Nghiên cứu ứng dụng các thiết bị FACTS để nâng cao ổn định điện áp trong hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐẶNG ĐÌNH LÂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC THIẾT BỊ FACTS
ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐẶNG ĐÌNH LÂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC THIẾT BỊ FACTS
ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành: Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS. TS. LÃ VĂN ÚT

Hà Nội – 2011


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực
sự của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS Lã Văn Út. Các số liệu
có trong bản thuyết minh, kết quả phân tích và tính toán được tìm hiểu qua các tài
liệu tham khảo.

-i-


MỤC LỤC
Trang
i
iv
v
vi
1

Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. Đặt vấn đề
1.1.1. Những vấn đề cơ bản về ổn định hệ thống điện
3
1.1.2. Phân loại ổn định hệ thống điện
4
1.2. Quan hệ giữa công suất và điện áp, các phương thức điều chỉnh
điện áp
1.2.1. Quan hệ giữa công suất và điện áp
5
1.2.2. Các vấn đề điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện
6
1.3. Ổn định điện áp
1.3.1. Khái niệm về ổn định điện áp
7
1.3.2. Mất ổn định điện áp – khái niệm sụp đổ điện áp
9
1.4. Phân tích ổn định điện áp
1.4.1. Đặc tính P-V
12
1.4.2. Đặc tính Q-V
13
1.5. Các chỉ tiêu đánh giá ổn định điện áp
1.5.1. Hệ số dự trữ
16
1.5.2. Hệ số sụt áp
17
1.6. Bù công suất phản kháng và ổn định điện áp
1.6.1. Bù song song

18
1.6.2. Bù nối tiếp
19
1.7. Kết luận
20
Chương 2 – CÁC THIẾT BỊ FACTS VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN
2.1. Tổng quan về FACTS
2.1.1. Giới thiệu chung
21
2.1.2. Định nghĩa, phân loại
22
2.2. Các thiết bị điều khiển song song
2.2.1. Bộ bù tĩnh SVC
24
2.2.2. Bộ bù đồng bộ tĩnh STATCOM
32
2.3. Các thiết bị điều khiển nối tiếp
34
2.3.1. Nhóm thiết bị sử dụng van thyristor
2.3.2. Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh
35
2.4. Các thiết bị điều khiển nối tiếp – song song
2.4.1. Biến áp dịch chuyển pha
37
2.4.2. Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất
37
-ii-

2.5. Hiệu quả và ứng dụng của các thiết bị FACTS
38
2.6. Hiệu quả kinh tế khi sử dụng FACTS
41
2.7. Kết luận
43
Chương 3 – STATCOM VÀ ỨNG DỤNG TRONG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
3.1. Bộ biến đổi nguồn áp
3.1.1. Khái niệm cơ bản về bộ biến đổi nguồn áp
45
3.1.2. Bộ biến đổi nguồn áp sơ đồ cầu
48
3.1.3. Bộ biến đổi nguồn áp ba pha sơ đồ cầu
50
3.2. Cấu tạo hoạt động của STATCOM
53
59
3.3. Điều khiển STATCOM
3.4. Mô hình STATCOM trong chế độ xác lập
60
3.5. Hiệu quả của STATCOM trong ổn định điện áp
3.5.1. Điều chỉnh điện áp nút
61
63
3.5.2. Điều khiển trào lưu công suất phản kháng
3.5.3. Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi sự cố
63
3.6. Kết luận
63
Chương 4 – ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÁC THIẾT BỊ FACTS NÂNG CAO

ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
4.1. Giới thiệu phần mềm tính toán hệ thống điện CONUS
4.1.1. Phương pháp đánh giá ổn định
64
4.1.2. Xác định chế độ vận hành theo điều kiện ổn định tĩnh
66
4.1.3. Chỉ tiêu đánh giá mức độ ổn định điện áp trên cơ sở
67
tính toán chế độ giới hạn sử dụng CONUS
4.2. Tính toán, phân tích ổn định điện áp
4.2.1. Kết quả tính toán chế độ đầu
69
69
4.2.2. Đánh giá ổn định tĩnh theo kịch bản điển hình
4.2.3. Chọn vị trí lắp STATCOM
71
4.3. Hiệu quả ổn định điện áp của STATCOM
4.3.1. Chọn dung lượng bù
79
4.3.2. Phân tích hiệu quả ổn định điện áp
81
4.4. Kết luận
83
KẾT LUẬN CHUNG
85
TÀI LIỆU THAM KHẢO
86

-iii-

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT Chữ viết tắt

Đầy đủ

Nghĩa

1

HTĐ

Hệ thống điện

2

STATCOM

Static sychronous Compensator

Bộ bù đồng bộ tĩnh

3

SVC

Static Var Compensator

Bộ bù tĩnh

4

TCSC

5

UPFC

6

TCPAR

7

FACTS

8

CIGRE

9

IEEE

Institute of Electrical and
Electronics Engineers

Điện - điện tử (Mỹ)

10

VSC

Voltage Source Converter

Bộ biến đổi nguồn áp

11

DC

Direct current

12

AC

Alternate Current

13

EPRI

Electric Power Research
Institute

14

MBA

Máy biến áp

Thyristor Controlled Series
Capacitor
Unified Power Flow Controller
Thyristor Controlled Phase
Angle
Flexible Alternating Current

Hệ thống truyền tải điện

Transmission Systems

xoay chiều linh hoạt

Conseil International des Grands

Hiệp hội các hệ thống

Réseaux Électriques

điện lớn

-iv-

Viện kỹ thuật

Viện nghiên cứu
điện lực (Mỹ)

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Các dạng ổn định của hệ thống điện ………………………………….

4

Bảng 2.1. Ước lượng số thiết bị FACTS đã được sử dụng trên toàn thế giới…...

40

Bảng 2.2. Đánh giá khả năng điều khiển của một số thiết bị FACTS điển hình... 41
Bảng 4.1. Thông tin các nút khi chưa đặt STATCOM …………………………. 70
Bảng 4.2. Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 419……………………. 72
Bảng 4.3. Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 420……………………. 74
Bảng 4.4. Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 418……………………. 76
Bảng 4.5. Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 416……………………. 77
Bảng 4.6. Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 418 với dung lượng ±

80

50MVAr …………………………………………………………………………
Bảng 4.7. Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 418 với dung lượng ±

81

150MVAr ………………………………………………………………………
Bảng 4.8. Tóm tắt hiệu quả của STATCOM qua các chỉ tiêu…………………... 82

-v-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1 Sụp đổ điện áp do mất một vài phần tử trong hệ thống……

10

Hình 1.2. Mất đồng bộ gây ra sụp đổ điện áp…………………………………

11

Hình 1.3. Đường cong P-V……………………………………………………

12

Hình 1.4. Họ đường cong P-V với các dạng tải khác nhau…………………….

13

Hình 1.5. Sơ đồ xác định đường cong Q-V tại nút……………………………

13

Hình 1.6. Đường cong Q-V…………………………………………………….

14

Hình 1.7. Đường cong Q-V ứng với các chế độ tải khác nhau…………………

15

Hình 1.8. Miền làm việc của nút tải……………………………………………

16

Hình 1.9. Đồ thị vectơ điện áp khi có tụ bù ngang……………………………..

18

Hình 1.10. Kháng bù ngang…………………………………………………….

19

Hình 1.11. Mô hình hệ thống điện đơn giản khi có tụ bù nối tiếp……………...

19

Hình 2.1. Các thiết bị FACTS cơ bản…………………………………………..

23

Hình 2.2. Phân loại các thiết bị FACTS theo cách mắc………………………..

24

Hình 2.3. Cấu tạo chung SVC………………………………………………….

25

Hình 2.4. Cấu tạo của TCR……………………………………………………..

26

Hình 2.5. Dạng song theo góc mở……………………………………………...

27

Hình 2.6. Biên độ của thành phần cơ bản dòng điện qua TCR phụ thuộc góc

27

mở α……………………………………………...……………………………
Hình 2.7. Đặc tính V-I của TCR

28

Hình 2.8. Biên bộ các thành phần bậc cao của TCR so với góc α

29

Hình 2.9. Bộ lọc sóng hài bậc cao……………………………………………...

30

Hình 2.10. Cấu tạo của TSC……………………………………………............

31

Hình 2.11. Đặc tính VI của TSC…………………………………………….....

31

Hình 2.12. Cấu tạo của STATCOM……………………………………………

32

Hình 2.13. STATCOM và ESS…………………………………………….......

33

Hình 2.14. Cấu tạo cơ bản của TCSC, TSSC…………………………………

34

-vi-


Hình 2.15. Cấu tạo cơ bản của TCSR, TSSR…………………………………

35

Hình 2.16. SSSC dựa trên bộ biến đổi nguồn áp VSC, SSSC có nguồn dự trữ

36

Hình 2.17. Cấu tạo chung của TCPST/TCPAR………………………………

37

Hình 2.18. Cấu tạo chung của thiết bị UPFC…………………………………

38

Hình 2.19. Chi phí đầu tư cho FACTS…………………………………………

42

Hình 2.20. Chi phí cho xây dựng đường dây mới……………………………

43

Hình 2.21. Doanh thu theo khả năng mang tải thêm của đường dây…………

43

Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi nguồn áp………………………………

47

Hình 3.2. Bộ biến đổi nguồn áp sơ đồ cầu 1 pha………………………………

48

Hình 3.3. Cấu tạo của VSC 3 pha sơ đồ cầu……………………………………

51

Hình 3.4. Dạng điện áp trong bộ VSC 3 pha sơ đồ cầu………………………

51

Hình 3.5. Dòng, áp phía AC bộ biến đổi……………………………………

52

Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý và thay thế của máy bù đồng bộ…………………

53

Hình 3.7. STATCOM và kết nối với hệ thống………………………………

55

Hình 3.8. Sơ đồ tương đương của STATCOM…………………………………

55

Hình 3.9. Các chế độ làm việc của STATCOM………………………………

57

Hình 3.10.Trao đổi công suất giữa STATCOM và hệ thống AC………………

58

Hình 3.11. Đặc tính VA của bộ STATCOM điển hình………………………

58

Hình 3.12. Sơ đồ điều khiển góc pha STATCOM (θ = ωt)……………………

59

Hình 3.13. Thay đổi điện áp đầu ra STATCOM theo thời điểm đóng mở van

60

dẫn……………………………………………………………………………
Hình 3.14. Sơ đồ đẳng trị STATCOM nối với hệ thống………………………

60

Hinh 3.15. Sơ đồ thay thế hệ thống điện đơn giản……………………………

62

Hình 3.16. Sự thay đổi điện áp tại thanh cái phụ tải …………………………...

62

Hình 4.1. Quá trình làm biến thiên thông số…………………………………

67

Hình 4.2. Biến thiên điện áp tại 1 số nút chưa đặt STATCOM………………

71

Hình 4.3. Biến thiên điện áp tại 1 số nút khi đặt STATCOM tại nút 419……

73

Hình 4.4. Biến thiên điện áp tại 1 số nút khi đặt STATCOM tại nút 420……

75

Hình 4.5. Biến thiên điện áp tại 1 số nút khi đặt STATCOM tại nút 418……

76

-vii-


Hình 4.6. Biến thiên điện áp tại 1 số nút khi đặt STATCOM tại nút 416……

78

Hình 4.7. Biến thiên điện áp tại 1 số nút khi đặt STATCOM dung lượng ±

83

100MVAr tại nút 418…………………………………………………………

-viii-


MỞ ĐẦU
Liên kết các hệ thống điện (HTĐ) với nhau đang là xu hướng phát triển của
HTĐ hiện đại nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế trong sản xuất, vận hành các HTĐ

thành viên. Nhưng chính điều này làm cho HTĐ ngày càng phức tạp về quy mô,
rộng lớn về không gian và đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật khá phức tạp cần được giải
quyết trong thiết kế cũng như vận hành. Với một hệ thống lớn, giữ ổn định là một
vấn đề phức tạp, đặc biệt khi các HTĐ thường được vận hành rất gần với giới hạn
về ổn định. Thực tế trong thời gian gần đây cho thấy, các hiện tượng mất ổn định đã
xảy ra đối với nhiều HTĐ trên Thế giới đều liên quan đến mất ổn định điện áp. Do
vậy, việc nghiên cứu về ổn định điện áp là một nhu cầu cấp thiết đối với HTĐ nói
chung và HTĐ Việt Nam nói riêng.
Với tốc độ gia tăng phụ tải vào khoảng 15-20% mỗi năm, nước ta đang rơi
vào tình trạng thiếu nguồn điện, do đó các đường dây truyền tải làm việc ở công
suất giới hạn cho phép và điện áp tại các nút sẽ có nguy cơ sụt giảm mạnh xuống
dưới mức cho phép và có thể tiến đến mức giới hạn về ổn định điện áp. Mặt khác,
chúng ta đang tiến tới vận hành thị trường điện từng bước từ khâu phát điện, bán
buôn và sau đó là thị trường bán lẻ theo lộ trình Chính phủ đã đề ra. Khi đó phương
thức vận hành hệ thống điện sẽ phức tạp hơn nhiều và công suất truyền tải trong hệ
thống sẽ không chỉ phụ thuộc vào công suất phát của nhà máy điện, công suất tiêu
thụ của phụ tải mà còn phụ thuộc vào cả giá bán điện của các nhà máy, các hợp
đồng song phương… nên việc nghiên cứu ổn định điện áp để đảm bảo an toàn trong
vận hành hệ thống điện càng được đặc biệt quan tâm.
Ngoài ra, việc nghiên cứu, ứng dụng những công nghệ tiên tiến làm giảm chi
phí và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện là một vấn đề đang đặt ra. Một hướng
nghiên cứu mới là áp dụng các thiết bị FACTS (Flexible Alternate Curent
Transmission System) vào hệ thống điện Việt Nam trong giai đoạn tới nhằm cải
thiện phần nào chất lượng điện năng, giữ ổn định hệ thống là một đề tài nghiên cứu
cần thiết mang tính thực tiễn.

-1-


1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

-

Đối tượng nghiên cứu: Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các thiết
bị FACTS để việc nâng cao ổn định điện trong hệ thống điện.

-

Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá hiệu quả thiết bị FACTS qua ví dụ tính toán –
sơ đồ thực tế hệ thống điện Việt Nam 2005 (số liệu năm 2006) để nâng cao
ổn định điện áp của những nút yếu, qua đó nâng cao ổn định toàn hệ thống.

2. Nội dung nghiên cứu
-

Tổng quan về các thiết bị FACTS

-

Hiệu quả của việc ứng dụng thiết bị FACTS vào hệ thống điện.

-

Mô hình FACTS trong các phần mềm tính toán phân tích hệ thống điện, phân
tích ổn định hệ thống.

-

Phân tích hiệu quả ổn định điện áp của FACTS trong hệ thống điện

3. Bố cục luận văn

Luận văn được chia thành 4 chương gồm các nội dung chính sau:
• Chương 1: Tổng quan về ổn định điện áp trong hệ thống điện
• Chương 2: Thiết bị FACTS và ứng dụng trong nâng cao ổn định điện áp
trong hệ thống điện
• Chương 3: STATCOM và ứng dụng trong ổn định điện áp
• Chương 4: Đánh giá hiệu quả của các thiết bị FACTS nâng cao ổn định
điện áp.

-2-


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. Đặt vấn đề
1.1.1. Những vấn đề cơ bản về ổn định hệ thống điện
Ở chế độ xác lập (CĐXL) của hệ thống điện, các thông số chế độ (U, I, P, Q,
f, δ…) biến thiên rất nhỏ xung quanh giá trị định mức, có thể coi như là hằng số.
Điều kiện tồn tại chế độ xác lập là tồn tại điểm cân bằng công suất, nghĩa là công
suất do các nguồn sinh ra phải bằng với công suất tiêu thụ của tải và tổn thất công
suất trong hệ thống điện. Tuy nhiên, khi vận hành HTĐ, điều kiện cân bằng công
suất không đủ cho một chế độ xác lập tồn tại trong thực tế. Vì luôn tồn tại những
kích động ngẫu nhiên làm lệch thông số khỏi điểm cân bằng, do đó một chế độ xác
lập muốn tồn tại phải chịu được các kích động mà điều kiện cân bằng công suất
không bị phá vỡ.
Người ta đưa ra khái niệm ổn định hệ thống, theo Kundur: “Ổn định của hệ
thống điện được là khả năng duy trì một điểm làm việc cân bằng trong điều kiện
làm việc bình thường, và sau khi sau khi chịu một kích động với các thông số hệ
thống thay đổi trong phạm vi cho phép để chế độ xác lập của hệ thống được bảo
tồn”.

Hệ thống điện là một hệ thống phi tuyến cao hoạt động trong môi trường mà
phụ tải, cấu trúc hệ thống, các thông số thay đổi liên tục. Khi bị kích động, sự ổn
định của hệ thống phụ thuộc vào bản chất của kích động cũng như tình trạng làm
việc ban đầu của hệ thống (hệ thống làm việc chế độ cực đại, cực tiểu...). Các kích
động có thể nhỏ hoặc lớn.
Trong đó, công suất trong hệ thống thay đổi liên tục theo thời gian và có biên
độ nhỏ do yêu cầu của phụ tải (kích động nhỏ), trong điều kiện này hệ thống vẫn
phải duy trì được CĐXL (nghĩa là đảm bảo độ lệch nhỏ của các thông số). Đây là
tính ổn định tĩnh của hệ thống (hay ổn định kích động nhỏ).

-3-


Sự thay đổi đột ngột cấu trúc hệ thống, sự cố ngắn mạch, mất nguồn… có
tính chất nghiêm trọng, các kích động này xảy ra ít hơn nhiều so với các kích động
nhỏ nhưng có biên độ khá lớn, nó làm cho sự cân bằng cơ – điện bị phá vỡ đột ngột,
chế độ xác lập bị dao động mạnh. Khả năng của hệ thống có thể phụ hồi chế độ xác
lập sau các kích động lớn này là tính ổn định động (hay ổn định kích động lớn).
Sau kích động, nếu hệ thống điện ổn định, nó sẽ đạt đến trạng thái cân bằng
mới. Mặt khác, nếu hệ thống không ổn định, các thông số của chế độ biến thiên
mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0. Có thể, làm mất đồng bộ của các
máy phát điện trong hệ thống, hoặc giảm nhanh điện áp tại các nút. Sự mất ổn định
có thể dẫn đến tan rã hệ thống.
1.1.2. Phân loại ổn định hệ thống điện
Sự ổn định của hệ thống điện thực tế không phải vấn đề đơn lẻ, nó chịu ảnh
hưởng bởi một loạt các yếu tố. Theo Kundur và Morison, việc phân loại các dạng
ổn định của hệ thống điện dựa trên các yếu tố: Tham số chính của chế độ (tần số,
điện áp, góc lệch rotor), loại kích động, các thiết bị và khoảng thời gian mất ổn định
được xem xét để xác định sự ổn định.
Người ta chia ổn định hệ thống điện ra làm các loại ổn định được chỉ ra theo

bảng dưới đây:
Thời gian
Ngắn hạn

Dài hạn

Phía máy phát

Phía phụ tải

Ổn định góc lệch rotor
Kích động nhỏ

Quá độ

Ổn định tần số dài hạn

Ổn định điện áp ngắn hạn
Ổn định điện áp dài hạn
Kích động nhỏ

Kích động lớn

Bảng 1.1. Các dạng ổn định của hệ thống điện
Trong đó, ổn định góc lệch rotor được định nghĩa là khả năng của các máy
phát đồng bộ trong hệ thống có thể giữ được tính đồng bộ sau khi chịu các kích
động. Người ta cũng chia ổn định góc lệch rotor làm 2 dạng nhỏ: ổn định góc lệch
kích động nhỏ và ổn định quá độ (ổn định kích động lớn).
-4-

Ổn định tần số là khả năng của hệ thống có thể duy trì một tần số ổn định,
sau một thay đổi mạnh mẽ là kết quả của sự mất cân bằng đáng kể giữa công suất
được tạo ra và công suất yêu cầu của phụ tải.
Ổn định điện áp là khả năng của một hệ thống điện để duy trì điện áp ổn
định ở tất cả các nút trong hệ thống ở điều kiện làm việc bình thường, và sau khi
chịu kích động. Sự mất ổn định xảy ra có thể do quá trình tăng cao hoặc giảm thấp
quá mức điện áp tại một số nút trong hệ thống.
Trên đây là những vấn đề chung nhất về ổn định hệ thống điện. Trong khuôn
khổ luận văn này, tác giả sẽ tập trung trình bày các vấn đề ổn định điện áp. Trước
hết là những khái niệm liên quan đến công suất, điện áp, điều chỉnh điện áp.
1.2. Quan hệ công suất và điện áp, các phương thức điều chỉnh điện áp
1.2.1. Quan hệ giữa công suất và điện áp
Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ thống điện không thể
xét đến độc lập mà phải xét đến mối liên hệ giữa chúng. Tuy vậy, trong thực tế tính
toán và vận hành hệ thống điện, một cách gần đúng có thể xem sự biến đổi công
suất tác dụng và công suất phản kháng tuân theo qui luật riêng.
Cân bằng công suất tác dụng là cân bằng cơ – điện trên trục của máy phát
điện, một bên là công suất cơ turbin, một bên là công suất điện của phụ tải, PT = PĐ.
Sự cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ thống, cho nên bất cứ sự mất
cân bằng nào xảy ra ở bất cứ đâu đều tác động lên máy phát điện và gây ra sự mất
cân bằng cơ điện ở đây. Do đó việc điều chỉnh cân bằng công suất tác dụng chỉ cần
thực hiện ở một nhà máy nào đó. Sự cân bằng công suất tác dụng thể hiện ở chỉ tiêu
tần số.
Cân bằng công suất phản kháng là cân bằng điện từ giữa công suất phản
kháng của máy phát điện do dòng kích từ gây ra và công suất phản kháng của phụ
tải yêu cầu của từ trường trong các thiết bị điện và các máy biến áp. Sự cân bằng
công suất phản kháng mang tính chất cục bộ, khu vực, điều chỉnh công suất phản
kháng không thể thực hiện chung cho cả hệ thống, mà phải thực hiện ở nhiều nơi
khác nhau. Vậy, cân bằng công suất phản kháng phải được đảm bảo cho toàn hệ

-5-


thống trên cơ sở đảm bảo cho từng nút, hoặc từng khu vực của hệ thống. Cân bằng
công suất phản kháng thể hiện qua chỉ tiêu điện áp.
Nhu cầu công suất phản kháng thay đổi gây ra sự biển đổi điện áp. Ta biết
tổn thất điện áp được tính theo công thức:
•

∆V =

P .R + Q.X
P .X − Q.R
+j
= ∆V + jδV
V
V

(1-1)

•

Khi phụ tải biến đổi làm cho ∆ V biến đổi kéo theo sự thay đổi điện áp trên
nút tải và toàn hệ thống. Trong đó thành phần dọc trục ∆V làm biến đổi modul của
điện áp, còn thành phần ngang trục δV làm biến đổi góc pha điện áp
Trên lưới hệ thống (V ≥ 220 kV), điện trở R nhỏ hơn điện kháng X, nên có
thể bỏ qua R, ta có:
•

∆V =

Q .X
P .X
+j
= ∆V + jδV
V
V

(1-2)

Ta thấy thành phần ∆V hoàn toàn phụ thuộc vào công suất phản kháng Q tải
trên lưới điện. Còn sự biến đổi công suất tác dụng chỉ làm thay đổi góc pha điện áp,
thành phần này ít ảnh hưởng đến modul điện áp.
1.2.2. Các vấn đề về điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện
Trong lưới hệ thống, mức điện áp phụ thuộc vào dòng công suất phản kháng
trên các đường dây. Điều chỉnh điện áp là điều chỉnh dòng công suất phản kháng
trong hệ thống điện. Điều chỉnh dòng công suất phản kháng tức là điều chỉnh sự cân
bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện.
Trong lưới trung – hạ áp, điện trở R khá lớn so với điện kháng X, đặc biệt
đối với lưới cáp thì R còn lớn hơn X rất nhiều, nên không thể bỏ qua R trong công
thức 1-1. Như vậy, dòng công suất tác dụng cũng ảnh hưởng đến điện áp của các
lưới này. Nhưng không thể dùng cách điều chỉnh dòng công suất tác dụng để điều
chỉnh điện áp được vì công suất tác dụng là yêu cầu của phụ tải để sinh ra năng
lượng, và chỉ có thể đưa công suất tác dụng từ các nhà máy điện. Bên cạnh đó, công
suất phản kháng không sinh công, nó chỉ là công suất gây ra từ trường dao động
trên lưới điện, rất cần để cho các phụ tải hoạt động nhưng có thể cung cấp tại chỗ
-6-

cho phụ tải. Do đó, trong các lưới này vẫn phải điểu chỉnh điện áp bằng cách điều
chỉnh cân bằng công suất phản kháng.
Điều chỉnh điện áp chính là điều chỉnh cân bằng công suất phản kháng. Khi
điện áp tại một điểm nào đó của hệ thống nằm trong phạm vi cho phép có nghĩa là
công suất phản kháng của nguồn đủ đáp ứng yêu cầu của phụ tải tại điểm đó. Nếu
điện áp cao thì thừa công suất phản kháng và ngược lại. Công suất phản kháng
thường thiếu ở chế độ cực đại - cần có thêm nguồn, còn trong chế độ phụ tải cực
tiểu lại có nguy cơ thừa do điện dung của đường dây và cáp sinh ra, cần phải có
thiết bị tiêu thụ.
Cân bằng công suất phản kháng vừa có tính hệ thống, vừa có tính cục bộ,
điện áp ở các nút khác nhau có thể rất khác nhau. Do đó, điều chỉnh cân bằng công
suất phản kháng phải được thực hiện trên toàn hệ thống trên cơ sở đảm bảo điện áp
các nút trong hệ thống. Ở cấp hệ thống, điều chỉnh mức điện áp trung bình của hệ
thống, ở địa phương điều chỉnh nhằm đạt được yêu cầu điện áp cụ thể của từng nút.
Điều chỉnh điện áp hay cân bằng công suất phản kháng có thể thực hiện theo
hai cách:
-

Điều chỉnh công suất phản kháng của các nguồn phát (nhà máy điện, máy
bù đồng bộ, các tụ bù, kháng điều khiển...) tăng hoặc giảm theo yêu cầu
phụ tải. Với các máy phát, máy bù đồng bộ, công suất phản kháng được
điều chỉnh bằng cách điều chỉnh dòng kích từ. Đối với tụ bù, kháng điện,
thay đổi công suất phản kháng được thực hiện bằng cách thay đổi điện
dung của tụ, điện kháng của kháng điện.

-

Điều chỉnh dòng công suất phản kháng hay là bố trí lại công suất phản
kháng trên lưới theo yêu cầu bằng cách điều chỉnh đầu phân áp ở các
MBA, lắp các thiết bị bù …

1.3. Ổn định điện áp
1.3.1. Khái niệm về ổn định điện áp
Điện áp trong hệ thống điện luôn biến đổi theo thời gian do sự biến đổi
không ngừng của công suất phản kháng trong hệ thống. Các nguyên nhân có thể kể

-7-


đến là: sự dao động thường xuyên có tính ngẫu nhiên của phụ tải, sự cố trong hệ
thống điện gây ra quá trình quá độ điện từ và có thể làm cho 1 hoặc một số phần tử
ngừng hoạt động đột ngột, sự thay đổi cấu trúc lưới…
Sự dao động điện áp ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống điện: Điện áp
tăng cao gây nguy hiểm, làm già hoá nhanh thiết bị của hệ thống. Hoặc điện áp
giảm thấp làm giảm ổn định tĩnh của hệ thống điện, giảm ổn định động và ổn định
tổng quát, nếu điện áp quá thấp có thể gây mất ổn định phụ tải
Mức điện áp trong hệ thống điện ảnh hưởng lớn đến tổn thất công suất và tổn
thất điện năng trong hệ thống điện nhất là ở lưới cao và siêu cao áp. Do đó, khi vận
hành hệ thống điện thì yêu cầu ổn định điện áp tại các nút trong hệ thống là một yêu
cầu quan trọng để hệ thống vận hành an toàn.
Theo IEEE - CIGRE, “Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả

các nút trong hệ thống ở trong một phạm vi cho phép (tuỳ thuộc vào tính chất mỗi
nút mà phạm vi dao động cho phép của điện áp sẽ khác nhau) ở điều kiện vận hành
bình thường hoặc sau các kích động”.
Vấn đề ổn định điện áp còn có thể được chia thành các vấn đề nhỏ hơn:
+ Ổn định điện áp khi có kích động lớn là khả năng duy trì điện áp của hệ
thống trong giới hạn ổn định sau các kích động lớn, như mất nguồn, ngắn mạch…
+ Ổn định điện áp khi có kích động nhỏ là khả năng của hệ thống điện vẫn
còn duy trì được điện áp ổn định khi chịu các kích động nhỏ, chẳng hạn như tải thay

đổi tăng hoặc giảm. Dạng ổn định này chịu tác động bởi các đặc trưng của tải.
Và khoảng thời gian nghiên cứu ổn định điện áp có thể thay đổi từ vài giây
đến hàng chục phút. Do đó ổn định điện áp còn có thể được phân chia thành hiện
tượng ngắn hạn và dài hạn.
+ Ổn định điện áp ngắn hạn liên quan đến tính chất động của các thành phần
tải tác động nhanh, chẳng hạn như: động cơ cảm ứng, tải điều khiển điện tử và các
bộ biến đổi HVDC. Trường hợp này thời gian nghiên cứu cần đến một vài giây.

-8-


+ Ổn định điện áp dài hạn liên quan đến các thiết bị tác động chậm hơn,
chẳng hạn, OLTC, tải nhiệt điều khiển tĩnh, và các bộ giới hạn kích từ (OEL). Thời
gian nghiên cứu có thể đến vài phút.
Thông thường, tính ổn định được xác định bởi mức độ thay đổi công suất
trong hệ thống chứ không phải tính nghiêm trọng của kích động ban đầu.
1.3.2. Mất ổn định điện áp – khái niệm sụp đổ điện áp
Trong hệ thống điện, điều khiển ổn định điện áp liên quan chặt chẽ đến việc
điều khiển dòng công suất phản kháng trong hệ thống. Tuy nhiên trào lưu công suất
trên các đường dây truyền tải thường thay đổi rất lớn, cho nên ở chế độ tải nặng,
điện áp các nút giảm xuống đáng kể và dễ dàng đẩy HTĐ rơi vào trạng thái mất ổn
định. Thực tế vận hành hệ thống điện đã có những sự cố liên quan đến mất ổn định
điện áp dẫn đến hiện tượng tan rã lưới trên diện rộng (black-out) xảy ra đối với
nhiều hệ thống điện trên Thế giới như: tại Ý ngày 28/9/2003, Phần Lan ngày
23/8/2003, Mỹ - Canada ngày 14/8/2003...
Sự mất ổn định điện áp xuất phát từ mức độ yêu cầu công suất phản kháng
của tải tiêu thụ vượt quá khả năng đáp ứng của nguồn cung cấp dẫn đến sự mất cân
bằng công suất trong khoảng dài hạn.
Hệ thống mất cân bằng công suất sẽ đi vào trạng thái không ổn định, mất ổn
định điện áp, khi xuất hiện các kích động như tăng tải đột ngột hay thay đổi các

thông số của hệ thống. Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra
và nặng nề nhất là có thể rơi vào tình trạng không thể điều khiển được, gọi là sụp đổ
điện áp. Sụp đổ điện áp là sự cố nghiêm trọng trong vận hành hệ thống điện, làm
mất điện trên một vùng hay trên cả diện rộng, gây thiệt hại rất lớn về kinh tế, chính
trị, xã hội. Mất ổn định điện áp là vấn đề mang tính địa phương nhưng có sự ảnh
hưởng lớn đến toàn hệ thống.
Theo IEEE, “Sụp đổ điện áp là quá trình mà sự mất ổn định điện áp dẫn đến

giảm điện áp một cách đáng kể trong một phần của hệ thống điện”.
Sụp đổ điện áp có tính chất phức tạp hơn sự mất ổn định điện áp đơn thuần,
thường là kết quả của chuỗi các sự cố liên quan đến sự không ổn định điện áp kéo

-9-


theo sự giảm điện áp trầm trọng tại các nút trong phần lớn khu vực của HTĐ. Các
tình huống (kịnh bản) sụp đổ điện áp:
Kịch bản 1: Hệ thống mang nặng tải
Sự sụp đổ điện áp do sự tăng dần tải kéo theo yêu cầu công suất tác dụng và
công suất phản kháng trên hệ thống tăng, đồng thời các thiết bị điều chỉnh điện áp
muốn duy trì điện áp không bị giảm thấp cũng yêu cầu một lượng lớn công suất
phản kháng, do đó yêu cầu công suất tác dụng và phản kháng cao trong khi điện áp
nguồn bị hạ thấp. Mặt khác, tính chất động của các thiết bị điều khiển điện áp khác
nhau (máy phát, thiết bị bù và máy biến áp..) có thể tương tác theo cách mà sự sụt
áp thực tế khác với dự đoán khi chỉ xét các điều kiện tĩnh.
Kịch bản 2: Mất một vài phần tử trong hệ thống điện
Như đã biết, các thông số hệ thống R, X, G, B …đặc trưng cho cấu trúc của
một hệ thống điện, đồng thời nó đóng vai trò quan trọng khi xác định công suất cực
đại có thể được phân phối đến các khu vực tải. Việc cắt một trong số các đường dây
trong hệ thống truyền tải làm tăng điện kháng tương đương giữa nguồn tương

đương và tải, làm giảm công suất tới hạn và tăng xác suất sụt áp. Hay việc sự cố
mất máy phát, không chỉ làm tăng điện kháng tương đương mà còn làm giảm khả
năng cung cấp công suất tác dụng và phản kháng. Sự cố mất điện xảy ra ở Mỹ 1985
hoặc Thụy điển, Đan mạch năm 2003 là một số ví dụ về kịch bản này.

Hình 1.1. Sụp đổ điện áp do mất một vài phần tử trong hệ thống

- 10 -


Kịch bản 3: Tính phức tạp của tải
Ví dụ, thời gian loại trừ sự cố ngắn mạch chậm dẫn đến sự giảm nhanh điện
áp, điều này có thể kéo theo mô men của động cơ giảm và sau đó là kẹt động cơ.
Động cơ bị kẹt sẽ cần công suất phản kháng do đó công suất phản kháng giảm sẽ
làm giảm thêm nữa điều kiện ổn định điện áp. Trong kịch bản này, điện áp tiếp tục
giảm xuống cho đến khi thiết bị bảo vệ tách động cơ khỏi hệ thống, nhờ đó làm
giảm yêu cầu công suất phản kháng. Sau đó, điện áp sẽ bắt đầu khôi phục nhưng
việc khôi phục sẽ khó khăn bởi sự tự khởi động của động cơ công suất lớn có thể lại
dẫn đến giảm áp và dẫn đến sụp đổ điện áp toàn bộ.
Kịch bản 4: Sụt áp và hoạt động không đồng bộ
Sự sụp đổ điện áp trên một hoặc một số nút của hệ thống có thể làm cho điện
áp hạ xuống ở các nút lân cận dẫn đến sụt áp ở các nút này. Sau đó điện áp sẽ hạ
xuống ở các nút lân cận khác và tiếp theo hiện tượng này sẽ lan truyền trên toàn hệ
thống và ảnh hưởng đến các máy phát đồng bộ. Do đó, một số máy phát có thể mất
tính đồng bộ và bị ngắt khỏi hệ thống do sự tác động của các bảo vệ mất đồng bộ.
Hiệu ứng này làm tồi tệ thêm nữa tình trạng sụt áp lan truyền và cuối cùng dẫn đến
sụp đổ điện áp toàn hệ thống.

Hình 1.2. Mất đồng bộ gây ra sụp đổ điện áp
(a) sơ đồ sơ đồ hệ thống, (b) điện áp khác nhau.

- 11 -


1.4. Phân tích ổn định điện áp
Có 2 đặc tính được sử dụng rộng rãi trong phân tích ổn định điện áp là đặc
tính P-V và đặc tính Q-V.
1.4.1. Đặc tính P-V
Các đường cong P-V biểu diễn mối quan hệ công suất tác dụng và điện áp
nút. Trong hình 1.3, V đại diện cho điện áp tại nút, P biểu thị công suất tác dụng tại
các nút tương ứng hoặc một khu vực chúng ta đang xét.

Hình 1.3. Đường xong P-V
Đường cong P-V của tải cho thấy sự thay đổi của lượng tiêu thụ công suất
tác dụng của tải và điện áp tại một nút. Khi tải tăng, điện áp sẽ giảm, đến điểm tới
hạn (critical point) của đường cong P-V, điện áp sẽ giảm rất nhanh, hệ thống sẽ bị
sụp đổ điện áp nếu công suất vượt quá điểm này.
Ở hình 1.4, chúng ta thấy rằng hệ số tải có ảnh hưởng đáng kể vào các đặc
tính điện áp của hệ thống, các đường cong P-V khác nhau ứng với các giá trị khác
nhau của hệ số công suất tải. Các quỹ tích các điểm tới hạn được thể hiện bằng các
đường chấm chấm trên hình vẽ. Ta thấy, giới hạn ổn định điện áp tăng khi tải mang
tính dung, giảm khi tải mang tính cảm.

- 12 -


Hình 1.4. Họ đường cong P-V với các dạng tải khác nhau.
1- cosφ=0.9; 2- cosφ=0.95; 3- cosφ=; 4- cosφ= - 0.95; 5- cosφ= -0.9
Đường cong này có thể được sử dụng để xác định điểm làm việc giới hạn của
hệ thống để không làm mất ổn định điện áp hoặc sụp đổ điện áp, từ đó xác định độ

dự trữ ổn định dùng làm chỉ số để đánh giá sự ổn định điện áp của hệ thống.
1.4.2. Đặc tính Q-V
Sự ổn định điện áp được quyết định bởi sự thay đổi công suất tác dụng P và
công suất phản kháng Q, sự ảnh hưởng của đường đặc tính công suất phản kháng
của phụ tải hay thiết bị bù được biểu diễn rõ ràng trong quan hệ đường cong Q-V.
Nó chỉ ra độ nhạy và biến thiên của nút điện áp đối với lượng công suất phản kháng
bơm vào hoặc tiêu thụ.
Đặc tính Q-V có thể được xác định bằng cách đặt một máy phát điện giả
tưởng tại nút ta xét, ghi lại công suất phản kháng thay đổi với mức điện áp tương
ứng như hình dưới đây

Hình 1.5. Sơ đồ xác định đường cong Q-V tại nút
Ta có một đường cong Q-V như hình 1.6, trục tung biểu diễn đầu ra của máy
phát ảo (MVAr). Trục hoành biểu diễn điện áp tương ứng trong đơn vị tương đối

- 13 -


(pu). Đường cong Q-V xác định tải MVAr lớn nhất trước khi sụp đổ điện áp. Điểm
vận hành cơ bản được xác định tại giao điểm giữa trục hoành và đường cong. Đây
là điểm mà máy phát ảo phát công suất phản kháng 0MVAr.
Trên hình 1.6, khi đường cong đi xuống, nó thể hiện máy phát giả định giảm
công suất phản kháng phát vào nút, ứng với thực tế là sự tăng yêu cầu công suất
phản kháng của tải. Khi giá trị công suất phản kháng của máy phát giả định giảm
đến giá trị nhất định, chạm tới đáy của đường cong, thể hiện yêu cầu lớn nhất công
suất phản kháng của tải tại nút này. Bất kì sự ra tăng yêu cầu công suất phản kháng
nào cao hơn sẽ gây ra sụp đổ điện áp. Điểm đó gọi là điểm tới hạn.

Hình 1.6. Đường cong Q-V
Phía bên phải điểm tới hạn của đường cong QV có độ dốc dương là khu vực

ổn định và bên trái điểm tới hạn của đường cong QV với độ dốc âm là khu vực
không ổn định. Ngoài ra, điện áp ở phía bên trái có thể quá thấp đến mức bảo vệ
thiết bị có thể được kích hoạt. Phần đáy của đường cong QV, ngoài việc xác định
các giới hạn ổn định, xác định các yêu cầu tối thiểu công suất phản kháng cho hệ
thống hoạt động ổn định. Do đó, các đường cong QV có thể được sử dụng để xác
định dung lượng của thiết bị bù cần thiết để nâng cao ổn định điện áp.
Các lợi ích khi sử dụng đường cong Q-V:
- Đường cong Q-V đưa ra miền giới hạn công suất suất phản kháng tại nút
thử điện áp. Miền này là khoảng cách từ điểm làm việc tới điểm tới hạn (điểm sụp
đổ điện áp).
- 14 -


- Đường cong Q-V có thể tính toán từ đường cong P-V để kiểm tra sự bền
vững của hệ thống.

Hình 1.7. Đường cong Q-V ứng với các chế độ tải khác nhau
Trên hình 1.7, đường cong Q-V ứng với 3 mức tải khác nhau P1, P2, P3.
Có thể thấy rằng hệ thống ổn định điện áp với tải nhẹ P1, đối với mức tải này, có
một lượng công suất phản kháng thừa (Qreserve) có thể được sử dụng để duy trì ổn
định ngay cả khi tăng tải. Hệ thống ở giới hạn ổn định với mức tải P2. Hệ thống
không ổn định khi tải nặng nhất P3, cần một lượng công suất phản kháng (Qmissing)
phải được bơm vào nút để tồn tại điểm vận hành.
Các khía cạnh quan trọng cần xem xét khi phân tích sự ổn định điện áp:
- Xác định giới hạn làm việc, chẳng hạn giới hạn công suất phản kháng, là
những yếu tố quan trọng trong phân tích ổn định điện áp.
- Các loại tải, đặc biệt là các tải hỗn hợp, chúng nhạy với điện áp, và những
ảnh hưởng từ sự thay đổi của chúng liên quan đến điện áp phải được tính toán chính
xác trong phân tích sự ổn định điện áp.
1.5. Các chỉ tiêu chủ yếu đánh giá ổn định điện áp.

Để đánh giá mức độ ổn định điện áp của HTĐ cần có các chỉ tiêu định lượng.
Đối với HTĐ phức tạp thường phải sử dụng phối hợp nhiều chỉ tiêu khác nhau. Các
chỉ tiêu thường được sử dụng khi tính toán giải tích gồm: hệ số dự trữ và chỉ số sụt
áp.

- 15 -