Tính toán, thiết kế bộ bù áp nhanh cho mạng điện trung áp

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

TRẦN VĂN VŨ

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BỘ BÙ ÁP NHANH
CHO MẠNG ĐIỆN TRUNG ÁP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN VĂN LIỄN

Hà Nội - 2014


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...............................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................8
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................10
CHƯƠNG 1 : CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG .11
1.1. Các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng. ............................................11
1.1.1.Lõm điện áp. ..............................................................................................13
1.1.2. Mất điện tạm thời. ....................................................................................14
1.1.3. Vấn đề sóng hài. .......................................................................................14
1.2. Các định nghĩa và tiêu chuẩn liên quan đến hiện tượng lõm điện áp. ............15
1.3. Phân loại lõm điện áp. ....................................................................................17
1.3.1. Lõm điện áp một pha. ...............................................................................17
1.3.2.Lõm điện áp pha với pha. ..........................................................................17

1.3.3. Lõm điện áp ba pha. .................................................................................18
1.3. Nguyên nhân và hậu quả của hiện tượng lõm điện áp gây ra. ........................18
1.4. Xu hướng mới trong vấn đề chất lượng điện năng. ........................................19
1.5. Các giải pháp cho việc nâng cao chất lượng điện năng. .................................20
1.5.1.Sử dụng bộ cấp nguồn điện liên tục – UPS. ..............................................22
1.5.2. Sử dụng bộ bù áp nhanh – DVR...............................................................22
1.5.3. Sử dụng bộ khóa chuyển đổi tĩnh -SSTS. ................................................23
1.6. Kết luận. ..........................................................................................................26
CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ CẤU TRÚC CỦA BỘ BÙ ÁP NHANH DVR...............27
2.1. Cấu hình cơ bản của bộ DVR. ........................................................................27
2.1.1. Khối lưu trữ điện năng . ..........................................................................28
2.3.2. Nghịch lưu nguồn áp (VSI). .....................................................................32
2.3.3. Bộ lọc sóng hài. ........................................................................................35
2.3.4. Khóa chuyển mạch dẫn vòng. ..................................................................36
1


2.3.5.Máy biến áp bù. .........................................................................................36
2.3.6. Hệ thống bảo vệ và mạch nạp DC. ...........................................................40
2.3. Vị trí của bộ DVR trong hệ thống điện. .........................................................40
2.3.1.Vị trí của bộ DVR ở mạng điện trung áp. .................................................41
2.3.2.Vị trí của bộ DVR ở mạng điện hạ áp. ......................................................42
2.4. Cấu hình mạch lực của bộ DVR. ....................................................................43
2.5. Mạch tương đương của bộ bù áp nhanh DVR. ...............................................44
2.6. Nguyên lý hoạt động của bộ DVR. ................................................................45
2.6.1. Chế độ bù điện áp (VDVR>0). ...................................................................45
2.6.2.Trong chế độ dự phòng (VDVR=0). ............................................................45
2.6.3.Chế độ bảo vệ khi có sự cố........................................................................45
2.7. Kết luận. ..........................................................................................................46
CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BÙ ÁP NHANH

DVR ..........................................................................................................................47
3.1. Các chiến thuật bù áp dụng cho bộ bù áp DVR.............................................47
3.1.1. Bù trước khi lõm. .....................................................................................50
3.1.2. Bù đồng pha..............................................................................................52
3.1.3.Phương pháp tối ưu hóa năng lượng. ........................................................53
3.1.4. Bù kết hợp. ...............................................................................................53
3.2. Các chiến lược điều khiển bộ nghịch lưu Inverter..........................................54
3.2.1 Điều khiển tuyến tính. ..............................................................................55
3.2.2. Điều khiển phi tuyến. ...............................................................................56
3.3. Các phương pháp phát hiện lõm điện áp. .......................................................57
3.3.1. Phương pháp giá trị đỉnh. .........................................................................57
3.3.2. Phương pháp giá trị hiệu dụng (rms)........................................................58
3.3.3. Biến đổi Fourier (FT). ..............................................................................58
3.3.4. Phương pháp vecto không gian. ...............................................................58
3.4. Thiết kế mạch điều khiển cho bộ DVR. .........................................................60
3.4.1. Yêu cầu về chức năng điều khiển. ............................................................60
2


3.4.2. Thuật toán điều khiển. ..............................................................................60
3.5. Tính toán và thiết lập các giá trị của bộ DVR. ...............................................63
3.5.1. Tính toán các giá trị của bộ bù áp nhanh DVR. .......................................63
3.5.2.Thiết lập mô hình mô phỏng trong Matlab/Simulink ................................67
3.6. Mô phỏng, đánh giá và thảo luận....................................................................69
3.6.1. Tiến hành mô phỏng trên Matlab/Simulink. ............................................69
3.6.2. Đánh giá và thảo luận. ..............................................................................76
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI. .............................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................78

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn cao học: “Tính toán, thiết kế bộ bù áp nhanh cho
mạng điện trung áp - DVR” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo
PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn. Các số liệu và kết quả thu được là hoàn toàn trung
thực, phù hợp với thực nghiệm mà tôi đã tiến hành.
Để hoàn thành bản luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu
phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 16 tháng 03 năm 2014

Tác giả

Trần Văn Vũ

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ANN

Artificial neural network

Điều khiển mạng Noron

APF

Active Power Filter

Bộ lọc công suất tác dụng.

Batery Energy Storage

Hệ thống lưu trữ điện năng cục bộ

System

bằng Acquy

BESS

D-STATCOM
DVR

Distribution Static

Bộ bù đồng bộ tĩnh

Compensator
Dynamic Voltage Restorer
Computer and Business

CBEMA

Bộ bù áp nhanh
Hiệp hội những nhà sản xuất và kinh

Equipment Manufacture

doanh máy tính

Association
Flexible AC Transmission

Hệ thống truyền tải nguồn xoay

System

chiều linh hoạt.

FFT

Fast Fourier Transform

Phép biến đổi Furier nhanh

GTO

Gate Turn Off Thyristor

Thyrixto cắt (chuyển từ đóng sang)

PCC

Point of Common Coupling

Điểm nối chung

PFC

Power Factor Controller

bộ điều khiển hệ số công suất

PQ

Power Quality

Chất lượng điện năng

PLL

Phase Locked Loop

Vòng khóa pha

PWM

Pulse Width Modulation

Phương pháp điều chế độ rộng xung

VSI

Voltage Source Inverter

Bộ nghịch lưu nguồn áp

THD

Total Harmonic Distortion

Độ méo sóng hài

FACTS

IGBT

Integrated Gate Bipolar

Tranzito lưỡng cực cổng tích hợp

Transistor

UPS

Uninterruptible Power Supply Bộ cấp nguồn liên tục

SMES

Super conducting Manegtic
5

Hệ thống lưu trữ năng lượng siêu từ


Energy System

SSTS

IEEE

IEC

SVPWM

tính.

Static Switch Transfer

Bộ khóa chuyển đổi tĩnh

System
Institute Of Electrical and
Electronics Engineers
International Electrotechnical
Commission
Space Vector Pulse Width
Modulation

Viện kỹ sư điện và điện tử.

Ủy ban quốc tế về kỹ thuật điện

Điều khiển vecto không gian PWM

VL

Voltage Load

Điện áp tải

Vs

Voltage Supply

Điện áp cung cấp

PL

Active Power Load

Công suất tác dụng của tải

QL

Reactive Load

Công suất phản kháng của tải

PDVR

Active Power of DVR

Công suất tác dụng của bộ DVR

QDVR

Reactive DVR

Công suất phản kháng của bộ DVR

VDVR

Voltage DVR

Điện áp bù vào bởi bộ DVR

Vsag

Voltage Sag

Điện áp trong quá trình lõm điện áp

Vpre-sag

Voltage Pre- sag

Điện áp trước khi lõm

6


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Các vấn đề về chất lượng điện năng và ảnh hưởng của nó. ..................... 13
Bảng 1.2. So sánh 3 giải pháp bảo vệ tải nhạy cảm từ dao động điện áp. ................ 23
Bảng 2.1. Bảng so sánh các thiết bị sử dụng trong khối lưu trữ điện năng. ............. 29

Bảng 3.1. Các thông số mô phỏng của bộ DVR ....................................................... 66

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống truyền tải, phân phối điện năng.
Hình 1.2.Tiêu chuẩn 1159-1995 của IEEE về giảm điện áp
Hình 1.3. Đường cong CBEMA
Hình 1.4. Đường cong ITIC
Hình 1.5. Cấu trúc cơ bản của bộ UPS với khối lưu trữ điện năng.
Hình 1.6. Cấu hình cơ bản bộ DVR với thiết bị lưu trữ năng lượng.
Hình 1.7. Bộ khóa chuyển mạch tĩnh (SSTS) giữa 2 nguồn cung cấp.
Hình 1.8. Sơ đồ khối của bộ bù áp nhanh DVR.
Hình 2.1. Các thành phần cơ bản của bộ DVR.
Hình 2.2. Bộ DVR với bộ lưu trữ năng lượng có điện áp DC hằng số.
Hình 2.3. Bộ DVR với bộ lưu trữ năng lượng có điện áp DC biến đổi.
Hình 2.4 Bộ DVR không có bộ lưu trữ điện năng và bộ Shunt ở phía nguồn cung
cấp.
Hình 2.5 Bộ DVR không có bộ lưu trữ điện năng và bộ Shunt ở phía tải.
Hình 2.6. Cầu 3 pha Graetz và sự chuyển mạch của nó.
Hình 2.7 Cấu hình nghịch lưu NPC và sự chuyển mạch của nó.
Hình 2.8. Cấu hình nghịch lưu chữ H và sự chuyển mạch của nó.
Hình 2.9. Vị trí của bộ lọc ở phía tải.
Hình 2.10. Vị trí bộ lọc ở phía biến tần.
Hình 2.11 Cách đấu cuộn sơ cấp máy biến áp bù theo cấu hình tam giác.
Hình 2.12 Cách đấu cuộn sơ cấp máy biến áp bù theo cấu hình sao.
Hình 2.13 Vị trí của bộ DVR trong lưới trung áp.
Hình 2.14 Vị trí của bộ DVR trong lưới hạ áp.

Hình 2.15. Mạch tương đương của bộ DVR.
Hình 2.16. Bộ DVR ở chế độ bảo vệ
Hình 3.1. Các phương pháp bù ứng dụng trong bộ DVR.
Hình 3.2. Phương pháp điều khiển cho bộ bù áp nhanh DVR
8


Hình 3.3.Phương pháp bù trước khi lõm ( bù cả biên độ và góc pha)
Hình3.4. Phương pháp bù đồng pha (chỉ bù về mặt biên độ)
Hình 3.5. Phương pháp tối ưu hóa năng lượng bù
Hình 3.6. Phương pháp kết hợp giữa bù trước lõm và bù đồng pha
Hình 3.7. Các phương pháp điều khiển ứng dụng cho bộ nghịch lưu.
Hình 3.8. Giản đồ pha của SPLL.
Hình 3.9. Thuật toán điều khiển cho bộ DVR.
Hình 3.10. Thuật toán điều khiển cho bộ DVR sử dụng điều khiển tiền định dựa trên
biến đổi dq.
Hình 3.11. Sơ đồ thay thế của bộ bù áp nhanh.
Hình 3.12.Sơ đồ mô phỏng trong phần mềm Matlab /Simulink.
Hình 3.13.Điện áp tải tham chiếu - điện áp chuẩn.
Hình 3.14. Điện áp nguồn bị lõm ở 15%, trong thời gian 0,2 (s).
Hình 3.15. Điện áp nguồn bị lõm ở 15%, trong hệ tọa độ dq.
Hình 3.16. Điện áp bộ bù áp nhanh DVR ở lõm 15%.
Hình 3.17. Điện áp của tải sau khi bù bởi bộ DVR ở lõm 15%.
Hình 3.18. Điện áp nguồn bị lõm ở 40%, trong thời gian 0,2 (s).
Hình 3.19. Điện áp nguồn bị lõm ở 40%, trong thời gian 0,2 (s) trong tọa độ dq.
Hình 3.20. Điện áp bộ bù áp nhanh DVR ở mức lõm 40%.
Hình 3.21. Điện áp tải sau khi được bù bởi bộ DVR ở mức lõm 40%.
Hình 3.22. Điện áp tải bị lõm ở 70% trong thời gian 0,2 (s).
Hình 3.23. Điện áp tải bị lõm ở 70% trong thời gian 0,2 (s) ở hệ tọa độ dq.
Hình 3.24. Điện áp DVR ở 70% trong thời gian 0,2 (s).

Hình 3.25. Điện áp tải sau khi bù ở mức lõm 70% trong thời gian 0,2 (s).

9


MỞ ĐẦU
Chất lượng điện năng là một trong mối quan tâm trong thời đại hiện nay, nó càng
trở nên quan trọng hơn hết với sự phát triển của các thiết bị mà đặc tính vận hành
của nó càng nhạy cảm hơn với chất lượng điện năng như: hệ thống máy tính, các
thiết bị bán dẫn,các cơ cấu gia công chính xác, hệ thống điều khiển tự động
hóa….những thiết bị nhạy cảm này yêu cầu cao về chất lượng điện áp đặc biệt là
với hiện tượng lõm điện áp, hiện tượng này xảy ra trong thời gian rất ngắn 0,5 chu
kỳ điện áp lưới đến 1 phút, tần suất lớn khi có sự cố trên đường truyền tải hoặc
đường phân phối. Do lõm điện áp nhiều thiết bị sẽ bị ngừng hoạt động, như các
công tắc tơ, các biến tần, thiết bị điều khiển điện tử, dẫn đến cả dây chuyền có thể
phải dừng lại, điều này có thể gây nên những hậu quả nghiêm trọng như : làm ngắt
quãng dây chuyền sản xuất, làm cho các thiết bị vận hành sai quy trình, sai chức
năng ảnh hưởng đến tuổi thọ, năng suất và chất lượng sản phẩm, từ đó ảnh hưởng
đến doanh thu, tăng chi phí của doanh nghiệp. Nắm bắt được xu thế đó, đã có rất
nhiều thiết bị có thể đưa vào mạng điện của doanh nghiệp nhằm giảm thiểu và triệt
tiêu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điện năng như là: UPS, D-STARTCOM,
STSS, DVR…
Trong đó, bộ bù áp nhanh DVR cho thấy hiệu quả về các mặt như: tác động nhanh,
chính xác và hiệu quả về chi phí đầu tư…hiện nay, rất nhiều hộ tiêu thụ điện đã xây
dựng, lắp đặt và vận hành bộ bù áp DVR này. Cũng như cũng đã có rất nhiều đề tài,
công trình nghiên cứu nhằm giải quyết vấn đề cấp thiết của thực tế này. Luận văn là
những đúc kết cô đọng nhất có thể về bộ bù áp nhanh, cấu hình cũng như các sách
lược điều khiển, từ đó đưa ra được cấu trúc của bộ DVR về phần cứng, cấu hình về
điều khiển cũng như khả năng ứng dụng, khả năng hoạt động thực tế…giúp cho nhà
nghiên cứu, nhà sản xuất, nhà phân phối điện có cái nhìn sâu sắc hơn về bộ DVR và

từ đó tiếp tục cải tiến, hoàn thiện hơn trong những ứng dụng của doanh nghiệp
mình.

10


CHƯƠNG 1 : CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN
NĂNG.
1.1. Các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng.
Hệ thống điện ngày nay là một mạng lưới tổ hợp với hàng trăm máy phát điện và
hàng nghìn trung tâm phụ tải được kết nối với nhau thông qua đường dây truyền tải
dài và mạng lưới phân phối.

Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống truyền tải, phân phối điện năng.
Trong hệ thống truyền tải phân phối, điện áp được phát ra bởi các nhà máy điện có
dạng hình sin với tần số là cố định. Các hộ tiêu thụ điện năng cần nguồn liên tục có
dạng sin, tần số cố định, điện áp đối xứng với giá trị hiệu dụng không đổi để tiến
hành việc sản xuất kinh doanh. Tuy nhiên, trong thực tế tryền tải hệ thống điện có
nhiều tải phi tuyến, do đó ảnh hưởng đáng kể chất lượng của nguồn cung cấp điện.
Do có tải phi tuyến cho nên dạng sóng của nguồn cung cấp bị thay đồi, điều này
làm gia tăng các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng bởi vì một sự xáo
trộnnào đó cũng có thể gây ra việc mất dữ liệu, gián đoạn việc sản xuất cho nên chất
lượng điện năng đang nhận được sự quan tâm lớn [5].
Thuật ngữ chất lượng điện năng đã trở thành một trong những khái niệm quen
thuộc từ những thập niên 1980. Khái niệm về chất lượng điện năng chủ yếu là 3 yếu
tố cấu thành chính: Độ tin cậy, chất lượng nguồn cung cấp và các dịch vụ khách
hàng đi kèm [3].
Chất lượng nguồn điện năng là một vấn đề rộng nhưng có thể được phân chia thành
hai loại chính là: chất lượng về điện áp và chất lượng về tần số. Các vấn đề về chất
lượng điện áp có liên quan với : lõm điện áp, lồi điện áp, điện áp thấp, điện áp cao,

mất điện áp cung cấp…trong khi vấn đề chất lượng tần số có liên quan với: sóng
hài và chuyển mạch.
11


Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ các tải nhạy cảm ngày càng nhiều
do đó duy trì chất lượng điện năng là một trong những vấn đề then chốt, nhằm đáp
ứng yêu cầu của việc tiêu thụ điện. Lý do là với công nghệ sản xuất hiện đại yêu cầu
nguồn liên tục, không gián đoạn, đặc biệt chất lượng điện năng cao để cung cấp cho
việc vận hành các thiết bị nhạy cảm với điện áp như là các hệ thống điều khiển cao
cấp, hệ thống tự động hóa, các kỹ thuật gia công chính xác, hệ thống máy tính, các
thiết bị quang học...
Chất lượng điện năng có thể giảm sút do 2 nguyên nhân chủ yếu là quá trình truyền
tải và sự bất thường hộ tiêu thụ điện.Các bất thường trong hệ thống phân phối là
chuyển đổi tải, khởi động động cơ, tải bị dao động và tải phi tuyến tính.Trong khi
yếu tố sét và lỗi hệ thống có thể được coi là bất thường bên phía truyền tải. Và theo
đó mỗi một hiện tượng khác nhau thì cần có cách điều tra, công cụ đo lường khác
nhau nhằm tìm ra giải pháp thích hợp để khắc phục hoặc giảm thiểu những ảnh
hưởng của chúng [5].
Ngày nay khái niệm chất lượng điện năng mang ý nghĩa rộng hơn. Nó bao hàm
toàn bộ các quan hệ phức tạp giữa nhà sản xuất và người tiêu dùng điện, từ nhà máy
đến khách hàng cuối cùng. Trong sản xuất và trong đời sống hàng ngày xuất hiện
nhiều loại thiết bị, máy móc có yêu cầu cao về độ ổn định, tính liên tục của nguồn
điện cung cấp. Các hệ thống dịch vụ và sản xuất cũng thay đổi mối quan hệ giữa
hoạt động sản xuất, khả năng cung cấp dịch vụ đáp ứng các nhu cầu của khách
hàng như một trong những mối quan tâm hàng đầu. Tóm lại những trục trặc nhỏ
trong hệ thống cung cấp năng lượng có thể dẫn tới những tổn thất lớn về kinh tế.
Chính vì vậy ngày nay khách hàng đặt ra những tiêu chuẩn mà nhà sản xuất và phân
phối điện phải đáp ứng. Khách hàng thường có liên hệ với nhà cung cấp điện ngay
từ những khâu đầu tiên trong quá trình thiết kế, xây dựng, lắp đặt cũng như sử dụng

hàng ngày để được đảm bảo cung cấp điện phù hợp nhất.
Rất khó để đánh giá chính xác về mặt tác động của chất lượng điện năng nhưng có
thể nói rằng việc gián đoạn đột xuất về nguồn có thể gây tổn thất hàng tỷ đồng.
Cùng với các chi phí hữu hình bị mất ( ảnh hưởng đến doanh thu), lãng phí nguyên
12


vật liệu và làm hư hỏng thiết bị thì còn có các chi phí vô hình như lòng tin của
khách hàng do việc giao hàng chậm.

STT

Yếu tố nhiễu loạn

Ảnh hưởng

1

Điện áp cao

Hư hại về mặt cách điện

2

Điện áp thấp

Quá dòng cho moto

3

Điện áp không cân bằng Mô tơ bị nóng

4

Điện áp trung tính- đất

Gây ra sự cố cho các thiết bị số

5

Gián đoạn điện áp

Ngừng hoạt động hoàn toàn

6

Lõm điện áp

7

Lồi điện áp

Hư hại về mặt cách điện

8

Điện áp dao động

Hệ thống chiếu sáng luôn bị chập chờn.

Làm ngắt máy tính, PLC, biến tần… hoặc
hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ.

Bảng 1.1. Các vấn đề về chất lượng điện năng và ảnh hưởng của nó.
Các hộ tiêu thụ điện sẽ chịu ảnh hưởng mạnh nhất của các hiện tượng: lõm điện áp,
mất nguồn ngắn hạn và sóng hài.
1.1.1.Lõm điện áp.
Là hiện tượng điện áp sụt giảm xuống tới 0,1 đến 0,9 p.u. trong thời gian 0,5 chu kỳ
điện áp lưới (10 ms ở 50 Hz) đến 1 phút [9]. Lõm điện áp thường xuất hiện do có
sự cố trên đường truyền tải hoặc đường phân phối làm các thiết bị bảo vệ tác động,
do các động cơ công suất lớn khởi động. Do lõm điện áp nhiều thiết bị sẽ bị ngừng
hoạt động, như các công tắc tơ, các biến tần, thiết bị điều khiển điện tử, dẫn đến cả
dây chuyền có thể phải dừng lại, điều này có thể gây nên những hậu quả nghiêm
trọng.
13


1.1.2. Mất điện tạm thời.
Hiện tượng này xảy ra khi điện áp giảm đến 0 trong 1s đến 5 phút [9]. Các hậu quả
xảy ra cũng giống như lõm điện áp, tuy nhiên việc khắc phục sẽ phức tạp hơn
nhiều.
Một tương quan có thể được tìm thấy giữa bị gián đoạn và lõm điện áp. Các biện
pháp để giảm số lượng gián đoạn có thể tăng số lượng các lõm điện áp xảy ra . Ví
dụ bằng việc có một hệ thống mắt lưới phân phối (dự phòng cao) số lượng gián
đoạn đi xuống, nhưng lõm điện áp có thể xảy ra thường xuyên hơn và nặng hơn.Tuy
nhiên, có sự khác nhau giữa ngắt điện (mất hoàn toàn điện áp) và lõm điện áp. Ngắt
điện xảy ra khi các thiết bị bảo vệ thực ra là ngắt mạch cung cấp phục vụ một khách
hàng cụ thể. Điều này thường chỉ xảy ra khi mà có lỗi xảy ra ở trên mạch đó. Còn
hiện tượng lõm điện áp xảy ra trong thời gian một lỗi trong những lỗi trên một phần
lớn của hệ thống điện. Lỗi trên đường cung cấp song song hoặc trên hệ thống truyền

tải sẽ gây ra lõm điện áp nhưng sẽ không dẫn đến sự gián đoạn thực tế. Vì vậy, lõm
điện áp là thường xuyên hơn và nhiều hơn so với ngắt điện. Nếu thiết bị nhạy cảm
với lõm điện áp, thì tần suất của hiện tượng lõm điện áp sẽ nhiều hơn so với việc
thiết bị chỉ nhạy cảm với ngắt nguồn.
1.1.3. Vấn đề sóng hài.
Sóng hài trở nên nghiêm trọng hơn do ngày càng có nhiều loại phụ tải phi tuyến
được sử dụng như các bộ biến đổi bán dẫn, các phụ tải một pha hoặc do các quá
trình phụ tải biến động nhanh.
Sóng hài đặc trưng bởi hệ số méo phi tuyến tổng thể:
hmax

M
THDM 

h=2

MI

2
h

(1.1)

Trong đó h là bậc của sóng hài, số nguyên lần tần số cơ bản. Độ méo phi tuyến sóng
hài đối với dòng điện thể hiện rõ nhất tác động của méo phi tuyến đối với các thiết
bị trong hệ thống vì dòng điện mới phản ánh được công suất.
14


hmax

I
TDD I 

2
h

h=2

(1.2)

IL

Trong đó IL là dòng tải lớn nhất ở tần số cơ bản, lấy giá trị trung bình cho phụ tải
trong 12 tháng cuối cùng.
1.2. Các định nghĩa và tiêu chuẩn liên quan đến hiện tượng lõm điện áp.
Chuẩn IEEE 1100-1992 định nghĩa một lõm điện áp như là hiện tượng “ Giảm giá
trị hiệu dụng trong điện áp xoay chiều, ở tần số nguồn trong vòng nửa chu kỳ cho
đến một vài giây” [5]. Lưu ý rằng: Thuật ngữ của IEC gọi hiện tượng lõm/ võng là
hiện tượng lún điều này có liên quan đến hiện tượng dịch pha. Nếu điện áp được
giảm xuống bằng không, sự xáo trộn này được cho là mất điện tạm thời. Cách rõ
ràng nhất để mô tả một lõm điện áp là việc giảm điện áp hiệu dụng, thời gian và có
thể
đi kèm với hiện tượng dịch pha.
Trong tiêu chuẩn 1159 -1995 của IEEE định nghĩa rất rõ ràng về hiện tượng lõm
điện áp và các giá trị chỉ định của nó.“ Lõm điện áp được định nghĩa là hiện tượng
mà giá trị hiệu dụng thay đổi biên độ giữa khoảng 10% và 90% của giá trị danh
định trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kỳ cho đến 1 phút” [9].

15

Hình 1.2.Tiêu chuẩn 1159-1995 của IEEE về giảm điện áp [6].
Đặc tính về hiện tượng lõm điện áp này được thiết lập bởi Hiệp hội sản xuất kinh
doanh thiết bị máy tính, được minh họa bằng đường cong CBEMA như sau [6]:

Hình 1.3. Đường cong CBEMA.
16


Gần đây nhất, CBEMA đã đổi tên thành Hội đồng công nghiệp công nghệ thông tin
(ITIC), và đường cong hiện tại cũng được thay đổi thành đường cong ITIC :

Hình 1.4. Đường cong ITIC
1.3. Phân loại lõm điện áp.
Có 3 dạng lõm điện áp xảy ra tùy thuộc số lượng pha bị lõm như sau:
1.3.1. Lõm điện áp một pha.
Là dạng lõm điện áp thường xuyên xảy ra nhất trong hệ thống điện chiếm tới hơn
70%, lõm một pha xảy ra khi một pha bị lỗi chạm đất ở đâu đó trong hệ thống điện.
Nó xuất hiện như lõm điện áp trong đường cấp chung từ trạm phân phối, các
nguyên nhân điển hình như do sét đánh, cành cây gãy, do động vật tiếp xúc vào…
Lõm điện áp một pha có thể gây ra lõm đến 30% hoặc là thấp hơn nữa đặc biệt là
trong các nhà máy công nghiệp.
1.3.2.Lõm điện áp pha với pha.
Lõm điện áp pha với pha thường xuất hiện do cành cây, thời tiết bất lợi, động vật
hay là xe tải va chạm với cột điện gây nên hai pha, hoặc là pha với lõm điện áp pha.

17

Hiện tượng lõm điện áp này cũng thường xuất hiện trên đường cấp khác trong cùng
một trạm phân phối.
1.3.3. Lõm điện áp ba pha.
Lõm điện áp 3 pha thường xảy ra khi có sự chuyển mạch hoặc ngắt của bộ ngắt
mạch, công tắc hoặc tự đóng lại 3 pha, nó sẽ tạo ra lõm điện áp 3 pha ở trên đường
nguồn khác được cung cấp từ trạm phân phối chung.
Lõm điện áp 3 pha cân bằng có nguyên nhân từ việc khởi động các động cơ công
suất lớn và nó góp phần vào cỡ gần 20% của các hiện tượng lõm điện áp xảy ra
trong các nhà máy công nghiệp và các tải phụ cận.
1.3. Nguyên nhân và hậu quả của hiện tượng lõm điện áp gây ra.
Có rất nhiều nguyên nhân gây ra lõm điện áp hệ thống điện. Lõm điện áp thường
xuyên xảy ra bởi việc khởi động các tải lớn như: động cơ, đóng điện máy biến áp,
hay lỗi thiết bị, lỗi hệ thống truyền tải và phân phối [3]. Các lỗi trên hệ thống truyền
tải và phân phối có thể được tạo thành bởi nhiều nguồn khác nhau như: hiện tượng
sét đánh, dây dẫn bị cháy nổ khi có bão, tiếp xúc với các vật thể như : cành cây,
động vật…các sự cố ngắn mạch pha bởi cành cây, chim chóc hay là lỗi của con
người như : đào đường, xe ôtô va chạm vào các cực điện…hoặc là do việc vận hành
các loại thiết bị điện như là: máy hàn, máy luyện thép, các lò hồ quang….
Đặc tính của lõm điện áp là về mặt biên độ và thời gian xảy ra sự cố phụ thuộc
chính vào nguyên nhân gây ra nó. Nó là các sự kiện ngẫu nhiên, không đoán trước.
Tần số xuất hiện của nó phụ thuộc vào hệ thống cung cấp nguồn và điểm quan sát.
Thêm nữa, hệ thống phân phối sau nhiều năm vận hành sẽ trở nên bất thường hơn
Từ đó cho thấy rằng lõm điện áp là một trong những vấn đề cấp bách nhất liên quan
đến chất lượng nguồn điện do việc sử dụng các thiết bị nhạy cảm với điện áp như:
máy tính, hệ thống điều khiển quá trình,biến tần, hệ thống rơ le, các thiết bị
quang…Điều này đặc biệt đúng trong các ứng dụng công nghiệp khi mà chỉ cần lõm
điện áp trong thời gian ngắn cũng gây ra những tổn thất nghiêm trọng vì làm gián
đoạn quá trình sản xuất, giảm doanh thu của doanh nghiệp.

18

1.4. Xu hướng mới trong vấn đề chất lượng điện năng.
Từ những vấn đề phân tích về chất lượng điện năng ở trên cho thấy sự quan tâm
đến chất lượng điện năng là cần thiết với những xu thế:
-

Yêu cầu cao hơn về chất lượng điện năng ví dụ như những ngành công nghệ
thông tin, các nhà máy sản xuất được tự động hóa, các hoạt động kinh doanh
thương mại yêu cầu chất lượng nguồn điện phải tốt và tin cậy [6].

-

Không độc quyền và thương mại hóa thị trường điện tạo ra chất lượng điện
năng, một tham số quan trọng để đạt được một mức giá điện cao hơn cho mỗi
kilowatt, nhằm tăng lợi nhuận và thị phần.

-

Quá trình phi tập trung hóa việc sản xuất điện lồng ghép các nguồn năng lượng
thay thế và các nhà máy điện nhỏ đã làm gia tăng các vấn đề về chất lượng
điện năng như dư thừa công suất, điện áp dao động và không ổn định.

-

Những cải tiến trong lĩnh vực điện tử công suất và khả năng xử lý dữ liệu có
thể nâng cao chất lượng điện năng bằng các bộ điều khiển điện tử công suất có
giá thành hợp lý.

Xu hướng trên đã tạo ra rất nhiều các bộ điều khiển công suất nhằm giải quyết vấn

đề chất lượng điện năng nhất là vấn đề lõm điện áp. Từ đó xuất hiện khái niệm về
công nghệ biến đổi công suất (Custom Power Technology) , được giới thiệu lần đầu
tiên bởi NG Hingorani trong năm 1995. Giống như hệ thống truyền tải linh hoạt
(FACTS) cho các hệ thống truyền tải, nó cũng sử dụng các bộ điều khiển điện tử
công suất trong hệ thống phân phối, đặc biệt là để giải quyết với vấn đề chất lượng
điện khác nhau. Nó đảm bảo việc khách hàng sẽ nhận được chất lượng điện năng có
đặc tính kỹ thuật cho trước và độ tin cậy của nguồn cung cấp. Chất lượng có đặc
tính kỹ thuật cho trước này có thể chứa các đặc tính sau: thấp pha, mất cân bằng,
không ngắt điện, chỉ số nhấp nháy thấp ở điện áp tải, sóng hài thấp trong điện áp tải,
biên độ và thời gian quá áp/thấp áp trong giới hạn quy định, sự dao động cho phép,
độ phi tuyến và các tải có thông số thấp mà không có ảnh hưởng đáng kể đến điện
áp đầu cuối.

19


Công nghệ biến đổi công suất – Công nghệ CPT hay thiết bị biến đổi công suất –
CPD là một thuật ngữ chung cho các thiết bị có khả năng giảm thiểu rất nhiều các
vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng. Chức năng cơ bản là chuyển mạch
nhanh, và dòng điện hoặc điện áp bù được bù vào cho những bất thường trong điện
áp cung cấp hoặc dòng điện tải, bằng cách bù hoặc hấp thụ công suất thực và công
suất phản kháng, tương ứng.
Các bộ điều khiển điện tử công suất được sử dụng trong các giải pháp biến đổi có
thể là dạng cấu hình lại mạng điện hoặc là dạng bù. Các thiết bị cấu hình lại mạng
điện thường được gọi là trạm phân phối với việc tích hợp thiết bị hạn chế dòng điện,
ngắt dòng và thiết bị chuyển đổi dòng.
Các thiết bị có thể là : Bộ giới hạn dòng bán dẫn (SSCL), máy cắt bán dẫn (SSB),
bộ khóa chuyển mạch bán dẫn (SSTS)…trong khi các thiết bị bù là bù cho tải như :
hệ số công suất, điện áp không cân bằng hoặc cải thiện chất lượng điện năng của
điện áp cung cấp. Các thiết bị trên có thể được đấu song song (kiểu Shunt) hoặc là

nối tiếp hay cũng có thể là kiểu kết hợp. Ở dạng này gồm có các thiết bị như: Bộ bù
đồng bộ tĩnh D-STATCOM, bộ bù áp nhanh- DVR, bộ biến đổi hợp nhất chất lượng
điện năng - UPQC.
Trong các thiết bị bù thì bộ bù áp nhanh DVR có khả năng bù hiện tượng lõm/ lồi
điện áp ảnh hưởng nghiêm trọng đến nhà máy sản xuất như: bán dẫn, các sản phẩm
nhựa, chế biến thực phẩm, nhà máy sữa, giấy…
1.5. Các giải pháp cho việc nâng cao chất lượng điện năng.
Để giảm thiểu các tổn thất kinh tế do lõm điện áp mang lại cần thực hiện một số
biện pháp. Lõm điện áp phát sinh chủ yếu do các sự cố xảy ra trên mạng điện, vì
vậy biện pháp đầu tiên là loại trừ các nguyên nhân dẫn đến sự cố. Trong lưới truyền
tải cần đảm bảo sự vững chắc của các cột đỡ đường dây, làm sạch sứ đỡ, lắp đặt các
máy cắt tác động nhanh và các cuộn chặn tiếp đất.
Trong lưới phân phối cần cắt tỉa cây gần đường dây, lắp đặt các bộ bẫy động vật,
thiết kế hệ thống theo mạch vòng chứ không phải hình sao, lắp đặt các thiết bị bảo

20


vệ đáp ứng nhanh…Tuy nhiên, các biện pháp đã áp dụng cũng không thể đảm bảo
loại trừ được hết các sự cố.
Để khắc phục những vấn đề liên quan chất lượng điện năng xảy ra trong hệ thống
truyền tải, các thiết bị FACTS ( Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt) đóng
vai trò chính. Đây cũng được gọi là các giải pháp hữu hiệu, thường nhắm mục tiêu
đến các hộ tiêu thụ điện có tải nhạy cảm, được sử dụng để giải quyết vấn đề chất
lượng trong hệ thống phân phối.
Một trong những ưu điểm chính của thiết bị FACTS là nó cho phép để tăng khả
năng điều khiển và tối ưu hóa đường truyển mà không vượt quá các giới hạn nhiệt.
Nó đảm bảo độ tin cậy cao hơn và chất lượng dòng điện tốt hơn đến các trung tâm
phụ tải trong hệ thống phân phối bằng cách bù áp thành công cho các hiện tượng
lõm điện áp,dâng áp, biến dạng hài hòa, gián đoạn và dao động, đó là những vấn đề

thường gặp liên quan đến đường dây phân phối điện áp.
Tuy nhiên các thiết bị này tương đối đắt tiền. Vả lại không phải hộ tiêu thụ nào
cũng cần mức độ bảo vệ như nhau và dịch vụ với giá thành cao cho các phụ tải
không yêu cầu khắc nghiệt về chất lượng điện áp. Vì vậy các thiết bị tương tự như
FACTS nhưng được thiết kế phù hợp cho lưới phân phối, áp dụng riêng cho những
phụ tải quan trọng, với công suất nhỏ hơn, giá thành thấp sẽ có tiềm năng ứng dụng
nhiều hơn.
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các sản phẩm thương mại nhằm cải thiện chất
lượng điện năng như: Bộ lọc công suất tác dụng (APF), Hệ thống lưu trữ điện năng
cục bộ bằng Acquy (BESS), Bộ bù đồng bộ tĩnh(DSTATCOM), Tụ bù nối tiếp
(DSC), Bộ bù áp nhanh (DVR), bộ điều khiển hệ số công suất (PFC), bộ chống sét
(SA), hệ thống lưu trữ năng lượng siêu dẫn từ (SMES), bộ khóa chuyển đổi tĩnh
(SSTS), bộ nguồn cấp điện liên tục (UPS)…[3],[6].
Với vấn đề bù hiện tượng điện áp lõm trong số các thiết bị đã nêu trên thì có 3 thiết
bị có khả năng bù được đó là [4]:

21


1.5.1.Sử dụng bộ cấp nguồn điện liên tục – UPS.
Là một thiết bị chuyển đổi tĩnh với chuyển đổi kép nhằm giảm thiểu hầu hết các loại
rối loạn chất lượng điện năng.

Hình 1.5. Cấu trúc cơ bản của bộ UPS với khối lưu trữ điện năng.
Bộ UPS gồm có hai khối chuyển đổi AC/DC và DC/AC, ngoài ra còn có đường dự
phòng trong trường hợp cần bảo dưỡng. Khối lưu trữ năng lượng thường dùng cho
UPS là các khối Acquy được kết nối với đường DC. Trong quá trình vận hành bình
thường, thì nguồn xoay chiều qua bộ chuyển đổi AC/ DC rồi nạp tích trữ năng
lượng cho Acquy, lúc này bộ Acquy ở chế độ chờ có nhiệm vụ duy trì điện áp DC,
sau đó qua bộ chuyển đổi DC/AC cung cấp cho tải.

Trong quá trình lõm hoặc ngắt nguồn, năng lượng sẽ được giải phóng từ các khối
Acquy sẽ duy trì điện áp 1 chiều ở đường DC. Tùy thuộc vào dung lượng của khối
Acquy mà nó có thể duy trì điện áp cho tải trong vào một vài phút cho đến hàng
giờ. UPS thực sự chỉ dùng cho các thiết bị mà mức tiêu thụ năng lượng thấp như:
máy tính…bởi vì giá rẻ, dễ vận hành và điều khiển. Nhưng với những tải lớn thì
cùng với suất đầu tư cao, tổn thất lớn do việc có 2 bộ biến đổi cũng như chi phí bảo
dưỡng cho khối Acquy đã đẩy chi phí lên cao và thực sự đây là giải pháp ít khả thi
về mặt kinh tế.
1.5.2. Sử dụng bộ bù áp nhanh – DVR.
Là thiết bị kết nối nối tiếp có chức năng bù lõm điện áp và khôi phục điện áp tải
trong trường hợp sụt giảm điện áp.

22


Hình 1.6. Cấu hình cơ bản bộ DVR với thiết bị lưu trữ năng lượng.
1.5.3. Sử dụng bộ khóa chuyển đổi tĩnh -SSTS.
Có chức năng chuyển đổi nguồn cấp từ nguồn bị sự cố sang nguồn an toàn cung cấp
cho tải.

Hình 1.7.Bộ khóa chuyển mạch tĩnh (SSTS) giữa 2 nguồn cung cấp.
Bộ SSTS có 2 nguồn cấp độc lập nhau, khi một nguồn bị sự cố thì tải sẽ được cấp
bởi nguồn còn lại do đó không làm gián đoạn việc cung cấp nguồn cho tải.
Một số ưu, nhược điểm của 3 giải pháp dùng UPS, DVR, SSTS được tổng hợp
trong bảng sau[6]:

23


STT

1

2

Thiết bị

UPS

DVR

Ưu điểm

Nhược điểm

- Có thể bù trong trường hợp
ngắt nguồn
- Tổn thất ít, chỉ bù phần điện

- Khó bảo vệ.

áp thiếu của nguồn cung cấp.

- Không thể bù trong trường

- Tối ưu chi phí.

ngắt nguồn.

- Chi phí hệ thống thấp nếu có

đường cấp nguồn thứ hai.
SSTS

cao.
- Tổn thất lớn.

- Tổn thất ở chế độ chờ là thấp.

3

- Chi phí trên một kW điện là

- Có thế bù cho cả trường hợp
ngắt nguồn hoặc lõm điện áp.
- Tỉ số lợi ích/ chi phí cao nếu

- Cần đường cấp nguồn ổn
định.
- Khó để đảm bảo về đường cấp
có ổn định hay không.
- Tốc độ đáp ứng chậm.

như có đường nguồn dự phòng.
Bảng 1.2. So sánh 3 giải pháp bảo vệ tải nhạy cảm từ dao động điện áp.
Trong bảng so sánh trên đề cập đến các chỉ tiêu tiết kiệm, giá thành của một kVA,
chi phí vận hành hàng năm và tổng chi phí hàng năm với tỷ số lợi ích/ chi phí thì
cho thấy: Bộ SSTS có tỷ số lợi ích/ chi phí là cao nhất nếu như có đường nguồn dự
phòng còn nếu không có thì bộ DVR có thể là giải pháp hiệu quả nhất về mặt chi
phí. Tuy nhiên, các giải pháp tối ưu về kinh tế được đưa ra ứng dụng còn phụ thuộc
vào thiết bị hiện tại, đặc điểm của từng lõm điện áp và chi phí của việc ngừng sản

xuất do lõm gây ra.
Bộ bù áp nhanh DVR là một thiết bị được tạo bởi kết nối nối tiếp mà ở đó điện áp
bù có thể điều khiển điện áp tải. Với các tải nhạy cảm với điện áp trong trường hợp
điện áp bị lõm thì DVR sẽ bù phần điện áp bị thiếu hụt và điện áp tải được phục hồi
bằng với điện áp danh định trong vòng một vài giây và vì thế tránh được hiện tượng
bị ngắt nguồn cho tải.
24