Nghiên cứu điều khiển thiết bị bù công suất phản kháng STATCOM

Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

PHẦN MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây một số hiện tượng liên quan đến sự cố điện áp trên
diện rộng đã xảy ra ở nhiều nước trên thế giới. Theo các thông tin tập hợp và phân tích
thì hầu hết các sự cố mất điện ở diện rộng xảy ra đều có nguyên nhân do mất ổn định
điện áp hệ thống. Điều này dẫn đến tình trạng thiệt hại về kinh tế rất lớn nếu không đáp
ứng được nhu cầu điện. Hiện tại, ở Việt Nam tình trạng này có thể xảy ra khi các phụ
tải điện tăng nhanh cả về số lượng và công suất. Đây là vấn đề lớn cần giải quyết đưa
ra những giải pháp hỗ trợ, tải nâng cao chất lượng lưới điện để đáp ứng tình hình thực
tế.
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, công nghiệp chế
tạo các linh kiện điện tử công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển hệ thống. Nên
các thiết bị bù dùng van bán dẫn Thyristor được sử dụng phổ biến trong hệ thống điện
trong đó có các thiết bị thường được dùng như thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng Thyristor SVC, thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor như TCSC, UPFC. Thiết bị bù đồng
bộ tĩnh STATCOM các thiết bị này cho phép chúng ta có thể bù linh hoạt trong hệ
thống điện giúp ổn định hơn và nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống.
Trên cơ sở đó, trong phạm vi luận văn, tác giả tiến hành nghiên cứu thiết bị bù
tĩnh đồng bộ STATCOM (điều ch nh nhanh bằng thyristor TO ho c

T)

2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU
Đến thời điểm hiện tại đã có nhiều đề tài, bài báo và tài liệu trong nước c ng
như thế giới nghiên cứu về thiết bị bù STATCOM như một số công trình sau:
- Nguyễn Hồng Anh, Lê Cao Quyền- Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học
Đà Nẵng – số 3(26).2008: “ Lựa chọn thiết bị bù công suất phản kháng tối ưu
cho lưới điện 500 kV Việt Nam”.

- Abhijeet Barua (107EE015), Pradeep Kumar (107EE050) Study Of
Reactive Power Compensation Using STATCOM.
HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

1

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

John G.Kassakian, Martin F. Schkecht, George C. Verghese, Principles of Power Electronic, Addison-Wesley- United States of America, 1999.
T.J.E.Miller & Charkes Concordia, Reactive Power Control in Electric System,
Addison- Wesley- United States of America, 1992.
.
2. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN.
- Mục đích nghiên cứu của đề tài hướng tới là đề xuất giải pháp ổn định lưới
bằng tự động điều khiển công suất phản kháng.
- Đối tượng nghiên cứu là thiết bị bù STATCOM, tác giả tập trung nghiên cứu
về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của thiết bị với lưới điện truyền tải.
- Phạm vi nghiên cứu gồm: Tìm hiểu lý thuyết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động
và đ c tính điều ch nh của thiết bị SVC. Khảo sát hoạt động của thiết bị SVC bằng các
phần mềm mô phỏng mạch điện.
3. CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN
Những luận điểm, vấn đề chính tác giả đã nghiên cứu trong phạm vi luận văn:
- Tổng quan về bù công suất và thiết bị điều khiển bù công suất trong hệ thống
điện.
- Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của thiết bị bù STATCOM.

- Nghiên cứu về hệ thống điều khiển của STATCOM
- Ứng dụng phần mềm Matlab để mô phỏng, phân tích hoạt động của thiết bị
bù STATCOM.
4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu trên tác giả đã phối hợp các nhóm phương
pháp:
- Nhóm phương pháp Nghiên cứu lý thuyết: Tham khảo các tư liệu kỹ thuật để
phân tích, tổng hợp những vấn đề có liên quan tới đề tài.

HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

2

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

- Nhóm phương pháp Mô phỏng: Để củng cố tính chính xác, đúng đắn của nội
dung nghiên cứu.
5. NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN
Từ những nghiên cứu, phân tích và đánh giá ở trên, luận văn đã hoàn thành cơ
bản các nhiệm vụ đ t ra cho mục đích nghiên cứu của đề tài:
- Tổng hợp, hệ thống hoá những cơ sở lý luận về bù công suất phản kháng.
- Phân tích trạng thái làm việc của thiết bị, đ c điểm của thiết bị.
- Mô phỏng các thông số hoạt động của thiết bị bằng phần mềm mô phỏng Matlab
simulink từ đó đưa ra dữ liệu đánh giá chức năng, điều kiện hoạt động của thiết bị.
Với năng lực và thời gian nghiên cứu có hạn, tác giả mới ch nghiên cứu được

việc bù công suất phản kháng tại 3 thanh cái trên các trạm biến áp miền bắc Việt Nam.
Để có cái nhìn khái quát hơn về công tác bù công suất phản kháng linh hoạt , tác giả hy
vọng sẽ có những nghiên cứu sâu, rộng hơn nhằm giúp việc cải thiện, nâng cao nhu cầu
cung cấp điện cho hệ thống điện đạt hiệu quả hơn.

HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

3

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN
CÔNG SUẤT.
1.1 . Khái quát chung
Trong các hệ thống điện rất phức tạp và kết nối với nhau ngày nay, bao gồm
hàng ngàn tuyến và hàng trăm máy phát điện nhằm tạo ra một sản lượng điện lớn đáp
ứng nhu cầu rất lớn về phụ tải điện. Vấn đề cải thiện chất lượng cung cấp và truyền
tải, sử dụng năng lượng điện trong khi vẫn duy trì độ tin cậy và ổn định lưới điện là
vấn đề khá phức tạp.
Do nhu cầu hiện tại, các trung tâm phụ tải ngày càng tăng, để đáp ứng nhu cầu
điện ngày càng tăng, các ứng dụng công nghệ truyền tải được áp dụng vào nhờ sự tiến
bộ của công nghệ điện tử bán dẫn. Thay vì xây dựng đường dây truyền tải mới ta ch
cần cải thiện và nâng cao chất lượng lưới điện. M t khác, dòng điện trong một số các
đường dây này đều nằm dưới giới hạn nhiệt của nó, trong khi một số dòng quá tải gây
đến ảnh hưởng chung của suy giảm mức điện áp kéo theo chất lượng hệ thống giảm

dẫn đến sự ổn định, độ tin cậy lưới điện c ng bị giảm theo. Thực tế thì các hệ thống
điện truyền thống hầu như rất ít được thiết kế để xử lý và kiểm soát các sự cố điện.
Một lý do khác nữa đó là là xu hướng của các hệ thống điện hiện đại sẽ phát triển theo
những thay đổi trong nền kinh tế toàn cầu hiện nay đang dẫn đến sự cạnh tranh về chất
lượng c ng như sản lượng cung cấp điện ngày càng đòi hỏi cao hơn.
Trong các nghiên cứu các thiết bị truyền tải điện linh hoạt FACTS là một lĩnh vực
rộng thường gắn liền với đền bù công suất phản kháng và giúp ổn định hơn các vấn đề
liên quan đến truyền tải điện trong thế giới ngày nay. Trong luận văn này, tôi nghiên
cứu hoạt động của thiết bị trong nhóm các thiết bị FACTS đó là thiết bị STATCOM,
thiết bị mà có thể cải thiện mạng lưới điện hoạt động trong điều kiện bình thường và
giảm thiểu các sự cố điện.
FACTS được định nghĩa bởi IEEE là: “Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử
công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một ho c nhiều thông số của hệ thống
đường dây tải điện xoay chiều, qua đó nâng cao khả năng điều khiển và khả năng
HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

4

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

truyền tải công suất”[ ][ ]
Hiện nay, công nghệ truyền tải điện xoay chiều tới 500 kV đã được làm chủ với
25 năm kinh nghiệm, và về nguyên tắc, không còn rào cản kỹ thuật nào.
Các nghiên cứu của STATCOM và nguyên tắc hoạt động và điều khiển nó : bao
gồm kiểm soát góc pha , kiểm soát biên độ điện áp và kỹ thuật điều chế độ rộng xung

PWM được thực hiện.
Hệ thống điện và truyền tải điện là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự làm việc và
tham gia của nhiều thành phần trong hệ thống điện phải ghép nối sao cho sản lượng
điện phát ra đạt tối đa nhất. Một trong những thành phần chính chiếm phần quan trọng
tạo nên trong hệ thống điện là công suất phản kháng trong hệ thống. Nó là cần thiết để
duy trì điện áp để cung cấp điện năng hoạt động thông qua các đường dây. Tải như tải
động cơ và tải trọng khác đòi hỏi công suất phản kháng cho hoạt động của chúng. Để
cải thiện hiệu suất của hệ thống điện xoay chiều, chúng ta cần phải quản lý công suất
phản kháng này một cách hiệu quả và điều này được gọi là bù công suất phản kháng.
Có hai khía cạnh về vấn đề đền bù công suất phản kháng: bù hỗ trợ tải và điện áp. Việc
bù sẽ cải thiện hệ số công suất, cân bằng về năng lượng thực tế rút ra từ việc mong
muốn điều ch nh điện áp tốt hơn cung cấp cho phụ tải dao động lớn. Hỗ trợ điện áp
bao gồm giảm dao động điện áp tại một thiết bị đầu cuối cho các đường dây truyền tải.
Hai loại bù này có thể được sử dụng là : bù dọc và bù ngang. Những thay đổi các
thông số của hệ thống để bù công suất phản kháng đáp ứng mong muốn chất lượng
điện được nâng cao. Do vậy trong những năm gần đây, thiết bị bù tĩnh như STATCOM
đã khá phát triển.
Với hệ thống truyền tải điện xoay chiều gồm các thiết bị linh hoạt FACTS đã
đáp ứng rất nhanh với hệ thống điện trong việc hấp thu ho c phát ra công suất phản
kháng. Điều này rõ ràng cho phép tăng sự chuyển giao năng lượng trong hệ thống
thông qua một đường truyền, và sự ổn định tốt hơn bằng cách điều ch nh các thông số
chi phối của hệ thống điện, tức là dòng điện, điện áp, góc pha, tần số và trở kháng.

HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

5

TBĐ2013B

Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật công nghệ điện tử đã tạo ra những linh
kiện điện tử công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển trong hệ thống điện nên các
Thyristor được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực điều khiền trong hệ thống điện.
Tuy nhiên, ý tưởng cải tiến sử dụng van bán dẫn GTO và IGBT vào các thiết bị
điện đang thực hiện và được thay thế dần càng sớm càng tốt. Các ứng dụng mới trong
việc sử dụng cải thiện chất bán dẫn là có thể thực hiện được. Do đó, mười đến hai
mươi năm tiếp theo ta sẽ thấy các thiết kế và sử dụng hệ thống điện điện tử hướng tới
'silicon ch ' với 'không có trở kháng' bù công suất phản kháng và hệ thống điện điện tử
điều khiển hoàn toàn như sẽ được trình bày sau đây.
Các thiết bị bán dẫn khác nhau có thể được phân thành ba loại đối với cách mà
chúng có thể là không điều khiển được, bán điều khiển điều khiển , ho c điều khiển
hoàn toàn.
- Các thiết bị bán dẫn không điều khiển được (Uncontrolled) : Các diode thuộc về
thể loại này. Việc đóng, cắt chúng được điều khiển bởi các mạch điện khác.
- Các thiết bị bán dẫn bán điều khiển (Semi-controlled) : Các thyristor điều khiển
SCR - silicon control rectifier (SCR) được điều khiển bởi một cực cổng để dẫn mở
(thông ). Tuy nhiên, một khi nó được dẫn điện, thì tác dụng điều khiển ở những thiết bị
bị mất và các điều khiển kích mở sẽ cần thiết khi mạch điện bị tắt đi và bắt đầu hoạt
động lại.
- Các thiết bị bán dẫn có thể điều khiển hoàn toàn ( full-controlled). Trong các
năm qua một số chất bán dẫn kiểm soát hoàn toàn đã được phát triển. Thể loại này bao
gồm các loại như TO,
1.2.

T…

Một số thiết bị bù công suất phản kháng trong hệ thống điện

1.2.1 Giới thiệu chung
Công suất phản kháng là sức mạnh của nguồn năng lượng cung cấp điện nó được
lưu trữ trong các phần tử tham gia vào mạch điện. Công suất điện, như chúng ta đã
biết, bao gồm hai thành phần, công suất tác dụng và công suất phản kháng. Tổng công
suất tác dụng và công suất phản kháng gọi là công suất biểu kiến.
HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

6

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

Trong mạch điện xoay chiều AC, năng lượng được lưu trữ tạm thời trong các thiết
bị điện mang tính chất điện cảm ho c điện dung, trong quá trình tải hoạt động sẽ dẫn
đến sự đảo chiều có chu kỳ của dòng chảy của năng lượng giữa nguồn và tải. Công
suất trung bình sau khi hoạt động trong toàn bộ một chu kỳ của dạng sóng AC là công
suất tác dụng nó tiêu thụ năng lượng điện và chúng sử dụng năng lượng của hệ thống
để làm việc, trong khi các phần của dòng chảy năng lượng được lưu trữ tạm thời trong
các thiết bị có tính chất điện cảm ho c điện dung thì chảy qua lại trong đường truyền
do các phần tử mạng điện cảm và điện dung được gọi là công suất phản kháng. Đây là
lượng công suất không sử dụng mà hệ thống lại rất cần để truyền tải điện năng.
Công suất tác dụng P là công suất được biến thành cơ năng ho c nhiệt năng
trong các máy dùng điện (công suất hữu công). Công suất phản kháng Q không sinh
công (công suất vô công) nhưng bắt buộc phải có thì một số thiết bị mới hoạt động

được, hẳng hạn nó là công suất từ hóa lõi thép máy biến áp, động cơ, cuộn cảm (lò
phản ứng) được biết để lưu trữ ho c hấp thụ công suất phản kháng, bởi vì chúng lưu
trữ năng lượng dưới dạng của một từ trường. Vì vậy, khi có nguồn điện đ t vào cuộn
dây, một từ trường được tạo lên, và dòng điện đạt tới giá trị định mức sau một thời
gian nhất định. Điều này sẽ gây ra sự chậm pha giữa dòng điện và điện áp trong hệ
thống. Do đó trong vận hành người ta mong muốn sử dụng CSPK của lưới điện
càng ít càng tốt miễn sao thiết bị vẫn hoạt động bình thường. Một vấn đề khác là
trong quá trình truyền tải điện năng từ nơi sản xuất điện (các nhà máy thủy điện,
nhiệt điện…) thì có tổn hao trên đường dây truyền tải làm điện áp tại các điểm cách
xa nguồn bị suy giảm do đó để đảm bảo cho điện áp không bị suy giảm lớn thì cần bù
CSPK. CSPK cung cấp cho tải tiêu thụ không nhất thiết phải lấy từ nguồn vì vậy để
tránh truyền tải một lượng CSPK lớn ta đ t gần các tải tiêu thụ các thiết bị sinh
CSPK như máy bù đồng bộ, tụ bù , SVC, STATCOM …, để cung cấp trực tiếp cho
tải, việc thực hiện như vậy gọi là bù CSPK.
1.2.2 Một số thiết bị bù công suất trong truyền tải điện xoay chiều linh hoạt
FACTS [ ]
HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

7

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

1.2.2.1. Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng Thyristor SVC (STATIC VAR COMPENSATOR)
SVC là thiết bị bù ngang dùng để phát ra hay hấp thụ công suất phản kháng có
thể điều ch nh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, được tổ hợp từ hai thành

phần cơ bản:
- Thành phần cảm kháng để tác động về m t công suất phản kháng (có thể phát
hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành).
- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor ho c triắc có
cực điều khiển, hệ thống điều khiển góc mở có thể dùng các bộ vi điều khiển.
SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm:
- Kháng điều ch nh bằng thyristor - TCR (Thyristor Controlled Reactor): có
chức năng điều ch nh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ.
- Kháng đóng mở bằng thyristor - TSR (Thyristor Switched Reactor): có chức
năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor.
Lưới điện

MB
A

TCR

TSR

Bộ lọc sóng hài

TSC

Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo SVC
HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

8

TBĐ2013B

Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

- ộ tụ đóng mở bằng thyristor - TSC (Thyristor Switched Capacitor): có chức
năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor.
Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng kể
mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đ c biệt và phức tạp
trong vận hành. Các chức năng chính của SVC bao gồm:
- Điều khiển điện áp tại nút có đ t SVC có thể cố định giá trị điện áp.
- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù.
-

iới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn

mạch...) trong hệ thống điện.
- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện.
-

iảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn

mạch, mất tải đột ngột...
1.2.2.2 Thiết bị bù dọc điều khiển bằng Thyristor TCSC (THYRISTOR CONTROLLED SERIES CAPACITOR).
Tương tự như SVC, phần tử TCSC là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh của
đường dây và hoạt động trong điều kiện ổn định của hệ thống điện. Nó được tổ hợp từ
một hay nhiều module TCSC, mỗi một module bao gồm hai thành phần cơ bản:
- Thành phần cảm kháng có thể thay đổi được điện dung nhờ bộ điều ch nh van
thyistor.
- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor; các cửa

đóng mở TO,...
Ngoài ra, TCSC còn có một số thiết bị phụ như bộ lọc tần số nhằm lọc bỏ các
sóng hài bậc cao, thiết bị đóng ngắt phục vụ các chế độ vận hành của TCSC trong các
chế độ khác nhau của hệ thống điện.
Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của TCSC như hình 1.2. Từ hình 1.2 ta thấy khi dùng
thyristor điều khiển dòng điện chạy cuộn cảm L có thể xem như thay đổi giá trị L, khi
đó điện kháng tương đương của TCSC được tính như sau [2]:

HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

9

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của TCSC
Z td 

1
 ( C 

1
)I
L C

(1.1)

Theo (1.1) khi L thay đổi trong khoảng Lmin ≤ L ≤ Lmax, Ztd sẽ thay đổi từ Ztd max ≥
L ≥ Ztd min
Nhờ tính năng thay đổi nhanh giá trị ZTCSC cho nên TCSC được sử dụng để điều
khiển thay đổi tổng trở của đường dây nhằm nâng cao ổn định động cho hệ thống khi
có sự cố xảy ra :
P

U 1 .U 2
X dd  X TCSC

sin 

(1.14)

Khi điều ch nh ZTCSC cho phép điều ch nh được công suất:
Pgh 

U 1 .U 2
X dd  X TCSC

(1.15)

do đó độ ổn định động của hệ thống sẽ tăng lên
* Các chức năng chính của TCSC bao gồm:
- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh.
- iảm sự thay đổi điện áp.
- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây.
- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện.
HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

10

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

- iảm góc làm việc  làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây.
- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện.
1.2.2.3. Thiết bị bù tĩnh STATCOM (STATIC SYNCHRONOUS COMPENSATOR).
STATCOM là sự hoàn thiện của SVC, bao gồm các bộ tụ điện được điều ch nh
bằng các thiết bị điện tử như thyistor có cửa đóng mở

TO. So với SVC, nó có ưu

điểm là kết cấu gọn nhẹ hơn, không đòi hỏi diện tích lớn như SVC và đ c biệt là nó
điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn.
Nguyên lý hoạt động của STATCOM được thể hiện như hình dưới đây

Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của STATCOM
Từ hình 1.3 cho thấy công suất phản kháng đã trao đổi với mạng điện được bởi
phương trình:
(1.3)

(1.4)
Trong đó:
- V1: là điện áp tại nguồn

- V2: là điện áp tại nơi đ t thiết bị
-

X: là điện kháng của đường dây

-  : là góc lệch giữa điện áp V1 và V2
HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

11

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

ù đồng bộ tĩnh hay còn gọi STATCOM là một trong các thiết bị bù tiên tiến và
hiện đại. Nó được kết nối song song với lưới điện và có khả năng ứng biến với các
nguồn điện có nhiều biến động. Cấu hình cơ bản của STATCOM gồm bộ nguồn
chuyển đổi VSC ( Voltage Soure Convert) trong đó gồm các mạch cầu ba pha được
điều khiển bởi các van bán dẫn TO ho c

T có chức năng chuyển đổi nguồn áp từ

AC sang DC và ngược lại. ằng cách điều ch nh biên độ của điện áp ho c góc pha đầu
ra phía AC mà STATCOM có thể điều ch nh hấp thu hay phát ra công suất phản kháng
cho lưới điện.
Các tính năng của STATCOM c ng giống như của SVC nhưng khả năng điều
ch nh, điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao gồm:

- Điều khiển điện áp tại nút có đ t STATCOM có thể cố định giá trị điện áp.
- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù.
-

iới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn

mạch...) trong hệ thống điện.
- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện.
-

iảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn

mạch, mất tải đột ngột...
Thông thường để bù công suất, người ta đấu song song các cuộn kháng ho c tụ
điện vào đường dây. Công suất mà cuộn kháng nhận vào t lệ với điện kháng của nó
và t lệ với bình phương điện áp:
Q = U2/X

( 1.5)

Trong đó:
- Q : Công suất phản kháng (VAR)
- U : Điện áp lưới (V)
- X : Điện kháng đường dây (Ω )
Các thiết bị bù cổ truyền là các tụ điện và kháng điện cố định, không có điều
khiển. Công suất mà thiết bị bù tiêu thụ hay phát ra phụ thuộc vào điện áp. Thiết bị bù
này không thích hợp lắm với những nơi có phụ tải biến động lớn. Chẳng hạn như một
HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

12

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

kháng điện đ t ở cuối đường dây có tác dụng giữ điện áp tại đây trong phạm vi cho
phép ở chế độ không tải không tăng quá cao, thì trong chế độ n ng tải, nó lại làm điện
áp cuối đường dây sụt xuống. SVC là bước phát triển của các thiết bị bù cổ truyền,
bằng cách sử dụng một kháng điện mắc nối tiếp với một thyristor TCR. Khi thay đổi
góc mở của Thyristor, ta thay đổi đuợc điện kháng tương đương của cuộn kháng điện.
Như vậy, ta có thể điều khiển được điện kháng X trong các chế độ khác nhau sao cho
phù hợp. Khi kết hợp TCR với các tụ điện (mắc song song), người ta tạo ra được thiết
bị bù có thể làm việc như một tụ bù khi đầy tải, và làm việc như một kháng bù khi non
tải. Khả năng ổn định điện áp của SVC tốt hơn nhiều so với thiết bị bù cổ truyền.
Tuy nhiên, SVC vẫn dựa trên nền tảng các tụ điện và kháng điện, nên vẫn chịu
ảnh hưởng của công thức ở trên: khi điện áp thay đổi thì công suất bù bị thay đổi.
STATCOM c ng là một thiết bị bù ngang nhưng không hề sử dụng một kháng
hay tụ nào, mà sử dụng một hệ thống sơ đồ cầu 6 xung (pulse) ho c 12 xung điều
khiển (pulse) và nối thêm với tụ điện lưu trữ nguồn một chiều.

ằng cách thay đổi

góc mở của các Thyristor trong sơ đồ cầu này, người ta điều ch nh được công suất mà
STATCOM tiêu thụ: dòng qua STATCOM có thể chậm pha ho c nhanh pha hơn áp
đầu nguồn, nghĩa là STATCOM có thể làm việc như một tụ bù, c ng có thể như một
kháng bù. Ưu điểm của STATCOM so với SVC là khả năng điều ch nh của STATCOM tốt hơn: Nó có thể đảm bảo một lượng công suất bù không đổi trong phạm vi rất
rộng của điện áp đ t vào. Cho nên STATCOM được biết đến như một thiết bị cải

thiện chất lượng điện áp. STATCOM được khẳng định trước hết là một thiết bị bù
công suất, là bước tiếp theo của SVC trong hệ thống các thiết bị FACTS ứng dụng
trong HTĐ. Do khả năng làm việc linh hoạt, nên STATCOM còn được sử dụng như
một thiết bị nâng cao chất lượng điện năng, loại bỏ các sóng hài bậc cao trong hệ
thống. Về m t này thì STATCOM hơn hẳn SVC - thiết bị gây nên thành phần hài bậc
ba khá lớn.
Trong số các thiết bị FACTS đôi khi STATCOM còn được biết đến với một tên
khác là D - STATCOM (Distribution - static synchronous compensator - thiết bị
HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

13

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

phân phối bù đồng bộ tĩnh ). D-STATCOM được áp dụng như điều khiển điện áp cải
thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống phân phối đáng kể và các vấn đề về chất lượng
điện năng như điều ch nh điện áp, cân bằng tải và dòng điện. Nó làm việc như STATCOM nhưng phạm vi điện áp thấp hơn.
1.2.2.4. Thiết bị điều khiển dòng công suất UPFC (UNIFIED POWER FLOW
CONTROLLER).
UPFC là một khái niệm mới ứng dụng các thiết bị bù đa chức năng để điều
khiển điện áp tại các thanh cái độc lập, dòng công suất tác dụng P và phản kháng Q
trên các đường dây truyền tải, đ c biệt là trên các đường dây cao áp nối giữa các HTĐ
nhỏ. UPFC là thiết bị làm cho lưới điện vận hành rất linh hoạt và hiệu quả.
Về nguyên lý cấu tạo, UPFC được hiểu như sự kết hợp thiết bị bù dọc làm thay
đổi góc pha (Static Synchoronous Series Compensator) với thiết bị bù ngang STATCOM. Nó được cấu tạo từ 2 bộ chuyển đổi dùng

TO. Mỗi một bộ chuyển đổi gồm có

van đóng mở ( TO) và M A trung gian điện áp thấp (xem hình 1.4).
Thiết bị UPFC có cấu tạo gồm hai bộ biến đổi công suất dạng nghịch lưu áp mắc
theo kiểu lưng tựa lưng nối với tụ DC để dự trữ công suất.

b)

a)

Hình 1.4. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của UPFC; a) Sơ đồ nguyên lý;b) Đồ
thị véc tơ điện áp.
HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

14

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

Công suất tác dụng có thể trao đổi theo cả hai chiều tại điểm đấu nối vào HTĐ xoay chiều của mỗi bộ chuyển đổi và mỗi bộ chuyển đổi còn có khả năng cung cấp ho c
hấp thụ công suất phản kháng. ộ nghịch lưu thứ hai (NL2) thực hiện nhiệm vụ chính
của UPFC là đ t nối tiếp vào đường dây một điện áp UT có biên độ và góc pha điều
ch nh được. Theo giản đồ véctơ hình 1.4 cho thấy UPFC có thể điều khiển được giá trị
U B và góc lệch  giữa UA và UB , như vậy có thể điều khiển được dòng công suất

truyền tải trên đường dây.

ộ nghịch lưu thứ nhất (NL1) hỗ trợ hoạt động cho bộ

nghịch lưu thứ hai bằng cách thực hiện đưa vào mạch DC lượng công suất tác dụng
yêu cầu cho quá trình thiết lập điện áp nối tiếp trên đường dây của bộ nghịch lưu thứ
hai.
1.2.2.5. Thiết bị điều khiển góc pha bằng Thyristor (TCPAR - THYRISTOR
CONTROLLED PHASE ANGLE REGULATOR).
Thiết bị TCPAR là một khái niệm mới ứng dụng thyristor để điều ch nh góc
lệch pha của điện áp pha của đường dây. Nó có tác dụng điều khiển công suất truyền
tải trên đường dây.
Về m t cấu tạo, nó như một máy biến áp 3 cuộn dây nối song song với đường
dây truyền tải và có thể điều ch nh góc lệch của điện áp Uf truyền tải trên đường dây.
Cấu tạo của TCPAR và đ c tính hoạt động của nó như sau: các tính năng của
TCPAR c ng như của các thiết bị bù có điều khiển khác nhưng chức năng của nó là
điều ch nh góc pha của điện áp trên đường dây. Khả năng điều khiển trào lưu công suất
rất cao.
Các tính năng của TCPAR bao gồm:
- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút bù.
- Tăng cường tính ổn định tĩnh của hệ thống điện.
- Tăng cường tính ổn định động của hệ thống điện.
-

iảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn

mạch, mất tải đột ngột...

HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

15

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

- Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ
được sự cố.

a)

b)

Hình 1.5. Nguyên lý cấu tạo của TCPAR;a) Sơ đồ nguyên lý ; b) Đồ thị véc tơ điện áp.
1.3. Lợi ích của việc bù công suất phản kháng.

-

iảm được tổn thất công suất trên mạng điện do giảm được CSPK

truyền tải trên đường dây. Do đó giảm lượng công suất dự trữ trong toàn hệ thống do
hệ thống lớn nhờ khả năng huy động công suất từ nhiều nguồn phát.
-

iảm được tổn hao điện áp trong mạng điện do giảm được thành phần

tốn thất điện áp do CSPK gây ra.

-

iảm dự phòng chung của cả HTĐ liên kết, qua đó giảm được chi phí đầu tư

vào các công trình nguồn điện – giảm một gánh n ng lớn trong việc phát triển HTĐ.
- Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp. Khả năng
truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng tức phụ
thuộc vào dòng điện cho phép của chúng. Cùng một tình trạng phát nóng nhất định
của đường dây và máy biến áp (I = const) ta có thể tăng khả năng truyền tải công
HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

16

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

suất tác dụng P bằng cách giảm công suất phản kháng Q mà chúng phải tải đi. Vì thế
khi giữ nguyên đường dây và máy biến áp nếu hệ số công suất được nâng cao tức
là giảm được lượng CSPK phải truyền tải thông qua bù CSPK thì khả năng tải
được nâng cao.
- Tăng tính kinh tế chung của cả hệ thống lớn do tận dụng được các nguồn phát
có giá thành sản xuất điện năng thấp như thuỷ điện, các nguồn nhiệt điện có giá thành
rẻ như tuabin khí, điện nguyên tử...
- Tăng hiệu quả vận hành HTĐ do có khả năng huy động sản xuất điện từ các
nguồn điện kinh tế và giảm công suất đ nh chung của toàn HTĐ lớn.
- HTĐ hợp nhất vận hành linh hoạt hơn so với phương án vận hành các hệ thống

riêng rẽ nhờ sự trao đổi, hỗ trợ điện năng giữa các hệ thống thành viên.
-

iảm giá thành điện năng do tận dụng được công suất tại các giờ thấp điểm

của phụ tải hệ thống điện thành viên để cung cấp cho hệ thống khác nhờ chênh lệch về
múi giờ.
-

iảm được chi phí vận hành, đồng thời nâng cao tính linh hoạt trong việc sửa

chữa, đại tu các thiết bị trong toàn hệ thống.
- Nâng cao độ dự trữ ổn định tĩnh của hệ thống, qua đó nâng cao độ tin cậy cung
cấp điện do công suất dự trữ chung của cả HTĐ hợp nhất là rất lớn.
- Duy trì điện áp tại ho c gần một mức độ liên tục trong điều kiện biến đổi
chậm do tải thay đổi
- Sửa chữa thay đổi điện áp gây ra bởi sự kiện bất ngờ (ví dụ như từ chối tải,
máy phát điện và cắt điện) để giảm hiện tượng rung điện áp gây ra bởi tải trọng dao
động nhanh chóng (ví dụ như lò hồ quang).
Ngoài các lợi ích đã nêu ở trên, việc hợp nhất các hệ thống điện còn cho phép dễ
dàng trao đổi năng lượng thương mại giữa các khu vực, quốc gia thành viên góp phần
thúc đẩy nền kinh tế phát triển.
1.4. Các thế hệ bù công suất phản kháng
1.4.1.Thế hệ đầu tiên là các thiết bị bù đóng ngắt bằng cơ học
HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

17

TBĐ2013B

Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

- Kháng bù ngang cố định
- Tụ bù ngang cố định
- Kháng bù ngang đóng ngắt bằng cơ học
- Tụ bù ngang đóng ngắt bằng cơ học
1.4.2 Thế hệ thứ hai là các thiết bị bù đóng ngắt dựa trên Thyristor

- Kháng điều khiển bằng thyristor
- Tụ đóng mở bằng thyristor
- Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor
- Tụ (kháng) bù dọc chuyển đổi bằng thyristor
- Tụ (kháng) bù dọc điều khiển bằng thyristor

- Điện trở hãm điều khiển bằng thyristor
- Máy biến áp chuyển pha điều khiển bằng thyristor
- Thiết bị bù chuyển đổi mạch đường dây
1.4.3 Thế hệ thứ ba là các thiết bị bù dựa trên bộ chuyển đổi
- Thiết bị bù đồng bộ tĩnh.
- Thiết bị bù dọc đồng bộ tĩnh.
- Thiết bị điều khiển dòng công suất lưới điện [ ].
1.5. Nguyên tắc bù trong hệ thống điện [ ][ ]:

Hình 1.6 Tam giác công suất
Trong đó
- P: công suất tác dụng của lưới điện.
- Q : công suất phản kháng

- S: Công suất toàn phần
HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

18

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

Từ hình 1.6 ta thấy rất rõ việc bù và không bù công suất có sự khác biệt lớn.
Hình vẽ 1.7 mô tả hệ thống truyền tải hai nguồn điện được kết nối bằng một
đường dây truyền tải.

V1 δ1

B1

B2

JXL

V1 δ2

I
Hình 1.7. Mô hình hệ thống truyền tải đơn giản

I

Hình 1.8. Giản đồ véc tơ

Hình 1.9. Đường công suất – góc pha
iả định rằng có tổn thất và được thể hiện bằng cảm kháng XL
Điện áp của hai thanh cái là

và

Góc lệch pha giữa hai điện áp thanh cái là

( 1.4)

Trong đó:
HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

19

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

- V1: là biên độ điện áp tại thanh cái

1,

tương ứng có góc pha là

- V2: là biên độ điện áp tại thanh cái

2,

tương ứng có góc pha là

Từ giản đồ pha trình bày trong hình 1.8 ta có :
=

|

|

(1.5)

Trong đó:
- I: iên độ dòng điện chạy trên lưới
- VL: Sụt áp trên đường dây
- XL: cảm kháng trên đường dây.
Khi đó ta có thành phần tác dụng và phản kháng của dòng điện tại thanh cái B1 là:
=
=

(1.7)

Trong đó:
- Id1: Dòng điện tác dụng trên thanh cái

1

- Iq1: Dòng điện phản kháng trên thanh cái

1

Công suất tác dụng và công suất phản kháng tại thanh cái 1 là:
=

( 1.8)

=

( 1.9 )

Trong đó:
- P1: Công suất tác dụng trên thanh cái

1

- Q1: Công suất phản kháng trên thanh cái

1

Tương tự, thành phần tác dụng và phản kháng tại thanh cái 2 là :
=
=

( 1.11)

Trong đó:

- Id2: Dòng điện tác dụng trên thanh cái
HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

20

2

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

- Iq2: Dòng điện phản kháng trên thanh cái

2

Công suất tác dụng và công suất phản kháng tại thanh cái 2 là:
=

( 1.12)

=

( 1.13)

Trong đó:
- P2 : Công suất tác dụng trên thanh cái

2

- Q2: Công suất phản kháng trên thanh cái

2

Từ các phương trình trên ta thấy công suất tác dụng và công suất phản kháng
có thể điều ch nh được thông qua các góc pha, biên độ điện áp và tổng trở của hệ thống
truyền tải. Thông thường bù công trong hệ thống truyền tải có thể chia làm hai nhóm
chính : ù dọc và bù ngang.
1.5.1 Bù dọc
Trị số cảm kháng lớn của đường dây cao áp làm ảnh hưởng xấu đến hàng loạt ch
tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như: góc lệch pha giữa đầu và cuối
đường dây lớn, tổn thất công suất và điện năng trên đường dây cao, tính ổn định điện
áp tại các trạm giữa và cuối đường dây kém… ù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn
liên kết (giảm điện kháng XL của đường dây) bằng dung kháng XC của tụ điện.

iải

pháp này được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây. Qua đó giới
hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh được nâng lên. Hơn nữa, giới
hạn ổn định động c ng tăng lên một cách gián tiếp do nâng cao thêm đường cong công
suất điện từ.
Khi mắc thêm tụ nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng của mạch điện sẽ
giảm xuống còn (XL - XC).

iả sử góc lệch  giữa dòng điện phụ tải và điện áp cuối

đường dây U2 không đổi thì độ lệch điện áp U1 ở đầu đường dây và góc lệch pha  giữa
vectơ điện áp giữa hai đầu đường dây giảm xuống khá nhiều. Qua đó, ta thấy được hiệu

quả của bù dọc:
* Ổn định điện áp:
HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

21

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

+ iảm lượng sụt áp với cùng một công suất truyền tải.
+ Điểm sự cố điện áp được dịch chuyển xa hơn (hình 1.10. a).
* Ổn định về góc lệch :
+ Làm giảm góc lệch  trong chế độ vận hành bình thường, qua đó nâng cao độ
ổn định tĩnh của hệ thống điện (hình 1.10. b)
+ Làm tăng giới hạn công suất truyền tải của đường dây.
+ Trước khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:
P

U 1.U 2
sin 
XL

( 1.14)

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

U 1.U 2
XL

( 1.15)

+ Sau khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:
P' 

U 1.U 2
sin 
XL  XC

( 1.16)

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

U 1.U 2
XL  XC

( 1.17)

Ta thấy sau khi bù, giới hạn truyền tải công suất của đường dây tăng lên:
k = XL/(XL - XC)

(1.18)

Trong đó:
- U1, U2 ; lần lượt là điện áp đầu đường dây và cuối đường dây truyền tải.

-  ; là góc lệch giữa điện áp U1 và U2
- XL; là điện kháng đường dây, XC là dung kháng của tụ điện.
* Giảm tổn thất công suất và điện năng:
+ Dòng điện chạy qua tụ điện C sẽ phát ra một lượng công suất phản kháng bù
lại phần tổn thất trên cảm kháng của đường dây.

HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

22

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

Hình 1.10. Hiệu quả của bù dọc trên đường dây cao áp
+ Đ c trưng cho mức độ bù dọc của đường dây là hệ số bù dọc KC:
KC 

XC
100 %
XL

( 1.19)

Thông thường, đối với các đường dây cao áp thì hệ số bù dọc KC là 40 - 75%
tuỳ theo chiều dài của đường dây.
1.5 .2. Bù ngang

ù ngang được thực hiện bằng cách lắp kháng điện có công suất cố định hay các
kháng điện có thể điều khiển tại các thanh cái của các trạm biến áp. Kháng bù ngang
này có thể đ t ở phía cao áp hay phía hạ áp của máy biến áp. Khi đ t ở phía cao áp thì
có thể nối trực tiếp song song với đường dây ho c nối qua máy cắt được điều khiển
bằng khe hở phóng điện.
Dòng điện

l

của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện

C

của điện dung đường dây

phát ra do chúng ngược chiều nhau. Nhờ đó mà công suất phản kháng do đường dây
phát ra sẽ bị tiêu hao một lượng đáng kể và qua đó có thể hạn chế được hiện tượng quá
áp ở cuối đường dây.

HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

23

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

Việc lựa chọn dung lượng và vị trí đ t của kháng bù ngang có ý nghĩa rất quan
trọng đối với một số chế độ vận hành của đường dây cao áp trong hệ thống điện như
chế độ vận hành non tải, không tải... của đường dây.
+ Trong chế độ không tải, phía nguồn khép mạch, phía tải hở mạch thì các
nguồn phát vẫn phải phát công suất tác dụng rất lớn để bù vào tổn thất điện trở của
đường dây và máy biến áp. Để khắc phục sự quá áp và quá tải máy phát ta phải đ t
kháng bù ngang tại một số điểm trên đường dây.
+ Trong chế độ non tải (PTải < PTN), ( PTN; công suất tự nhiên )thì công suất phản
kháng trên đường dây thừa và đi về hai phía của đường dây. Để đảm bảo được trị số
cos cho phép của máy phát, ta phải đ t kháng bù ngang ở đầu đường dây để tiêu thụ
công suất phản kháng.
+ Trong chế độ tải cực tiểu, công suất phản kháng do đường dây sinh ra rất lớn
(đối với đường dây cao áp 500kV với Qo 1MVAR/km) nên ta phải đ t các kháng bù
ngang phân bố dọc theo đường dây để tiêu thụ lượng công suất phản kháng này. Thông
thường, khoảng cách giữa các kháng bù ngang từ 200 - 500km.
+ Công suất phản kháng của đường dây phát ra trong chế độ không tải được tính
gần đúng như sau:
2
QC  U dd
.bo .l

( 1. 20)

Trong đó:
Udd: Điện áp danh định của đường dây.
l: chiều dài của đường dây.
+ Đối với các đường dây cao áp có điện áp 330  750kV thì ta có thể sử dụng
các quan hệ gần đúng như sau:
Xo.bo 1,15.10-6
ZC 

Nên ta có: bo 

Xo
bo

( 1. 21)

1,07 .10 3
ZC

HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

24

TBĐ2013B


Luận văn thạc sỹ

Viện Điện

Như vậy công suất phản kháng của đường dây cao áp 500kV phát ra là:
QC 

U dd
1,07 .10  3.l  1,07 .10  3.l .PTN
ZC

( 1.20)

Đ c trưng cho mức độ bù ngang trên đường dây là hệ số KL:
KL 

IL
Q
100 %  L 100 %
IC
QC

(1.21)

Trong đó:
QL: Công suất phản kháng của kháng bù ngang
QC: Công suất phản kháng của điện dung đường dây phát ra.
Đối với các đường dây có cấp điện áp 500kV, tổng công suất của các kháng bù
ngang trên đường dây thường bằng 60 - 70% công suất phản kháng do điện dung
đường dây phát ra.
1.6 . Lợi ích khi sử dụng thiết bị STATCOM
STATCOM có các chức năng ứng dụng sau đây trong điều khiển linh
hoạt hệ thống điện:
- Phản ứng nhanh khi điều ch nh công suất có thể phát ra ho c hấp thụ công
suất phản kháng..

- Tăng khả năng truyền tải công suất.
-

iảm thiểu tổn thất đường dây.

- Bù công suất phản kháng.

- Ngăn ch n sự chập chờn của lưới điện.
- Điều ch nh điện áp.
- Cân bằng điện áp ba pha.
- Lọc sóng hài bậc cao, cải thiện chất lượng tín hiệu điện áp.
- Nâng cao ổn định quá độ.
- Nâng cao sự ổn định trạng thái ổn định.
-

iảm dao động công suất.

HV: Nguyễn Thị Thanh Thủy

25

TBĐ2013B