ỨNG DỤNG SVC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN HỆ THỐNG ĐIỆN

----------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ỨNG DỤNG SVC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN
ÁP VÀ DÒNG CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

GVHD: TS.NGUYỄN VĂN LIÊM
SVTH: HOÀNG MẠNH CƯỜNG
MSSV: 41100450

TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2015


LỜI CAM KẾT
Tôi cam kết:
• Đây là luận văn do tôi thực hiện.
• Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kì công trình nào khác.
• Dữ liệu tham khảo trong luận văn này đều được dẫn nguồn và có độ chính
xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi.

2

LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắt nhất tới TS. Nguyễn Văn Liêm, người
đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn
này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong Bộ môn Hệ thống điện, Trường Đại
học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức trong 4 năm học tập.
Vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học đã là nền tản cho quá trình nghiên cứu
làm đề tài luận văn của tôi, và chúng còn là hành trang quý báu để tôi bước vào đời
một cách vững chắc và tự tin.
Tôi cũng xin cảm ơn gia đình, anh, em và bạn bè đã luôn bên cạnh và giúp đỡ tôi
trong suốt 4 năm học, đặc biệt là quá trình thực hiện luận văn này.
Với vốn kiến thức, kinh nghiệm và thời gian còn hạn chế nên không tránh khỏi
những sai sót trong quá trình thực hiện đề tài luận văn. Tôi kính mong nhận được
những ý kiến phê bình, đóng góp của quý thầy, cô để luận văn của tôi được hoàn thiện
hơn.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày….tháng….năm 2015
Sinh viên

Hoàng Mạnh Cường

3


MỤC LỤC

4


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế, hệ thống điện cũng
đang ngày càng phát triển với quy mô và độ phức tạp ngày càng lớn. Do đó vấn đề đặt
ra là phải đảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn và hiệu quả nhất. Với các đường dây
truyền tải dài, việc đảm bảo điện áp luôn giữ ổn định trong ranh giới cho phép là một
yêu cầu bắt buộc để giữ ổn định hệ thống.
Nhằm đáp ứng yêu cầu này, các thiết bị điều khiển mới, hoạt động dựa trên nền
tản các thiết bị điện tử công suất được áp dụng ngày càng rộng rãi vào việc điều khiển
hệ thống điện. Các thiết bị này được gọi chung là thiết bị điều khiển xoay chiều linh
hoạt FACTS.
Có rất nhiều loại thiết bị FACTS thường dùng trong hệ thống, điển hình như SVC,
STACOM, UPFC, TCSC…Trong đó, thiết bị SVC ( Static VAR Compensor) được sử
dụng như một công cụ giúp cân bằng công suất tại các nút, qua đó đảm bảo điện áp
được giữ ổn định trong giới hạn cho phép. Nhiệm vụ của luận văn này là tìm hiểu cấu
tạo, nguyên lý hoạt động của SVC từ đó xây dựng mô hình SVC trong chế độ xác lập.
Thực hiện mô phỏng trên các mạng điện thực tế để cho thấy các lợi ích vượt trội khi sử
dụng SVC trong hệ thống điện.
Những kết quả thu được từ luận văn gồm:
-

Xây dựng mô hình SVC trong chế độ xác lập

-

Xác định nguyên lý điều khiển điện áp và bù công suất phản kháng của SVC.

-

Kiểm chứng được khả năng điều khiển điện áp của SVC tại tất cả các nút tải
của hệ thống điện đơn giản 5 nút bằng giản đồ điện áp.

-

Kiểm chứng được khả năng bù công suất tại một nút bất kì trong mạng điện
đơn giản 5 nút bằng giản đồ điện áp.

-

Đã khảo sát được mức độ tác động của những yếu tố như độ dốc, giới hạn
điện nạp, giá trị đặt, lên quá trình điều khiển điện áp và bù công suất của
SVC. Từ đó, đưa ra các nhận xét để điều chỉnh các yếu tố này một cách phù
hợp, để có thể tối ưu hiệu quả hoạt động của SVC.

5


6


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

7


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

8


CHÚ GIẢI CÁC TỪ VIẾT TẮT

9


Ký hiệu

Định nghĩa

Đơn vị

FACTS

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt

---

SVC

Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng Thyristor

---

STACOM

Thiết bị bù ngang điều khiển bằng Thyristor

---

TCSC

Thiết bị bù dọc điều khiển bằng Thyristor

---

UPFC

Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất

---

TCR

Cuộn kháng điều khiển bằng Thyristor

---

TSR

Tụ điện đóng mở bằng Thyristor

---

nSVC

Số SVC được lắp trong hệ thống

---

Scal ( k )

Công suất tại nút thứ k

absV ( k )

Biên độ điện áp tại nút thứ k

kV

δ (k )

Góc pha điện áp tại nút thứ k

radian

kload (k )

Mảng chứa thống số nút tải thứ k

---

kgen(k )

Mảng chứa thông số nút máy phát thứ k

---

kSVC (k )

Mảng chứa thông số nút SVC

---

hSVC (k )

Nút điện áp cao SVC thứ k

---

lSVC (k )

Nút điện áp thấp SVC thứ k

---

apha(k )

Độ dốc SVC thứ k

%

B

Điện nạp SVC

---

Yij

Biên độ tổng dẫn nhánh

---

θ ij

Góc pha tổng dẫn nhánh

radian

Qinj (k )

Công suất phản kháng bù tại nút thứ k

MVAr

Qgen ( k )

Công suất phản kháng tại máy phát thứ k

MVAr

Qgen min ( k )

Công suất phản kháng cực tiểu của máy phát thứ k

MVAr

Qgen max ( k )

Công suất phản kháng cực đại của máy phát thứ k

MVAr

XB(k )

10
Điện kháng máy biến áp của SVC thứ k

MVA

---


GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1 Tổng quan về lịch sử hình thành và phát triển của SVC

Trong quá trình vận hành hệ thống điện, công suất phản kháng đóng một vai trò rất
quan trọng, trực tiếp liên quan đến điện áp tại các nút của hệ thống. Công suất phản
kháng ở một khu vực nào đó nếu quá thừa thì ở đó xảy ra hiện tượng quá điện áp (điện
áp quá cao). Ngược lại, nếu thiếu công suất phản kháng điện áp sẽ bị sụt xuống thấp.
Do đó, cũng giống như công suất tác dụng, công suất phản kháng luôn phải được điều
chỉnh để giữ cân bằng. Việc điều chỉnh công suất phản kháng là một yêu cầu cần thiết
nhằm giảm thiểu tổn thất điện năng và đảm bảo ổn định hệ thống.
Trước đây, trong hệ thống điện, việc điều chỉnh công suất phản kháng trong hệ
thống điện được thực hiện thông qua các thiết bị có khả năng sản xuất hoặc tiêu thụ
công suất phản kháng như máy bù đồng bộ, tụ điện, cuộn dây…Với các thiết bị này,
việc điều khiển công suất phản kháng thường được thực hiện đơn giản: Thay đổi từng
nấc (nhờ đóng cắt bằng các máy cắt cơ khí) hoặc thay đổi kích từ (trong máy bộ đồng
bộ). Chúng chỉ cho phép điều chỉnh thô với tốc độ chậm.
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị công suất, đặc biệt là những

thiết bị có công suất lớn, điện áp cao đã tạo tiền đề cho sự ra đời của công nghệ
FACTS mà điển hình là thiết bị bù tĩnh SVC-thế hệ đầu tiên được bắt đầu phát triền từ
năm 1970. Sự xuất hiện của thiết bị SVC đã giải quyết được các yêu cầu mà các thiết
bị bù cổ điển trước đây chưa đáp ứng được như:
-

Cải thiện chất lượng điện áp của hệ thống điện khi xảy ra sự cố (Hình 1.1).

-

Giảm biên độ dao động công suất (Hình 1.2).

-

Tăng khả năng truyền tải điện (Hình 1.3).

-

Duy trì điện áp, chống lại sự bất ổn định điện áp (Hình 1.4).

-

Thời gian đáp ứng nhanh (Hình 1.5).

Hoàng Mạnh Cường

11


GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Hình 1.1 Khả năng cải thiện điện áp của SVC khi xảy ra sự cố [1]

Hình 1.2 Khả năng cải thiện dao động điện áp của SVC [1]

Hình 1.3 Giới hạn truyền tải của đường dây được nâng cao khi có SVC [1]

Hoàng Mạnh Cường

12


GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Hình 1.4 Khả năng nâng cao độ ổn định điện áp của SVC [2]

Hình 1.5 Khả năng đáp ứng nhanh của SVC [1]

Hoàng Mạnh Cường

13


GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.2 Tình hình nghiên cứu, phát triển trong và ngoài nước

1.2.1 Ngoài nước [1]
Năm 1974, bộ bù tĩnh SVC đầu tiên trên thế giới được chính thức đưa vào sử dụng
tại New York, Hoa Kỳ. Sau khi được áp dụng thành công, công nghệ này ngay lập tức

được các nước khác chú ý đến và đã có những bước tiến rõ rệt trong việc nghiên cứu
khảo sát, ứng dụng. Số lượng SVC được lắp đặt ngày càng nhiều hơn, số quốc gia tiến
hành sử dụng thiết bị ngày càng tăng.
Một số quốc gia điển hình trong việc sử dụng mô hình SVC với quy mô lớn:
- Miền trung Na-uy : 2 SVC đã được lắp đặt trong lưới điện 420/300 kV với mức
công suất phản kháng điều khiển là -250 MVAr đến 250 MVAr.
- Khu vực gần Rawlings, Maryland ở Hoa Kỳ là khu vực có độ độ tin cậy truyền
tải rất thấp. Năm 2007 để nâng cao độ tin cậy cho đường dây truyền tải 500kV,
một bộ SVC rất lớn đã được lắp đặt tại đây với giới hạn công suất phản kháng
điều khiển rất rộng từ -145 MVAr đến 575MVAr.
- Tại Ả Rập, ba SVC lớn đã được lắp đặt và đưa vào vận hành trong các năm
2008-2009 với công suất phản kháng điều khiển từ -60 MVAr đến 600 MVAr.
- Tại khu vực Bretagne nước Pháp đã lắp đặt 2 bộ SVC với điện áp đặt là 225 kV
và công suất phản kháng điều khiển lần lượt của hai máy là -100 MVAr đến 200
MVAr và -50 MVAr đến 100 MVAr.
- Tại thủ đô London- vương quốc Anh, có tới 7 SVC tham gia vào hoạt động của
tuyến đường sắt cao tốc. Trong đó, có 6 SVC hoạt động với công suất phản
kháng điều khiển là -5 MVAr đến 40 MVAr, SVC thứ 7 có công suất phản
kháng điều khiển là -80 MVAr đến 170 MVAr.
Càng về sau càng có nhiều quốc gia trên thế giới tiến hành lắp SVC để nâng cao độ
ổn định, cũng như khả năng truyền tải trong hệ thống điện. Điều này làm cho SVC
ngày càng hoàn thiện hơn về mặt công nghệ, và có thể đáp ứng tốt hơn nhu cầu sử
dụng điện. Đặc biệt là những khu vực đòi hỏi sử dụng điện với chất lượng cao.

Hoàng Mạnh Cường

14


GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Hình 1.6 Biểu đồ các quốc gia sử dụng SVC trên thế giới. [1]
1.2.2 Trong nước
Cũng như các quốc gia khác, quá trình nghiên cứu và ứng dụng SVC của nước ta
đang được phát triển rất mạnh với nhiều báo cáo khoa học được công bố. Ngày
4/4/2009 tại Thái Nguyên, công ty truyền tải điện 1 đã tổng kết quá trình thi công và
đưa toàn bộ dự án “ cải tạo nâng công suất trạm 220 kV Thái Nguyên và lắp đặt thiết
bị bù” vào vận hành, kịp thời bổ sung nguồn điện để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh
tế xã hội cho các tỉnh phía bắc giai đoạn 2006-2010. Với công suất điều khiển của
SVC là -50 MVAr đến 50 MVAr phía 22kV. Hiện nay, nhiều khu vực ở miền Nam
đang được các cơ quan chức năng xem xét, tích cực đẩy mạnh công tác nghiên cứu
SVC để nâng cao độ ổn định và chất lượng truyền tải điện.

Hoàng Mạnh Cường

15


TÌM HIỀU VỀ SVC

CHƯƠNG 2. TÌM HIỀU VỀ SVC
Chương này sẽ tập trung giới thiệu về cấu tạo của bộ SVC, xây dựng mô hình hoạt
động của SVC ở chế độ xác lập cho cả hai chức năng điều khiển điện áp và bù công
suất phản kháng. Dựa trên cơ đó đưa ra các nguyên tắc điều khiển điện áp và bù công
suất của bộ SVC.
2.1 Hình ảnh của một trạm SVC trong thực tế

Hình 2.7 Mô hình SVC thực tế [3]

Hình 2.8 Mặt bằng bố trí các bộ phận của SVC trong hình 2.1

Hoàng Mạnh Cường

16


TÌM HIỀU VỀ SVC

2.2 Cấu tạo SVC

Hình 2.9 Cấu tạo của một hệ thống SVC hoàn chỉnh.[4]
SVC là thiết bị bù ngang dùng để phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng được
điều khiển bằng cách tăng hay giảm góc mở của Thyristor, được tổ hợp từ hai thành
phần cơ bản :
- Thành phần cảm kháng: Dùng để tác động về mặc công suất phản kháng, tác
động này có thể là phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tùy theo chế độ vận
hành.
- Thành phần điều khiển: Bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor và các van
đóng mở.
SVC được cấu tạo gồm hai phần chính bao gồm:
- TCR – thyristor controlled reactor: Kháng điều chính bằng thyristor, có chức
năng điều khiển chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ.
- TSC – thyristor swiched capacitor : Bộ tụ đóng mở bằng thyristor, có chức năng
phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor.
Các thành phần trên liên kết với nhau theo đúng trật tự nhất định như sơ đồ nguyên
lý Hình 2.10 cho trường hợp 1 pha và Hình 2.11 cho trường hợp 3 pha.

Hoàng Mạnh Cường

17

TÌM HIỀU VỀ SVC

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý SVC 1 pha

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý SVC 3 pha trong thực tế [5]
Ngoài hai phần tử chính trên, SVC còn có những phần tử sau:
- Các bộ lọc tần số cao.
- Máy biến áp cung cấp điện áp thích hợp cho SVC.
- Hệ thống điều khiển các Thyristor

Hoàng Mạnh Cường

18


TÌM HIỀU VỀ SVC

- Hệ thống làm mát.
- Hệ thống bảo vệ.
2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của TCR.
Cấu tạo của một TCR gồm có một cuộn kháng L và hai Thyristor mắc ngược chiều
nhau (Hình 2.12). TCR là phần tử quan trọng nhất của SVC, được mắc song song với
lưới điện, có khả năng điều khiển một cách liên tục dòng điện qua cuộn cảm bằng cách
thay đổi góc kích vale Thyristor, dòng điện này có thể được điều khiển từ zero đến giá
trị maximun tùy theo góc

α

được kích.

Hình 2.12 Mô hình TCR một pha và Valve Thyristor

Hình 2.13 Cấu trúc của một modul valse Thyristor của bộ SVC [3]

Hoàng Mạnh Cường

19


TÌM HIỀU VỀ SVC

Hình 2.14 Cấu trúc TCR thực tế [4]
Đóng ngắt có điều khiển các Thyristor kết hợp với đáp ứng của cuộn kháng tuyến
tính cho phép điện kháng hiệu dụng ở tần số cơ bản của TCR thay đổi một cách liên
tục từ giá trị điện kháng xác định của cuộn kháng (ứng với trạng thái hoàn toàn dẫn
của Thyristor ) đến một giá trị vô hạn (ứng với trạng thái ngắt của Thyristor ). Điện
kháng của bộ TCR được xác định qua biểu thức sau:
X tcr (α ) = X L

π
π − 2α − sin(α )

(2.1)

Trong đó:
-

α

: là góc kích trễ.

X tcr
XL

: là điện kháng hiệu dụng của bộ TCR ở tần số cơ bản.
: là điện kháng của cuộn kháng ở tần số cơ bản.

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của TSC.
TSC là thiết bị bù công suất phản kháng được điều chỉnh theo nấc, nó có khả năng
đóng cắt tụ điện bằng cách đóng ngắt các Thyristor. Bộ TSC kết hợp với bộ TCR sẽ
Hoàng Mạnh Cường

20


TÌM HIỀU VỀ SVC

cho phép điện kháng tương đương của chúng có thể thay đổi liên tục từ tính dung sang
tính kháng.
Cấu tạo của một TSC gồm ba phần chính (Hình 2.15):
- Một tụ điện C.
- Hai Thyristor mắc ngược chiều nhau.
- Cuộn kháng L giới hạn dòng đi qua các van Thyristor trong điều kiện làm việc
bất bình thường đồng thời chống lại hiện tượng cộng hưởng điện.
Bộ TSC thực chất là bộ tụ điện được đóng mở bằng hai Thyristor nối song song và
ngược chiều nhau, khi thay đổi tín hiệu xung sẽ làm thay đổi giá trị điện dung C trong
mạch.

Hình 2.15 Mô hình TSC một pha

Hoàng Mạnh Cường

21


TÌM HIỀU VỀ SVC

Hình 2.16 Cấu trúc TSC thực tế [4]
2.2.3 Bộ lọc sóng hài.
Dòng điện tại góc kích

α =0

có dạng hình sin. Khi góc kích

α ≠0

ngoài dòng điện

được tạo ra ở tần số cơ bản, TCR còn tạo ra các sóng hài làm cho dòng điện không còn
ở dạng hình sin như khi kich góc

α =0

. Sóng hài được tạo ra là các sóng hài bậc lẽ với

biên độ:
Ln (α ) =

Với

v 4  sin α .cos(nα )-n.cosα .sin(nα ) 
. .
÷
ωL π 
n.(n 2 − 1)


(2.2)

n = 2k + 1

Với hệ thống điện xoay chiều ba pha, TCR thường được mắc kết hợp với nhau theo
kiểu đấu tam giác. Khi hệ thống mất cân bằng, dòng điện chạy mạch tam giác là những
sóng hài bội 3, và không có dòng đổ ngược về nguồn. Độ lớn của sóng hài được tạo ra
có thể được làm giảm bằng nhiều cách khác nhau, trong đó cách thường được áp dụng

≥

nhất đó là mắc song song m.TCR lại với nhau (m 2) ( Hình 2.17.)

Hoàng Mạnh Cường

22


TÌM HIỀU VỀ SVC

Hình 2.17 Phương pháp giảm sóng hài bằng cách mắc song song các TCR[2]

Một phương pháp khác để loại bỏ sóng hài là sắp xếp 12 TCR tạo thành hai hệ 3
pha TCR giống nhau được đấu theo mô hình tam giác (Hình 2.18), một đầu được nối
với nhau theo mô hình tam giác, đầu còn lại được nối với cuộn thứ cấp của máy biến
áp. Do điện áp của hai cuộn thứ cấp máy biến áp lệch nhau một góc
có bậc có dạng

6(2k + 1) − 1

và

6(2k + 1) + 1

30o

nên các sóng

được loại bỏ, như các hài bậc 5, bậc 7, bậc

17, bậc 19…tại tất cả các góc kích trễ pha thì dòng điện được tạo ra luôn luôn có dạng
gần sin.

Hoàng Mạnh Cường

23


TÌM HIỀU VỀ SVC

Hình 2.18 Loại bỏ sóng hài bằng cách đấu TCR theo mô hình tam giác [2]
Tuy nhiên dù có được kết nối theo hình thức nào đi nữa thì TCR cũng không loại bỏ

được hết các sóng hài, vì vậy mà trong thực tế người ta mắc thêm các bộ lọc (Hình
2.19), thường thì các bộ lọc được mắc thêm là các nhánh LC và RLC mắc song song
với TCR.

Hoàng Mạnh Cường

24


TÌM HIỀU VỀ SVC

Hình 2.19 Cấu trúc của bộ lọc sóng hài SVC trong thực tế[4]
2.3 Xây dựng các mô hình ở chế độ xác lập của SVC trong hệ thống điện

2.3.1 Xây dựng mô hình điều khiển điện áp

Hình 2.20 Mô hình SVC điều khiển điện áp
Trên quan điểm vận hành, SVC có thể được xem như một điện kháng có thể thay
đổi được, mắc song song để thu hoặc phát công suất phản kháng nhằm điều chỉnh điện
điện áp tại điểm nối với đường truyền tải. (Hình 2.20)
Hoàng Mạnh Cường

25