Nghiên cứu, thiết kế thiết bị bù hạ thế ổn định điện áp lưới điện (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN HUY KHƯƠNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ BÙ HẠ THẾ
ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP LƯỚI ĐIỆN
Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã ngành: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN DUY CƯƠNG

Thái Nguyên - 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân
tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp từ nhiều nguồn tài
liệu tham khảo khác nhau. Qua số liệu thu thập thực tế, tổng hợp tại Công ty Điện
lực Bắc Kạn - nơi tôi làm việc, không sao chép bất kỳ luận văn nào trước đó và
dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Duy Cương - giảng viên trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên.
Các số liệu và những kết quả trong luận văn là trung thực, các đánh giá,
kiến nghị đưa ra xuất phát từ thực tiễn và kinh nghiệm làm việc trong Công ty
Điện lực Bắc Kạn; kết quả nghiên cứu này chưa từng được công bố dưới bất

cứ hình thức nào trước khi trình, bảo vệ và công nhận bởi “Hội Đồng đánh giá
luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật”.
Một lần nữa, tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên./.
Tác giả luận văn

Nguyễn Huy Khương

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian học tập, nghiên cứu chương trình cao học kỹ thuật điện
của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, đã giúp tác giả nhận thức sâu sắc về
cách thức nghiên cứu, phương pháp tiếp cận các đối tượng nghiên cứu và lựa
chọn đề tài luận văn tốt nghiệp cao học; đồng thời góp phần nâng cao kiến thức
chuyên môn vững vàng, nâng cao năng lực thực hành, khả năng thích ứng cao
trước sự phát triển của khoa học, kĩ thuật và kinh tế; có khả năng phát hiện, giải
quyết độc lập những vấn đề thuộc chuyên ngành được đào tạo và phục vụ cho
công tác được tốt hơn. Việc thực hiện nhiều bài tập nhóm trong thời gian học
đã giúp tác giả sớm tiếp cận được cách làm, phương pháp nghiên cứu, tạo tiền
đề cho việc độc lập trong nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
PGS.TS. Nguyễn Duy Cương đã giúp đỡ, hướng dẫn hết sức chu đáo,
nhiệt tình trong quá trình thực hiện để tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này;
Các CBCNV trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận
lợi cho tác giả trong quá trình tiến hành thực nghiệm đề tài và bảo vệ luận văn thạc
sĩ;
Các đồng chí lãnh đạo và tập thể cán bộ công nhân viên của Công ty

Điện lực Bắc Kạn đã giúp đỡ tác giả thực hiện việc nghiên cứu, thu thập các số
liệu để tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này; các đồng nghiệp là những người
đã hoàn thành chương trình cao học, đã dành thời gian đọc, đóng góp, chỉnh
sửa cho luận văn thạc sĩ này hoàn thiện tốt hơn;
Gia đình, bạn bè của tác giả đã giúp đỡ, tạo điều kiện về thời gian, động
viên tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này;
Tác giả mong muốn tiếp tục nhận được sự chia sẻ, hỗ trợ và tạo điều kiện
của Hội đồng Chấm luận văn thạc sĩ, để bản luận văn này hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cám ơn.
Bắc Kạn, ngày 15 tháng 04 năm 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................ii
MỤC LỤC ................................................................................................. iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG.........................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH .........................................................................vii
MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1
- Mục tiêu chung ......................................................................................... 2
- Mục tiêu cụ thể.......................................................................................... 2
- Ý nghĩa khoa học ...................................................................................... 2
- Ý nghĩa thực tiễn....................................................................................... 3
- Nghiên cứu lý thuyết................................................................................. 3
- Nghiên cứu thực tiễn ................................................................................. 3

CHƯƠNG 1: HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN TỈNH BẮC KẠN CÁC
TỒN TẠI TRONG VẬN HÀNH.............................................................. 5
1.1. Nguồn điện cấp điện cho tỉnh Bắc Kạn................................................ 5
Các nguồn thủy điện vừa và nhỏ ....................................................... 5
1.1.2. Nguồn trạm 110kV............................................................................ 5
1.2. Lưới điện .............................................................................................. 6
1.2.1. Thống kê lưới điện hiện trạng ........................................................... 6
1.2.2. Tình hình vận hành hệ thống lưới phân phối .................................... 9
1.2.3. Tình hình vận hành lưới phân phối lộ 371, trạm E26.1 .................. 10
1.3. Một số tồn tại và các phương pháp nâng cao chất lượng điện năng cho
lưới phân phối lộ 371, trạm E26.1 đã thực hiện........................................ 11
1.3.1. Các tồn tại trong việc nâng cao chất lượng điện năng .................... 11
1.3.2. Các phương pháp bù công suất phản kháng nâng cao hệ số công suất
đã thực hiện ............................................................................................... 11
Kết luận chương 1 ..................................................................................... 16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG
NGHIÊN CỨU ......................................................................................... 17
2.1. Công suất & hệ số công suất .............................................................. 17
2.1.1. Giới thiệu về các loại công suất ...................................................... 17
2.1.2. Hệ số công suất ............................................................................... 18
2.1.3. Ý nghĩa của hệ số công suất ............................................................ 18
2.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số công suất....................................... 19
2.1.5. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất ..................................... 20
2.1.6. Giảm tổn thất công suất trong mạng điện ....................................... 21
2.1.7. Giảm tổn thất điện áp trong mạng điện ........................................... 21

2.1.8. Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp............... 21
2.1.9. Hệ thống bù công suất phản kháng ................................................. 22
2.1.10. Bù CSPK sử dụng cấu trúc FC-TCR ............................................ 22
2.1.11. Vị trí đặt thiết bị bù ....................................................................... 24
2.1.12. Xác định dung lượng bù ................................................................ 25
Kết luận chương 2 ..................................................................................... 28
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÙ CSPK....... 29
3.1. Hệ thống bù CSPK FC-TCR .............................................................. 29
3.1.1. Sơ đồ tổng quan............................................................................... 29
3.1.2. Tính toán giá trị tụ bù cố định FC ................................................... 32
3.1.3. Tính toán giá trị điện cảm (L) tại nhánh TCR ................................ 33
3.1.4. Mối liên hệ giữa điện cảm (L) ở nhánh TCR, góc kích mở thyristor
(α), và việc bù CSPK................................................................................. 34
3.2. Hệ thống điều khiển ................................................................................. 34
3.2.1. Bộ tạo xung điều khiển Thyristor ................................................... 35
3.2.2. Bộ điều khiển phản hồi 𝐜𝐨𝐬𝝋 (Khối TH-KĐTG)........................... 39
Kết luận chương 3 ..................................................................................... 56
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 56
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ĐB

:

Đồng bộ

CSPK

:

Công suất phản kháng

CSTT

:

Công suất tiêu thụ

CS

:

Công suất

DVC

:

Dynamic Var Compensation

DSVC

:

Dynamic – Static Var compensation

SSSC

:

Static Synchronous Series Controllers

SVC:

:

Static Var Compensation

TSC:

:

Thyristor Switched Capacitor

FC:

:

Fixed Capacitor

TCR:

:

Thyristor controller Reactor

STATCOM:

:

Static Synchronous Compensator

KĐB

:

Không đồng bộ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Công suất các NMTĐ hiện có tỉnh Bắc Kạn .................................... 5
Bảng 1.2. Hiện trạng mang tải trạm biến áp 110kV trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn........ 6
Bảng 1.3. Thống kê khối lượng lưới hiện có trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn .......... 7
Bảng 1.4. Mang tải các tuyến đường dây trung áp ........................................... 9
Bảng 1.5. Tổng hợp khối lượng vận hành đường dây trung áp lộ 371, E26.1 10
Bảng 3.1. Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất ...... 44
Bảng 3.2. Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 ........... 45

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Bộ bù tĩnh sử dụng các tụ điện mắc song song với nhau và các
bộ đóng ngắt contactor, rơ le ................................................... 15
Hình 2.1. Tam giác công suất.................................................................... 17
Hình 2.2. Cấu trúc FC-TCR ...................................................................... 23
Hình 2.3. Sơ đồ mạng lưới bù CSPK ........................................................ 25
Hình 2.4. Dung lượng bù CSPK ............................................................... 25
Hình 2.5. Sơ đồ bù CSPK ......................................................................... 27
Hình 2.6. Xác định dung lượng bù ............................................................ 27
Hình 3.1. Hệ thống bù CSPK FC-TCR ..................................................... 29
Hình 3.2. Sơ đồ mạch FC-TCR ................................................................. 30
Hình 3.3. Sơ đồ tương đương khi lưới và tải mang tính chất dung .......... 31
Hình 3.4. Sơ đồ tương đương khi lưới và tải mang tính chất cảm............ 32
Hình 3.5. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển pha đứng .......................... 36
Hình 3.6. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển phản hồi cosφ ............................ 39
Hình 3.7. Đáp ứng của hệ thống khi thay đổi hệ số Kp ............................ 40
Hình 3.8. Đáp ứng của hệ thống khi thay đổi hệ số Ki ............................. 41
Hình 3.9. Đáp ứng của hệ thống khi thay đổi hệ số Kd ........................... 43
Hình 3.10. Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S ........................................... 44
Hình 3.11. Xác định hằng số khuếch đại tới hạn ...................................... 45
Hình 3.12. Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth ........................................ 45
Hình 3.13. Mắc song song các Thyristor để phân dòng............................ 47
Hình 3.14. Sử dụng BAX cho mạch khuếch đại và truyền xung .............. 48
Hình 3.15. Sơ đồ mô phỏng hệ thống bù công suất phản kháng .............. 48
Hình 3.16. Đường dây tải điện .................................................................. 49

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Hình 3.17. Điện áp đầu nguồn và điện áp cuối nguồn khi chưa tải hoặc non
tải. ............................................................................................ 50
Hình 3.18. Điện áp đầu nguồn và điện áp cuối nguồn khi có tải. ............. 51
Hình 3.19. Điện áp đầu nguồn và điện áp cuối nguồn có tụ bù ................ 51
Hình 3.20. Điện áp đầu nguồn và điện áp cuối nguồn có cả tụ bù và kháng
bù. ............................................................................................ 52
Hình 3.21. Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển Thyristor xây dựng trên
Simulink ................................................................................... 52
Hình 3.22. Điện áp răng cưa, điện áp điều khiển, và điện áp sau khối so
sánh .......................................................................................... 53
Hình 3.23. Phân chia xung ........................................................................ 54
Hình 3.24. Xây dựng bộ điều khiển PID điều khiển hệ số Cos Phi trên
Matlab/Simulink ...................................................................... 54
Hình 3.25. Đo công suất tác dụng và công suất phản kháng. ................... 55
Hình 3.26. Hệ số cos phi. .......................................................................... 56

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỞ ĐẦU
Lý do thực hiện đề tài
Sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng được xác định là nhiệm vụ
trọng yếu có vai trò cực kỳ quan trọng đảm bảo an ninh năng lượng, thúc đẩy
phát triển tăng trường kinh tế. Hiện tại Công ty Điện lực Bắc Kạn đang quản lý

vận hành 1.766,37 km đường dây trung thế và 1.063 TBA phân phối. Là tỉnh
miền núi phụ tải thường không tập trung xuất tuyến các đường dây trung thế
sau trạm 110kV dài (có đường dây trục chính lên đến 180km không kể các
nhánh rẽ), việc đầu tư các trạm 110kV đến gần trung tâm phụ tải là rất tốn kém.
Do đường dây truyền tải dài dẫn đến phát sinh lượng công suất phản kháng Q
gọi là công suất vô công gây ra. Khi thành phần công suất vô công lớn làm cho
công suất toàn phần tăng, dẫn đến dòng điện trên đường dây truyền tải tăng,
làm tăng tổn hao năng lượng trên đường dây. Mặc dù thành phần công suất vô
công gây ra tổn thất điện năng không đáng có thành nhiệt trên dây dẫn và phụ
tải trong truyền tải và tiêu thụ, nhưng nó là thành phần cần thiết trong quá trình
biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác. Tuy nhiên, thành phần
công suất vô công mà nguồn cấp cho tải có thể điều chỉnh bằng cách thêm hoặc
bớt các thành phần cảm kháng hoặc dung kháng khác trong lưới trung thế hoặc
nơi tiêu thụ.
Như chúng ta đã biết Công suất truyền từ nguồn đến tải luôn tồn tại 2
thành phần: Công suất tác dụng và công suất phản kháng. Công suất tác dụng
đặc trưng cho khả năng sinh ra công hữu ích của thiết bị, đơn vị W hoặc kW.
Công suất phản kháng không sinh ra công hữu ích nhưng nó lại cần thiết cho
quá trình biến đổi năng lượng, đơn vị VAR hoặc kVAR. Công suất tổng hợp
cho 2 loại công suất trên được gọi là công suất biểu kiến, đơn vị VA hoặc KVA.
Tỷ lệ giữa Công suất tác dụng và Công suất biểu kiến gọi là Hệ số Công suất
Cos phi (Cosφ). Chúng ta cần nâng cao hệ số Cos phi này nhằm giảm tổn hao
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




công suất, tổn thất điện áp trên đường truyền. Việc nâng cao hệ số Cos phi
thường được thực hiện bù ngang và bù dọc với các phương pháp bù tĩnh (bù
trực tiếp, thường dùng bù trước 1 phần công suất phản kháng mà không xảy ra

dư công suất phản kháng) hoặc bù ứng động (tự động điều chỉnh hệ số công
suất phản kháng).
Đối với một đường dây truyền tải có chiều dài lớn (khoảng 100 km) khi
nặng tải tổn thất trên đường dây tăng, điện áp cuối đường dây giảm. Tuy nhiên
khi non tải do tồn tại điện dung ký sinh điện áp cuối đường dây tăng đáng kể.
Để khắc phục tình trạng nêu trên Công ty Điện lực Bắc Kạn đang đầu tư
lắp đặt thử nghiệm MBA tăng áp ở gần cuối đường dây trung thế để điều chỉnh
ổn định điện áp. Tuy nhiện việc đầu tư trên chỉ mới đem lại việc ổn định điện
áp, còn lại các thành phần công suất vô công chưa được xử lý, mặt khác việc
đầu tư MBA tăng áp rất tốn kém về kinh phí đầu, diện tích sử dụng đất cho việc
lắp đặt thiết bị và sẽ tăng một lượng tổn thất do bản thân thiết bị gây ra…
Xuất phát từ những lý do trên tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị
bù hạ thế ổn định điện áp lưới điện” để làm vấn đề nghiên cứu cho mình.
Mục tiêu nghiên cứu
- Mục tiêu chung
Đề tài này đặt mục tiêu chính là nâng cao hệ số công suất, giảm tổn thất,
ổn định điện áp làm việc cho lưới điện.
- Mục tiêu cụ thể
Thiết kế hệ thống bù công suất phản kháng với cấu trúc kết hợp giữa bù
có cấp và vô cấp cho một tuyến đường dây hạ thế tại tỉnh Bắc Kạn;
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học
Vận dụng kiến thức cơ bản, cơ sở, chuyên môn để đề xuất các giải pháp
bù công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất, giảm tổn thất, ổn định
điện áp lưới truyền tải điện năng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

- Ý nghĩa thực tiễn
Phân tích đánh giá các giải pháp kỹ thuật để xây dựng các hệ thống điều
chỉnh công suất phản kháng trên lưới điện trung thế tỉnh Bắc Kạn và định hướng
phát triển xây dựng cho lưới điện toàn Tập đoàn Điện lực Việt Nam trong
những năm tiếp theo.
Dự kiến các kết quả đạt được
Hệ thống bù công suất phản kháng với cấu trúc bù có cấp; hệ thống bù
công suất phản kháng với cấu trúc kết hợp giữa bù có cấp và vô cấp; thuyết
minh nguyên lý hoạt động của các hệ thống đề xuất; tính toán các tham số cơ
bản của hệ thống bù ứng với một đối tượng cụ thể; mô hình hóa hệ thống, mô
phỏng, hiệu chỉnh, đánh giá chất lượng; so sánh kinh tế, kỹ thuật giữa phương
án truyền thống và phương án đề xuất.
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết
Sử dụng các kiến thức cơ bản, cơ sở, chuyên ngành cho các phân tích, thiết
kế, tính toán.
Kết quả thiết kế, tính toán được kiểm chứng, đánh giá qua mô phỏng sử
dụng phần mềm chuyên dụng hiện đại.
Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu được công
bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, sách tham khảo, tài liệu hướng dẫn.
- Nghiên cứu thực tiễn
Nghiên cứu phương pháp bù công suất phản kháng nâng cao hệ số công
suất mới cho lưới điện truyền tải bằng cách bù điện kháng hoặc bù điện dung
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Lưới điện 35kV do Công ty Điện lực Bắc Kạn đang quản lý. (đường dây
35kV, lộ 371, E26.1)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Cấu trúc của luận văn
Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị bù hạ thế ổn định điện áp lưới
điện”.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Hiện trạng lưới điện tỉnh Bắc Kạn các tồn tại trong vận hành
Chương 2: Cơ sở lý thuyết liên quan đến nội dung nghiên cứu.
Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống bù CSPK

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




CHƯƠNG 1: HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN TỈNH BẮC KẠN CÁC TỒN
TẠI TRONG VẬN HÀNH

1.1.

Nguồn điện cấp điện cho tỉnh Bắc Kạn
Các nguồn thủy điện vừa và nhỏ
Hiện tại trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn có 3 nhà máy thủy điện đang vận hành

đấu nối ở cấp điện áp 35kV gồm: NMTĐ Tà Làng (huyện Ba Bể), NMTĐ
Thượng Ân (huyện Ngân Sơn) và NMTĐ Nậm Cắt (huyện Bạch Thông). Các
nhà máy thủy điện có tổng công suất 10,1 MW, cụ thể công suất các NMTĐ
được thống kê trong bảng 1.1.
Bảng 1.1 Công suất các NMTĐ hiện có tỉnh Bắc Kạn
Địa điểm

STT Tên NMTĐ

Xã

Huyện

P(MW)

1

Tà Làng

Đồng Phúc

Ba Bể

4,5

2

Thượng Ân

Thượng Ân

Ngân Sơn

2,4

3

Nậm Cắt

Đôn Phong

Bạch Thông

3,2

Tổng

10,1
(Nguồn: Công ty Điện lực Bắc Kạn 2018)

1.1.2 Nguồn trạm 110kV
Lưới trung áp tỉnh Bắc K�ng nghệ thông tin – ĐHTN




Khâu tích phân: giá trị của khâu tích phân tỉ lệ thuận với cả biên độ sai
số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích
phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích phân sai số
sau đó được nhân với hệ số tích phân 𝐾𝑖 và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều
khiển. Thừa số tích phân được cho bởi:
𝑡

𝐼𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑖 . ∫ 𝑒(𝜏) 𝑑𝜏,
0

với 𝐼𝑜𝑢𝑡 : thành phần tích phân của đầu ra
𝐾𝑖 : hằng số tích phân.
𝜏: biến tích phân trung gian
Khâu tích phân khi cộng thêm khâu tỉ lệ sẽ tăng đáp ứng của quá trình
tới giá trị đặt và khử số dư sai số trạng thái ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc
vào bộ điều khiển. Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy
trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt. Đáp ứng
của hệ thống đối với hàm bước nhảy khi thay đổi hệ số 𝐾𝑖 được minh họa như
trong hình 3.8.

Hình 3.8 Đáp ứng của hệ thống khi thay đổi hệ số 𝐾𝑖
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Khâu vi phân: Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính toán bằng cách
xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian)
và nhân tốc độ này với hệ số vi phân 𝐾𝑑 . Thừa số vi phân được cho bởi:
𝐷𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑑 .

𝑑
𝑒(𝑡)
𝑑𝑡

với 𝐷𝑜𝑢𝑡 : thành phần vi phân của đầu ra.
𝐾𝑑 : hằng số vi phân.
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc
tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều
khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành

phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên,
phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy
hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định
nếu nhiễu và hệ số vi phân đủ lớn. Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng
thông giới hạn thường được sử dụng hơn. Chẳng hạn như mạch bù sớm pha.
Đáp ứng của hệ thống đối với hàm bước nhảy khi thay đổi hệ số 𝐾𝑑 được minh
họa như trong hình 3.9.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 3.9 Đáp ứng của hệ thống khi thay đổi hệ số 𝐾𝑑
Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra
của bộ điều khiển PID. Định nghĩa rằng 𝑢(𝑡) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu
thức cuối cùng của giải thuật PID là:
𝑢(𝑡) = 𝑀𝑉(𝑡) = 𝑃𝑜𝑢𝑡 + 𝐼𝑜𝑢𝑡 + 𝐷𝑜𝑢𝑡
𝑡

= 𝐾𝑝 . 𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖 . ∫ 𝑒(𝜏) 𝑑𝜏 + 𝐾𝑑 .
0

𝑑
𝑒(𝑡)
𝑑𝑡

Để xác định thông số bộ điều khiển, phương pháp thực nghiệm ZieglerNichols có thể được sử dụng, dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển.
Tùy theo đặc điểm của từng đối tượng, Ziegler và Nichols đưa ra hai phương
pháp lựa chọn tham số của bộ điều khiển:

- Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất: Phương pháp này áp dụng cho các
đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S (Hình 3.10)
như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ...

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 3.10 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S
Dựa vào giá trị của 𝑇1 và 𝑇2 được xác định như trong hình 3.10, thông
số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:
Bảng 3.1 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất
Thông số

kp

TI

TD

P

T2/(k.T1)

-

-

PI

0,9T2/(k.T1)

T1/0,3

-

PID

1,2T2/(k.T1)

2T1

0,5T1

BĐK

- Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai: Phương pháp này áp dụng cho đối
tượng có khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ
truyền động dùng động cơ… Đáp ứng quá độ của hệ hở của đối tượng tăng đến
vô cùng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 3.11 Xác định hằng số khuếch đại tới hạn
Phương pháp này được thực hiện như sau:
- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại (hình 3.11).

- Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín ở chế độ biên giới

ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa.
- Xác định chu kỳ Tth của dao động.

Hình 3.12 Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth
Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:
Bảng 3. 2 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2
Thông số

kp

TI

TD

0,5kth

-

-

BĐK
P

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

PI

0,45kth

0,85Tth

-

PID

0,6kth

0,5Tth

0,125Tth

Trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp thử và sai để tìm các
giá trị của bộ điều khiển PID. Khi chúng ta hiểu rõ về các tham số PID, phương
pháp thử và lỗi trở nên tương đối đơn giản và dễ dàng. Các bước tiến hành như
sau:
- Đặt các số hạng tích phân và đạo hàm về 0 trước rồi tăng hệ số 𝐾𝑝 cho
đến khi đầu ra của vòng điều khiển dao động với tốc độ không đổi. Sự gia tăng
𝐾𝑝 này phải sao cho đáp ứng hệ thống trở nên nhanh hơn với điều kiện là nó
không làm cho hệ thống không ổn định.
- Khi đáp ứng P đủ nhanh, tiến hành hiệu chỉnh thành phần tích phân sao
cho dao động sẽ giảm dần. Thay đổi giá trị I này cho đến khi sai lệch trạng thái
ổn định giảm, nhưng không bị vượt lố.
- Khi các tham số P và I đã được đặt với giá trị mong muốn mà sai lệch
trạng thái ổn định là tối thiểu, ta tiến hành tăng hệ số đạo hàm cho đến khi hệ
thống đạt nhanh tới điểm đặt. Việc tăng thành phần đạo hàm làm giảm độ vọt

lố đáp ứng của bộ điều khiển.
- Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cos phi được chỉ ra trong hình
3.26, với Kp = 7; Ki = 150; Kd=0. Từ kết quả ta thấy, hệ số cos phi đạt được
giá trị cos phi đặt mong muốn là 0.9, với thời gian xác lập khoảng 0.2s, sai lệch
trạng thái ổn định rất nhỏ gần như bằng 0. Như vậy, bộ điều khiển PID đã thiết
kế đạt yêu cầu
3.3 Mắc song song các Thyristor
Đối với bù hạ thế, thiết bị bù được đặt sau cuộn thứ cấp của máy biến áp
như trong hình 3.1. Khi đó, ưu điểm của bộ bù hạ thế so với bù trung thế là điện
áp nhỏ. Tuy nhiên, dòng điện chạy qua Thyristor là rất lớn. Do đó, ta cần sử
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




dụng các Thyristor có công suất lớn và mắc song song chúng với nhau, như
trong hình 3.13. Khi đó, dòng điện sẽ được phân bố đều trên các nhánh khi các
Thyristor được kích mở đồng thời. Trong mỗi nhánh, sử dụng các điện trở công
suất được mắc song song với Thyristor để phân điện áp đặt trên các Thyristor.
Mạch RC cũng được mắc song song với Thyristor để bảo vệ biến thiên điện áp.

Hình 313 Mắc song song các Thyristor để phân dòng
Khi mắc song song các Thyristor như trên, yêu cầu được đặt ra là làm
thế nào để kích mở đồng thời các Thyristor. Vấn đề này có thể được giải quyết
bằng cách sử dụng các biến áp xung mắc song song với trong mạch tạo xung
điều khiển. Các biến áp xung này có cùng dạng xung cấp tới cuộn sơ cấp, trong
khi đó xung được phát ra ở các cuộn thứ cấp sẽ được gửi tới các Thyristor tương
ứng. Sơ đồ mạch sử dụng biến áp xung để gửi tới từng Thyristor được chỉ ra
trong hình 3.14.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 3.14 Sử dụng BAX cho mạch khuếch đại và truyền xung
3.4 Kế quả mô phỏng
Trong chương này, Matlab/Simulink được sử dụng để mô phỏng hệ
thống bù cos 𝜑 ổn định điện áp như đã thiết kế, được chỉ trong hình 3.15.

Hình 3.15 Sơ đồ mô phỏng hệ thống bù công suất phản kháng
Hệ thống gốm có nguồn điện đầu vào 35KV (Source), đường dây tải điện
(Line), tải (Load), về thiết bị bù gồm có tụ điện bù với dung lượng cố định (C), cảm
bù (L) với lượng cảm kháng có thể điều khiển bởi bộ cầu Thyristor.
Sơ đồ đưởng dây tải điện tỉnh Bắc Kạn được xây dựng như trong hình
5.2. Đường dây tải điện được chia làm 4 đoạn với điện trở dây 𝑅𝑖, điện kháng
dây 𝐿𝑖, và điện dung đường dây 𝐶𝑖, với 𝑖 = 1,2,3,4. Giá trị của các tham số
được cho như trong bảng 3.1.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 3.16 Đường dây tải điện
Bảng 3.3 Giá trị tham số trên đường dây tải điện

Khi chưa có tải hoặc non tải (vào giờ thấp điểm), điện áp tại cuối nguồn
vượt cao hơn so với điện áp đầu nguồn, như trong hình 3.17. Hiện tượng này
sinh ra là do tính chất dung ký sinh trên đường dây do đường dây dài sinh ra.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 3.17 Điện áp đầu nguồn và điện áp cuối nguồn khi chưa tải
hoặc non tải.
Khi có tải, đặc biệt là vào giờ cao điểm, điện áp cuối nguồn bị sụt thấp
hơn điện áp đầu nguồn, như trong hình 3.18:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 3.18 Điện áp đầu nguồn và điện áp cuối nguồn khi có tải.
Tụ bù C với dung lượng cố định được đưa vào để bù cos 𝜑 đồng thời
nâng cao chất lượng điện áp. Dạng điện áp như trong hình 5.5. Kết quả cho
thấy xảy ra hiện tượng quá bù, điện áp cuối nguồn lại cao hơn điện áp đầu
nguồn, giống như trường hợp không tải hoặc non tải.

Hình 3.19 Điện áp đầu nguồn và điện áp cuối nguồn có tụ bù
Khi không tải hoặc non tải, cũng như khi xảy ra hiện tượng quá bù. Điện
kháng L sẽ được đưa vào. Lượng điện kháng đưa vào để bù được điều khiển
bằng cách điều khiển dòng điện chạy qua cuộn kháng, nghĩa là sử dụng bộ cầu
Thyristor có điều khiển, như đã trình bày trong phần 3.2.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN