Đánh giá ảnh hưởng của các nguồn thủy điện nhỏ đến chất lượng

Lu n v n t

s

o

1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những các số
liệu và kết quả nêu trong luận văn này là hoàn thành trung thức và chưa từng
được công bố trước đây.
Keutsombat THAMMACHACK

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

2

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Chính phủ CHDCND Lào và
Chính phủ nước CHXHCH Việt Nam đã tạo điều kiện cho tôi được nghiên
cứu khoa học tại Việt Nam và xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới Ban Giám

hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Tham tán giáo dục văn hóa – Đại sứ
quán Lào tại Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá
trình học tập tại Việt Nam.
Nhân dịp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành cảm ơn
tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. NGUYỄN LÂN TRÁNG là người đã chỉ
dẫn và giúp đỡ tận tình cho tôi hoàn thành luận văn thác sĩ của mình tốt đẹp
và chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các thầy cô trong trường đã đóng
góp ý kiến quý báu trong luận văn của tôi đầy đủ hơn và hoàn thiện hơn.
Cũng nhân dịp này tôi xin tỏ lòng biết ơn Bộ Năng lượng – Mỏ Lào,
Cục Điện lực, Tổng công ty Điện lực Lào đã giúp đỡ cung cấp số liệu cần
thiết cho tôi để nghiên cứu và cuối cùng tôi xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình
của tôi, họ hàng thân thiết và bạn b đã động viên nhiệt tình giúp đỡ tôi cả vật
chất lẫn tinh thần khích lệ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn trở ngại khi thực
hiện luận văn.
Luận văn được hoàn thành tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm
2013. Quá trình làm luận văn do thời gian có hạn, vấn đề nghiên cứu còn rộng
và phức tạp, trình độ của bản thân còn hạn chế nên chắc chắn luận văn không
tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý
kiến của các thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn và còn gì
chưa làm được sau này tôi xin tiếp tục nghiên cứu thêm.
Sau khi hoàn thành luận văn, tôi sẽ trở về phục vụ Tổ Quốc thân yêu
của mình và đóng góp xây dựng đất nước, nhất là trong Trường Cao đẳng
Bách Khoa. Xin chúc mối quan hệ hữu nghị, tình đoàn kết đặc biệt và sự hợp
tác toàn diện giữa 2 Đảng và 2 dân tộc Lào – Việt Nam mãi mãi xanh tươi và
đời đời bền vững.
Keutsombat THAMMACHACK

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH

Lu n v n t

s

o

3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ 2
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, CÁC ĐỒ THỊ .................................................................... 7
MỞ ĐẦU ................................................................................................................................ 9
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN..................................................................................................................... 12

1.1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu về chất lượng điện năng trong hệ
thống điện ...................................................................................................... 12
1.2. Định nghĩa về chất lượng điện năng ...................................................... 13
1.2.1. Định nghĩa....................................................................................... 13
1.2.3. Chỉ tiêu điện áp ............................................................................... 14
1.3. Tổng quan các vấn đề về chất lượng điện năng ..................................... 15
1.3.1. Quá trình quá độ ............................................................................. 15
1.3.2. Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian dài ........................... 17
1.3.3. Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian ngắn ........................ 18
1.3.4. Mất cân bằng điện áp ( Voltage Imbalance ) .................................. 21
1.3.5. Độ méo sóng ( Waveform Distortion ) ........................................... 22

1.3.6. Dao động điện áp (Voltage Fluctuation ) ....................................... 24
1.3.7. Sự biến thiên tần số công nghiệp ( Power Frequency Variation ) . 25
CHƢƠNG II. THỰC TRẠNG HỆ THỐNG ĐIỆN CỦA CHDCND LÀO ................... 27

2.1.

Thực trạng nguồn phát điện và thị trường điện của Lào .................... 27

2.1.1. Nguồn phát điện đã có và đang hoạt động ..................................... 27
2.1.2. Nguồn phát điện đang cung cấp trong nước .................................. 30
2.2. Lưới điện và trạm biến áp ...................................................................... 31
2.2.1. Yêu cầu sử dụng điện năng E (GWh) và công suất tối đa N(MW) ...... 35
2.2.2. Phân loại phụ tải ............................................................................. 36

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

4

2.2.3. Sản xuất điện năng, xuất khẩu và nhập khẩu điện năng trong
nước …………………………………………………………………38
CHƢƠNG III. ẢNH HƢỞNG CỦA THỦY ĐIỆN NHỎ ĐẾN CHẤT LƢỢNG

ĐIỆN NĂNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ............................................................................ 43

3.1. Ảnh hưởng của nhà máy thủy điện nhỏ Xê Xết 3 miền Nam của Lào .. 43
3.1.1. Tính toán chọn phương thức và vận hành cơ bản .......................... 43
3.1.2. Ảnh hưởng của nhà máy thủy điện đến chất lượng điện áp trong
hệ thống điện miền Nam Lào ................................................................... 52
3.1.3. Ảnh hưởng đến trào lưu công suất và khả năng mang tải của
thiết bị ....................................................................................................... 53
3.1.4. Ảnh hưởng đến dòng ngắn mạch .................................................... 54
3.1.5. Ảnh hưởng đến việc giảm xác suất thiếu công suất nguồn ............ 55
3.1.6 . Những đường dây bị quá tải khi vận hành theo phương án 2 ............ 59
3.1.7. Điện áp tại các nút khi vận hành theo phương án 2 ........................... 59
3.1.8. Giới hạn phát công suất của các nhà máy .......................................... 62
3.2. Chế độ sự cố mất một phần tử trong hệ thống của phương án tách
lưới điện .................................................................................................... 63
3.3. Các ảnh hưởng của thủy điện nhỏ khi có thêm nhà máy Xê La Bắm ... 67
3.3.1. Ảnh hưởng đến chất lượng điện áp ..................................................... 67
3.3.2. Ảnh hưởng đến trào lưu công suất và khả năng mang tải của thiết
bị khi kết nối với nhà máy thủy điện Xê La Bắm ........................................ 69
3.3.3. Ảnh hưởng đến dòng ngắn mạch khi có nhà máy thủy điện Xê La
Bắm

…………………………………………………………………70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 71
PHỤ LỤC............................................................................................................................. 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 104

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CHDCND:

Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân.

EDL:

Electricite Du Laos. (Tổng công ty điện lực Lào)

EGAT:

Electricity Generation Authority of Thailand. (Tổng công
ty phát điện Tháilan)

EVN:

Electricity Viet Nam. (Tổng công ty điện lực Việt Nam)

IPP:

Independent Product Power. (Nhà máy thủy điện tư nhân)

NMTĐ:

Nhà Máy Thủy Điện.

LOLP:

Loss of Load Probabillity. (Xác suất thiếu hụt điện năng)

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Hiện trạng các nguồn phát điện ở Lào ............................................ 30
Bảng 2.2: Hiện trạng trạm biến áp 115/22kV ................................................. 32
Bảng 2.3: Hiện trạng lưới điện Lào kết nối với lưới điện của nước ngoài ..... 35
Bảng 2.4: Yêu cầu dùng điện trong cả nước ................................................... 36

Bảng 2.5: Tỉ lệ theo công suất của các loại hộ dùng điện (tính %) ................ 37
Bảng 2.6: Số liệu cụ thể các hộ dùng điện (tính GWh) .................................. 38
Bảng 2.7: Sản xuất điện năng, xuất và nhập khẩu điện năng và sử dụng điện38
Bảng 3.1: Các nhà máy thủy điện của hệ thống điện miền Nam Lào………44
Bảng 3.2: Tổn thất công suất trong hệ thống điện miền Nam Lào ................. 47
Bảng 3.3: Điện áp các nút của hệ thống điện trong chế độ cực đại ................ 49
Bảng 3.4: Tổn thất điện áp cực đại ................................................................. 50
Bảng 3.5: Điện áp nút của hệ thống điện trong chế độ cực tiểu ..................... 51
Bảng 3.6: Tổn thất điện áp lớn nhất ................................................................ 52
Bảng 3.7: Dòng ngắn mạch của 3 phương án ................................................. 54
Bảng 3.8: Kết quả tính toán trào lưu công suất của các đường dây của 3
phương án ........................................................................................................ 55
Bảng 3.9: Xác suất thiếu công suất khi chưa có nhà máy Xê Xết 3…………57
Bảng 3.10: Xác suất thiếu công suất khi có nhà máy Xê Xết 3 ...................... 58
Bảng 3.11: đường dây bị quá tải ..................................................................... 59
Bảng 3.12: Điện áp tại các nút ........................................................................ 60
Bảng 3 .13: Công suất phát của các nhà máy.................................................. 62
Bảng 3.14: Điện áp các nút từ Xê Đôn đến Xê Kha Mán khi tách đường dây
Bắng Yo – Jiang Xai trong chế độ cực tiểu .................................................... 65
Bảng 3.15: Điện áp 115kV Phôn Sa Vắn và khu vực lân cận khi tách lưới điện
115kV Jiang Xai – Bắng Yo, Bắng Yo – Xê Xết 3 trong chế độ cực tiểu. .... 67
H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

7

Bảng 3.16: Điện áp các nút của đường dây 115kV Jiang Xai – Bắng Yo và Xê
Xết 3 – Bắng Yo và lưới điện 22kV/115kV Phôn Sa Vắn và khu vực lân cận
khi thêm nhà máy thủy điện Xê La Bắm trong chế độ cực đại ....................... 68
Bảng 3.17: Thay đổi trào lưu công suất của các đường dây trong mạch vòng
của lưới điện 115kV trước và sau khi có nhà máy thủy điện Xê La Bắm ...... 70

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, CÁC ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Quá trình quá độ xung do sét đánh ................................................. 16
Hình 1.2: Xung dòng điện dao động quá độ gây ra bởi việc đóng cắt các tụ . 17
Hình 1.3: Sụt giảm điện áp do sự cố ngắn mạch một pha .............................. 19
Hình 1.4: Sụt giảm điện áp do khởi động một động cơ lớn. ........................... 20
Hình 1.5: Tăng áp ở pha không bị sự cố gây ra bởi sự cố chạm đất một pha. 21
Hình 1.6: Mất cân bằng điện áp trong một tuần tại một nhánh cung cấp điện

cho hộ gia đình. ............................................................................................... 22
Hình 1.7: Hiện tượng đột điện áp .................................................................... 24
Hình 2.1: Tổng công suất lắp máy ở Lào đến cuối năm 2008 ........................ 27
Hình 2.2: Hiện trạng hệ thống điện của Lào chia thành 4 miền ..................... 29
Hình 2.3: Hiện trạng nhà máy thủy điện và hệ thống điện của Lào ............... 33
Hình 2.4: Đồ thị phụ tải ngày của HTĐ .......................................................... 40
Hình 2.5: Đồ thị phụ tải các tháng trong năm của HTĐ ................................. 41
Hình 3.1: Sơ đồ địa lý lưới điện miền Nam Lào ............................................. 45
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điện miền Nam Lào ............................................... 46
Hình 3.3: Điện áp các nút ở chế độ cực đại .................................................... 52
Hình 3.4: Điện áp các nút ở chế độ cực tiểu ................................................... 53
Hình 3.5: Các nguồn điện đấu vào lưới trước và sau khi có nhà máy Xê Xết 3
......................................................................................................................... 55
Hình 3.6: Điện áp các nút trước và sau khi có Xê La Bắm ở chế độ cực đại . 68

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

9

MỞ ĐẦU
Nước Cộng hòa dân chủ nhân dân Lào ’’ CHDCND Lào ’’ nằm ở địa

lục Châu Á Thái Bình Dương, có tổng diện tích là 236.800 km2 và dân số hơn
6 triệu người với nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú và đa dạng, có tiềm
năng thủy điện khổng lồ khoảng 26.000MW. Hiện trạng nền kinh tế đặc trưng
của Lào là nông nghiệp, thủy điện và khoáng sản. Trong đó nguồn thủy điện
đóng vai trò rất quan trọng sự phát triển nền kinh tế quốc dân của Lào.
Hệ thống điện lực của Lào có thể xem là hệ thống thủy điện. Nguồn
thủy điện không những bảo đảm nhu cầu dùng điện trong nước mà còn là
nguồn xuất khẩu quan trọng của Lào. Hiện nay nguồn thủy điện chiếm
khoảng 97,3% của tổng công suất lắp máy cả nước (692 MW). Trong đó thủy
điện nhỏ chiếm khoảng 64% tổng công suất của hệ thống điện.
Theo kế hoạch phát triển nguồn năng lượng của Lào từ năm 2020 sẽ
xây dựng hơn 30 NMTĐ và mua điện từ các NMTĐ tư nhân (IPP) sản xuất
trong nước với tổng công suất lắp máy 2.366MW và tổng điện năng 4.668
GWh để phục vụ nhu cầu trong nước kết hợp xuất khẩu và khoảng 36 NMTĐ
với tổng công suất lắp máy 18.150MW có tổng điện năng bình quân nhiều
năm 27.077GWh chủ yếu xuất khẩu sang các nước láng giềng trong khu vực
Sông Mê kong (các nước có nguồn nhiệt điện chiếm tỷ trọng lớn) như: Thái
Lan, Việt Nam, Cam Pu Chia. Đồng thời với việc xây dựng các NMTĐ đó sẽ
hình thành nhiều bậc thang hồ chứa thủy điện.
Cùng với sự phát triển thủy điện thì quy mô hệ thống điện cũng được
phát triển thành hệ thống lớn. Hiện nay, hệ thống điện của Lào chia thành 4
miền làm việc độc lập, trong đó hệ thống điện miền Trung I là lớn nhất, theo
kế hoạch đến năm 2013 – 2020 ở Lào sẽ có hệ thống điện Quốc gia nối từ Bắc
đến Nam Lào, không những nối liền 4 hệ thống điện miền với nhau mà còn
nối với hệ thống điện các nước láng giềng bằng đường dây điện cao áp 115kV
và siêu cao áp 500kV. Hệ thống điện càng lớn thì hiệu quả kinh tế và độ tin
cậy cung cấp điện càng cao. Nhưng điều đó, chỉ thực hiện được khi phối hợp
điều khiển hợp lý thông qua trung tâm Điều độ Quốc gia phối hợp điều khiển
chế độ làm việc của các NMTĐ theo mục tiêu chung thông qua các trung tâm
điều độ của các hệ thống miền. Nhưng vấn đề phối hợp điều khiển chế độ làm

việc của các NMTĐ với những đặc thù riêng, đồng thời làm việc trong bậc

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

10

thang hồ chứa, trong hệ thống điện có trao đổi điện năng với nước ngoài là hết
sức phức tạp không những đối với Lào mà còn đối với các nước khác, nhất là
điều kiện khả năng dự báo dài hạn về thủy văn chưa đủ tin cậy, lại đồng thời
phải đảm bảo yêu cầu của các ngành tham gia sử dụng tổng hợp khác. Do đó
cần phải tiến hành nghiên cứu vấn đề này.
Các NMTĐ nhỏ, vừa và lớn ở Lào đều do nước ngoài thiết kế và xây
dựng với quan điểm lợi ích riêng cho từng nhà máy. Hầu như tất cả các nhà
máy thủy điện đang vận hành làm việc độc lập trên cơ sở sử dụng các phần
mềm do nước ngoài cung cấp với phương pháp điều khiển riêng. Trong số các
phần mềm điều khiển có nhiều phần mềm đã không còn phù hợp với điều
kiện thực tế nữa, vì lưu vực sông đã có sự thay đổi so với thiết kế ban đầu,
nguồn phát điện tăng thêm, nhu cầu dùng điện cao hơn so với trước đây, đặc
biệt các nhà thủy điện trở thành nhiều bậc thang, các nhà thủy điện làm việc
chung trong biểu đồ thị phụ tải hệ thống thường xảy ra lúc thiếu điện, lúc thừa
điện, nhập khẩu điện càng ngày càng tăng, xả nước xuống hạ lưu nhiều ảnh

hưởng tới đời sống dân cư.
1. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
 Tìm hiểu tình hình phát triển nguồn phân tán ở Lào
 Tìm hiểu ảnh hưởng của nhà máy thủy điện Xê Xết 3 và nhà máy thủy
điện Xê La Bắm đến lưới điện 22/115kV Chắm Pa Sắc và khu vực lân
cận theo các chỉ tiêu sau:
- Thay đổi phương thức vận hành;
- Chất lượng điện áp;
- Trào lưu công suất và mức độ mang tải của thiết bị;
- Tổn thất công suất trong hệ thống điện miền Nam của Lào;
- Dòng ngắn mạch;
- Phương án tách lưới điện địa phương với lưới điện miền Nam của Lào,
chất lượng điện áp của lưới điện địa phương sau khi tách lưới;
- Xác suất thiếu công suất nguồn điện.
2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Đối tượng của đề tài là nguồn thủy điện nhỏ ở miền Nam nước Lào
Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào ảnh hưởng của nhà máy thủy
điện Xê Xết 3 và nhà máy thủy điện Xê La Bắm tới phương thức vận hành
và các chỉ tiêu của lưới điện 22/115kV Chắm Pa Sắc và khu vực lân cận.

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

11

3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIẾN CỦA ĐỀ TÀI
Làm rõ tác động của các nguồn thủy điện nhỏ miền Nam Lào với một số chỉ
tiêu của lưới điện địa phương. Đề xuất giải pháp tách lưới khi lưới điện địa
phương tách khỏi lưới điện miền Nam của Lào vận hành như một lưới điện
độc lập.

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

12

CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN
1.1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu về chất lƣợng điện năng trong hệ
thống điện
Các công ty điện lực và các khách hàng sử dụng điện ngày càng quan
tâm đến chất lượng của hệ thống điện mà họ sử dụng. Từ thập kỷ 80 trở lại
đây, thuật ngữ ’’ chất lượng điện năng ’’ đã trở thành một trong những từ xuất

hiện nhiều nhất trong ngành công nghiệp năng lượng điện. Các lý do chính để
lý giải cho sự quan tâm của các công ty điện lực cũng như các khách hàng đến
chất lượng của hệ thống điện đó là:
a.
Ngày càng có nhiều thiết bị điện nhạy cảm với sự thay đổi của chất
lượng điện năng hơn so với các thiết bị điện trong quá khứ. Rất 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 lệnh về
điện áp, dòng điện cũng như là tần số.
b.
Do yêu cầu ngày càng cao của hệ thống điện cũng như các máy móc,
thiết bị, dây chuyền sản xuất, về hiệu quả hoạt động dẫn tới đòi hỏi chúng ta
phải tiến hành áp dụng các thiết bị có hiệu suất cao, sử dụng các phương pháp
sản xuất tiên tiến hơn. Đối với các dây chuyền sản xuất, để tăng hiệu suất sử
dụng năng lượng người ta đã sử dụng các động cơ có điều chỉnh tốc độ thông
qua các thiết bị điều khiển điện tử công suất (chỉnh lưu, nghịch lưu), các thiết
bị này rất nhạy cảm so với độ lệnh của điện áp cung cấp. 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 chúng
trong tương lai đối với khả năng của hệ thống.
c.
Khách hàng sử dụng điện ngày càng nhận thức được 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.

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

13

d.
Có rất nhiều yếu tố liên hệ với nhau trong một hệ thống. Quá trình tích
hợp đó có nghĩa rằng bất cứ một sự cố xảy ra ở một phần từ nào trong hệ
thống đều gây ra hậu quả lớn đối với hệ thống.
Sự thúc đẩy chính của sự cần thiết phải quan tâm đến chất lượng điện
năng sau những lý do trên là sự gia tăng khả năng sản xuất cho khách hàng sử
dụng điện. Các ngành công nghiệp sản xuất theo dây chuyền muốn tốc độ sản
xuất nhanh hơn, sản xuất ra nhiều sản phẩm hơn, hiệu suất sử dụng của các
máy móc cao hơn, tuổi thọ thiết bị sản xuất kéo dài ra hơn. Các công ty điện
lực cũng đang khuyến khích những mong muốn đó bởi nó giúp cho khách
hàng tiêu thọ điện trở nên có nhiều lợi nhuận hơn đồng thời giúp cho ngành
điện trì hoãn được lượng vốn đầu tư rất lớn đối với trạm biến áp, các nhà máy
điện bằng cách sử dụng các thiết bị điện có hiệu rất cao. Vấn đề đang quan
tâm là các thiết bị được sử dụng để tăng khả năng sản xuất thường phải chịu
phần lớn những hư hại và đôi khi chúng là nguyên nhân gây ra những vấn đề
chất lượng điện năng.
1.2. Định nghĩa về chất lƣợng điện năng
1.2.1. Định nghĩa

Các đối tượng khác nhau xem xét chất lượng điện năng trên các hệ qui
chiếu 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 chỉ ra qua các thống kê độ tin cậy của hệ thống là 0,9998.
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.
Định nghĩa về chất lượng điện năng phải xem xét theo quan điểm của
người sử dụng điện năng, chính vì vậy luận văn sử dụng định nghĩa về chất
lượng điện năng như sau: bất kỳ vấn đề điện năng nào liên quan đến sai lệnh
về dòng điện, điện áp, tần số mà những sai lệnh này dẫn đến sự cố hoặc vận
hành sai cho thiết bị của khách hàng sử dụng điện.

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

14

1.2.2. Chỉ tiêu tần số
Tần số là số lần mà một sự kiện xảy ra lặp đi lặp lại trong mỗi đơn vị
thời gian. Để tính toán tần số cần đếm số lần xuất hiện của các sự kiện trong
khoảng thời gian nào đó, và sau đó chia số này cho độ dài của khoảng thời
gian này.
Trong đơn vị SI, kết quả được đo bằng tần số (Hz) mang tên nhà vật lý
người Đức (Heinrich Rudolf Hertz). 1 Hz có nghĩa là một sự kiện lặp đi lặp
lại một lần mỗi giây. Các đơn vị khác đã được sử dụng để đo tần số bao gồm:
chu kỳ mỗi giây, vòng trên phút (rpm). Nhịp tim được đo bằng nhịp đập mỗi
phút.
Một phương pháp thay thế để tính toán tần số để đo thời gian giữa hai lần
xuất hiện liên tiếp của sự kiện (thời gian) và sau đó tính toán tần số là nghịch
đảo của thời gian này: f = 1 / T mà T là thời kỳ.
Tần số của sóng đo tần số của âm thanh, sóng điện từ (như đài phát
thanh hay ánh sáng), các tín hiệu điện, hoặc sóng khác, tần số trong Hz là số
chu kỳ của dạng sóng lặp đi lặp lại trong một giây.
Tần số có một mối quan hệ nghịch với khái niệm về bước sóng. Tần số
f bằng với tốc độ v của làn sóng chia cho bước sóng λ (lambda) của sóng:
Trong trường hợp đặc biệt của sóng điện từ di chuyển qua chân không, sau đó
v = c, trong đó c là vận tốc ánh sáng trong chân không.
1.2.3. Chỉ tiêu điện áp
Theo định nghĩa ở trên, chất lượng điện năng liên quan đến độ lệnh
dòng điện, điện áp, tần số. Tần số là một chỉ tiêu mang tính hệ thống, chất
lượng tần số liên quan đến bài toàn 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 đến 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 nhiều cách khác nhau: từ máy phát điện, các tụ bù tại nút, phụ
tải điện trong 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
H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

15

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 tùy 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.
Tuy nhiên trong khi nghiên cứu đến chất lượng điện áp, đồng thời cũng
phải chú ý đến các hiện tượng về dòng điện như: dòng điện ngắn mạch lớn
gây ra sụt áp, dòng điện sét trên lưới gây ra điện áp xung rất lớn, dòng điện là
các dòng hài bậc cao sinh ra từ các phụ tải. Qua đó có thể hiểu cơ bản toàn
diện hơn các vấn đề về chất lượng điện năng.
1.3. Tổng quan các vấn đề về chất lƣợng điện năng
1.3.1. Quá trình quá độ
Thuật ngữ quá trình 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
trình quá độ trong hệ thống điện là sự chuyển tiếp trong 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.
1.3.1.1.Quá trình quá độ xung (Impulsive transient )
Quá trình quá độ xung là sự thay đổi đột ngột của điện áp, dòng điện
theo 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.

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

16

Hình 1.1 minh họa dòng điện xung quá độ gây ra bởi sét đánh.

Dòng điện kA

Thời gian

Hình 1.1: Quá trìn quá độ xung do sét đán
1.3.1.2. Quá trình quá độ dao động (Oscillatory transient )
Quá trình quá độ dao độ 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.
Một quá trình 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 gian tồn tại cũng như cường độ của nó.

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

17

7500
5000

Dòng điện
(A)

2500
0

-2500

-5000
-7500
8

10

Thời gian (ms)

12

4

Hình 1.2: Xung dòng điện d o động quá độ gây r bởi việ đóng ắt á tụ
1.3.2. 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.
1.3.2.1. Quá điện áp (over voltage)
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.

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

18

1.3.2.2. Thấp điện áp (under voltage)
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.
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.
1.3.2.3. Gián đoạn duy trì (Sustained interruption )
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.
1.3.3. Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian ngắn
Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời ngắn (Short Duration 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 sựt áp (sags), tăng áp (swells) hay hoàn toàn mất điện áp
(interruptions).
1.3.3.1. 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 vượt qua 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.
1.3.3.2. 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 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.

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


s

o

19

Điện áp
(V)

Lu n v n t

Điện áp
(V)

Thời gian (s)

Thời gian (s)
Hình 1.3: Sụt giảm điện áp do sự ố ngắn m

một p

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 cao của
các tổ chức kỹ thuật quốc tế.

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH

s

o

20

Thời gian tổn tại:
3,2 s

Điện áp (%)

Lu n v n t

Nhỏ nhất: 79,38%
Trung bình: 87,99%
Lớn nhất:101,2%

Thời gian (s)
Hình 1.4: Sụt giảm điện áp do

ởi động một động ơ lớn.

1.3.3.3. Tăng điện áp (Swells )
Tăng điện áp là hiện tượng điện áp hoặc dòng điện áp 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 gian 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 việc đóng các bộ tụ vào hệ thống cũng gây
ra hiện tượng tăng điện áp.

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

21

Điện áp ( pu)

Hình 1.5 Thể hiện tăng điện áp ở pha không sự cố khi xảy ra sự cố chạm đất
một pha trong lưới điện.

Thời gian (s)

Hình 1.5: T ng áp ở p

ông bị sự ố gây r bởi sự ố

m đất một p

.

1.3.4. 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.

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

22

3

Độ mất cân bằng điện áp (%)

2.5
2
1.5
1

0.5
0
Thứ 2

Thứ 3

Thứ 4

Thứ 5

Thứ 6

Thứ 7

Chủ nhật

Hình 1.6: Mất ân bằng điện áp trong một tuần t i một n án
o ộ gi đìn .

Thứ 2

ung ấp điện

1.3.5. 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 (Interharmornics)
 Đột điện áp (Notching)
 Nhiễu (Noise)
1.3.5.1. Thành phần một chiều thêm vào (DC Offset)
Điện áp vào 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:

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

23

làm bão hòa mạch từ máy 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.
1.3.5.2. Sóng hài ( Harmornics )
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
phần 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 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
Harmornics Distortion) thường dùng để xác định độ lớn biên độ méo sóng
hài.
1.3.5.3. Liên sóng hài ( Interharmornics )
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 chuyển tải cũng được xem là liên
sóng hài.
1.3.5.4. 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 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.

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH


Lu n v n t

s

o

24

Hình 1.7: Hiện tượng đột điện áp
1.3.5.5. Nhiễu (Nois )
Nhiễu là tín hiệu điện không mong muốn với các dải tần số 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.
1.3.6. 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 qua mức điện áp được xác định rõ từ 90% đến 110% điện
áp định mức bởi ANSI C84.1 - 1982.
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 chuyển tải điện.

H

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH

Lu n v n t

s

o

25

1.3.7. Sự biến thiên tần số công nghiệp (Power Frequency Variation)
Sự biến thiên tần số công nghiệp (Power Frequency Variation). Là độ lệch tần
số cơ bản của hệ thống khỏi giá trị định mức (VD: 50 Hz hoặc 60 Hz).
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 dụng
của hệ thống điều khiển máy phát tới sự thay đổi của phụ tải.
Tổng hợp các khái niệm được xét theo biên độ theo tiêu chuẩn IEEE 1159 biểu diễn trên Bảng 1.1.
Bảng 1.1: P ân n óm và á đặ tín
t ống điện

Phạm vi phổ
tần điển hình

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
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
2.2.3. Tăng áp
2.3. Tạm thời
2.3.1. Ngắt điện
2.3.2. Sụt áp
2.3.3. Tăng áp

H

ủ

á

iện tượng điện từ trong ệ
Khoảng thời gian
điển hình

Độ lớn điện áp
điển hình

5 ns
1 µs
0,1 ms

<50 ns
50 ns -1ms > 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
30 chu kỳ - 3 s

<0,1 pu
0,1 - 0,9 pu
1,1 - 1,4 pu

3 s - 1 phút
3 s - 1 phút
3 s - 1 phút

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

viên: THAMMACHACK Keutsomb t / Lớp 11B KTĐ.KH