Nghiên cứu, xây dựng hệ thống lưu điện ăcquy (bess) cho lưới điện cục bộ hạ áp

NGUYỄN THỊ KHUYÊN

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

NGUYỄN THỊ KHUYÊN

TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ THỐNG LƯU ĐIỆN ĂCQUY
(BESS) CHO LƯỚI ĐIỆN CỤC BỘ HẠ ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

2009 - 2011
Hà Nội – Năm 2011


MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan……………………………………………………………...

I

Lời cảm ơn………………………………………………………………..

II

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt…………………………………...

III

Danh mục các bảng……………………………………………………….

IV

Danh mục các hình vẽ và đồ thị…………………………………………..

V

Mở đầu……………………………………………………………………

VIII

Chương 1. Tổng quan lưới điện cục bộ hạ áp có công suất hữu hạn……..

1

1.1. Giới thiệu chung về lưới điện cục bộ hạ áp có công suất hữu hạn…...

1

1.2. Phụ tải điện và các yêu cầu của phụ tải điện……………………

4

1.3. Đặc điểm của mạng điện cục bộ……………………………………..

8

1.4. Các biện pháp cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện hạ áp có
công suất hữu hạn…………………………………………………………

9

Chương 2. Tổng quan về hệ thống lưu điện BESS……………………….

11

2.1. Tìm hiểu về hệ thống điện linh hoạt FACTS………………………...

11

2.2. Giới thiệu chung về BESS……………………………………………

18

2.3. Sự cần thiết của hệ thống lưu điện BESS…………………………….

19

2.4. Những chức năng của BESS………………………………………...

20

2.5. Mô hình mạch lực BESS……………………………………………..

23

2.6. Mô hình tương đương của ăcquy……………………………………

26

Chương 3. Hệ thống nghịch lưu trong lưu điện BESS……………………

32

3.1. Tổng quan về các bộ nghịch lưu……………………………………..

32

3.2. Bộ nghịch lưu đa bậc…………………………………………………

37

3.3. Một số bộ nghịch lưu đa bước………………………………………..

45

3.4. Quá trình nạp/phóng của BESS………………………………………

56

Ví dụ về quá trình phóng/nạp của ăcquy………………………………….

XI

Chương 4. Điều khiển BESS……………………………………………...

62


4.1. Tìm hiểu các phương pháp điều khiển hệ thống BESS………………

62

4.2. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM……………………………………..

64

4.3. Tìm hiểu cấu trúc các bộ điều khiển dòng, công suất trong hệ BESS.

71

Chương 5. Mô phỏng hệ thống lưới điện cục bộ khi có BESS…………...

83

5.1. Tìm hiểu phần mềm mô phỏng………………………………………

83

5.2. Cấu trúc mô phỏng hệ thống điện cục bộ khi có BESS……………...

83

5.3. Các kết quả mô phỏng………………………………………………..

87

Kết luận và kiến nghị……………………………………………………..

92

Tài liệu tham khảo………………………………………………………...

XV


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này được hoàn thành sau thời gian nghiên cứu và học tập tại Viện Đào
tạo Sau đại học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo tận
tình của Thầy giáo TS. Dương Văn Nghi và PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn, Bộ môn Tự
động hóa xí nghiệp, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin cam đoan toàn bộ nội
dung của luận văn mà tôi thực hiện trong thời gian vừa qua là trung thực và không sao
chép của ai.
Hà nội, Ngày 27 tháng 09 năm 2011
Người cam đoan

Nguyễn Thị Khuyên

-I-


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được hoàn thành tại Viện Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội. Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc của mình tới Thầy
giáo TS. Dương Văn Nghi và Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, Bộ môn Tự động
hóa xí nghiệp công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Thầy đã trực tiếp
hướng dẫn luận văn bằng những kiến thức và kinh nghiệm quý báu đã giúp đỡ tôi hoàn
thành tốt luận văn theo đúng thời hạn mà Nhà trường cũng như Bộ môn giao cho.
Qua đây cho phép tôi bày tỏ lòng biết ơn đến Viện Đào tạo Sau đại học, đến các
thầy, cô giáo tham gia giảng dạy khóa học. Tôi xin chân thành cảm ơn những nhận xét,
đóng góp ý kiến thiết thực của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Tự động hóa xí nghiệp,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy, cô giáo, các nhà khoa học chấm phản
biện; các thầy, cô giáo trong hội đồng bảo vệ và tất cả các đồng nghiệp đã cho những
nhận xét quý báu để luận văn hoàn thiện hơn.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè, lãnh đạo và các đồng
nghiệp tại Công ty Cổ phần tư vấn xây dựng và thương mại điện 1 đã luôn động viên,
giúp đỡ tôi suốt quá trình học tập và làm luận văn.
Hà nội, Ngày 27 tháng 09 năm 2011

Nguyễn Thị Khuyên

- II -


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
X * , x*

Giá trị đặt

x

Giá trị

Xs

Các thông số của nguồn

Xr

Các thông số của tải

αβ

Hệ tọa độ tĩnh

dq

Hệ tọa độ quay

DC

Nguồn một chiều

AC

Nguồn điện xoay chiều

CSPK

Công suất phản kháng

FACTS

Flexible AC Transmission Systems

SVC

Static Var Compensator

TCSC

Thyristor Controlled Reactor

STACOM

Static Synchronous Compensator

UPFC

Unified Power Flow Controller

BESS

Battery Energy Storage Systems

PWM

Pulse Width Modulation

VOC

Voltage Oriented Control

DPC

Dierect Power Control

- III -


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 3.1. Các trạng thái đóng mở van……………………………………

47

Bảng 4.1. Bảng chuyển mạch cho 12 Sector dùng cho phương pháp điều
khiển DPC………………………………………………………………...

73

Bảng 4.2. Bảng thời gian đóng cắt cho các van dẫn trong mỗi Sector……

81

- IV -


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Đồ thị phụ tải ngày………………………………………………….

9

Hình 1.2. Đồ thị phụ tải khi có động cơ khởi động…………………………….

9

Hình 2.2. Bù nối tiếp lý tưởng……………………………………….................

13

Hình 2.2. Bù song song lý tưởng…………………………………………........

14

Hình 2.3. Bù hỗn hợp……………………………………………………..........

14

Hình 2.4. Cấu trúc bộ lọc nối tiếp………………………………………...........

15

Hình 2.5. Cấu trúc bộ lọc song song……………………………………...........

15

Hình 2.6. Cấu trúc bộ lọc tích cực nối UPQC………………………………….

16

Hình 2.7. Minh họa một hệ thống điện có ứng dụng BESS……………………

19

Hình 2.8. Bù công suất tải khi có biến động lưới điện…………………............

21

Hình 2.9. BESS làm chức năng của bộ lọc tích cực……………………............

21

Hình 2.10. BESS điều hòa công suất trong ngày……………………….............

22

Hình 2.11. Cấu trúc cơ bản của hệ thống lưu điện BESS………………………

23

Hình 2.12. Sơ đồ bộ biến đổi công suất IGBT…………………………………

24

Hình 2.13. Sơ đồ thay thế và giản đồ vector chỉnh lưu PWM……………........

24

Hình 2.14. Vector không gian phương pháp SVPWM………..……………….

26

Hình 2.15. Sơ đồ tương đương của ăcquy……………………………………...

27

Hình 2.16. Quá trình phóng điệnn ăcquy phụ thuộc vào dòng phóng………….

28

Hình 2.17. Quan hệ giữa điện dung với dòng phóng và thời gian………….......

29

Hình 2.18. Hiệu suất của quá trình nạp và phóng trên một ngăn ăcquy……….

30

Hình 2.19. Sự phụ thuộc của điện áp trung bình và năng lượng vào dòng
phóng…………………………………………………………………………...

30

Hình 2.20. Sự phụ thuộc công suất vào dòng điện phóng……………………...

31

Hình 3.1. Sơ đồ nghịch lưu dòng điện một pha………………………………...

33

Hình 3.2. Sơ đồ nghịch lưu dòng điện ba pha………………………………….

33

-V-


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

Hình 3.3. Sơ đồ nghịch lưu dòng điện ba pha cách ly bằng Diode…………….

34

Hình 3.4. Sơ đồ nghịch lưu áp một pha………………………………………...

35

Hình 3.5. Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha………………………………………….

35

Hình 3.6. Nghịch lưu 3 bậc dạng Diode kẹp…………………………………...

38

Hình 3.7. Nghịch lưu 4 bậc dạng Diode kẹp…………………………………...

38

Hình 3.8. Nghịch lưu 6 bậc dạng Diode kẹp…………………………………...

40

Hình 3.9. Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu dạng tụ kẹp………………………………

41

Hình 3.10. Nghịch lưu 3 bậc dạng tụ kẹp………………………………………

41

Hình 3.11. Nghịch lưu đa bậc dạng Cascade…………………………………...

43

Hình 3.12. Nghịch lưu 5 bậc dạng Cascade…………………………………….

43

Hình 3.13. Nghịch lưu đa bậc Cascade dạng ghép các bộ nghịch lưu áp 3 pha

44

Hình 3.14. Sơ đồ nghịch lưu cầu 3 pha………………………………………...

45

Hình 3.15. Luật điều khiển và điện áp trên tải…………………………………

46

Hình 3.16. Sơ đồ thay thế trong quá trình chuyển mạch nghịch lưu áp 3 pha…

46

Hình 3.17. Điện áp Vn0 giữa các điểm trung tính……………………………..

48

Hình 3.18. Mạch nghịch lưu cầu H 3 pha……………………………………...

51

Hình 3.19. Nguyên lý tạo ra dạng sóng điện áp………………………………..

51

Hình 3.20. Mạch nghịch lưu 12 bước sử dụng 2 cầu 3 pha kết nối với biến áp

52

Hình 3.21. Đồ thị Sức điện động và dạng sóng đầu ra của nghịch lưu 12 bước

53

Hình 3.22. Cấu trúc nghịch lưu 18 bước……………………………………….

55

Hình 3.23. Đồ thị Sức điện động của nghịch lưu 18 bước……………………..

55

Hình 3.24. Dạng sóng điện áp đầu ra của nghịch lưu 18 bước…………………

56

Hình 3.25. Năng lượng mạch nạp………………………………………………

57

Hình 3.26. Dạng sóng của quá trình nạp

57

Hình 3.27. Đơn giản hóa sơ đồ tương đương với mạch nạp và phóng…………

58

Hình 3.28. Dạng sóng của quá trình phóng…………………………………….

59

Hình 3.29. Mạch biến đổi năng lượng………………………………………….

60

- VI -


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

Hình 3.30. Dạng sóng của mô hình chuyển đổi năng lượng

61

Hình 4.1. Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM………………………

64

Hình 4.2. Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lưu PWM………………...

64

Hình 4.3. Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tự nhiên………………..

67

Hình 4.4. Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tĩnh α-β………………..

68

Hình 4.5. Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q……………….

69

Hình 4.6. Dòng công suất hai chiều phụ thuộc vào hướng iL………………….

71

Hình 4.7. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển DPC………………………

71

Hình 4.8. Chọn sector trong phương pháp điều khiển DPC……………………

72

Hình 4.9. Sơ đồ khối ước lượng từ thông ảo với bộ lọc đầu vào………………

74

Hình 4.10. Sơ đồ khối ước lượng công suất tức thời dựa trên từ thông ảo…….

74

Hình 4.11. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển VOC…………………………

75

Hình 4.12. Sơ đồ VOC, biến đổi các đại lượng từ hệ α-β sang hệ d-q…………

76

Hình 4.13. Điều khiển tách dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu PWM……………

78

Hình 4.14. Tổng hợp vector chuẩn trong sector thứ nhất………………………

79

Hình 4.15. Thời gian đóng/cắt mỗi van trong sector 1…………………………

80

Hình 4.16. Các dạng trễ trong phương pháp DPC……………………………...

81

Hình 5.1. Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống BESS……………………………….

83

Hình 5.2. Mô hình khối nguồn…………………………………………………

84

Hình 5.3. Mô hình STACOM BESS…………………………………………...

84

Hình 5.4. Cấu trúc bộ Controller……………………………………………….

85

Hình 5.5. Cấu trúc của bộ Controller PI………………………………………..

86

Hình 5.6. Mô hình phía hạ áp…………………………………………………..

86

Hình 5.7. Sự thay đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng của BESS

87

Hình 5.8. Sự thay đổi điện áp và dòng điện trên thanh cái B4…………………

87

Hình 5.9. Sự thay đổi công suất ở B3, điện áp ở B1,B2, dòng điện Stat………

88

Hình 5.11. Quá trình phóng/nạp, dòng điện, điện áp của ăcquy……………….

89

- VII -


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

Hình 5.12. Sự thay đổi công suất tác dụng và phản kháng của BESS………….

89

Hình 5.13. Sự thay đổi điện áp và dòng điện trên thanh cái B4………………..

90

Hình 5.14. Sự thay đổi công suất ở B3, điện áp ở B1,B2, dòng điện Stat……...

90

Hình 5.15. Điện áp đầu ra của STACOM BESS……………………………….

91

Hình 5.16. Quá trình phóng/nạp, dòng điện, điện áp của ăcquy……………….

91

- VIII -


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

MỞ ĐẦU
Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS được sử dụng nhằm giải
quyết hai vấn đề chính trong hệ thống tuyền tải điện, đó là: nâng cao khả năng truyền
tải của hệ thống và giữ công suất trong khoảng thời gian định trước. Với sự phát triển
vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, cùng với sự phát triển nhanh chóng của các
thiết bị điện tử công suất điều khiển hoàn toàn (IGBT, GTO…) cho phép điều khiển,
khống chế các dòng năng lượng gần như tức thời. Công nghệ FACTS là duy nhất có đủ
khả năng điều khiển nhanh một cách linh hoạt công suất tác dụng và công suất phản
kháng của hệ thống điện.
Hệ thống điện cục bộ là một hệ thống điện riêng rẽ, như hệ thống điện tự dùng
của các xí nghiệp công nghiệp, của một tòa nhà cao tầng hay các hệ thống điện nhỏ của
một địa phương ở các vùng sâu, vùng xa... hoạt động có tính chất độc lập không kết nối
vào hệ thống điện quốc gia. Ví dụ như mạng điện tự dùng của các xí nghiệp công
nghiệp, các nhà máy. Hơn thế nữa với các mạng điện cục bộ thì vấn đề huy động công

suất khi đóng tải nặng và quá tải giờ cao điểm hay huy động công suất khi khởi động
động cơ là một vấn đề cần được đặt ra chính vì vậy mà FACTS được sử dụng rộng rãi
trong lưới điện cục bộ trong đó có Hệ thống tích trữ năng lượng nguồn ăcquy BESS
(Battery Energy Storage System). BESS ra đời nhờ sự kết hợp giữa tiến bộ của công
nghệ ăcquy với công nghệ điện tử công suất dựa trên nền tảng lý thuyết của chỉnh lưu
PWM với các thuật toán điều khiển khác nhau.
Mục đích của luận văn là nghiên cứu về hệ thống lưu điện ăcquy trong BESS.
Nội dung của luận văn được chia làm 5 chương
Chương 1. Tổng quan về lưới điện cục bộ hạ áp có công suất hữu hạn
Chương 2. Tổng quan về hệ thống lưu điện BESS
Chương 3. Nghiên cứu hệ thống nghịch lưu trong hệ thống điện BESS

- IX -


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

Chương 4. Điều khiển BESS
Chương 5. Mô phỏng hệ thống lưới điện cục bộ khi có BESS
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành của mình đến các đồng nghiệp, bạn bè, các
thầy cô đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành bài luận văn này. Tôi xin gửi
lời cảm ơn đặc biệt đến thầy giáo TS. Dương Văn Nghi và PGS.TS Nguyễn Văn Liễn
đã rất nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong quá trình làm cũng như trong quá
trình hoàn thành bài luận văn này.
Hà nội, Ngày 28 tháng 09 năm 2011
Người thực nhiện

Nguyễn Thị Khuyên

-X-


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN CỤC BỘ HẠ ÁP CÓ CÔNG SUẤT
HỮU HẠN
1.1. Giới thiệu chung về lưới điện cục bộ hạ áp có công suất hữu hạn
Để nghiên cứu về lưới điện cục bộ hạ áp có công suất hữu hạn ta sẽ tìm hiểu sơ
qua về hệ thống điện và hệ thống điện cục bộ có công suất hữu hạn.
1.1.1. Hệ thống điện [7], [8]
Hệ thống điện gồm có các nhà máy điện, các mạng điện và các hộ tiêu thụ điện,
được liên kết với nhau thành một hệ thống để thực hiện quá trình sản xuất, truyền tải,
phân phối và tiêu thụ điện năng.
1. Lưới hệ thống
Tập hợp các bộ phận của hệ thống điện gồm đường dây tải điện và các trạm biến
áp gọi là lưới điện hệ thống, có các đặc điểm sau:
- Lưới có nhiều mạch vòng kín để khi ngắt điện bảo quản đường dây hoặc sự
cố 1 đến 2 đường dây vẫn đảm bảo liên lạc hệ thống;
- Vận hành kín để đảm bảo liên lạc thường xuyên và chắc chắn giữa các nhà
máy điện với nhau và với phụ tải;
- Điện áp từ 110kV đến 500kV;
- Lưới được thực hiện chủ yếu bằng các đường dây trên không.
2. Lưới truyền tải
Lưới truyền tải làm nhiệm vụ tải điện từ các trạm khu vực đến các trạm trung
gian, lưới điện này có các đặc điểm sau:
- Sơ đồ kín có dự phòng: 2 lộ song song từ cùng một trạm khu vực, 2 lộ từ 2

trạm khu vực khác nhau, 1 lộ nhưng có dự phòng ở lưới phân phối;
- Vận hành hở vì lí do hạn chế dòng ngắn mạch, có thiết bị tự đóng nguồn khi sự
cố;
- Điện áp 35, 110, 220 kV;

-1-


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

- Thực hiện bằng đường dây trên không là chính, trong các trường hợp không
thể làm đường dây trên không thì dùng cáp ngầm;
- Lưới 110 kV trở lên trung tính máy biến áp nối đất trực tiếp.
3. Lưới phân phối
Lưới phân phối làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, trạm
khu vực hoặc thanh cái nhà máy điện cho các phụ tải.
-

Lưới phân phối gồm 2 phần:

+ Lưới phân phối trung áp có điện áp 6, 10, 15, 22, 35 kV phân phối cho các
trạm phân phối trung áp/ hạ áp và các phụ tải trung áp;
+ Lưới hạ áp cấp điện áp cho các phụ tải hạ áp 380/220V.
Điện áp 35 kV có thể dùng cho lưới điện truyền tải và lưới điện phân phối. Mỗi
loại lưới có các tính chất vật lý và quy luật hoạt động khác nhau, do đó các phương
pháp tính được sử dụng khác nhau, các bài toán đặt ra để nghiên cứu cũng khác nhau.
4. Điện áp của lưới điện
Trên thế giới cũng như ở Việt Nam điện áp định mức thường được chia thành

các cấp:
- Siêu cao áp: 330, 400, 500, 750 kV (220 kV cũng có thể xếp vào lưới điện
siêu cao áp);
- Cao áp: 60, 90, 110, 220 kV;
- Trung áp: 6, 10, 15, 22, 35 kV;
- Hạ áp: Lưới phân phối hạ áp cho đồng thời 2 loại điện áp: điện áp dây 380 V
và điện áp pha 220 V. Một số nơi còn dùng điện áp cấp 220/110 V. Cấp điện áp
380/220 V là cấp điện áp chính để cấp điện năng cho các thiết bị dùng điện.
Sở dĩ có nhiều cấp điện áp khác nhau là vì ứng với mỗi công suất phụ tải và độ
dài tải điện khác nhau cần có cấp điện áp tải điện tương ứng cho hiệu quả kinh tế cao
nhất. Trong phạm vi đề tài này chỉ đề cập đến lưới điện cục bộ hạ áp có công suất hữu
hạn. Vì vậy ta nghiên cứu về lưới điện cục bộ hạ áp có công suất hữu hạn.

-2-


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

1.1.2. Mạng điện cục bộ hạ áp có công suất hữu hạn
Phân loại mạng điện theo điện áp danh định thì mạng điện hạ áp là mạng điện có
điện áp danh định U dđ < 1kV
Mỗi một mạng điện được đặc trưng bằng điện áp danh định Udđ, điện áp này
được sử dụng để tính điện áp danh định của các thiết bị trong mạng điện (máy phát
điện, máy biến áp, đường dây…). Điện áp danh định đảm bảo cho các thiết bị làm việc
bình thường và đạt được hiệu quả kinh tế tốt nhất. Đối với mạng điện hạ áp điện áp
danh định giữa các pha và điện áp pha: 220/127; 380/220; 660/380 V.
Phân loại mạng điện theo chức năng thực hiện thì mạng điện hạ áp thuộc mạng
phân phối. Mạng phân phối được dùng để truyền tải điện năng từ các thanh góp hạ áp

của các trạm khu vực đến các hộ tiêu thụ điện. Khoảng cách truyền tải của các mạng
phân phối không lớn. Các mạng phân phối thường hở hay là vận hành hở.
Mạng điện cục bộ hạ áp có công suất hữu hạn là một hệ thống điện riêng rẽ, như
hệ thống điện tự dùng của các xí nghiệp công nghiệp, của một tòa nhà cao tầng, của
một khách sạn hay các hệ thống điện nhỏ của một địa phương ở các vùng sâu, vùng xa
hẻo lánh,... hoạt động có tính chất độc lập không kết nối vào hệ thống điện quốc gia. Ví
dụ như mạng điện tự dùng của các xí nghiệp công nghiệp, các nhà máy mía đường, nhà
máy giấy có nhà máy nhiệt điện chạy bằng nhiên liệu phế thải hay mạng điện với
nguồn máy phát diesel để dự phòng ở các nhà chung cư, khách sạn, bệnh viện, phân
xưởng,…mạng điện với nguồn máy phát từ sức gió, từ năng lượng mặt trời, từ thủy
triều,...mạng điện với nguồn thủy điện nhỏ ở miền núi, vùng sâu, vùng xa chủ yếu phục
vụ cho điện sinh hoạt và công nghiệp tại các địa phương miền núi,…
Hoạt động của một lưới điện được đánh giá theo 4 tiêu chuẩn chính sau:
- An toàn điện;
- Chất lượng điện năng;
- Độ tin cậy cung cấp điện;

-3-


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

- Hiệu quả kinh tế.
Trong đó: Ba tiêu chuẩn đầu là nhằm phục vụ khách hàng, riêng tiêu chuẩn thứ
tư lại nhằm về ngành điện. Hiệu quả kinh tế là: thất thu ít nhất, chi phí vận hành nhỏ
nhất, tránh nguy cơ làm hư hại thiết bị.
1.2. Phụ tải điện và các yêu cầu của phụ tải điện
1.2.1. Phụ tải điện

Ta biết phụ tải điện là công suất tác dụng và công suất phản kháng yêu cầu tại
một điểm nào đó của lưới điện làm việc với điện áp định mức gọi là điểm đặt hay điểm
đấu phụ tải.
Công suất tác dụng P là công suất có tiêu hao năng lượng của nguồn điện để
sinh công, công suất phản kháng Q là công suất chỉ để tạo ra từ trường, mang tính cảm,
không tiêu thụ năng lượng của nguồn để sinh công. Cả hai thành phần công suất P và Q
đều gây tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện áp trên các thiết bị truyền dẫn của
mạng điện. P và Q có tương quan với nhau và đặc trưng bằng công suất biểu kiến S và
hệ số công suất cosφ theo các biểu thức sau:

S = 3UI ,
ϕ = arctag

P = S.cosϕ ,
P
,
Q

Q = S.sin ϕ

S = P 2 + Q2

Phụ tải điện có một đặc điểm quan trọng nhất mà ta cần quan tâm đó là giá trị
phụ tải thường xuyên biến động theo thời gian, mức độ biến động cũng khác nhau:
- Biến thiên theo thời gian, theo quy luật ngày đêm, quy luật sinh hoạt và sản
xuất;
- Phụ tải điện có tính chất theo mùa: mùa mưa khác mùa hạn, khô;
- Phụ tải điện biến thiên mạnh theo thời tiết, như nhiệt độ môi trường;

-4-

Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

- Phụ tải điện luôn phát triển không ngừng trong thời gian và không gian.
Phụ tải là thông số đầu vào quan trọng của bài toán quy hoạch, thiết kế và vận
hành hệ thống điện. Biết chính xác được phụ tải sẽ thiết kế được hệ thống điện tối ưu
về chi phí sản xuất, tổn hao phân phối, chi phí trong vận hành nhỏ nhất. Trong tính
toán, các phụ tải có quy luật hoạt động giống nhau được xếp vào cùng một loại để có
phương pháp tính riêng. Thông thường sau khi phân loại ta có các cách gọi cho mỗi
loại riêng như: phụ tải sinh hoạt, phụ tải thương mại, phụ tải dịch vụ, phụ tải công
nghiệp, …
1.2.2. Yêu cầu của phụ tải điện
Phụ tải điện luôn đòi hỏi với hệ thống điện về hai yếu tố là: Chất lượng điện
năng và độ tin cậy cung cấp điện.
- Chất lượng điện năng: bao gồm chất lượng tần số và chất lượng điện áp
+ Chất lượng tần số được đánh giá bằng độ lệch tần số so với tần số định mức
và độ dao động tần số. Độ dao động tần số đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất
và giá trị nhỏ nhất của tần số khi tần số biến thiên nhanh và với tốc độ lớn hơn 1%/s.
Độ lệch tần số so với tần số định mức:
∆f =

f − f đm
.100% ≤ [∆f ] = ±0,5%
f đm

(1.1)

Độ lệch tần số như nhau đối với toàn bộ hệ thống vì giá trị tần số ở thời điểm
nào đó được xác định bằng tốc độ quay của các máy phát điện. Trong các chế độ xác
lập bình thường, tất cả các máy phát có tốc độ đồng bộ. Vì vậy độ lệch tần số là chỉ
tiêu hệ thống của chất lượng điện năng.
+ Điện áp có các giá trị khác nhau tại các thời điểm khác nhau trong mạng điện.
Vì vậy các chỉ tiêu chất lượng điện áp là cục bộ. Duy trì điện áp bình thường là một
trong những biện pháp cơ bản để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện.

-5-


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

Điện áp trong chế độ thực của mạng điện luôn luôn khác với điện áp định mức. Sự
khác nhau đó được đặc trưng bằng các chỉ tiêu chất lượng điện áp: độ lệch điện áp, dao
động điện áp…
Chất lượng điện áp được đánh giá bằng 4 chỉ tiêu: Độ lệch điện áp thực tế tại
điểm cung cấp so với điện áp định mức của lưới điện, độ dao động điện áp, độ không
đối xứng và độ không sin.
Độ lệch điện áp khỏi điện áp định mức của lưới điện:
δU =

U − U đm
.100%
U đm

(1.2)

δU phải thỏa mãn điều kiện:
δU − ≤ δU ≤ δU +

(1.3)

Với δU- , δU+: Là giới hạn trên và dưới của độ lệch điện áp.
Khi điện áp quá cao hay quá thấp đều gây ra phát nóng phụ cho các thiết bị điện,
làm giảm tuổi thọ, làm giảm hiệu suất, gây hỏng thiết bị,… Ngoài ra, nếu điện áp thấp
quá nhiều thì thiết bị còn không hoạt động được.
Độ dao động điện áp: Là sự thay đổi tức thời của điện áp do mở máy các động
cơ lớn, ngắn mạch trong mạng điện…dao động điện áp được xác định như sau:
dU % =

U ln − U nh
.100%
U đm

(1.4)

Trong đó: Uln, Unh là các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của điện áp trong một lần
dao động.
Độ lệch điện áp càng lớn, chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của các thiết bị dùng điện
càng giảm. Vì vậy các chế độ điện áp của mạng cần phải như thế nào để đạt được các

-6-


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

chi phí nhỏ nhất trong tất cả hệ thống cung cấp điện có xét đến hiệu quả kinh tế làm
việc của mạng điện và các thiết bị dùng điện.
Độ lệch cho phép của điện áp ở các hộ tiêu thụ được quy định như sau:
+ Trên các cực của các thiết bị chiếu sáng làm việc từ -2,5 đến +5%, chiếu
sáng trong nhà ± 5%;
+ Trên các cực của các động cơ, các thiết bị mở máy và điều khiển từ -5
÷ 10%;

Trên các cực của các thiết bị dùng điện còn lại ± 5%.
Độ lệch điện áp thay đổi theo thời gian do sự thay đổi của phụ tải, của chế độ
điện áp trong các trung tâm cung cấp…
Độ không đối xứng: Các phụ tải của các pha không đối xứng dẫn đến điện áp
các pha không đối xứng. Điện áp không đối xứng làm giảm hiệu quả công tác và tuổi
thọ của thiết bị dùng điện, giảm khả năng truyền tải của lưới điện và tăng tổn thất điện
năng.
Độ không sin: Các phụ tải phi tuyến như bộ chỉnh lưu công suất, lò điện hồ
quang…làm biến thiên dạng đường đồ thị điện áp không còn dạng sin, xuất hiện các
thành phần sóng hài bậc cao. Sóng hài bậc cao sẽ gây ra giảm điện áp trên đèn điện và
các thiết bị sinh nhiệt, tăng tổn thất sắt từ trong động cơ, tổn thất điện môi trong cách
điện, tăng tổn thất trong lưới điện và thiết bị dùng điện, gây nhiễu các thiết bị bảo vệ,
điều khiển điện tử,… Theo tiêu chuẩn 519-IEEE đề nghị: tổng các thành thành phần
sóng hài cao không được vượt quá 5% sóng hài cơ bản (THD ≤ 5%)
- Độ tin cậy cung cấp điện: được tính bằng thời gian mất điện trung bình năm
cho một hộ dùng điện và các chỉ tiêu khác đạt giá trị hợp lý chấp nhận được cho cả hai
phía người dùng điện và hệ thống điện. Độ tin cậy cung cấp điện được đảm bảo nhờ
cấu trúc của hệ thống điện và lưới điện trong được lựa chọn quy hoạch, thiết kế. Trong
thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa thì yêu cầu của phụ tải về chất lượng điện năng

-7-

Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

và độ tin cậy cung cấp điện cũng đòi hỏi ngày càng cao. Bởi vậy hệ thống điện cũng
phải hoàn thiện không ngừng về cấu trúc và điều độ hệ thống để thích nghi và đáp ứng
được những yêu cầu đó.
1.3. Đặc điểm mạng điện cục bộ
1.3.1. Ưu điểm mạng điện cục bộ
Như ta thấy các thủy điện nhỏ hiện rất được khuyến khích phát triển vì chúng có
một số ưu điểm nổi bật đó là:
- Đầu tư xây dựng nhanh với chi phí nhỏ, số lượng nhiều, vị trí phân tán ở các
khu vực hẻo lánh mà khả năng đưa lưới điện quốc gia đến là khó thực hiện;
- Giá thành thương phẩm hạ;
- Nguồn phát điện dạng “công nghệ sạch”.
Tuy nhiên nguồn điện cục bộ thủy điện nhỏ còn tồn tại khá nhiều nhược điểm
chưa được quan tâm khắc phục một cách thỏa đáng.
1.3.2. Nhược điểm mạng điện cục bộ
Đối với mạng điện cục bộ có một số nhược điểm cơ bản sau
- Vấn đề huy động công suất khi đóng tải nặng và quá tải giờ cao điểm:
Trong vận hành thường xuyên xảy ra chế độ đóng cắt những phụ tải lớn ví dụ
như đóng cắt một nhánh đường dây nào đó của lưới, phụ tải biến động đột ngột gây áp
lực lớn cho máy phát. Hoặc theo đồ thị phụ tải ngày, thường xuất hiện quá tải vào
những giờ cao điểm (khi hệ số đồng thời của phụ tải kđt≈ 1) có thể gây quá tải cho máy
phát trong khoảng thời gian đến hàng giờ (Hình 1.1)
-

Vấn đề huy động công suất khi khởi động động cơ:

Do công suất là nhỏ nên khi có phụ tải đỉnh cần huy động công suất như khởi

-8-


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

động động cơ không đồng bộ. Công suất khởi động đòi hỏi lớn từ 5 đến 7 lần công suất
định mức của động cơ trong một thời gian ngắn, vượt quá khả năng đáp ứng của nguồn
có thể làm mất cân bằng mômen trên trục máy phát khiến tốc độ giảm, tần số dao động
sẽ phát sóng hài vào lưới (Hình 1.2). Mặt khác dòng khởi động có thể tạo ra phụ tải
đỉnh làm bảo vệ rơle cực đại tác động dẫn đến gián đoạn cung cấp điện;

Hình 1.2. Đồ thị phụ tải khi có động cơ

Hình 1.1. Đồ thị phụ tải ngày

khởi động
- Vấn đề sóng điều hòa bậc cao: Trong mạng có các tải phi tuyến như các thiết
bị chỉnh lưu công suất, các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ qua bộ biến đổi công suất,
các đèn phóng điện trong hệ thống chiếu sáng… chính là nguồn sinh ra các sóng hài
bậc cao nhả vào lưới. Điều này ảnh hưởng đến khả năng truyền tải của lưới, phát nóng
phụ các thiết bị điện từ, suy giảm hệ số cosϕ chung toàn mạng.
1.4. Các biện pháp cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện cục bộ hạ áp có
công suất hữu hạn
Chất lượng điện năng được đặc trưng bằng các giá trị quy định của điện áp và
tần số trong mạng điện. Chất lượng điện năng ảnh hưởng nhiều đến các chỉ tiêu kinh tế
và kỹ thuật của các hộ dùng điện. Điện năng có chất lượng cao thì các thiết bị dùng

điện mới có thể làm việc với hiệu quả tốt. Duy trì điện áp bình thường là một trong
những biện pháp cơ bản để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện. Điều
chỉnh điện áp là quá trình thay đổi điện áp tại các điểm đặc trưng của hệ thống điện

-9-


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

nhờ các phương tiện kỹ thuật đặc biệt. Điều chỉnh điện áp có thể thực hiện bằng các
phương pháp sau:
- Thay đổi tỷ số biến áp của các máy biến áp điều chỉnh dưới tải nhằm mục đích
thay đổi chế độ điện áp ở trung tâm cung cấp.
- Mắc nối tiếp và song song các tụ với phụ tải để thay đổi tổn thất điện áp.
- Thay đổi tỷ số biến áp của các máy biến áp không điều chỉnh dưới tải và sử
dụng các máy biến áp điều chỉnh đường dây để thay đổi giá trị bổ xung của điện áp.
Để đảm bảo các chế độ cần thiết của điện áp trong mạng hạ áp cần phải đặt các
thiết bị tập trung để điều chỉnh điện áp trong các trung tâm cung cấp. Các thiết bị này
là các máy biến áp điều chỉnh dưới tải, các máy bù đồng bộ và các tụ bù tĩnh…
Các ngành công nghiệp hiện đại phụ thuộc vào chất lượng điện cung cấp bao
gồm các yêu cầu khắt khe về dao động điện áp, tần số và không bị cắt điện tức là phải
đảm bảo độ tin cậy, tính liên tục cung cấp điện.
Lưới điện hạ áp lấy điện từ thanh góp hạ áp của các trạm khu vực cung cấp cho
các hộ tiêu thụ trong đó hộ loại 1 là những hộ tiêu thụ điện quan trọng, nếu như ngừng
cung cấp điện có thể gây ra nguy hiểm đến tính mạng và sức khỏe của người, gây thiệt
hại nhiều về kinh tế, hư hỏng thiết bị… đây là hộ tiêu thụ thuộc mang tính chất là tải
nhạy cảm, yêu cầu chất lượng điện cao, việc đảm bảo độ tin cậy và tính liên tục cung
cấp điện là rất quan trọng. Mặt khác, đối với những hệ thống vận hành độc lập, không

hoà lưới điện quốc gia thì cần phải có một thiết bị kho điện để giúp san bằng các phụ
tải đỉnh của lưới…
Một giải pháp được đưa ra là sử dụng hệ thống lưu trữ điện năng BESS (Battery
Energy Storage Systems).

- 10 -


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LƯU ĐIỆN BESS
2.1. Tìm hiểu về hệ thống điện linh hoạt FACTS [9], [10]
Trước khi tìm hiểu về BESS, chúng ta sẽ đi tìm hiểu về hệ thống truyền tải điện
linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission Systems).
2.1.1. Khái niệm về hệ thống FACTS
Nhu cầu về quản lý các hệ thống điện hiệu quả hơn đã thúc đẩy sự đổi mới công
nghệ trong sản xuất và truyền tải điện năng. FACTS được sử dụng để điều khiển điện
áp, trở kháng và góc pha của đường dây xoay chiều cao áp. Các thiết bị FACTS cung
cấp những lợi ích cho việc nâng cao quản lý hệ thống truyền tải thông qua việc sử dụng
tốt hơn các lưới truyền tải hiện có, tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống
truyền tải; tăng độ ổn định động và ổn định quá độ của lưới, tăng chất lượng cung cấp
cho các ngành công nghiệp có yêu cầu chất lượng điện năng cao, các lợi ích về môi
trường khác. Đây là khái niệm về một hệ thống điện linh hoạt. Có nghĩa là các thông số
của hệ thống được điều khiển, đáp ứng nhanh theo sự thay đổi của phía đầu vào cũng
như khi thay đổi điểm làm việc.
Các thiết bị FACTS được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha
của các đường dây truyền tải xoay chiều cao áp. Dưới đây là mô tả các loại thiết bị
FACT chủ yếu:

Các máy bù tĩnh (SVC): là những thiết bị FACTS quan trọng, được sử dụng
trong nhiều năm để cải thiện tính kinh tế của các đường dây truyền tải bằng cách giải
quyết các vấn đề điện áp. Nhờ độ chính xác, tính khả dụng và đáp ứng nhanh, các thiết
bị SVC có thể cung cấp trạng thái ổn định và điều khiển điện áp quá độ có chất lượng
cao so với kiểu bù rẽ nhánh thông thường. Các thiết bị SVC cũng được sử dụng để làm
giảm các dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ và giảm tổn hao hệ thống
nhờ tối ưu điều khiển công suất phản kháng.

- 11 -


Nguyễn Thị Khuyên

Luận văn thạc sỹ

Các bộ bù nối tiếp được điều khiển bằng Thyristor (TCSC): Là một mở rộng
của các tụ nối tiếp truyền thống thông qua việc bổ sung một bộ phản ứng được điều
khiển bằng Thyristor. Đặt một bộ phản ứng như vậy song song với một tụ nối tiếp cho
phép tạo ra một hệ thống bù nối tiếp thay đổi liên tục và nhanh chóng. Những lợi điểm
chủ yếu của TCSC là tăng công suất truyền tải, giảm các dao động công suất, giảm các
cộng hưởng đồng bộ và điều khiển dòng công suất đường dây.
Máy bù đồng bộ tĩnh (STATCOM): là thiết bị SVC dựa trên GTO (Thyristor
kiểu cổng đóng - gate turn - off). So với loại SVC thông thường, STATCOM không
yêu cầu các thành phần cảm kháng và dung kháng lớn để cung cấp công suất phản
kháng các hệ thống truyền tải cao áp. Như vậy, yêu cầu về diện tích lắp đặt nhỏ hơn.
Một lợi thế khác là đầu ra phản ứng cao hơn ở điện áp hệ thống thấp, nơi một
STATCOM có thể được xem như một nguồn dòng độc lập với điện áp hệ thống.
Bộ điều khiển trào lưu công suất hợp nhất (UPFC): Kết nối một STATCOM
là một thiết bị được nối mạch rẽ, với một nhánh nối tiếp trong đường dây truyền tải qua
mạch DC của nó tạo ra UPFC. Thiết bị này giống như một biến áp chuyển dịch pha

nhưng có thể gắn một điện áp nối tiếp của góc pha yêu cầu thay vì một điện áp có góc
pha cố định. UPFC kết hợp lợi ích của một STATCOM và TCSC.
Nói tóm lại, Công nghệ FACTS là dựa trên nguyên tắc hoạt động của các bộ
biến đổi VSI (Voltage Source Inverter), VCS (Voltage Source Converter) công suất
lớn. Do sự phát triển của công nghệ sản xuất các thiết bị điển tử công suất lớn như
GTO, IGTO, IGBT,… đã cho phép ứng dụng vào hệ thống điện, nâng cao khả năng
điều khiển việc truyền tải điện năng cũng như nâng cao chất lượng điện năng. Đây
chính là cơ sở ra đời của FACTS.
FACTS là tập hợp của nhiều thiết bị điều khiển truyền tải điện năng trên nền
tảng các phần tử điện tử công suất lớn và sự tiến bộ trong công nghệ chế tạo các kho
điện và kho từ. Các thiết bị này có thể chia ra thành các nhóm theo cách đấu: nối tiếp,

- 12 -