BÁO CÁO TIỂU LUẬN ỨNG DỰNG THIẾT BỊ FACTS TRONG TRUYỀN TẢI VÀ PHÂN PHỐI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
CHƯƠNG TRÌNH KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT PHÁP

BÁO CÁO

ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS
TRONG TRUYỀN TẢI

GVHD:
SVTT:
Lớp:

TS. Võ Ngọc Điều
Võ Hồ Thy Hàn
Huỳnh Thế Bảo
VP10NL

V1000814
21000169

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2014


ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG TRUYỀN TẢI

MỤC LỤC
Phần 1: Tổng quan về ứng dụng thiết bị FACTS
1.1 Giới thiệu
1.2 Định nghĩa
1.3 Phân loại thiết bị FACTS

Phần 2: Ứng dụng thiết bị FACTS trong hệ thống điện
2.1 Bộ SVC
2.2 Bộ STATCOM
2.3 Bộ SSSC
2.4 Bộ TCSC
2.5 Bộ UPFC
Tài liệu tham khảo


ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG TRUYỀN TẢI

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS
1.1 Giới thiệu
Hiện nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS, đặc biệt là sử dụng các thiết bị
phát nguồn công suất phản kháng cho hệ thống lưới điện nhằm đảm bảo ổn định điện áp cho hệ thống.
Tuy nhiên, việc đánh giá, lựa chọn thiết bị phát công suất nào hợp lý, cũng như dung lượng bù tối ưu
trong phân tích ở chế độ xác lập, quá độ là chưa được quan tâm sâu sắc.
Thực tế hiện nay, hệ thống điện chúng ta đang sử dụng là hệ thống điện xoay chiều. Đây là hệ thống điện
phức tạp bao gồm các máy phát đồng bộ, đường dây truyền tải, máy biến áp, các thiết bị bù và các phụ
tải…., được chia thành ba khâu chính: Sản xuất, truyền tải và phân phối.
Muốn cho hệ thống điện xoay chiều hoạt động, chúng ta cần phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau:
 Các máy phát điện làm việc trong chế độ đồng bộ.
 Điện áp vận hành nằm trong giới hạn cho phép
 Tần số vận hành nằm trong giới hạn cho phép
 Các đường dây phải được vận hành ở điều kiện bình thường không quá tải.
 Các phụ tải phải được cung cấp nguồn điện đầy đủ.
Trong hệ thống điện công suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vào tổng trở đường dây, điện áp và
góc truyền tải giữa điểm đầu và điểm cuối của đường dây, những đại lượng này giới hạn công suất truyền
tải trên đường dây. Vì vậy, khả năng truyền tải công suất của đường dâu được cải thiện đáng kể bằng việc
tăng công suất phản kháng ở phía phụ tải, lắp cuộn kháng bù ngang ( mắc song song), tụ điện bù dọc

( mắc nối tiếp) vào đường dây để điều khiển điện áp dọc theo chiều dài đường dây.
Để nâng cao chất lượng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt Nam, hiện nay đã có rất nhiều
công trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bù công suất phản kháng. Tuy nhiên, các thiết bị bù
đó vẫn chưa đáp ứng được các yêu cầu về phản ứng nhanh nhạy khi hệ thống có sụ thay đổi đột ngột về
nhu cầu công suất phản kháng. Vì thế, Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt – FACTS
( FLEXIBLE AC TRANSMISSION ) đã ra đời và đáp ứng được các yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy
cũng như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống trong mọi chế độ làm việc. Ngoài ra, FACTS còn dùng để
nâng cao khả năng điều khiển hệ thống điện và tăng khả năng truyền tải công suất trên đường dây.
1.2 Định nghĩa
FACTS được định nghĩa bởi IEEE là: ” Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử công suất và các thiết bị tĩnh
khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ thống đường dây truyền tải điện xoay chiều, qua đó,
nâng cao khả nâng điều khiển và khả năng truyền tải công suất”
Qua định nghĩa trên, cho thấy tầm quan trọng của thiết bị FACTS điến hệ thống điện có sự ảnh hưởng lớn
về kinh tế và kỹ thuật.
Trong thực tế, do tính chất tiêu thụ điện ở từng thời điểm luôn khác nhau, cho nên tình trạng vận chuyển
công suất trên các đường dây truyền tải cũng khác nhau, có thể tại một thời điểm trên hệ thống sẽ có

1


ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG TRUYỀN TẢI

những đường dây bị quá tải trong khi tại các đường dây khác thì non tải và ngược lại. Với đà phát triển
công nghiệp hóa như hiện nay, đòi hỏi nhu cầu truyền tải để đáp ứng cho các phụ tải ngày càng cao, cho
nên, đường dây truyền tải cao áp luôn đặt trong tình trạng báo động hoặc xảy ra các hiện tượng: quá tải
đường dây, nhiễu hệ thống ( dao động tần số, điện áp,….).
Nhằm tăng khả năng truyền tải điện năng trên hệ thống, khắc phục những nhược điểm nói trên, trên thế
giới, người ta đã áp dụng các thiết bị FACTS vào hệ thống điện. Các thiết bị này được sử dụng để điều
khiển điện áp, trở kháng và góc pha của đường dây xoay chiều cao áp. Các thiết bị FACTS đã giúp cho
nhà cung cấp điện những lợi ích sau:

 Tận dụng lưới truyền tải hiện hữu để lắp đặt các thiết bị FACTS
 Giảm chi phí đầu tư
 Tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải.
 Tăng độ ổn định quá độ của lưới
 Tăng chất lượng cung cấp điện năng cho các ngành công nghiệp và các ngành có yêu cầu chất
lượng điện năng cao.
 Ảnh hưởng không đáng kể đến môi trường xung quanh.
1.3 Phân loại thiết bị FACTS
Trước đây, khi mà ngành công nghiệp điện tử công suất chưa phát triển mạnh thì việc nâng cao chất lượng
điện áp trên hệ thống điện bị hạn chế và thời gian đáp ứng cũng rất chậm, bởi vì khi đó, chúng ta phải thực
hiện việc đóng cắt các khóa cơ khí các phần tử điện như là cuộn dây, tụ điện, bộ chuyển đổi nấc máy biến
áp… để ổn định điện áp trên hệ thống.
Ngày nay, với sự phát triển mạnh và nhanh chóng của các thiết bị điện tử công suất lớn, điện áp cao cho
nên công nghệ FACTS ra đời nhằm giúp cho quá trình thực hiện điều khiển điện áp trên hệ thống điện, cụ
thể là đường dây truyền tải được linh hoạt và nhanh chóng. Một số nước tiên tiến đã sử dụng thiết bị
FACTS trong mạng truyền tải, cụ thể như Mỹ, Canada, Brazil… là những nước tiên phong sử dụng công
nghệ FACTS. Các thiết FACTS thường được sử dụng là:
 Static Var Compensator (SVC) : Bộ bù Var tĩnh
 Static Synchronous Compensator (STATCOM) : Bộ bù đồng bộ tĩnh
 Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC) : Bộ bù dọc điều khiển Thyristor
 Static Synchronous Series Compensator (SSSC) :Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh
 Unified Power Flow Controller (UPFC) : Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất
 High Voltage Direct Current (HVDC) : Đường dây một chiều cao áp

2


ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG TRUYỀN TẢI

PHẦN 2: ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 Bộ bù công suất Var tĩnh –SVC
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hầu hết các bộ SVC luôn được kết nói đến mạng lưới truyền tải điện thông qua một máy biến áp tang áp
ghép bộ. Ở phía nút điện áp thấp của máy biến áp, nói chung có 3 phần tử được sử dụng: cuộn kháng điều
khiển bằng Thyristor (TCR), bộ tụ chuyển mạch bằng thyristor (TSCs) và bộ lọc song hài ổn định.
a) TCR (Thyristor Controlled Reactor): Là thiết bị dùng điều khiển một cách liên tục dòng điện qua
cuộn cảm mắc song song với lưới bằng cách điều khiển góc kích của thyristor và được nối vào thanh
cái điện áp thấp.
Sơ đồ mạch một pha của bộ TCR, bao gồm cặp thyristor mắc song song, ngược chiều nhau và nối vào
cuộn điện kháng tuyến tính.

Hình 2.1a: Cấu tạo bộ TCR
Trong đó:
XL: Điện kháng chính.
T: Thyristor có chức năng điều chỉnh dòng điện đi qua TCR.

3


ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG TRUYỀN TẢI

G : Cực kích của thyristor.
Đóng ngắt có điều khiển các thyristor kết hợp với đáp ứng của cuộn kháng tuyến tính cho phép điện
kháng hiệu dụng tần số cơ bản của TCR, mà nó là hàm số của góc kích, thay đổi một cách liên tục từ
giá trị điện kháng xác định của cuộn kháng (ứng với trạng thái dẫn hoàn toàn của Thyristor) đến một
giá trị vô hạn (ứng với trạng thái ngắt của thyristor).
b) TSC ( Thyristor Switched Capacitor): là thiết bị bù công suất phản kháng được điều chỉnh theo
dạng nhảy cấp, nó có khả năng đóng cắt tụ điện bằng cách kích đóng ngắt các thyristor. Bộ TSC kết
hợp với bộ TCR sẽ cho phép điện kháng tương đương của chúng có thể thay đổi liên tục từ tính

dung sang tính kháng.
Sơ đồ mạch một pha của bộ TSC bao gồm cặp Thyristor mắc song song, ngược chiều nhau và nối
vào bộ tụ điện.

Hình 2.1b: Cấu tạo bộ TSC
Trong đó:
- C : Bộ tụ điện.
- T : Thyristor có chức năng đóng hoặc ngắt bộ tụ điện.
- Van thyristor được đóng mở phụ thuộc vào tín hiệu xung điều khiển vào cực G của thyristor.
Bộ TSC thực chất là bộ tụ điện được đóng mở bằng hai thyristor mắc đối song, khi thay đổi tín hiệu
xung sẽ làm thay đổi giá trị điện dung C trong mạch.
c) Fixed Filters: là thiết bị dùng để lọc sóng hài. Mục đích là lọc các sóng hài bậc cao và bù công suất
phản kháng cho phụ tải. Các sóng hài bậc cao xuất hiện do chế độ làm việc của TCR gây ra ( khi
thyristor dẫn không hoàn toàn, dòng điện qua TCR sẽ không có dạng hình sin)
Sơ đồ mạch môt pha của bộ lọc sóng hài gồm có cuộn điện kháng XL nối tiếp vào bộ tụ điện C.

4


ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG TRUYỀN TẢI

Hình 2.1c: Cấu tạo bộ lọc sóng hài
Trong đó:
C: Bộ tụ điện.
XL: Cuộn điện kháng.
Các phụ tải phi tuyến và cả phần tử điều chỉnh công suất phản kháng (TCR) là nguồn tạo ra các
sóng hài bậc cao. Trong hệ thống điện 3 pha, các thành phần bậc cao xuất hiện và ảnh hưởng chủ
yếu là bậc 5,7,11 và 13, riêng sóng hài bậc ba thường được hạn chế hoặc loại bỏ nhờ hình thức đấu
dây của máy biến áp hoặc giải thuật điều khiển cung cấp cho các bộ biến đổi công suất. Các mạch
lọc cộng hưởng được điều chỉnh đến các giá trị tần số của các thành phần sóng hài bậc cao cần được

khử bỏ và lúc đó mạch lọc cộng hưởng tác động như trở kháng ngắn mạch cho các sóng hài bậc cao
này nên hạn chế ảnh hưởng của nó lên nguồn điện áp của lưới điện. Khi thay đổi góc kích α của
thyristor, điện kháng hiệu dụng của bộ TCR sẽ thay đổi. Sự thay đổi điện kháng của TCR sẽ thay
đổi điện kháng hiệu dụng của SVC. Với nguyên lý làm việc như trên, cho nên bộ SVC có thể cung
cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng cho một hệ thống truyền tải điện. Sự thay đổi để phát hay
thu công suất phản kháng nhằm mục đích điều chỉnh giá trị điện áp tại điểm kết nối với hệ thống
điện.

Hình 2.1d: Sơ đồ bộ SVC
ISVC: Dòng điện của SVC với điện áp ở nút điện áp cao
PIsvc: Công suất tác dụng bơm vào bên trong máy biến áp ghép bộ từ nút điện áp thấp SVC

5


ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG TRUYỀN TẢI

Ứng dụng của bộ bù công suất Var tĩnh – SVC:

Hình 2.1e: Sơ đồ kết nối bộ SVC với hệ thống điện
Hình 2.1e Trình bày cấu trúc và những thành phần chính của bộ SVC [3]. Bộ SVC được áp dụng rộng rãi
trong hệ thống truyền tải với nhiều mục đích khác nhau. Mục đích cơ bản nhất thường được sử dụng là để
điều khiển điện áp tại điểm yếu nhất trong hệ thống điện. Nó thường được lắp đặt ở điểm giữa của đường
dây truyền tải liên kết giữa các vùng tải. Nhờ độ chính xác cao, 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.
2.2 Bộ bù đồng bộ tĩnh –STATCOM
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

6


ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG TRUYỀN TẢI

Hình 2.2a: Giản đồ bộ STATCOM

Bộ STATCOM được mắc
song song với đường dây và hoạt động không
cần nguồn năng lượng dự trữ có tác dụng như là một máy bù công suất phản kháng. Việc điều khiển dòng
công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống điện được thực hiện bằng cách điều khiển điện áp ngõ ra V
cùng pha với điện áp hệ thống V T (hình 2.2a).
 Nếu V nhỏ hơn điện áp hệ thống V T thì dòng điện bộ nghịch lưu đi qua cuộn kháng sẽ mang tính
cảm, bộ STATCOM nhận công suất phản kháng từ hệ thống.
 Nếu V lớn hơn điện áp hệ thống V T thì dòng điện bộ nghịch lưu đi qua cuộn kháng sẽ mang tính
dung, bộ STATCOM phát công suất phản kháng lên hệ thống.
Hình 2.2b mô tả cấu trúc cơ bản của bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC)

Hình 2.2b: Cấu trúc cơ bản của bộ VSC
Hình 2.2b biểu diễn cấu trúc cơ bản của một bộ biến đổi toàn sóng 3 pha có 6 bộ chuyển mạch, mổi bộ
gồm có một GTO(gate-turn-off) thyristor nối đối song với một diode. Với mục tiêu là tạo ra một dạng sóng
điện áp đầu ra gần như dạng sóng hình sin có thể, bộ chuyển mạch của thyristor GTO riêng lẽ trong bộ
VSC t hì được điều khiển bằng khối chương trình điều khiển chuyển mạch, được thiết kế để giảm đến mức
tối thiểu phát sinh sóng hài lúc bộ VSC làm việc và nhu cầu cho việc lọc sóng hài.
Hầu hết các phương pháp thường được sử dụng cho việc điều khiển điện áp xoay chiều bằng các phương
pháp biến đổi như là:
_ Thay đổi điện áp một chiều với một bộ biến đổi sóng đầy đủ, đôi khi còn được gọi là bộ điều biến
biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation - PAM).
_Điện áp một chiều không đổi với bộ điều biến độ rộng xung (Pulse Width Modulated - PWM).

7


ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG TRUYỀN TẢI

Nguyên lý cơ bản của STATCOM là sử dụng bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) dựa trên kỹ thuật các phần
tử điện tử công suất (GTO) thyristor hay tranzitor lưỡng cực có cổng cách điện (IGBT) với khả năng ngắt
dòng điện khi có xung ngắt gửi đến cổng điều khiển. Điều này cho phép cho bộ STATCOM phát ra một
nguồn điện áp xoay chiều AC ở đầu cực bộ biến đổi lúc tần số cơ bản yêu cầu với biên độ điều chỉnh được,
sơ đồ khối của một bộ STATCOM được thể hiện ở hình 2.2c.
Sự chuyển đổi công suất phản kháng với lưới điện thì đạt được bởi điều khiển biên độ điện áp V và sự
chuyển đổi công suất tác dụng do điều khiển dịch chuyển pha ψ. Sự thay đổi công suất tác dụng thì chỉ
thường điều khiển điện áp một chiều.

Hình 2.2c: Nguyên lý hoạt động của bộ STATCOM
Ứng dụng của bộ bù đồng bộ tĩnh – STATCOM:

8


ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG TRUYỀN TẢI

Hình 2.2d: Sơ đồ kết nối bộ STATCOM với hệ thống điện
Bộ STATCOM là một thiết bị bù ngang, nó chuyển đổi nguồn điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều
để bù công suất phản kháng cho hệ thống điện.
STATCOM không yêu cầu các thành phần cảm kháng và dung kháng lớn để cung cấp công suất phản
kháng cho các hệ thống truyền tải cao áp. Một lợi thế khác là đầu ra phản ứng nhanh ở điện áp hệ thống
thấp.
2.3 Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh –SSSC

Hình 2.3: Sơ đồ kết nối SSSC với hệ thống điện
Bộ SSSC là thiết bị bù nối tiếp vào đường dây, nó có thể phát ra một lượng điện áp được yêu cầu của hệ
thống điện, nó có thể biến đổi điện áp của hệ thống từ AC sang điện áp DC . Bộ SSSC có thể điều khiển cả
công suất thực và công suất kháng với hệ thống AC.
2.4 Bộ bù dọc điều khiển bằng Thyristor –TCSC

Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của bộ TCSC
Bộ TCSC là một thiết bị bù dùng trong truyền tải điện, để nâng cao khả năng ổn định của hệ thống điện,
đặc biệt là khả năng ổn định động trong chế độ sự cố.

9


ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG TRUYỀN TẢI

2.5 Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất –UPFC

Hình 2.5: Sơ đồ kết nối UPFC với hệ thống
Bộ UPFC là một thiết bị dùng để điều khiển dòng công suất trên đường dây truyền tải điện. UPFC cho
phép điều khiển đồng thời dòng công suất thực, dòng công suất phản kháng và độ lớn điện áp tại thanh cái
kết nối.

10


ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG TRUYỀN TẢI

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Nguồn Internet:
_ />_http/www.researchgate.net/profile/Mithulananthan_Nadarajah2/publication/43516579_Facts_about_flexib

le_AC_transmission_systems_(FACTS)_controllers_Practical_installations_and_benefits/links/00463516e
72a6929b3000000&prev=search
Paper: Facts about Flexible AC Transmission Systems (FACTS) Controllers: Practical Installations and
Benefits
Paper: How FACTS Controllers Benefit AC Transmission Systems
Paper: Some Applications of Distributed Flexible AC Transmission System (D-FACTS) Devices in Power
Systems

-HẾT -

11