền công suất với chiều dài cho trước của đường dây tăng lên, các điện áp
truyền tải U s và U r phải được chọn cao hơn.

Để hiểu rõ sự cần thiết điều khiển công suất phản kháng, ta xét một đường dây truyền
tải ngắn không tổn hao, nối từ nguồn U s tới tải Z ∠ϕ (để đơn giản, đường dây được
mô tả chỉ bằng thành phần cảm kháng X L ). Hình 1.4 mô tả một mạch điện cùng với sơ
đồ véc tơ điện áp và dòng điện.
XL

Us

IL

j I&r XL

Z ∠ϕ

Us δ

Ur

.

0

δ

j I X XI

Ir

Vr

φ

Ix

(a)

IL

∆U1

(b)

∆U2

Hình 1.4 Tải cung cấp đường dây truyền tải ngắn, không tổn hao.
Từ hình 1.4b dễ dàng thấy được giữa điện áp đầu cấp và điện áp đầu nhận có một sự
biến thiên độ lệch được tạo ra. Phần đáng kể nhất của sự sụt giảm điện áp trong điện
.

kháng đường dây là ( ∆U1 = j I x X L ), nó do dòng điện tải phản kháng I X . Để giữ cho
điện áp lưới gần với giá trị định mức, ta có thể điều khiển bằng hai cách là: bù phụ tải
và bù hệ thống.
- Bù phụ tải:

Cách này có thể bù cho dòng điện phản kháng I x của tải bằng cách thêm vào tải điện
dung mắc song song để tạo ra dòng điện I c = − I x . Như vậy sẽ triệt tiêu I x làm mất sụt
điện áp ∆U1, do đó U r đến gần hơn đại lượng U s , chế độ này được gọi là bù phụ tải.

22

Các phụ tải được bù đến hệ số công suất đơn vị làm giảm sự sụt áp của đường dây
.

nhưng không triệt tiêu được nó. Vẫn còn sự sụt giảm điện áp ∆U2 từ j I r X L .
- Bù hệ thống:

Us

jXL

Ic

I&L

∆Ic

Ic+∆Ic
Z φ

Us δ

j I&l Xl

U

δ

o

0

φ

Ix

(a)

Ur

Ir

IL
∆U2=∆ I&c XL
(b)

Hình 1.5 Điều khiển công suất phản kháng để điều chỉnh điện áp
Để điều chỉnh điện áp đầu nhận tại giá trị định mức có thể trang bị thêm bộ bù công
suất phản kháng như hình 1.5. Bộ bù này đưa ra một dòng điện phản kháng để vượt
qua cả hai thành phần sụt áp ∆U1 và ∆U2 như một hệ quả của dòng điện tải I L chạy
xuyên qua điện kháng cuộn dây XL. Để bù cho ∆U2, một dòng điện điện dung ∆I C được
thêm vào, ∆I C vượt lên trên I C bù cho I X . Khi ∆I c . X L = ∆U 2 , điện áp đầu nhận
U r bằng điện áp đầu cấp U s . Như vậy thiết bị bù đã đảm bảo chất lượng nguồn cấp.

(*) Giải thích về các đại lượng Per unit (pu):
Các đại lượng Per unit hay các đại lượng pu là các đại lượng được chuẩn hóa tới đại
lượng cơ bản. Ví dụ: Xét động cơ 5 kW làm việc tại 3 kW. Công suất thực tế hiện tại là
3 kW. Công suất cơ bản là 5 kW. Công suất đơn vị chuẩn là 3 = 0,6 pu .
5
Nói chung: x =

X
pu
Xb

23


Trong đó x là giá trị per-unit hay giá trị chuẩn hóa. X là giá trị thực tế hay giá trị tức
thời và Xb là giá trị cơ bản hay giá trị gốc.
1.2.3.2. Đường dây đối xứng:

Khi độ lớn của điện áp tại hai đầu của đường dây là bằng nhau, khi đó,
U s = U r = U , đường dây được gọi là đối xứng. Bởi vì lưới cũng như các nguồn điện

áp, các thực nghiệm được làm để giữ đại đa số điện áp nút tại giá trị gần như định mức.
Từ công thức (1.9) và (1.10) Suy ra mối quan hệ như sau:
Ps = − Pr =

U2
sin δ
Z 0 sin β a

(1.12)

U 2cosβ a − U 2 cosδ
Z 0 sin β a

(1.13)

Và:
Qs = Qr =

Công suất tác dụng và công suất phản kháng của đường dây truyền tải được chuẩn hóa
thường xuyên bởi sự lựa chọn tải tổng trở đặc tính hay tải trở kháng của sóng xung
(Surge Impedace Load – SIL). SIL được xác định bằng:
P0 =

2
U dm
, với Uđm là điện áp định mức.
Z0

Khi Us = Ur = Uđm
Ps
P
sin δ
=− r =
P0
P0 sin β L

(1.14)

Và:
Qs Qr cosβ a cosδ
=
=
−
Q0 Q0 sin β a sinβ a

(1.15)

- Các điều kiện điểm giữa của đường dây đối xứng:

Độ lớn của điện áp điểm giữa phụ thuộc vào sự truyền tải công suất. Điện áp này ảnh
hưởng đến sự cách điện của dây dẫn và do đó cần được hiểu rõ ràng. Từ công thức

24