Phân tích, mô phỏng hiệu quả sử dụng của hệ thống thiết bị bù SVC tại trạm biến áp 220kv thái nguyên

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

NGUYỄN VĂN THẮNG

PHÂN TÍCH, MÔ PHỎNG HIỆU QUẢ SỬ DỤNG HỆ THỐNG
THIẾT BỊ BÙ SVC TẠI TRẠM BIẾN ÁP 220KV THÁI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN - HỆ THỐNG ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN XUÂN HOÀNG VIỆT

Hà nội - 2014


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................3
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................7
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................9
I. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................9
II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..........................................................................9
III. Nội dung nghiên cứu ...........................................................................................10
IV. Bố cục luận văn ...................................................................................................10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ FACTS ...............................................11
1.1. Giới thiệu chung .................................................................................................11
1.2. Định nghĩa và mô tả các thiết bị điều khiển FACTS ...........................................12
1.2.1. Các thiết bị điều khiển FACTS cơ bản .......................................................12
1.2.2. Mô tả một số bộ điều khiển FACTS điển hình .............................................14
1.2.3. Các ứng dụng và hiệu quả của các thiết bị FACTS ......................................21
1.2.4. Khả năng ứng dụng các thiết bị FACTS ......................................................22
1.3. Kết luận...............................................................................................................23
CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC.................24
VÀ MÔ HÌNH CỦA NÓ TRONG VIỆC PHÂN TÍCH, ..........................................24
MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA SVC...................................................................24
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Thyristor ....................................................24
2.1.1. Cấu tạo của thyristor ...................................................................................24
2.1.2. Nguyên lý hoạt động thyristor ....................................................................24
2.2. Cấu tạo của SVC .................................................................................................28
2.1.1. Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR .........................................................29
2.1.2. Kháng đóng cắt bằng thyristor TSR .............................................................35
2.1.3. Tụ điện đóng cắt bằng thyristor TSC ...........................................................36

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

1


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

2.1.4. Hệ thống điều khiển các van trong SVC ......................................................37
2.2. Các đặc tính của SVC .........................................................................................38

2.2.1. Đặc tính điều chỉnh của SVC .......................................................................38
2.2.2. Đặc tính làm việc của SVC ..........................................................................39
2.3. Mô hình SVC trong tính toán, phân tích hệ thống điện .......................................40
2.3.1. Mô hình SVC trong chế độ xác lập ..............................................................40
2.3.2. Mô hình SVC trong chế độ quá độ...............................................................41
2.4. Phân tích hiệu quả sử dụng của SVC ..................................................................43
2.4.1. Ổn định điện áp tại nút đặt SVC ..................................................................43
2.4.2. Tăng khả năng truyền tải của hệ thống điện .................................................43
2.4.3. Tăng ổn định quá độ ....................................................................................46
2.5. Kết luận...............................................................................................................50
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG SVC TẠI
TRẠM BIẾN ÁP 220KV THÁI NGUYÊN .............................................................51
3.1. Giới thiệu về phần mềm PSCAD ........................................................................51
3.1.1 Giới thiệu chung ...........................................................................................51
3.1.2. Giao diện làm việc của phần mềm ...............................................................52
3.2. Giới thiệu trạm biến áp 220kV Thái nguyên và hệ thống SVC của trạm biến áp
220kV Thái Nguyên ..................................................................................................55
3.2.1. Giới thiệu trạm biến áp 220kV Thái Nguyên ...............................................55
3.2.2. Hệ thống SVC tại trạm biến áp 220kV Thái Nguyên ...................................58
3.2.3. Mô hình các phần tử khác của hệ thống ......................................................62
3.3. Kết quả tính toán, mô phỏng hoạt động của SVC tại trạm biến áp 220kV Thái
Nguyên ......................................................................................................................65
3.3.1. Kết quả tính toán, mô phỏng chế độ vận hành bình thường .......................65
3.3.2. Kết quả tính toán, mô phỏng chế độ sự cố ..................................................73
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................80
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................81

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

2

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi học hỏi, nghiên
cứu, tính toán và phân tích. Nội dung, số liệu được tham khảo và tập hợp từ nhiều
nguồn tài liệu khác nhau. Thuyết minh, mô phỏng và kết quả tính toán được bản
thân tôi thực hiện.
Hà Nội, ngày tháng 03 năm 2014

Nguyễn Văn Thắng
Khóa: CH2011B

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

3


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Hệ
Thống Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tập thể cán bộ công nhân Trạm
biến áp 220kV Thái Nguyên và bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện
thuận lợi cho tác giả thực hiện luận văn.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Nguyễn Xuân
Hoàng Việt - thầy đã tận tình quan tâm hướng dẫn giúp đỡ tác giả xây dựng và
hoàn thành luận văn này.
Vì thời gian và kiến thức còn hạn chế bản luận văn này không thể tránh khỏi
nhiều thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự góp ý của các thầy giáo, cô giáo, bạn
bè và đồng nghiệp để bản luận văn này ngày càng hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

4


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu,

Ý nghĩa

chữ viết tắt
SVC

Startic Var Compensator

Chú thích
Bù công suất có điều
khiển

FACTS

TCSC

Flexibile Alternating Curent

Hệ thống truyền tải điện

Transmission System

xoay chiều linh hoạt

Thyristor Controlled Series
Capacitor

SSSC

Static Synchronous Series
Compensator

UPFC

Unlfied Power Flow Controller

TCPST

Thyristor-Controlled Phase Shifting
Transformer

PSCAD

Power Systems Computer Aided

Chương trình thiết kế, mô

Design

phỏng hệ thống điện có trợ
giúp của máy tính

HTĐ

Hệ thống điện

CSPK

Công suất phản kháng

CSTD

Công suất tác dụng

NMĐ

Nhà máy điện

TCR

Thyristor Controlled Reactor

Cuộn kháng có điều khiển
bằng thyristor

TSR

Thyristor Switched Reactor

Cuộn kháng đóng cắt tự
động bằng thyristor

TSC

Thyristor Switched Capacitor

Tụ điện đóng cắt bằng
thyristor

MBA

Máy biến áp

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

5


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng

Trang

Bảng 1.1: So sánh hiệu quả của một số thiết bị FACTS. ..........................................22
Bảng 3.1: Thông số thiết bị chính của trạm 220kV Thái Nguyên ............................57

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

6


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Tên hình

Trang

Hình 1.1: Bộ điều khiển nối tiếp ...............................................................................12
Hình 1.2: Bộ điều khiển song song ...........................................................................13
Hình 1.3: Bộ điều khiển nối tiếp - nối tiếp................................................................13
Hình 1.4. Bộ điều khiển nối tiếp - song song kết hợp ...............................................14
Hình 1.5: Bộ điều khiển nối tiếp - song song hợp nhất.............................................14
Hình 1.6: Cấu tạo điển hình của SVC .......................................................................15
Hình 1.7: Cấu tạo của STATCOM ............................................................................16
Hình 1.8: Cấu tạo của TCSC .....................................................................................17

Hình 1.9: Cấu tạo của SSSC .....................................................................................18
Hình 1.10: Cấu tạo chung của UPFC ........................................................................19
Hình 1.11: Cấu tạo chung của TCPST ......................................................................20
Hình 2.1: Nguyên lý cấu tạo của Thyristor ...............................................................24
Hình 2.2: Đặc tính Volt - Ampe của Thyristor .........................................................24
Hình 2.3: Dạng sóng điện áp đầu ra mạch thuần trở có Thyristor ............................27
Hình 2.4: Cấu tạo của SVC .......................................................................................29
Hình 2.5: Cấu tạo của TCR .......................................................................................30
Hình 2.6: Dòng điện qua TCR khi góc cắt thay đổi ..................................................30
Hình 2.7: Dạng sóng của dòng điện qua TCR ..........................................................31
Hình 2.8: Đặc tính điều chỉnh dòng điện của TCR ...................................................34
Hình 2.9: Các thành phần sóng hài bậc cao trong TCR ............................................35
Hình 2.10: Cấu tạo của TSC .....................................................................................36
Hình 2.11: Nguyên lý làm việc của TSC ..................................................................36
Hình 2.12: Sơ đồ khối các khâu trong bộ điều khiển SVC .......................................37
Hình 2.13: Đặc tính U-I của SVC .............................................................................38
Hình 2.14: Đặc tính làm việc của SVC .....................................................................39
Hình 2.15: Mô hình SVC hoạt động trong giới hạn điều khiển ................................40
Hình 2.16: Mô hình IEEE loại 1 cho SVC ................................................................41

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

7


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 2.17: Mô hình IEEE loại 1 cho SVC ................................................................42

Hình 2.18: Đường cong điện áp với đặc tính tải khác nhau ......................................43
Hình 2.19: Hệ thống truyền tải SIMB .......................................................................44
Hình 2.20: Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ thống SIMB ......45
Hình 2.21: Đường cong biểu diễn giới hạn ổn định quá độ; .....................................47
Hình 3.1: Giao diện làm việc của phần mềm PSCAD ..............................................52
Hình 3.2: Cửa sổ làm việc và đầu ra dữ liệu .............................................................53
Hình 3.3: Thư viện các phần tử của phần mềm PSCAD ..........................................53
Hình 3.4: Cửa sổ dữ liệu đầu ra của phần mềm PSCAD ..........................................54
Hình 3.5: Sơ đồ kết nối với hệ thống đường dây 220kV ..........................................56
Hình 3.6: Sơ đồ đường dây truyền tải Mã Quan - Hà Giang - Thái Nguyên ............58
Hình 3.7: Sơ đồ SVC của trạm biến áp 220kV Thái Nguyên ...................................58
Hình 3.8: Mô hình tụ bù cố định ...............................................................................59
Hình 3.9: Mô hình TCR ............................................................................................60
Hình 3.10: Sơ đồ hệ thống điều khiển TCR ..............................................................60
Hình 3.11: Mô hình bộ đo điện áp ............................................................................60
Hình 3.12: Mô hình bộ so sánh điện áp ....................................................................61
Hình 3.13: Mô hình bộ điều khiển PI ........................................................................61
Hình 3.14: Mô hình bộ tạo xung răng cưa ................................................................61
Hình 3.15: Mô hình bộ tạo xung điều khiển Thyristor .............................................61
Hình 3.16: Mô hình và nhập số liệu cho nguồn điện xoay chiều 3 pha ....................62
Hình 3.17: Mô hình và thông số của đường dây truyền tải .......................................63
Hình 3.18: Mô hình tụ bù dọc ...................................................................................63
Hình 3.19: Mô hình và thông số của máy biến áp AT2 ............................................64
Hình 3.20: Mô hình phụ tải .......................................................................................65

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

8

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

MỞ ĐẦU
I. Lý do chọn đề tài
Trong những năm qua, nền kinh tế Việt Nam đã có những bước phát triển
mạnh mẽ, nhu cầu sử dụng điện năng cho sản xuất và sinh hoạt liên tục tăng cao, dẫn
đến tình trạng thiếu điện năng trên toàn hệ thống điện Quốc gia nói chung và hệ
thống điện miền Bắc nói riêng. Do đó để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội
thì ngành điện đã đưa ra một số giải pháp như: đầu tư xây dựng thêm nhiều nguồn
điện mới, đẩy nhanh tiến độ xây dựng các nhà máy điện, cải tạo lưới điện hiện có để
giảm tổn thất điện năng, sử dụng thiết bị chiếu sáng hiệu năng cao, và mua điện từ
các nước láng giềng ... Năm 2006 Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) đã ký hợp
đồng mua bán điện với Công ty điện lực Vân Nam (Trung Quốc), theo đó điện năng
sẽ được truyền tải bằng đường dây 220kV từ cửa khẩu Thanh Thủy - Hà Giang về các
trạm biến áp 220kV Hà Giang, Thái Nguyên. Đường dây truyền tải này đã chính thức
vận hành vào ngày 30-04-2007, công suất cực đại đạt 200MW.
Đường dây truyền tải điện nói trên có khoảng cách khá dài. Bên cạnh đó phụ
tải điện tập trung chủ yếu ở cuối nguồn và bao gồm nhiều phụ tải quan trọng có yêu
cầu về chất lượng điện năng rất cao. Do đó việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ
tiên tiến vào quá trình truyền tải điện năng nói trên để nâng cao độ tin cậy cung cấp
điện và giảm chi phí là rất cần thiết. Một trong những giải pháp được đưa ra đó là sử
dụng thiết bị SVC đặt tại trạm biến áp 220kV Thái Nguyên.
Việc phân tích và mô phỏng hoạt động của thiết bị SVC có ảnh hưởng đến hệ
thống điện như thế nào trong chế độ bình thường và chế độ sự cố sẽ giúp cho việc
vận hành hệ thống thiết bị bù SVC một cách có hiệu quả. Đây là mục đích và vấn đề
mà luận văn cần tập trung nghiên cứu để tìm ra phương pháp vận hành hệ thống SVC
sao cho có hiệu quả nhất.
II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của SVC trong
việc nâng cao ổn định của hệ thống điện.

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

9


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

- Phạm vi nghiên cứu: Phân tích và mô phỏng hiệu quả sử dụng của SVC, hoạt
động của SVC tại trạm biến áp 220kV Thái Nguyên ảnh hưởng đến hệ thống điện
như thế nào trong chế độ bình thường và sự cố.
III. Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo và hoạt động của các thiết bị FACTS đặc biệt là
thiết bị SVC trong hệ thống điện.
- Phân tích hiệu quả của việc sử dụng thiết bị SVC trong việc nâng cao ổn định
của hệ thống điện.
- Mô phỏng hiệu quả sử dụng của thiết bị SVC bằng phần mềm PSCAD.
IV. Bố cục luận văn
- Chương I: Tổng quan về thiết bị FACTS
- Chương II: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC và mô hình của nó
trong việc phân tích, mô phỏng chế độ hoạt động của SVC.
- Chương III: Giới thiệu về hệ thống SVC của trạm biến áp 220kV Thái
Nguyên. Ứng dụng phần mềm PSCAD để mô phỏng hiệu quả sử dụng của SVC tại
trạm biến áp 220kV Thái Nguyên.

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

10


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ FACTS
Trong chương 1, tác giả sẽ giới thiệu một cách tổng quan về nguyên lý hoạt
động và tác dụng của một số bộ điều khiển FACTS.
Nội dung chương 1 được tham khảo từ các tài liệu [1], [4], [5], [8].

1.1. Giới thiệu chung
Trong chế độ vận hành bình thường của hệ thống điện (HTĐ) việc sản xuất
công suất tác dụng (CSTD) phải đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ kể cả các tổn thất
nếu không tần số của hệ thống sẽ bị thay đổi. Bên canh đó, có một sự gắn bó chặt
chẽ giữa cân bằng công suất phản kháng (CSPK) với điện áp các nút hệ thống.
Công suất phản kháng ở một khu vực nào đó quá dư thừa thì ở đó sẽ có hiện tượng
quá điện áp (điện áp quá cao) và ngược lại nếu nút nào đó bị thiếu CSPK thì điện áp
tại nút đó sẽ bị sụt thấp. Nói cách khác, cũng như đối với CSTD, CSPK luôn phải
được điều chỉnh để giữ cân bằng. Việc điều chỉnh CSPK cũng là yêu cầu cần thiết
nhằm giảm tổn thất điện năng và đảm bảo ổn định hệ thống … Tuy nhiên có sự
khác nhau cơ bản giữa điều chỉnh CSTD và điều chỉnh CSPK. Tần số hệ thống sẽ
được đảm bảo bằng việc điều chỉnh CSTD ở bất kỳ máy phát điện nào miễn sao giữ
được cân bằng giữa tổng công suất phát và công suất tiêu thụ. Trong khi đó, điện áp
các nút hệ thống không bằng nhau, chúng phụ thuộc điều kiện cân bằng CSPK theo
từng khu vực. Như vậy nguồn CSPK cần được lắp đặt phân bố và điều chỉnh theo
từng khu vực. Điều này giải thích vì sao ngoài các máy phát điện cần phải có một số
lượng lớn các thiết bị sản xuất và tiêu thụ công suất phản kháng như máy bù đồng

bộ, tụ điện, kháng điện…
Trước đây việc điều chỉnh CSPK bằng các thiết bị bù thường được thực hiện
đơn giản như thay đổi từng nấc (nhờ đóng cắt bằng máy cắt cơ khí) hoặc thay đổi
kích từ (trong máy bù đồng bộ). Chúng chỉ cho phép điều chỉnh thô hoặc theo tốc
độ chậm. Sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt kỹ thuật
điện tử công suất với các thiết bị thyristor công suất lớn đã cho phép các thiết bị bù
có khả năng điều khiển linh hoạt giải quyết được những yêu cầu mà các thiết bị bù
cổ điển chưa đáp ứng được như tự động điều chỉnh điện áp các nút, giảm dao động
và nâng cao ổn định của hệ thống. Việc áp dụng các thiết bị bù CSPK chất lượng
cao điều khiển bằng thyristor đã trở thành một nhu cầu cấp thiết nhằm nâng cao tính
ổn định và hiệu quả sử dụng của hệ thống truyền tải điện.

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

11


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Cùng với sự phát triển nhanh và phức tạp của HTĐ đòi hỏi những công nghệ
mới được áp dụng và khai thác triệt để khả năng sẵn có của hệ thống mà không làm
ảnh hưởng đến việc truyền tải và phân phối điện. Các nghiên cứu phát triển và đưa
hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS vào sử dụng trong hệ thống
truyền tải điện đã mang lại những hiệu quả điều khiển không chỉ cải thiện về ổn
định mà còn mang lại khả năng vận hành linh hoạt cho HTĐ.

1.2. Định nghĩa và mô tả các thiết bị điều khiển FACTS
1.2.1. Các thiết bị điều khiển FACTS cơ bản

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS được IEEE định nghĩa:
FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) là hệ thống
truyền tải dòng điện xoay chiều kết hợp với các thiết bị điện tử công suất hoặc các
thiết bị điều khiển tĩnh khác để tăng cường khả năng điều khiển và tăng khả năng
truyền tải công suất.
Từ khái niệm trên, ta thấy hai nhiệm vụ chính của các thiết bị FACTS:
- Tăng khả năng truyền tải của các HTĐ.
- Đảm bảo công suất truyền tải trong khoảng giới hạn.
Nói chung các thiết bị FACTS có thể chia ra làm 4 loại như sau:
- Thiết bị điều khiển dọc (nối tiếp)
- Thiết bị điều khiển ngang (song song)
- Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp
- Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp – song song
*) Bộ điều khiển nối tiếp (Series Controllers):

Hình 1.1: Bộ điều khiển nối tiếp
Thiết bị điều khiển nối tiếp có thể là một trở kháng thay đổi được giá trị như tụ
điện, kháng điện, ... hoặc biến đổi nguồn có tần số bằng tần số của lưới nhờ thiết bị
điện tử công suất. Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển nối tiếp bù điện áp nối
tiếp với đường dây. Với điều kiện là điện áp vuông pha với dòng điện, thiết bị điều

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

12


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

khiển nối tiếp chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng. Bất kỳ mối quan hệ
pha khác sẽ liên quan đến điều chỉnh công suất tác dụng.
*) Bộ điều khiển song song (Shunt Controllers):

Hình 1.2: Bộ điều khiển song song
Thiết bị điều khiển song song cũng có thể là một trở kháng, một nguồn có thể
thay đổi giá trị hoặc sự kết hợp của cả hai. Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điển khiển
song song đưa thêm vào đường dây một nguồn dòng, dòng điện được bơm vào vuông
pha với điện áp, và thiết bị điều khiển song cũng chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất
phản kháng. Bất kỳ mối quan hệ pha khác sẽ liên quan đến điều chỉnh công suất tác
dụng.
*) Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp - nối tiếp (Combined Series-Series
Controllers):

Hình 1.3: Bộ điều khiển nối tiếp - nối tiếp
Đây là sự kết hợp của các bộ điều khiển nối tiếp riêng lẻ được điều khiển phối
hợp trong hệ thống nhiều đường dây truyền tải, hoặc nó cũng có thể là một bộ điều
khiển hợp nhất. Trong đó bộ điều khiển nối tiếp bù công suất phản kháng được bù
độc lập cho mỗi đường dây, công suất tác dụng giữa các đường dây được trao đổi

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

13


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

thông qua nguồn liên kết. Khả năng truyền công suất tác dụng của bộ điền khiển nối

tiếp - nối tiếp làm cho nó có khả năng cân bằng cả công suất phản kháng lẫn công
suất tác dụng chạy trên đường dây và do đó cực đại hóa khả năng sử dụng của đường
dây.
*) Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp - song song (Combined Series-Shunt
Controllers):

Hình 1.4. Bộ điều khiển nối tiếp - song song kết hợp

Hình 1.5: Bộ điều khiển nối tiếp - song song hợp nhất
Đây là sự kết hợp của các bộ điều khiển nối tiếp và song song, được điều
khiển kết hợp hoặc điều khiển hợp nhất dòng năng lượng với các phần tử nối tiếp và
song song. Về nguyên lý, bộ điều khiển nối tiếp song song bù dòng điện vào hệ thống
nhờ phần tử song song của bộ điều khiển, và bù điện áp vào hệ thống bằng thành
phần nối tiếp.
1.2.2. Mô tả một số bộ điều khiển FACTS điển hình
1.2.2.1. Bộ điều khiển song song

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

14


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

a. SVC (Static Var Compensator): là thiết bị bù ngang dùng để phát hoặc tiêu
thụ công suất phản kháng có thể điều chỉnh 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 mặt cảm kháng có thể phát hoặc tiêu

thụ công suất phản kháng tùy theo chế độ vận hành.
- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử công suất như thyristor,
các cửa đóng mở GTO.
Cấu tạo điển hình của SVC:

Hình 1.6: Cấu tạo điển hình của SVC
Trong trường hợp chung SVC được cấu tạo từ 3 phần tử cơ bản:
- Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR (Thyristor Controller Reactor): điện
kháng của nó thay đổi liên tục (điều chỉnh trơn) bằng cách điều chỉnh góc dẫn của các
thyristor.
- Kháng đóng mở bằng thyristor TSR (Thyristor Switched Reactor): có chức
năng tiêu thụ công suất phản kháng, điện kháng đẳng trị là một giá trị nhảy cấp.
- Bộ tụ được đóng cắt bằng thyristor TSC (Thyristor Switched Capacitor): có
chức năng phát công suất phản kháng, điện dung đẳng trị là một giá trị nhảy cấp.

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

15


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Ngoài 3 phần tử cơ bản ở trên, SVC có thể còn có thành phần lọc sóng hài bậc
cao.
Các chức năng chính của SVC bao gồm:
- Điều chỉnh điện áp tại nút có đặt SVC.
- Điều chỉnh trào lưu công suất tại nút được bù.
- Tăng cường ổn định của HTĐ như: giới hạn thời gian và cường độ quá điện

áp, giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch...) trong HTĐ.
- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh của HTĐ.
- Tăng khả năng truyền tải của đường dây.
- Giảm tổn thất công suất và điện năng.
b. STATCOM (STATic synchronous COMpensator): là một trong những thiết
bị FACTS quan trọng, nó bao gồm các bộ tụ được điều chỉnh bằng các thiết bị điện tử
công suất như thyristor và khóa đóng mở GTO. So với SVC, STATCOM là thiết bị
hoàn thiện hơn, có kết cấu gọn nhẹ hơn, không đòi hỏi diện tích lớn như SVC và đặc
biệt nó điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn.
Cấu tạo điển hình của STATCOM:

Hình 1.7: Cấu tạo của STATCOM
Các chức năng của STATCOM cũng giống như SVC nhưng khả năng điều
chỉnh, điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao gồm:

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

16


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

- Điều khiển điện áp tại nút đặt STATCOM, có thể cố định giá trị điện áp.
- Điều chỉnh trào lưu công suất tại nút được bù.
- Tăng cường ổn định của HTĐ như: giới hạn thời gian và cường độ quá điện
áp, giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch...) trong HTĐ.
Ngoài ra STATCOM còn có đặc điểm nổi trội hơn SVC như:
- Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi đã loại

trừ được sự cố.
- Có thể phát công suất phản kháng khi điện áp thanh cái nhỏ hơn điện áp lưới
và ngược lại, tiêu thụ công suất phản kháng khi điện áp thanh cái lớn hơn điện áp
lưới.
1.2.2.2. Bộ điều khiển nối tiếp
a. TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor): là thiết bị điều khiển trở
kháng nhanh của đường dây và hoạt động trong điều kiện ổn định của hệ thống điện.

Hình 1.8: Cấu tạo của TCSC
TCSC bao gồm hai thành phần:
- Thành phần cảm kháng có thể thay đổi điện dung nhờ bộ điều chỉnh van
thyristor.
- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử công suất như thyristor,
các khóa đóng mở GTO.
Thành phần cảm kháng bao gồm một kháng điện có thể thay đổi điện kháng
như TCR được nối song song với bộ tụ. Khi góc mở của TCR bằng 1800, kháng điện
sẽ không dẫn điện nữa và khi đó bộ tụ có điện kháng bình thường của nó. Khi góc mở
thay đổi từ 1800 về nhỏ hơn 1800, tính dung kháng sẽ tăng lên. Khi góc mở là 900,
kháng điện trở nên dẫn điện hoàn toàn, điện kháng tổng sẽ mang tính chất cảm. Với
góc mở là 900, TCSC có thể hạn chế dòng điện sự cố. TCSC có thể là một khối lớn,
Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

17


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

đơn lẻ hoặc chứa vài tụ điện có kích cỡ bằng hoặc khác nhau để có thể hoạt động

mang lại hiệu quả tốt hơn.
Chức năng chính của TCSC bao gồm:
- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh.
- Giảm sự thay đổi điện áp.
- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây.
- Giảm góc làm việc  làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây.
- Hạn chế hiện tượng ảnh hưởng tần số thấp trong HTĐ.
Ngoài ra, TCSC còn có nhiều chức năng khác có thể làm tăng tính linh hoạt
trong vận hành HTĐ.
b. SSSC (Static Synchronous Series Compensator): là một máy phát đồng bộ
không cần nguồn năng lượng điện bên ngoài, nó hoạt động như thiết bị bù nối tiếp mà
điện áp đầu ra có thể điều khiển độc lập và vuông pha với dòng điện trên đường dây
nhằm mục đích tăng hoặc giảm điện áp dung kháng rơi trên đường dây và vì thế điều
khiển công suất truyền tải trên đường dây. SSSC có thể chứa bộ dự trữ năng lượng
hoặc các thiết bị tiêu thụ năng lượng nhằm tăng khả năng ổn định động của hệ thống
bằng cách bù thêm công suất tác dụng tức thời, để tăng hoặc giảm điện áp rơi trên
đường dây.

Hình 1.9: Cấu tạo của SSSC

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

18


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

SSSC là một trong những bộ điều khiển FACTS quan trọng nhất. Nó tương tự

như STATCOM, nhưng khác ở chỗ là điện áp đầu ra AC nối tiếp với đường dây. Nó
có thể dựa trên bộ chuyển đổi nguồn điện áp hoặc bộ chuyển đổi điện nguồn dòng.
Thông thường thì điện áp bù nối tiếp đưa thêm là khá nhỏ so với điện áp đường dây.
Với cách điện phù hợp giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp, các thiết bị
chuyển đổi được đặt ở điện thế mặt đất trừ khi các thiết bị này được đặt trên mặt
phẳng được cách điện với đất. Tỷ số máy biến áp được biến đổi sao cho thiết kế bộ
chuyển đồi điện kinh tế nhất. Vì không có nguồn điện thêm ở ngoài, SSSC chỉ có bù
một lượng điện áp nhanh pha hơn hoặc chậm pha hơn so với dòng điện một góc là
900. Cuộn sơ cấp của biến áp và do đó cả cuộn thứ cấp cũng như bộ chuyển đổi phải
mang được dòng điện trên đường dây khi đầy tải, kể cả dòng làm việc sự cố.
1.2.2.3. Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp - song song
a. UPFC (Unified Power Flow Controller): là sự kết hợp của STATCOM và
SSSC thông qua nguồn liên kết một chiều, cho phép dòng công suất tác dụng chảy
theo cả hai hướng giữa đầu ra nối tiếp của SSSC và đầu ra song song của
STATCOM, và được điều khiển để cung bù công suất phản kháng và công suất tác
dụng một cách đồng thời mà không cần nguồn điện bên ngoài.
Cấu tạo của UPFC:

Hình 1.10: Cấu tạo chung của UPFC

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

19


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Như vậy UPFC bao gồm thiết bị bù dọc làm thay đổi góc pha SSSC và thiết bị

bù ngang STATCOM. Mỗi bộ chuyển đổi gồm các van đóng mở GTO và MBA trung
gian, mỗi bộ chuyển đổi có thể ngừng hoạt động vì bất cứ nguyên nhân nào, bộ
chuyển dồi còn lại có thể vận hành điều khiển một cách độc lập.
Các chức năng của UPFC:
- Điều khiển trào lưu công suất tại nút bù.
- Tăng cường ổn định tĩnh và ổn định động của HTĐ.
- Giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ.
- Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi đã loại
trừ được sự cố.
b. TCPST (Thyristor-Controlled Phase Shifting Transformer): là một biến áp
dịch pha được điều chỉnh bằng các thyristor để thay đổi pha một cách nhanh chóng.

Hình 1.11: Cấu tạo chung của TCPST
Nói chung, dịch pha đạt được bằng cách thêm vectơ điện áp vuông pha góc nối
tiếp với pha. Vectơ này lấy từ 2 pha còn lại thông qua biến áp mắc ngang. Điệp áp nối
tiếp vuông pha được tạo ra có thể thay đổi bằng rất nhiều loại cấu trúc điện tử công
suất. Bộ điều khiển này còn được gọi là TCPAR (Thyristor-Controlled Phase Angle
Regulator).
Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

20


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Chức năng chính của TCPST:
- Điều chỉnh góc lệch pha của điện áp pha của đường dây.
- Điều chỉnh trào lưu công suất.

1.2.3. Các ứng dụng và hiệu quả của các thiết bị FACTS
Mỗi loại thiết bị FACTS có chức năng và hiệu quả khác nhau, một số lợi ích
cơ bản của nó là:
- Điều khiển trào lưu công suất theo yêu cầu.
- Nâng cao khả năng tải của đường dây tới khả năng chịu nhiệt của nó. Chú ý
rằng khả năng chịu nhiệt của đường dây thay đổi trong khoảng rộng tùy thuộc vào
điều kiện môi trường và lịch sử mang tải.
- Nâng cao độ an toàn của hệ thống nhờ việc tăng giới hạn ổn định quá độ, hạn
chế dòng ngắn mạch và quá tải, giảm bớt số lần mất điện và cản dao động điện cơ của
hệ thống điện và thiết bị điện.
- Tạo ra độ an toàn cho các đường dây kết nối giữa các vùng miền bởi vậy
giảm được yêu cầu phát điện ngược cho cả 2 phía.
- Tạo ra khả năng linh hoạt hơn trong việc đặt thêm các nhà máy mới.
- Giảm dòng công suất phản kháng, bởi vậy cho phép các đường dây mang nhiều
công suất tác dụng hơn.
- Tăng khả năng sử dụng của các nhà máy với chi phí thấp nhất.
Trong thực tế, mỗi loại thiết bị FACTS sẽ có một hoặc hai chức năng chính đã
nêu ở trên.Tùy theo yêu cầu trong từng hệ thống điện cụ thể như: yêu cầu điều chỉnh
điện áp, trào lưu công suất, nâng cao ổn định hay giảm dao động công suất trên
đường dây...tùy vào chế độ vận hành mà ta lựa chọn các thiết bị một cách hợp lý.
Sau đây là bảng tổng kết so sánh các chức năng của một số thiết bị FACTS:

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

21


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Bảng 1.1: So sánh hiệu quả của một số thiết bị FACTS.
Thiết bị

Điều khiển

Điều khiển

Ổn định

Ổn định

Chống dao

FACTS

trào lưu

điện áp

quá độ

động

động công

công suất

suất

SVC

X

xxx

x

x

xx

STATCOM

X

xxx

xx

x

xx

TCSC

xx

x

xxx

xxx

xx

UPFC

xxx

xxx

xx

xx

xx

TCPAR

xxx

xx

xx

x

xx

Ghi chú: x - bình thường, xx - tốt, xxx - rất tốt.
1.2.4. Khả năng ứng dụng các thiết bị FACTS
Đặc điểm của HTĐ hiện nay và trong tương lai là xu hướng hợp nhất các
HTĐ nhỏ thành các HTĐ hợp nhất bằng các đường dây siêu cao áp, sự phát triển
của HTĐ không chỉ là sự hợp nhất giữa các hệ thống nhỏ trong một quốc gia mà
còn yêu cầu sự liên kết HTĐ giữa các quốc gia khác nhau. Đây là xu hướng phát
triển tất yếu của các HTĐ hiện đại nhằm nâng cao tính kinh tế - kỹ thuật trong sản
xuất, linh hoạt trong các chế độ vận hành. Việc hợp nhất các HTĐ 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. Việc hợp nhất HTĐ là cơ sở hình thành thị
trường điện, một xu hướng phát triển của HTĐ hiện đại.
Các đường dây dài điện áp cao thường được bù thông số với mục đích chủ
yếu là nâng cao khả năng tải và san bằng điện áp phân bố dọc đường dây. Một cách
gián tiếp, giới hạn ổn định động cũng tăng do nâng cao thêm được đường cong công
suất điện từ. Quá trình quá độ của hệ thống xảy ra khi có kích động là rất phức tạp,
việc đặt dung lượng bù cố định trong trường hợp này sẽ có hiệu quả không cao
nhưng nếu đặt các thiết bị bù có điều khiển thì ổn định của hệ thống sẽ được cải
thiện đáng kể.
Như vậy, với sự phát triển và xu hướng hình thành HTĐ hợp nhất đã tạo ra
một HTĐ lớn và ngày càng phức tạp với chiều dài đường dây siêu cao áp liên kết
lưới điện giữa các khu vực ngày càng nhiều, vấn đề nghiên cứu và ứng dụng các
công nghệ, thiết bị điều khiển vào HTĐ ngày càng trở nên cần thiết. Việc nghiên

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

22


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

cứu và ứng dụng các thiết bị của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt
(FACTS) trong các HTĐ lớn đã và đang được đầu tư mạnh mẽ trên thế giới nói
chung và Việt Nam nói riêng.
Ở Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu về một số thiết bị FACTS như
SVC, TCSC. Việc ứng dụng việc ứng dụng các thiết bị này vào hệ thống điện Việt
Nam còn nhiều hạn chế do những khó khăn về chi phí, điều khiển, vận hành (hiện
nay, ở Việt Nam chỉ có 2 trạm biến áp sử dụng SVC: Trạm biến áp 220kV Thái
Nguyên và Trạm biến áp 220kV Việt Trì). Những năm gần đây, cùng với sự tiến bộ
của kỹ thuật vi xử lý, công nghệ bán dẫn cũng phát triển rất nhanh. Do đó làm cho
việc điều khiển, vận hành và chi phí cho các thiết bị FACTS cũng giảm đi nhiều.
Chính vì vậy, công nghệ FACTS sẽ được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điện nước
ta trong vài thập niên tới.

1.3. Kết luận
Các thiết bị FACTS đã được thiết kế, chế tạo và lắp đặt phổ biến trên thế giới
với nhiều loại khác nhau để phù hợp với các loại điều khiển và các thông số điều
khiển trong HTĐ. Nhìn chung các thiết bị FACTS được chia thành các thiết bị điều
khiển dọc, ngang và tổ hợp cả dọc và ngang.
SVC là thiết bị điển hình đã được áp dụng khá rộng rãi trên thế giới. Ở Việt
Nam, thiết bị SVC đã được lắp đặt tại Việt Trì, Thái Nguyên. Trong đó, trạm biến áp
220kV Thái Nguyên là nơi nhận lượng điện năng lớn được truyền từ Mã Quan Trung Quốc bằng đường dây truyền tải khá xa nên việc ổn định điện áp là rất cần
thiết. Do đó, đề tài chỉ tập trung vào nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của
SVC, hiệu quả sử dụng của SVC tại trạm biến áp 220kV Thái Nguyên. Trong phần
tiếp theo của luận văn ta đi tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các mô hình tính
toán của thiết bị này.

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

23


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC
VÀ MÔ HÌNH CỦA NÓ TRONG VIỆC PHÂN TÍCH,
MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA SVC
Trong chương 2, tác giả sẽ đi sâu nghiên cứu, tìm hiểu rõ về thành phần cấu
tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của SVC trong hệ thống điện.
Nội dung chương 2 được tham khảo từ các tài liệu [5], [6], [7], [8], [9].

2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Thyristor
2.1.1. Cấu tạo của thyristor
Thyristor là phần tử bán dẫn được cấu tạo từ 4 lớp bán dẫn: P-N-P-N tạo ra 3
lớp tiếp giáp P-N: J1; J2; J3.
Thyristor có 3 cực là: Anôt (A); Catôt (K) và cực điều khiển (G) như được
biểu diễn ở hình sau:
Xung ÐK(G)
Anôt(A) +

- Catôt(K)

J1
A

P

J2
N

J3
P

N

K

Hình 2.1: Nguyên lý cấu tạo của Thyristor
2.1.2. Nguyên lý hoạt động thyristor
a. Đặc tính Volt – Ampere (V-A) của thyristor
Đặc tính V- A của thyristor gồm 2 phần:
- Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ I của đồ thị ứng với trường hợp
điện áp UAK>0.
- Phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III gọi là đặc tính ngược tương
ứng với trường hợp UAK<0.

Hình 2.2: Đặc tính Volt - Ampe của Thyristor
Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B

24