Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối điện sử dụng các thiết bị DFACTS

i

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ .......................................................................... vii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết ............................................................................................................ 1
2. Đối tượng nghiên cứu của Luận án .......................................................................... 1
3. Các mục tiêu nghiên cứu của Luận án ...................................................................... 2
4. Phương pháp thực hiện ............................................................................................. 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án ............................................................. 3
6. Các đóng góp mới của Luận án ................................................................................ 4
7. Bố cục của Luận án .................................................................................................. 4
Chương 1. TỔNG QUAN CÁC BÀI TOÁN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN ...................................................................................... 6
1.1. Tổng quan về chất lượng điện năng và các giải pháp nâng cao chất lượng điện
năng trên lưới phân phối ............................................................................................... 6
1.1.1. Tóm tắt về các hiện tượng chất lượng điện năng trên lưới phân phối ............... 6
1.1.2. Sụt giảm điện áp và mất điện ngắn hạn [23, 49] ................................................ 7
1.1.3. Sóng hài [20, 30, 59, 79] .................................................................................. 13
1.2. Tổng quan về nghiên cứu giải pháp sử dụng thiết bị CPD để nâng cao chất lượng
điện năng lưới phân phối điện .................................................................................... 17
1.2.1. Quan điểm về thực hiện giải pháp.................................................................... 17
1.2.2. Mô hình bài toán nâng cao CLĐN trên lưới phân phối sử dụng thiết bị CPD . 18
1.2.3. Tổng quan phương pháp giải ........................................................................... 22
1.3. Những vấn đề còn tồn tại ..................................................................................... 26
1.3.1. Đối với các nghiên cứu trên thế giới ................................................................ 26
1.3.2. Đối với các nghiên cứu trong nước .................................................................. 27
1.4. Lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án ............................................................. 27
1.5. Kết luận Chương 1............................................................................................... 28
Chương 2. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG DVR VÀ D-STATCOM NHẰM NÂNG

CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN ....................................... 29
2.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 29
2.2. Tóm tắt cấu trúc, nguyên lý vận hành và ứng dụng của DVR ............................ 30
2.2.1. Cấu trúc cơ bản của DVR ................................................................................ 30
2.2.2. Ứng dụng và các chế độ vận hành của DVR ................................................... 31
2.2.3. Các thuật toán điều khiển áp dụng trong DVR ................................................ 35


ii

2.3. Tóm tắt cấu trúc, vận hành D-STATCOM và ứng dụng ..................................... 38
2.3.1. Nguyên lý vận hành của D-Statcom................................................................. 38
2.3.2. Ứng dụng.......................................................................................................... 39
2.3.3. Bộ nghịch lưu nguồn áp (Voltage Source Converter - VSC) và hệ thống điều
khiển ........................................................................................................................... 40
2.4. Mô phỏng so sánh tác dụng DVR và D-Statcom trong việc khắc phục sụt giảm
điện áp ngắn hạn ......................................................................................................... 40
2.4.1. Mô phỏng lưới phân phối mẫu 13 nút của IEEE có DVR hoặc D-Statcom .... 41
2.4.2. Mô phỏng và kết quả mô phỏng....................................................................... 44
2.5. Mô phỏng so sánh tác dụng DVR và D-Statcom hạn chế sóng hài ..................... 46
2.5.1. Đặt vấn đề bài toán........................................................................................... 46
2.5.2. Mô phỏng lò hồ quang ..................................................................................... 46
2.5.3. Mô phỏng lưới phân phối mẫu 13 nút có lò hồ quang và các kịch bản đặt DVR
hoặc D-Statcom .......................................................................................................... 47
2.5.4. Phân tích kết quả mô phỏng ............................................................................. 48
2.6. Kết luận chương 2 ............................................................................................... 54
Chương 3. ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ TỤ BÙ
NHẰM GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN SÓNG HÀI..
............................................................................................................................................. 56
3.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 56

3.2. Tổng quan nghiên cứu về bài toán tối ưu hóa nâng cao CLĐN lưới phân phối sử
dụng tụ bù công suất phản kháng ............................................................................... 56
3.3. Phân tích, lựa chọn phương pháp giải ................................................................. 57
3.4. Thành lập bài toán tối ưu hóa vị trí dụng tụ bù công suất phản kháng nhằm giảm
tổn thất điện năng trên lưới phân phối ứng dụng thuật toán di truyền (GA)…………58
3.4.1. Mô tả hệ thống lưới phân phối ......................................................................... 58
3.4.2. Thành lập bài toán và phương pháp giải .......................................................... 59
3.4.3. Phương pháp giải tổng quát ............................................................................. 61
3.4.4. Áp dụng thuật toán di truyền để giải bài toán tối ưu hóa vị trí tụ bù CSPK .... 61
3.4.5. Kết quả đạt được .............................................................................................. 63
3.5. Thành lập bài toán tối ưu hóa vị trí tụ điện nhằm giảm tổn thất điện năng và biến
dạng sóng THD trên lưới phân phối ứng dụng thuật toán di truyền (GA) ................. 66
3.5.1. Mô tả hệ thống lưới nghiên cứu ....................................................................... 66
3.5.2. Xây dựng mô hình bài toán và phương pháp giải ............................................ 67
3.6. Kết luận Chương 3............................................................................................... 75
Chương 4. TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ VÀ CÔNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ CPD NHẰM NÂNG
CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN (GA) .............. 76


iii

4.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 76
4.2. Tổng quan bài toán cải thiện CLĐN lưới phân phối sử dụng thiết bị CPD nhằm
khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn ......................................................................... 76
4.2.1. Vấn đề nghiên cứu và những tồn tại ................................................................ 76
4.2.2. Hướng giải quyết của luận án .......................................................................... 78
4.3. Mô hình toán của các thiết bị CPD khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn.......... 78
4.3.1. Mô hình toán của thiết bị DVR ........................................................................ 79
4.3.2. Mô hình toán của thiết bị D-Stacom ................................................................ 79
4.4. Xây dựng mô hình và giải bài toán lựa chọn vị trí và công suất thiết bị DVR nhằm

khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn ......................................................................... 81
4.4.1. Xây dựng mô hình bài toán .............................................................................. 81
4.4.2. Phân tích kết quả .............................................................................................. 89
4.5. Xây dựng mô hình và giải bài toán lựa chọn vị trí và công suất thiết bị D-Statcom
nhằm khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn ............................................................... 93
4.5.1. Xây dựng bài toán ............................................................................................ 94
4.5.2. Phân tích kết quả .............................................................................................. 98
4.6. Kết luận ............................................................................................................. 102
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 104
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ...................................... 112
PHỤ LỤC 1 ....................................................................................................................... 113
PHỤ LỤC 2 ....................................................................................................................... 114
PHỤ LỤC 3 ....................................................................................................................... 115
PHỤ LỤC 4 ....................................................................................................................... 116
I.

Khái niệm và thuật toán .................................................................................. 116

II.

Các thành phần cơ bản của GA ....................................................................... 117

PHỤ LỤC 5 ....................................................................................................................... 123
PHỤ LỤC 6 ....................................................................................................................... 126


iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AF

Active power filter

ANN

Artificial Neural Network

BĐN

Biến thiên điện áp ngắn hạn

CBEMA

Computer Business Equipment Manufacturers
Association

CPD

Custom power devices

CLĐN

Chất lượng điện năng

CSPK

Công suất phản kháng

CSI

Current Source Inverter

DVR

Dynamic voltage restorer

D-Statcom

Distribution Static Compensator

DP

Dynamic Programming

EN

European Standard

IEEE

Viện kỹ thuật điện và điện tử (Institute of Electrical
and Electronics Engineers)

IEC

International Electrotechnical Commission

ITIC

Information Technology Industry Council

IPFC

interline power flow controller

GA

Genetic Algorithm

GSA

Gravitational Search Algorithm

HTĐ

Hệ thống điện

HO

Hybrid Optimization

FACTS

Flexible Alternating Current Transmission Systems

MBA

Máy biến áp

NGA

Niching type of GA

NPV

Net Present Value

THD

Total Harmonic Distortion

SANH

Sụt giảm điện áp ngắn hạn

SA

Simulated Annealing

STATCOM

Static synchronous compensator

SSSC

Static synchronous series compensator


v

SVC

Static Var Compensator

UPFC

Unified power flow controller

UPQC

Unified power quality conditioner

VSI

Voltage Source Inverters

UPS

Uninterruptible Power Supply

U1

Điện áp cơ bản

Uk

Điện áp sóng hài bậc k

Uhd

Điện áp hiệu dụng

PCC

Point of Common Connection

PSO

Particle swarm optimization

QRA

Quality, reliability, and availability

pu

Per unit system – Hệ đơn vị tương đối

ĐTPT

Đồ thị phụ tải

TTĐN

Tổn thất điện năng

TTCS

Tổn thất công suất

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1

Nhóm, đặc tính của các hiện tượng chất lượng điện năng trong hệ
thống điện theo IEEE 1159-1995…………………………………………

6

Bảng 1.2

Tiêu chuẩn EN50610: Giới hạn Uh tại điểm cấp điện…………………

15

Bảng 1.3

Yêu cầu về biến dạng sóng điện áp………………………………….……

15

Bảng 1.4

Bậc và biên độ sóng hài sinh ra bởi ghép các converter 6 xung……..

16

Bảng 2.1

Thông số chính cấu hình DVR và D-Statcom……………………………

42

Bảng 2.2

Thông số lò hồ quang điện (Nguồn [14])…………………………………

48

Bảng 2.3

Điện áp nút và THD trước và sau khi có DVR, kịch bản thứ nhất……

50

Bảng 2.4

Điện áp nút và THD trước và sau khi có D-Statcom, kịch bản thứ nhất 51

Bảng 2.5

Điện áp nút trước và sau khi có DVR hoặc D-Statcom, kịch bản thứ
hai…………………………………………………………………………….

53

Bảng 3.1

Công suất phụ tải sử dụng trong tính toán………………………………

72

Bảng 4.1

Kết quả tính toán chọn DVR ứng với ngắn mạch tại nút 8…………….

89

Bảng 4.2

Điện áp 16 nút trước và sau khi có DVR ứng với ngắn mạch tại nút 10 91

Bảng 4.3

Kết quả tính toán chọn DVR ứng với ngắn mạch tại nút 13………….

92

Bảng 4.4

Kết quả tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 8……..

98

Bảng 4.5

Kết quả tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 10…….. 100

Bảng 4.6

Kết quả tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 13…….. 101


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 0.1 Cấu trúc của luận án…………………………………………………………………..

5

Hình 1.1 Phân loại các hiện tượng chất lượng điện áp (IEEE 1159-1995)……………….

7

Hình 1.2 Minh họa nguyên nhân gây SANH trên lưới do ngắn mạch……………………...

8

Hình 1.3 Sụt giảm điện áp ngắn hạn dạng chữ nhật………………………………………….

8

Hình 1.4 Sụt giảm điện áp ngắn hạn do khởi động động cơ…………………………………

9

Hình 1.5 Các đặc tính chịu điện áp CBEMA và ITIC………………………………………... 10
Hình 1.6 So sánh các đặc tính CBEMA, ITIC, SARFI 90 và SEMI F47-0200……………. 10

Hình 1.7 Nguồn dự phòng UPS nối phụ tải nhạy cảm……………………………………….

11

Hình 1.8 Khắc phục lõm điện áp dùng MBA cộng hưởng sắt từ……………………………

11

Hình 1.9 Bảo vệ phụ tải nhạy cảm dùng DVR và Statcom…………………………………..

12

Hình 1.10 Dạng đặc tính U-I phi tuyến và biến dạng sóng điện áp tại đầu cực của lò hồ
quang điện………………………………………………………………………………

13

Hình 1.11 Số lượng bài báo có chỉ số (indexed) trong lĩnh vực tối ưu thiết bị CPD………

23

Hình 2.1 Mô hình nối lưới của DVR……………………………………………………………

30

Hình 2.2 DVR ứng dụng để bảo vệ tải nhạy cảm……………………………………………..

32

Hình 2.3 DVR ứng dụng để ngăn chặn phát sinh các hiện tượng CLĐN………………….

32

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động chế độ dừng của thiết bị DVR……………………….. 33
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động chế độ chờ của thiết bị DVR…………………………

33

Hình 2.6 Sơ đồ vector phương pháp bù đồng pha……………………………………………. 34
Hình 2.7 Sơ đồ khối giản thiểu của thuật toán vòng khóa pha (Phase Locked LoopPLL)……………………………………………………………………………………..

38

Hình 2.8 Cấu trúc và chức năng của D-Statcom……………………………………………... 39
Hình 2.9 Lưới phân phối mô phỏng có DVR hoặc D-Statcom………………………………

41

Hình 2.10 Mô phỏng Simulink lưới phân phối mẫu 13 nút của IEEE có DVR và DStatcom………………………………………………………………………………….

42

Hình 2.11 Mô phỏng Simulink sơ đồ điều khiển và kết nối DVR…………………………….. 43
Hình 2.12 Mô phỏng Simulink sơ đồ điều khiển và kết nối D-Statcom……………………… 43
Hình 2.13 Kết quả mô phỏng lưới IEEE 13 thanh cái với DVR khi ngắn mạch ba pha đối
xứng tại thanh cái 633………………………………………………………………… 44
Hình 2.14 Kết quả mô phỏng lưới IEEE 13 thanh cái với D-Statcom khi ngắn mạch ba
pha đối xứng tại thanh cái 633………………………………………………………. 45
Hình 2.15 Mô phỏng Matlab/Simulink pha A của lò hồ quang điện [14] …………………..

47

Hình 2.16 Mô phỏng lưới điện mẫu 13 nút có lò hồ quang điện……………………………..

48

Hình 2.17 Điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và chưa có thiết bị DVR……

49


viii
Hình 2.18 Phổ sóng hài điện áp tại nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và chưa đặt
DVR……………………………………………………………………………………… 49
Hình 2.19 Điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và DVR đặt trên nhánh 645632……………………………………………………………………………………….

49

Hình 2.20 Phổ sóng hài điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và DVR đặt trên
nhánh 645-632…………………………………………………………………………. 50
Hình 2.21 Điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và D-Statcom đặt tại nút 645 50
Hình 2.22 Phổ sóng hài điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và D-Statcom
đặt tại nút 645………………………………………………………………………….. 51
Hình 2.23 Phổ sóng hài điện áp nút 692 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và chưa đặt
DVR……………………………………………………………………………………… 52
Hình 2.24 Phổ sóng hài điện áp nút 692 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và DVR đặt trên nhánh

52

671-692

Hình 2.25 Phổ sóng hài điện áp nút 692 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và D-Statcom
đặt tại nút 692………………………………………………………………………….

52

Hình 2.26 Phân tích FFT biến dạng điện áp trong 3 chu kỳ đầu tiên tại nút 633 khi lò hồ
quang nối vào nút 633 trong chu kỳ đầu nối LHQ………………………………...

54

Hình 3.1 Sơ đồ lưới phân phối 16 nút lưới phân phối mẫu)………………… ……………… 58
Hình 3.2 Đồ thị phụ tải điển hình……………………………………………………………….

60

Hình 3.3 Các bước nguyên tắc thực hiện thuật toán GA…………………………………….

62

Hình 3.4 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí tụ bù nhằm giảm tốn thất sử
dụng thuật toán GA……………………………………………………………………

63

Hình 3.5 Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng tụ 25kVar, 2 vị trí…… 64
Hình 3.6 Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng tụ 25kVar, 4 vị trí…… 65
Hình 3.7 Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng tụ 50kVar, 2 vị trí…… 65
Hình 3.8 Sơ đồ lưới phân phối 16 nút lưới phân phối mẫu có sóng hài…………………...

67

Hình 3.9 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí tụ bù nhằm giảm tốn thất và THD
sử dụng thuật toán GA………………………………………………………………… 71
Hình 3.10 Biên độ điện áp và THD các nút trước bù và sau bù tối ưu bằng 2 bộ tụ
25kVar…………………………………………………………………………………..

73

Hình 3.11 Biên độ điện áp và THD các nút trước bù và sau bù tối ưu bằng 4 bộ tụ
25kVar…………………………………………………………………………………..

74

Hình 3.12 Biên độ điện áp và THD các nút trước bù và sau bù tối ưu bằng 2 bộ tụ
50kVar…………………………………………………………………………………..

74

Hình 4.1 Sơ đồ thay thế lưới điện có DVR để bù điện áp……………………………………

79

Hình 4.2 Sơ đồ thay thế lưới điện có D-Statcom để bù điện áp…………………………….. 80
Hình 4.3 Các sơ đồ xếp chồng để tính dòng D-Statcom bù SANH…………………………. 80


ix
Hình 4.4 Điện áp các nút lưới điện mẫu khi ngắn mạch tại nút 8………………………….. 83
Hình 4.5 Mô hình DVR dạng nguồn dòng Norton tương đương……………………………

84

Hình 4.6 Mô hình DVR trong tính toán chế độ xác lập……………………………………… 84
Hình 4.7 Lưới điện mô tả theo tổng trở nút và xét một DVR nối vào nhánh j-k………….. 86
Hình 4.8 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí đặt DVR để cải thiện SANH do
ngắn mạch trên lưới phân phối………………………………………………………

88

Hình 4.9 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 8 và vị trí đặt DVR tương ứng……

89

Hình 4.10 Điện áp trước và sau khi lắp DVR ứng với ngắn mạch tại nút 8………………..

90

Hình 4.11 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 10 và vị trí đặt DVR tương ứng….

90

Hình 4.12 Điện áp trước và sau khi lắp DVR ứng với ngắn mạch tại nút 10………………

91

Hình 4.13 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 13 và vị trí đặt DVR tương ứng….. 92
Hình 4.14 Điện áp trước và sau khi lắp DVR ứng với ngắn mạch tại nút 13………………

93

Hình 4.15 Lưới điện mô tả theo tổng trở nút và xét một D-Statcom nối vào nút k………..

94

Hình 4.16 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí đặt D-Statcom để cải thiện
SANH do ngắn mạch trên lưới phân phối………………………………………….

97

Hình 4.17 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 8 và vị trí đặt D-Statcom tương
ứng……………………………………………………………………………………….

98

Hình 4.18 Điện áp trước và sau khi lắp D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 8…………

99

Hình 4.19 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 10 và vị trí đặt D-Statcom tương
ứng……………………………………………………………………………………….

99

Hình 4.20 Điện áp trước và sau khi lắp D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 10……….. 100
Hình 4.21 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 13 và vị trí đặt D-Statcom tương
ứng………………………………………………………………………………………. 101
Hình 4.22 Điện áp trước và sau khi lắp D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 13……….. 102

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Vấn đề chất lượng điện năng (CLĐN) là những thay đổi về điện áp, dòng điện, tần số
dẫn đến làm hư hỏng các thiết bị tiêu thụ điện. Việc sử dụng ngày càng nhiều các thiết bị
điện tử khiến cho các thiết bị tiêu thụ điện ngày càng nhạy cảm hơn với CLĐN. Việc hình
thành thị trường điện, đặc biệt là thị trường có sự tham gia của các công ty quản lý lưới phân
phối điện cũng như áp lực phải tạo ra môi trường cơ sở hạ tầng đầu tư hấp dẫn tại Việt Nam
trong những năm gần đây khiến sự quan tâm của cả khách hàng dùng điện lẫn bên quản lý
lưới điện và bên sản xuất thiết bị điện đối với CLĐN trở nên đặc biệt. Có thể nói, tại Việt
Nam, trong các khu vực lưới điện thì lưới phân phối điện, đặc biệt là lưới phân phối điện
công nghiệp, than phiền của khách hàng cũng như những tranh chấp về pháp lý liên quan
đến các vấn đề chuyên môn về CLĐN xảy ra nhiều nhất. Trong các hiện tượng CLĐN thì
biến dạng gây sóng hài và biến thiên điện áp ngắn hạn như sụt giảm điện áp ngắn hạn
(SANH) là những hiện tượng gây nhiều vấn đề nhất đối với phụ tải nhạy cảm được ghi nhận
tại Việt Nam. Đã có một số nghiên cứu trong nước về đánh giá CLĐN và các giải pháp. Tuy
vậy, vấn đề là có nhiều hiện tượng CLĐN và tác dụng đối với phụ tải cũng rất đa dạng.
Nghiên cứu khắc phục tác động của sóng hài và đặc biệt là nghiên cứu khắc phục SANH tại
Việt Nam mới có một số ít và chủ yếu là bảo vệ cho phía các phụ tải, do các khách hàng thực
hiện.
Với việc phát triển của công nghệ vật liệu bán dẫn, các thiết bị điện tử công suất với
công suất lớn đã và đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong vận hành hệ thống điện.
Thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) đã được sử dụng trong khu vực lưới
truyền tải với nhiều mục đích như nâng cao khả năng tải của đường dây, cải thiện giới hạn
ổn định, tối ưu hóa chế độ vận hành của lưới truyền tải. Việc ứng dụng thiết bị FACTS trong
lưới phân phối, còn gọi là D-FACTS trong đó gồm lớp các thiết bị điều hòa công suất
(Custom Power Device – CPD) như các thiết bị phục hồi điện áp động (Dynamic voltage
restorer - DVR), thiết bị bù tĩnh (Distribution Static Compensator - D-Statcom) đang dần
được triển khai nhiều nơi trên thế giới. Các thiết bị CPD, ngoài việc đảm bảo chất lượng vận

hành dài hạn, còn khắc phục tốt nhiều hiện tượng CLĐN nhờ khả năng đáp ứng nhanh của
các thiết bị nghịch lưu nguồn áp [6, 10, 11, 33]. Tuy nhiên ở Việt Nam chưa có những nghiên
cứu về ứng dụng của thiết bị CPD nhằm nâng cao CLĐN trong lưới phân phối. Sở dĩ có vấn
đề này là vì bên quản lý lưới phân phối điện là các công ty điện lực chưa quan tâm đến việc
ứng dụng của thiết bị CDP. Với những lý do trên, luận án với tên đề tài:
“Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối
điện sử dụng các thiết bị D-FACTS”
được tác giả đặt ra nhằm nghiên cứu các giải pháp nâng cao CLĐN trong lưới cung cấp điện,
hay còn có thể gọi là lưới phân phối điện với định hướng ứng dụng tại Việt Nam.

2. Đối tượng nghiên cứu của Luận án
Đối tượng nghiên cứu của luận án là các giải pháp nâng cao CLĐN sử dụng thiết bị
CPD và tụ bù công suất phản kháng. Hiện tượng CLĐN được xem xét là SANH do ngắn
mạch và biến dạng gây sóng hài do lò hồ quang điện sinh ra trong lưới phân phối, có xét một


2

số đặc thù của lưới phân phối điện của Việt Nam. Bên cạnh đó các chỉ tiêu chất lượng vận
hành như độ lệch điện áp lưới điện trong vận hành, tổn thất điện năng trong vận hành cũng
được xem xét khi xây dựng mô hình bài toán tối ưu ứng dụng các giải pháp. Trong các nghiên
cứu của luận án, lưới phân phối mẫu 13 nút của IEEE, lưới phân phối mẫu 16 nút được xây
dựng từ lưới mẫu 13 nút trên đây có xét những đặc điểm riêng của lưới phân phối điện Việt
Nam được sử dụng làm đối tượng minh họa cho hiệu quả của các giải pháp nâng cao CLĐN
được nghiên cứu của luận án. Công cụ giải các bài toán tối ưu nói chung, thuật toán di truyền
(Genetic Algorithm - GA) nói riêng cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án. Các từ khóa
chính của luận án bao gồm: CLĐN, SANH, sóng hài, độ lệch điện áp, tổn thất điện năng,
lưới phân phối điện, thiết bị CPD, thiết bị DVR, thiết bị D-Statcom.

3. Các mục tiêu nghiên cứu của Luận án

Luận án nghiên cứu đánh giá một số vấn đề về CLĐN và xem xét các giải pháp nâng
cao CLĐN trong lưới phân phối với các mục tiêu cụ thể sau:
a) Nghiên cứu xây dựng mô hình và giải bài toán tối ưu lựa chọn vị trí và công suất của
các thiết bị DVR và D-Statcom nhằm khắc phục hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn
hạn trên lưới phân phối.
b) Nghiên cứu lựa chọn vị trí tụ bù công suất phản kháng nhằm giảm tổn thất điện năng
và nâng cao CLĐN trong lưới phân phối gồm cải thiện độ lệch điện áp và cải thiện
tổng mức biến dạng sóng hài, có xét một số đặc trưng lưới phân phối điện công nghiệp
của Việt Nam.
c) Nghiên cứu cấu trúc và mô phỏng so sánh tác dụng của các thiết bị DVR và D-Statcom
đối với SANH do ngắn mạch và sóng hài gây ra bởi các phụ tải phi tuyến điển hình
trong lưới phân phối điện công nghiệp của Việt Nam như lò hồ quang điện.
Trong ba mục tiêu trên đây, mục tiêu (a) là mục tiêu chính của luận án. Để có cơ sở
phân tích và đề xuất mô hình và giải bài toán (a): mục tiêu (b) và mục tiêu (c) được thực
hiện, trong đó mục tiêu (c) cho cơ sở minh họa tác dụng của các thiết bị DVR và D-Statcom
giúp đề xuất phương án ứng dụng của các thiết bị này. Mục tiêu (b) vừa có tính minh họa
việc xây dựng mô hình bài toán tối ưu và công cụ giải cho mục tiêu (a), vừa xem như một
nghiên cứu ứng dụng khi xây dựng mô hình định lượng đánh giá tác dụng của sóng hài trong
lưới điện công nghiệp có lò hồ quang điện tại Việt Nam.
Các giải pháp trên đây được phân tích và đề xuất dựa trên quan điểm nâng cao CLĐN
của hệ thống, chứ không chỉ CLĐN cho riêng một nút phụ tải riêng biệt và được thực hiện
bởi bên quản lý lưới phân phối điện, mà ở Việt Nam là các công ty điện lực. Việc phân tích
và đánh giá CLĐN được lồng trong mô hình bài toán tối ưu như là bước đầu tiên của quá
trình tối ưu hóa việc thực hiện giải pháp. Việc khắc phục SANH được thực hiện dựa trên
tính toán đánh giá SANH trong lưới phân phối do ngắn mạch. Việc khắc phục sóng hài dựa
trên việc mô phỏng, tính toán và đánh giá tình hình sóng hài trên lưới phân phối điện.

4. Phương pháp thực hiện
Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về việc xây dựng mô hình và giải các bài toán liên
quan đến việc nâng cao CLĐN mang tính hệ thống trong lưới phân phối điện, hướng nghiên

cứu của luận án sẽ được đề xuất. Bài toán tối ưu hóa đối với các giải pháp nâng cao CLĐN


3

nhìn chung có dạng tối ưu hóa phi tuyến và có một số hướng giải quyết bài toán. Luận án
ứng dụng thuật toán di truyền để giải các bài toán này. Đây là thuật toán có tính ứng dụng
đa năng [21, 38, 47, 64, 73], có thể giải được nhiều dạng bài toán tối ưu và có công cụ ứng
dụng thuận lợi cho việc lập trình trên Matlab. Bên cạnh đó, việc giải bài toán tính toán chế
độ xác lập và ngắn mạch của lưới phân phối và xác định các chỉ tiêu CLĐN cũng được thực
hiện trên Matlab.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án
Với những vấn đề đặt ra và mục tiêu đề xuất thực hiện trên đây của luận án, những
điểm sau đây được xem là những ý nghĩa khoa học và thực tiễn chính:
- Về ý nghĩa khoa học: Do chưa có nghiên cứu nào ở Việt Nam về ứng dụng thiết bị
CPD để cải thiện CLĐN đối với toàn hệ thống nên nghiên cứu này có thể xem như một trong
những nghiên cứu tiên phong về lĩnh vực này tại Việt Nam. Cái khó khiến ít nghiên cứu tiến
sâu trong lĩnh vực này do thiết bị CPD là đáp ứng động, nên thường chỉ xem xét mô hình
dưới dạng các mô phỏng động. Đối với bài toán trong đó CPD là giải pháp CLĐN thì nghiên
cứu thường chỉ xét cho việc bảo vệ một phụ tải nhất định. Do đó, một hạn chế lớn của những
nghiên cứu trước đây là không xem xét những tác động mang tính hệ thống của các thiết bị
CPD. Nghiên cứu này sẽ cố gắng xây dựng mô hình toán mô tả tác dụng của thiết bị CPD
trong mô hình chung của lưới điện theo hiện tượng CLĐN tương ứng (chẳng hạn như SANH
do ngắn mạch) để từ đó xây dựng mô hình bài toán tối ưu tính toán lựa chọn vị trí và công
suất của thiết bị CPD. Bên cạnh ý nghĩa chính trên đây đối với tác dụng của thiết bị CPD,
việc nghiên cứu hạn chế sóng hài trên lưới phân phối dưới dạng mô hình bài toán tối ưu cũng
chưa được xem xét tại Việt Nam và nghiên cứu này cũng được xem như một trong những
nghiên cứu ban đầu về hạn chế tác dụng sóng hài mang tính hệ thống. Việc lựa chọn công
cụ tìm kiếm thông minh là thuật toán di truyền để giải bài toán này cũng có giá trị tham khảo

nhất định cho việc ứng dụng của công cụ này đối với các bài toán tối ưu phi tuyến khó giải
bằng các phương pháp giải tích (analytic) thông thường như các mô hình bài toán ứng dụng
giải pháp cải thiện CLĐN mang tính hệ thống.
- Về ý nghĩa thực tiễn: Vấn đề CLĐN hiện nay đang rất được quan tâm và giải pháp từ
phía hệ thống đối với các khu vực lưới phân phối tại Việt Nam hầu như chưa có. Hiện tại
các đơn vị quản lý lưới phân phối mới chủ yếu cố gắng ứng dụng tụ bù đến giảm tổn thất
trên lưới điện ở tần số 50Hz, và việc ứng dụng này thuần túy mang tính kinh nghiệm hoặc
ứng dụng cho các lưới điện đơn giản. Ba mục tiêu được đề xuất của luận án có thể xem là
tài liệu tham khảo rất tốt cho việc triển khai các giải pháp nâng cao CLĐN và giảm tổn thất
mang tính hệ thống đối với các đơn vị quản lý lưới phân phối điện, trong đó trực tiếp nhất là
những đề xuất sử dụng tụ bù công suất phản kháng để giảm tổn thất và cải thiện chất lượng
độ lệch điện áp, tổng mức biến dạng sóng hài của lưới phân phối. Còn nhìn vào tương lai xa
hơn, việc ứng dụng thiết bị CPD để nâng cao chất lượng vận hành của lưới phân phối nói
chung, nâng cao CLĐN nói riêng sẽ được thúc đẩy. Ngoài ra, tuy mục tiêu (c) chỉ mang tính
hỗ trợ cho mục tiêu nghiên cứu (a), nhưng về ý nghĩa thực tiễn thì rất cao do luận án đã xây
dựng mô hình mô phỏng động lưới phân phối có lò hồ quang điện, mô tả tốt cho thực trạng
CLĐN của lưới phân phối điện tại một số khu công nghiệp có lò hồ quang và đề xuất các
giải pháp khắc phục như sử dụng các thiết bị CPD.


4

6. Các đóng góp mới của Luận án
- Xây dựng mô hình mô phỏng động nhằm so sánh và đánh giá tác dụng của các thiết
bị DVR và D-Statcom với các vấn đề CLĐN gồm SANH do ngắn mạch và sóng hài trong
lưới phân phối có xét những đặc điểm đặc thù của Việt Nam như lưới điện 3 pha, phụ tải 3
pha đối xứng, đặc điểm phụ tải công nghiệp sản xuất thép (phụ tải lò hồ quang điện).
- Xây dựng mô hình và giải bài toán tối ưu ứng dụng tụ bù trong lưới phân phối nhằm
giảm tổn thất và cải thiện CLĐN, có xét lưới điện có sóng hài do lò hồ quang điện sinh ra.
Mô hình bài toán tính toán chế độ xác lập ở tần số sóng hài được xây dựng để tính toán tổn

thất công suất do sóng hài và tổng mức biến dạng sóng hài nhằm phục vụ cho việc tính toán
hàm mục tiêu và kiểm tra các ràng buộc của bài toán tối ưu vị trí tụ bù trong lưới phân phối.
Toàn bộ các tính toán trên cũng như sử dụng công cụ giải là thuật toán di truyền được thực
hiện trên Matlab.
- Xây dựng mô hình và giải bài toán tối ưu chọn vị trí và công suất của các thiết bị
DVR và D-Statcom để khắc phục hiện tượng SANH do ngắn mạch, trong đó việc tính toán
và đánh giá các đặc trưng của SANH (như biên độ điện áp) sử dụng mô hình toán mô tả tác
dụng của các thiết bị này đề xuất. Đây được xem là đóng góp chính của nghiên cứu trong
luận án.

7. Bố cục của Luận án
Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được
trình bày trong 5 chương và phụ lục, cụ thể như sau:
- Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận án: Tính cấp thiết của đề tài; mục tiêu,
đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu; các đóng góp của luận án.
- Chương 1: Tổng quan các bài toán về nâng cao CLĐN trong lưới phân phối điện.
Nghiên cứu tổng quan về CLĐN của lưới phân phối: Các hiện tượng, nguyên nhân, hậu quả
và các chỉ tiêu đánh giá cũng như các giải pháp khắc phục. Đánh giá hiệu quả sử dụng DVR
và D-Statcom trong nâng cao CLĐN của lưới phân phối. Nghiên cứu tổng quan các mô hình
và phương pháp giải bài toán tối ưu hóa khi ứng dụng các giải pháp sử dụng tụ bù và thiết
bị CPD nhằm nâng cao CLĐN với quan điểm lợi ích từ phía bên cấp điện. Từ đó định hướng
nghiên cứu của luận án.
- Chương 2: Đánh giá hiệu quả sử dụng DVR và D-Statcom trong nâng cao CLĐN của
lưới phân phối. Xây dựng mô hình và mô phỏng các thiết bị DVR, D-Statacom trong
Matlab/Simulink nhằm so sánh và đánh giá hiệu quả khắc phục SANH trên lưới phân phối
với nguyên nhân do ngắn mạch gây ra cũng như sóng hài do lò hồ quang điện sinh ra trong
lưới phân phối sử dụng lưới phân phối mẫu 13 nút.
- Chương 3: Ứng dụng thuật toán di truyền lựa chọn vị trí đặt của tụ bù nhằm giải tổn
thất và khắc phục sóng hài trong lưới phân phối có xét điều kiện Việt Nam. Chương này xây
dựng mô hình bài toán tối ưu hóa vị trí tụ bù có xét các trường hợp ứng dụng bao gồm thứ

nhất là bài toán giảm tổn thất và cải thiện độ lệch điện áp lưới điện; thứ hai là bài toán giảm
tổn thất và cải thiện độ lệch điện áp lưới điện và tổng mức biến dạng sóng hài trong lưới
phân phối có sóng hài. Mô hình bài toán và phương pháp giải của bài toán trong Chương 3
được dùng làm một trong những cơ sở để xây dựng và giải bài toán tối ưu ở Chương 4.


5

- Chương 4: Ứng dụng thuật toán di truyền lựa chọn vị trí và công suất của các thiết bị
DVR và D-STATCOM nhằm khắc phục SANH của lưới phân phối. Trong Chương này, luận
án đề xuất ứng dụng các mô hình mô tả DVR và D-Statcom khi tính toán ngắn mạch để tính
toán hàm mục tiêu và các ràng buộc của bài toán tối ưu. Các tham số ảnh hưởng đến kết quả
tính toán cũng được phân tích.
- Kết luận và kiến nghị
- Tài liệu tham khảo và phụ lục.
Trình tự bố cục của luận án có thể được minh họa qua Hình 0.1 sau:

Chương 1

Tổng quan
các bài toán
nâng cao
CLĐN
trong lưới
phân phối
điện

Chương 2
Hiệu quả sử
dụng thiết bị

CPD (phần tử
tích cực) nâng
cao CLĐN

Chương 3

Hiệu quả sử
dụng tụ bù
(phần tử thụ
động) nâng cao
CLĐN

Hình 0 1. Cấu trúc của luận án

Chương 4

Sử dụng
thiết bị CPD
khắc phục
SANH trong
lưới phân phối
điện


6

Chương 1. TỔNG QUAN CÁC BÀI TOÁN NÂNG CAO CHẤT
LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN
Chất lượng điện năng trong hệ thống điện nói chung và lưới phân phối điện nói riêng
là chủ đề nghiên cứu rộng bao gồm nhiều hiện tượng CLĐN, nguyên nhân sinh ra, các tác

động, các giải pháp và các đối tượng áp dụng. Để giúp làm rõ nội dung và phương pháp
nghiên cứu của luận án, trong chương này, tác giả sẽ tóm tắt các vấn đề cơ bản về CLĐN,
tổng hợp một cách tương đối ngắn gọn nội dung các bài toán điển hình về nghiên cứu nâng
cao CLĐN trong lưới phân phối, phân tích những tồn tại và xây dựng hướng nghiên cứu của
luận án.

1.1. Tổng quan về chất lượng điện năng và các giải pháp nâng cao
chất lượng điện năng trên lưới phân phối
1.1.1. Tóm tắt về các hiện tượng chất lượng điện năng trên lưới phân phối
Chất lượng điện năng là chỉ các hiện tượng biến thiên về điện áp, dòng điện và tần số
dẫn đến làm các thiết bị điện trong hệ thống điện ngừng làm việc hoặc làm việc không đúng
theo chức năng được thiết kế. Có rất nhiều hiện tượng CLĐN xuất hiện trong hệ thống điện
gây hậu quả trên và theo IEEE1159-1995, CLĐN được phân loại theo các đặc trưng về biên
độ, thời gian tồn tại và phổ tần đặc trưng như được cho trong Bảng 1.1 dưới đây [4, 7, 29].
Bảng 1.1. Nhóm, đặc tính của các hiện tượng chất lượng điện năng trong hệ thống điện theo IEEE
1159-1995

Nhóm
1. Quá độ
1.1 Quá độ xung kích
1.1.1 Nano giây
1.1.2 Micro giây
1.1.3 Mili giây
1.2 Quá độ dao động
1.2.1 Tần số thấp
1.2.2 Tần số trung bình
1.2.3 Tần số cao
2. Biến thiên điện áp ngắn hạn
2.1 Tức thời
2.1.1 Mất điện áp

2.1.2 Sụt áp (Sag)
2.1.3 Tăng áp (Swell)
2.2 Thoáng qua
2.2.1 Mất điện áp
2.2.2 Sụt áp
2.2.3 Tăng áp
2.3 Tạm thời
2.3.1 Mất điện áp

Độ lớn điện
áp điển hình

Phạm vi phổ
tần điển hình

Khoảng thời gian
điển hình

5 ns
1s
0,1 ms

< 50 ns
50 ns – 1 ms
> 1 ms

< 5 kHz
5 – 500 kHz
0,5 – 5 MHz

0,3 – 50 ms
20s
5s

0 – 4 pu(*)
0 – 8 pu
0 – 4 pu

0,5 – 30 chu kỳ
0,5 – 30 chu kỳ
0,5 – 30 chu kỳ

< 0,1 pu
0,1 – 0,9 pu
1,1 – 1,8 pu

30 chu kỳ - 3 s
30 chu kỳ - 3 s
30 chu kỳ - 3 s

<0,1 pu
0,1 – 0,9 pu
1,1 – 1,4 pu

3 s – 1 phút

< 0,1 pu


7

2.3.2 Sụt áp
2.3.3 Tăng áp
3. Biến thiên điện áp dài hạn
3.1 Mất điện áp duy trì
3.2 Thấp điện áp
3.3 Quá điện áp
4. Mất đối xứng điện áp
5. Biến dạng sóng
5.1 Một chiều
5.2 Sóng hài
5.3 Liên sóng hài
5.4 Vết cắt trên dạng sóng
5.5 Nhiễu ồn
6. Dao động điện áp

0 – 6 kHz
Phổ tần rộng
< 25 Hz

3 s – 1 phút
3 s – 1 phút

0,1 – 0,9 pu
1,1 – 1,2 pu

> 1 phút
> 1 phút
> 1 phút
Xác lập

0,0 pu
0,8 – 0,9 pu
1,1 – 1,2 pu
0,5 – 2 %

Xác lập
Xác lập
Xác lập
Xác lập
Xác lập

0 – 1%
0,1 – 7%

* pu: Per unit – Đơn vị tương đối.

( )

Trong các hiện tượng trên đây, biến thiên điện áp ngắn hạn và biến dạng gây sóng
hài là những hiện tượng gây tác động xấu chủ yếu đến các thiết bị điện trong lưới phân phối
điện Việt Nam hiện nay và cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án. Để chuẩn bị cho các
phân tích trong nội dung nghiên cứu ở các phần sau của luận án, một số kiến thức chính về
hai hiện tượng CLĐN trên được trình bày tóm tắt như các mục sau.
1.1.2. Sụt giảm điện áp và mất điện ngắn hạn [23, 49]
a. Tóm tắt hiện tượng:

Hình 1.1. Phân loại các hiện tượng chất lượng điện áp (IEEE 1159-1995)

Theo tiêu chuẩn IEEE1159-1995, biến thiên điện áp ngắn hạn (BĐN) là sự thay đổi

trị số điện áp hiệu dụng ở tần số HTĐ (50Hz hoặc 60Hz) trong khoảng thời gian dưới 1 phút.
Tùy theo biên độ (magnitude) và thời gian tồn tại (duration) của sự kiện, BĐN còn có
thể được phân loại cụ thể hơn thành các dạng như Hình 1.1.


8

Trong các hiện tượng BĐN, sụt giảm điện áp ngắn hạn (SANH) thường hay xảy ra hơn
và cũng là đối tượng được nghiên cứu nhiều hơn.
b. Nguyên nhân gây sụt áp và mất điện
-

Ngắn mạch trong hệ thống điện

Nguyên nhân chủ yếu gây ra trên 90% SANH là do các sự cố (ngắn mạch) trong hệ
thống điện. Hình 1.2 minh họa SANH do sự cố ngắn mạch trên một nhánh của xuất tuyến
22kV (sự cố 1). Khi đó, điện áp lưới sẽ giảm dần từ nguồn về đến điểm ngắn mạch và tại
thanh cái 22kV của trạm biến áp trung gian 110/22kV, điện áp sẽ giảm sâu. Sau một thời
gian nhất định, bảo vệ ở đầu rẽ nhánh bị sự cố là cầu chì 22kV sẽ tác động loại để trừ nhánh
này. Nhờ đó, điện áp tại thanh cái 22kV sẽ được phục hồi. Các phụ tải nối vào các xuất tuyến
22kV khác sẽ trải qua sự kiện SANH. Sự cố cũng có thể xảy ra trên các xuất tuyến khác,
hoặc tại máy biến áp, hoặc sự cố ở trên lưới truyền tải như điểm sự cố 2, Hình 1.2. Trong
thời gian bảo vệ A và B làm việc, các phụ tải trên lưới cũng sẽ chịu SANH.

Hình 1.2. Minh họa nguyên nhân gây SANH trên lưới do ngắn mạch

Biên độ SANH chính là điện áp nút của lưới điện khi có ngắn mạch. Hình dạng chủ
yếu của SANH do sự cố ngắn mạch có dạng hình chữ nhật với hai đặc trưng chính là biên
độ và thời gian tồn tại (Hình 1.3).

Hình 1.3. Sụt giảm điện áp ngắn hạn dạng chữ nhật

Biên độ này phụ thuộc vào tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến dòng điện ngắn mạch như
tổng trở ngắn mạch, sơ đồ lưới điện, công suất ngắn mạch... Thời gian tồn tại của SANH
chính là thời gian làm việc của hệ thống bảo vệ lưới điện. Đối với lưới phân phối, bảo vệ
chính được sử dụng về cơ bản là bảo vệ quá dòng điện với thời gian làm việc thường lâu hơn


9

0,5 giây. Đối với lưới truyền tải bảo vệ thường là loại cắt nhanh nên thời gian thường chỉ cỡ
0,1-0,2 giây.
-

Khởi động động cơ

Động cơ điện là phụ tải rất phổ biến trong hệ thống điện, đặc biệt trong các lưới điện
công nghiệp. Các động cơ điện, đặc biệt là động cơ không đồng bộ, do dòng điện mở máy
lớn khi mở máy trực tiếp cũng gây sụt giảm điện áp lớn trên mạch nối với động cơ trong thời
gian mở máy. Do đó, các phụ tải nối chung mạch cấp điện với động cơ được mở máy sẽ trải
qua SANH với đặc tính có dạng hình tam giác như Hình 1.4. Dạng đặc tính SANH của động
cơ như vậy là do việc giảm dần dòng điện mở máy khi tốc độ động cơ tăng dần ở thời điểm
cuối của SANH.

Hình 1.4. Sụt giảm điện áp ngắn hạn do khởi động động cơ

Ngoài ra, SANH còn do các nguyên nhân như đóng các phụ tải lớn vào lưới điện, mở
máy không tải máy biến áp công suất lớn. Tuy nhiên, đối với các trường hợp này, SANH
thường có biên độ giảm nhỏ và ít gây nguy hiểm cho lưới điện.
c. Hậu quả và đánh giá tác động của sụt giảm điện áp ngắn hạn

Về mặt năng lượng, SANH làm giảm lượng năng lượng cần thiết cung cấp cho các
thiết bị dùng điện và do đó sẽ làm cho các thiết bị nhạy cảm ngừng làm việc hay làm việc
không đúng theo yêu cầu thiết kế. Các thiết bị sau chịu nhiều ảnh hưởng bởi SANH nhất:
- Các bộ cấp nguồn cho máy tính và các thiết bị điện tử, các bộ điều tốc có thể sẽ
ngừng làm việc dưới tác động của SANH. Đó là do trong cấu trúc chung của bộ cấp
nguồn cho các thiết bị này, dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành một chiều
và nạp cho tụ. Năng lượng của tụ trên mạch một chiều là hữu hạn. SANH sẽ gây
thiếu năng lượng nạp vào tụ và có thể dẫn đến giảm điện áp một chiều đầu ra.
- Contactor và rơ le điện cơ sẽ không tin cậy dưới tác động của một sự kiện SANH.
Theo tiêu chuẩn IEC 60947-4-1, contactor chỉ làm việc đúng khi điện áp trong
những dải cho phép (đóng: 85-110%Uđm, cắt: 20-75%Uđm).
- Đối với động cơ không đồng bộ, thường chỉ có SANH thấp hơn 30%Uđm mới có tác
động. Khi lõm điện áp bắt đầu xảy ra, mô men điện từ của động cơ giảm dẫn đến
giảm tốc độ động cơ. Khi điện áp được phục hồi sau sự kiện SANH, quá trình mở
máy trở lại của động cơ sẽ làm sự phục hồi điện áp chậm lại.
- Đối với đèn dựa trên nguyên lý phóng điện trong chất khí (đèn cao áp), đèn sẽ tắt
nếu mất điện áp quá 2 chu kỳ hoặc khi có SANH với biên độ dưới 45%Uđm. Cần vài
phút để làm nguội và khởi động lại. Đèn bị lão hoá có thể tắt thậm chí với SANH
có biên độ 85%Uđm.


10

Tác động của SANH và BĐN đến sự làm việc của các thiết bị dùng điện được đánh
giá dựa trên đặc tính chịu điện áp của thiết bị. Việc ứng dụng ngày càng phổ biến các thiết
bị và linh kiện điện tử công suất như trên khiến cho các thiết bị điện ngày càng nhạy cảm
hơn với CLĐN nói chung và SANH nói riêng. Do đó, đặc tính chịu điện áp của các thiết bị
điện sử dụng các linh kiện điện tử thường được dùng để đánh giá ảnh hưởng của SANH.
Năm 1977, Hiệp hội các nhà sản xuất và kinh doanh máy tính (Computer Business
Equipment Manufacturers Association - CBEMA) đã giới thiệu đặc tính chịu điện áp cho

các máy tính lớn có dạng Hình 1.5.a.

Hình 1.5. Các đặc tính chịu điện áp CBEMA và ITIC

Năm 1996, Hội đồng công nghiệp công nghệ thông tin (Information Technology
Industry Council - ITIC) thiết kế lại đặc tính chịu điện áp CBEMA. Đặc tính ITIC (Hình
1.5.b) có dạng tuyến tính hoá với vùng an toàn được mở rộng hơn, ITIC được sử dụng cho
phụ tải một pha 120 V - 60 Hz. Năm 1999, đặc tính SEMI F47-0200 (Hình 1.6) ứng dụng
cho các thiết bị và quá trình bán dẫn công nghiệp được đề xuất bởi các nhà sản xuất thiết bị
bán dẫn, trong đó vùng khả năng chịu điện áp được mở rộng trong khoảng thời gian từ 1 chu
kỳ (0,02 giây) đến 10 chu kỳ (0,2 giây).

Hình 1.6. So sánh các đặc tính CBEMA, ITIC, SARFI 90 và SEMI F47-0200

d. Các biện pháp khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn


11

Các giải pháp khắc phục tác động của SANH được chia thành ba nhóm ứng với ba giai
đoạn: Hình thành, lan truyền trên lưới điện và tác động đến phụ tải nhạy cảm. Cụ thể,
-

Các giải pháp cho giai đoạn hình thành SANH:

Giảm suất sự cố ngắn mạch trên lưới điện bằng các giải pháp bao gồm: Thay đường
dây trên không bằng cáp ngầm, sử dụng dây dẫn bọc thay dây dẫn trần, giải phóng hành lang
tuyến dây dẫn, lắp đặt lưới bảo vệ, tăng cấp cách điện, tăng tần suất bảo dưỡng.
Sử dụng các phương pháp mở máy mềm đối với động cơ, mở máy dùng động cơ rotor
dây quấn để hạn chế SANH do mở máy động cơ.

-

Các giải pháp cho lưới điện:

Giảm thời gian loại trừ sự cố ngắn mạch. Các giải pháp bao gồm: Sử dụng cầu chì hạn
chế dòng ngắn mạch (Thời gian cắt thường nhỏ hơn nửa chu kỳ), dùng thiết bị tự đóng lại,
sử dụng máy cắt có thời gian tác động nhanh hơn, sử dụng bảo vệ quá dòng điện có đặc tính
thời gian phụ thuộc và giảm cấp thời gian bảo vệ nếu có thể trên một xuất tuyến của lưới
phân phối điện.
Thay đổi sơ đồ lưới điện: Các giải pháp chính có thể xem xét như: Đặt máy phát dự
phòng tại gần các phụ tải nhạy cảm, phân đoạn lưới điện để thay đổi vùng ảnh hưởng của
SANH, đặt kháng điện hạn chế dòng điện ngắn mạch tại những nơi thích hợp trên lưới điện
để tăng khoảng cách về điện từ điểm ngắn mạch đến PCC.
-

Các giải pháp đối với phụ tải nhạy cảm:

Đối với các phụ tải nhạy cảm, mục tiêu là phải ổn định được điện áp trên đầu cực của
phụ tải. Các giải pháp thuộc nhóm này thường là đặt thiết bị ổn định điện áp đầu cực phụ tải.
Các giải pháp bao gồm: Dùng máy biến áp cộng hưởng sắt từ, sử dụng các nguồn dự phòng
UPS (Uninterruptible Power Supply) nối song song với nguồn lưới cấp cho các phụ tải nhạy
cảm. Dùng tổ máy phát - động cơ đồng trục có ghép nối qua bánh đà.

Hình 1.7. Nguồn dự phòng UPS
nối phụ tải nhạy cảm

Hình 1.8. Khắc phục lõm điện áp dùng MBA
cộng hưởng sắt từ

Sử dụng thiết bị điều hòa công suất (Custom Power Device) [11]: Thiết bị nghịch lưu

nguồn áp (VSI) hoặc nghịch lưu nguồn dòng (ISC), nối giữa nguồn và phụ tải nhạy cảm, để
đảm bảo CLĐN cấp cho phụ tải. Các dạng thiết bị điều hòa công suất có thể là thiết bị bù
ngang: Thiết bị bù CSPK tĩnh (Static Var Compensator – SVC), thiết bị bù đồng bộ tĩnh
(Static Synchronous Compensator – Statcom, D-Statcom), thiết bị bù dọc: Thiết bị phục hồi
điện áp động (Dynamic Voltage Restorer – DVR) hoặc hợp bộ kết hợp cả chức năng của
thiết bị bù ngang và bù dọc (Unified Power Quality Conditioner – UPQC). Cấu trúc cơ bản
bao gồm MBA kết nối, bộ nghịch lưu (VSI hoặc CSI) và bộ cấp năng lượng phía một chiều
(ắc quy, tụ điện hoặc nguồn một chiều chỉnh lưu…).


12

Hình 1.9. Bảo vệ phụ tải nhạy cảm dùng DVR và Statcom

Hình 1.9 là ví dụ ứng dụng DVR hoặc Statcom để bù SANH đối với phụ tải nhạy cảm.
Nguyên tắc bù đối với DVR và Statcom sẽ là [26, 48].
U̇t = ∆U̇DVR + U̇L

(1.1)

∆U̇STA = U̇t − U̇L = ZL . İDS

(1.2)

Trong đó
Ut:

Điện áp trên thanh góp nối với phụ tải nhạy cảm cần được ổn định.

UL:

Điện áp nguồn điện.

ΔUDVR: Điện áp bù trên DVR.
ISTA:

Dòng điện bù phát ra của Statcom.

ΔUSTA: Điện áp bù tại nút có nối với Statcom.
ZL:

Tổng trở lưới điện.

Giải pháp sử dụng các thiết bị điều hòa công suất CPD cho tới nay, thường được sử
dụng để bảo vệ phụ tải nhạy cảm với CLĐN, với vị trí lắp đặt ở trên mạch nối trực tiếp với
phụ tải được bảo vệ và vì vậy được xem là giải pháp do bên sử dụng điện thực hiện. CPD
cũng được sử dụng trong lưới điện bởi bên cấp điện, tuy nhiên chủ yếu dùng trong lưới điện
truyền tải như thiết bị FACTS. Tuy vậy, gần đây, với việc giảm giá thành của các thiết bị
điện tử công suất, bên cấp điện đã dần việc sử dụng các thiết bị CPD trong lưới phân phối
để nâng cao CLĐN của lưới điện.
e. Tóm lược:
Sụt giảm điện áp ngắn hạn là hiện tượng CLĐN mà luận án sẽ phân tích các giải pháp
khắc phục. Luận án xem xét SANH trong lưới phân phối với nguyên nhân là ngắn mạch
trong lưới phân phối vì đây là nguyên nhân chính của SANH. Giải pháp mà luận án nghiên
cứu sử dụng để khắc phục SANH là sử dụng thiết bị CPD. Việc sử dụng CPD hiện nay có
thể được bên cấp điện là các công ty điện lực sử dụng vì những lý do đã giải thích trên đây.
Việc xây dựng bài toán và phân tích cụ thể sẽ được luận án trình bày ở Mục 2 trong chương
này cũng như ở Chương 3 và Chương 4.

13

1.1.3. Sóng hài [20, 30, 59, 79]
Một hiện tượng CLĐN nữa cũng có liên quan đến nội dung nghiên cứu của luận án là
sóng hài do hiện tượng biến dạng sóng điện áp và dòng điện trên lưới điện gây ra. Một số
vấn đề kỹ thuật chính liên quan đến sóng hài được tổng hợp một cách tóm tắt như sau:
a. Tóm tắt hiện tượng
Sóng hài là điện áp và dòng điện hình sin với tần số là bội số của tần số cơ bản (50Hz
hoặc 60Hz). Sóng hài được định lượng từ phép phân tích Fourier của các biến dạng sóng
điện áp và dòng điện (waveform distortion) trên lưới điện. Một sự kiện biến dạng sóng điện
áp hay dòng điện duy trì f(x) có thể được phân tích thành tổng của sóng cơ bản và các sóng
hài theo phép biến đổi Fourier như sau
f(x) =
=

a0
2
a0
2

∞
+ ∑∞
n=1 a (n) cos(nx) + ∑n=1 b(n) sin(nx)

+ ∑∞
n=1 c(n) sin⁡[nx + ϕ(n) ]

(1.3)

Trong đó

1

2π

a0 = π ∫0 f(x)dx ;

1

2π

1

2π

a(n) = π ∫0 f(x)cos(nx)dx ; b(n) = π ∫0 f(x)sin(nx)dx ;
a(n)

c(n) = √a2(n) + b2(n) , ϕ(n) = arctg [b ]
(n)

(1.4)

Biên độ của từng sóng hài điện áp (bậc sóng hài) tùy thuộc vào mức độ biến dạng sóng
điện áp lưới điện, nhìn chung cỡ vài phần trăm biên độ điện áp bậc cơ bản của lưới điện.
b. Nguyên nhân sóng hài
Nguyên nhân chính gây nên biến dạng sóng trên lưới điện là do sự tồn tại của các phụ
tải phi tuyến. Các thiết bị chính gây phát thải sóng hài trên lưới điện bao gồm:
-

-

Thiết bị có lõi thép như máy biến áp, động cơ điện. Đặc tính từ hóa của lõi thép có
dạng bão hòa sẽ gây biến dạng sóng dòng điện và điện áp.
Thiết bị điện tử công suất như các bộ chỉnh lưu, nghịch lưu (Inverter) sử dụng các
van điện tử công suất. Sóng hài sinh ra thường có dạng đặc trưng, phụ thuộc kết
cấu của các bộ nghịch lưu.
Quá trình phòng điện trong chất khí của các thiết bị chiếu sáng

Hình 1.10. Dạng đặc tính U-I phi tuyến và biến dạng sóng điện áp
tại đầu cực của lò hồ quang điện


14

-

Các quá trình hồ quang điện như của lò hồ quang (Hình 1.10), máy hàn điện. Đây
là nguyên nhân gây sóng hài rất phổ biến trong lưới điện công nghiệp tại Việt Nam
trong thời gian 10 năm gần đây khi công nghiệp luyện thép phát triển khá nhanh.
Đây cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án khi xét các biện pháp khắc phục
sóng hài.

c. Tác động của sóng hài
Tác động chính của sóng hài là làm gia tăng tải của các mạch điện. Tác động này có
thể gây quá tải dây dẫn, quá tải máy điện, gây phát nóng phụ lớn, gia tăng tổn hao. Bên cạnh
đó sóng hài còn làm sai lệch các thiết bị đo lường, làm các thiết bị bảo vệ làm việc kém chính
xác, gây nhiễu các hệ thống thông tin cũng như gây ra hiện tượng cộng hưởng làm quá tải tụ
bù, quá điện áp.
Tác dụng gia tăng tổn thất điện năng hiện nay cũng là hậu quả đáng kể của sóng hài
và đang được các đơn vị quản lý lưới điện tại Việt Nam rất quan tâm tìm cách khắc phục.

d. Các đặc trưng và tiêu chuẩn đánh giá sóng hài:
Các đặc trưng cơ bản của biến dạng sóng và sóng hài bao gồm:
-

Biến dạng dòng điện và điện áp xác lập được khai triển Fourier có dạng:
∞

∞

f(t) = ∑ fh (t) = ∑ √2. Fh . sin⁡(h. ω0 t + θh )
h=1

(1.5)

h=1

Trong đó
Fh: Trị số hiệu dụng của dòng điện hay điện áp của sóng hài bậc h.
θh : Góc pha của dòng điện và điện áp của sóng hài bậc h.
ω0 : Tần số góc cơ bản, ω0 = 2π. f0
f0: Tần số cơ bản (50Hz hoặc 60Hz)
-

Giá trị hiệu dụng:
∞

Frms = √∑ Fh2

(1.6)

h=1

-

Tổng biến dạng sóng hài (điện áp và dòng điện)
2
√∑∞
h>1 Fh

THD =

(1.7)

F1

(1.6) có thể viết lại
Frms = F1 . √1 + THD2

(1.8)

Tiêu chuẩn về sóng hài thay đổi khác nhau tùy theo các quốc gia. Một số tiêu chuẩn
thường được trình bày trong bảng 1.2 và tham khảo như sau [2, 7, 31]


15

Bảng 1.2. Tiêu chuẩn EN50610: Giới hạn Uh tại điểm cấp điện

Bậc khác 3n

Bậc 3n

Hài bậc chẳn

Bậc h

Uh (%)

Bậc h

Uh (%)

Bậc h

Uh (%)

5
7
11
13
17
19
23
25

6
5
3,5
3
2

1,5
1,5
1,5

3
9
15
21

5
1,5
0,5
0,5

2
4
6-24

2
1
0,5

Bảng 1.3. Yêu cầu về biến dạng sóng điện áp

Lưới điện

Biến dạng riêng lẻ

THD

Theo tiêu chuẩn IEEE-519:1992
< 69kV

3%

5%

69-161

1,5 %

2,5 %

>161

1%

1,5 %

Theo thông tư số 39/2015/TT-BCT
110 kV

3,0 %

1,5 %

Lưới phân phối

6,5 %

3,0 %

e. Các biện pháp hạn chế sóng hài
Các giải pháp giảm biến dạng sóng sẽ làm giảm mức sóng hài dòng điện và điện áp
trên lưới điện. Các giải pháp này tác động đến các giai đoạn gồm hình thành sóng hài, lan
truyền sóng hài và tại các phụ tải nhạy cảm với sóng hài. Tuy nhiên, nhìn từ quan điểm của
bên cấp điện, các giải pháp đối với khâu hình thành và lan truyền sóng hài sẽ có tác dụng
chính để giảm TTĐN trên lưới điện, tránh quá tải các thiết bị tải điện.
Các giải pháp giảm phát sinh sóng hài: Sóng hài dòng điện sinh ra từ phụ tải phi tuyến
trên HTĐ như các quá trình hồ quang (lò hồ quang, hàn điện), từ các thiết bị nghịch lưu
(converter) sử dụng các linh kiện điện tử công suất. Các giải pháp đối với các phụ tải phi
tuyến phải tác động vào công nghệ chế tạo thiết bị và thường chi phí rất cao hoặc khó thực
hiện. Một số giải pháp cụ thể bao gồm:
-

Sử dụng điện kháng trong các mạch vào ra của converter để hạn chế sóng hài. Trị
số điện cảm càng lớn thì THD càng giảm.
Ghép các mạch nghịch lưu nối tiếp hoặc song song để tạo thành bộ nghịch lưu
tương đương với số xung tăng. Mối quan hệ giữa bậc và biên độ của sóng hài sinh
ra bởi bộ nghịch lưu với số tầng p là n=6p±1 (với p: số tầng 6 xung ghép lại) và
I(n)=1/n. Nếu số tầng 6 xung ghép càng nhiều (p lớn) thì bậc sóng hài n càng lớn
và biên độ càng nhỏ. Bảng 1.4 minh họa sóng hài sinh ra bởi các biến tần 6p xung.


16
Bảng 1.4. Bậc và biên độ sóng hài sinh ra bởi ghép các converter 6 xung

Bậc sóng hài

Biên độ sóng hài tương đối so với bậc cơ bản

6 xung

12 xung

18 xung

24 xung

5

0,2

7

0,143

11

0,091

0,091

13

0,077

0,077

17

0,059

0,059

19

0,053

0,053

23

0,043

0,043

0,043

25

0,04

0,04

0,04

Các giải pháp ngăn chặn sóng hài lan truyền: Nếu không thể giảm được lượng sóng
hài sinh ra từ các nguồn sóng hài thì có thể áp dụng các giải pháp ngăn chặn sóng hài lan
truyền từ ngay nơi phát sinh. Các giải pháp chính bao gồm:
-

-

-

-

Dùng MBA có tổ đấu dây với góc dịch pha hợp lý hoặc MBA có tổ đấu dây zigzag: Khi đó các sóng hài điện áp bậc khác nhau của các cuộn thứ cấp sẽ có thể cảm
ứng lên cuộn sơ cấp các sức điện động sóng hài bậc tương ứng ngược pha và khử
nhau.
Sử dụng các thiết bị lọc sóng hài đặt trực tiếp tại mạch kết nối giữa lưới điện và
các nguồn sinh sóng hài. Thiết bị lọc sóng hài được phân làm hai loại là bộ lọc thụ
động và bộ lọc chủ động (hay là lọc tích cực).
Bộ lọc thụ động: Kết cấu đơn giản chỉ gồm một mạch cộng hưởng nối tiếp điện
dung và điện cảm. Tổng trở mạch lọc sẽ rất nhỏ ứng với tần số sóng hài được lọc
h (khi XL(h)=XC(h)). Có thể ghép song song nhiều mạch lọc thụ động để lọc trực
tiếp các thành phần sóng hài có biên độ lớn sinh ra bởi nguồn sóng hài.
Bộ lọc tích cực: cũng là các thiết bị CPD. Thiết bị sẽ bù biến dạng sóng bằng cách
chủ động lọc các thành phần sóng hài xuất hiện từ phía phụ tải phi tuyến.

f. Tóm lược
Sóng hài do các phụ tải phi tuyến sinh ra trên lưới điện. Có nhiều tác động xấu của
sóng hài đối với lưới điện và phụ tải. Quy định về mức sóng hài đã được nêu trong các tiêu
chuẩn cả tại Việt Nam và quốc tế với tham số đánh giá chính xác biên độ từng bậc sóng hài
và tổng biến dạng sóng hài. Đối với bên cấp điện thì một trong những vấn đề sóng hài gây
ra cho lưới điện là tăng tổn thất điện năng trên lưới điện. Các biện pháp hạn chế sóng hài
trên lưới điện cũng chính là các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới điện. Chương 3
luận án sẽ phân tích chi tiết bài toán này.