Hiệu quả của thiết bị Facts đối với hiện tượng sụp đổ điện áp

NGUYỄN HẢI ĐÔNG

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

NGUYỄN HẢI ĐÔNG

MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

ĐỀ TÀI: HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ FACTS
ĐỐI VỚI HIỆN TƯỢNG SỤP ĐỔ ĐIỆN ÁP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

2007-2009
Hà nội
2009

HÀ NỘI 2009


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

NGUYỄN HẢI ĐÔNG

HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ FACTS
ĐỐI VỚI HIỆN TƯỢNG SỤP ĐỔ ĐIỆN ÁP

CHUYÊN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRƯƠNG NGỌC MINH

HÀ NỘI - 2009


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tơi. Các kết quả tính tốn nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một bản
luận văn nào khác.
Hà Nội, tháng 10 năm 2009
Tác giả luận văn

Nguyễn Hải Đông


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo bộ môn Hệ thống
điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết
ơn sâu sắc đối với thầy giáo TS Trương Ngọc Minh, thầy đã tận tình hướng
dẫn giúp tác giả xây dựng và hoàn thành bản luận văn này. Nếu khơng có sự
giúp đỡ của thầy, bản luận văn rất khó hồn thành.
Đồng thời tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới các anh chị, bạn bè đồng
nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả thực hiện luận văn.
Vì thời gian có hạn, bản luận văn không thể tránh khỏi các thiếu sót, tác
giả rất mong nhận được góp ý của các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn!

ix

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CĐXL

: Chế độ xác lập

CSPK

: Công suất phản kháng

CSTD

: Công suất tác dụng

FACTS

: Flexible AC Transmission System-Hệ thống
truyền tải điện linh hoạt

MBA

: Máy biến áp

ÔĐĐA

: Ổn định điện áp

SĐĐA

: Sụp đổ điện áp

SVC

: Static var Compensator - Tụ bù tĩnh

TCSC

: Thyristor Controlled Series Capacitor-Tụ bù dọc
điều khiển bằng thyristor.

TCR

: Thyristor Controlled Reactor-Kháng điện điều
khiển bằng thyristor

TSC

: Thyristor Switched Capacitor-Tụ điện đóng mở
bằng thyistor

TSR

: Thyristor Switched Reactor – Kháng điện đóng
mở bằng thyristor

Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp

10

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt :
[1] Lã Văn Út, Phân tích và điều khiển ổn định hệ thống điện, Nhà
xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2001.
[2] Lã Văn Út, Tính tốn phân tích các chế độ của hệ thống điện, Hà
Nội, 2000.
[3] Trần Bách, Ổn định của hệ thống điện,Trường Đại Học Bách Khoa
Hà Nội, 2001.
[4] Nguyễn Văn Đạm, Tính tốn chế độ xác lập của các mạng và hệ
thống điện phức tạp, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2001.
Tiếng Anh :
[5] C.W. Taylor, Power System Voltage Stability, McGraw-Hill, 1993.
[6] P. Kundur, Power System Stability and Control, McGraw-Hill, New
York, 1993.
[7]

I.A. Hiskens, Power Flow Analysis, University of Wisconsin-

Madison, USA, 2003.
[8]

Laszlo Gyugyi & Narain G.Hurgorani, Understanding FACTS,

IEEE, London, 1999.
[9] FACTS Modelling and Simulation in Power NetWorks, John Wiley
& Sons, Ltd.
[10] Thyristor-Based FACTS Controllers for Electrical Transmission

Systems, John Wiley & Sons, 2002.
[11] Zeno.T. Faur, Effects of FACTS devices on Static Voltage Collapse
Phenomena, University of Waterloo, Canada, 1996.
[12] V. Ajjarapu, C. Christy, "The Continuation Power Flow: A Tool
for Steady State Voltage Stability Analysis", IEEE PICA Conference
Procedings, May 1991, pp. 304-311.
Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


11
[13] T. Van Cutsem, Voltage Stability Assessment : Concepts, Practices
and Tools, IEEE Special Publication, SP101PSS, 2002.
[14] Antonio Carlos Zambroni de Souza, New Techniques to Efficiently
Determine Proximity to Static Voltage Collapse, University of
Waterloo, Canada, 1996.
[15] Venkataramana Ajjarapu, Computational Techniques for Voltage
Stability Assessment and Control, Springer Verlag Publishing, 2006.

Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................... i
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU ........................................ iv
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... vii
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................... viii
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ............................... 1
1.1 Giới thiệu chung .................................................................................. 1

1.1.1 Ổn định điện áp ............................................................................. 1
1.1.2 Phân chia ổn định điện áp ............................................................ 2
1.2 Hậu quả của mất ổn định điện áp...................................................... 2
1.3 Nguyên nhân gây ra mất ổn định điện áp ......................................... 5
1.4 Các biện pháp nâng cao ổn định điện áp .......................................... 6
1.5 Quan hệ giữa công suất truyền tải và sụp đổ điện áp ...................... 7
1.6 Nhận xét ............................................................................................. 11
CHƯƠNG 2 :LÝ THUYẾT GIAO NHAU ĐIỂM YÊN NGỰA .............. 12
2.1 Giới thiệu chung ................................................................................ 12
2.2 Lý thuyết giao nhau tại điểm yên ngựa ........................................... 12
2.2.1 Mô hình tốn học ........................................................................ 12
2.2.2 Các tính chất của hiện tượng giao nhau điểm yên ngựa ......... 14
2.3 Giao nhau điểm yên ngựa và sụp đổ điện áp .................................. 15
2.3.1 Giao nhau điểm yên ngựa trong hệ thống điện đơn giản ........ 15
2.3.2

Mơ hình biến thiên liên tục của cơng suất phụ tải ..................... 17

CHƯƠNG 3:PHƯƠNG PHÁP TÍNH DỊNG CƠNG SUẤT LIÊN TỤC20
3.1 Dịng cơng suất trong hệ thống điện ................................................ 20
3.1.1 Giới thiệu chung .......................................................................... 20
3.1.2 Mơ hình hệ thống điện trong tính tốn chế độ xác lập............ 22
Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


ii
3.1.3 Các hệ phương trình cân bằng .................................................. 27
3.1.4 Thuận tốn Newton-Raphson .................................................... 32
3.2 Thuật tốn dịng cơng suất liên tục ................................................. 36
3.2.1 Giới thiệu chung .......................................................................... 36

3.2.2 Nội dung thuật toán .................................................................... 37
3.2.3 Sơ đồ khối giải bài toán .............................................................. 41
3.4 Phương pháp đánh giá trị riêng để xác định nút có nguy cơ sụp đổ
điện áp ........................................................................................................ 43
3.4.1 Khái niệm trị riêng và véc tơ riêng ........................................... 43
3.4.2 Đánh giá ổn định điện áp qua phân tích trị riêng ma trận
Jacobi ...................................................................................................... 44
3.4.3 Chỉ tiêu độ nhạy nút ................................................................... 46
CHƯƠNG 4: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC VÀ
TCSC ...................................................................................... 48
4.1 Các phần tử cơ bản ........................................................................... 48
4.1.1 Cấu tạo và đặc tính của TCR/TSR ............................................ 48
4.1.2 Cấu tạo và đặc tính của TSC ..................................................... 53
4.1.3 Cấu tạo và đặc tính của FC-TCR .............................................. 57
4.2 Tụ bù tĩnh SVC (Static var Compensator) ..................................... 60
4.2.1 Giới thiệu chung .......................................................................... 60
4.2.2 Các thành phần điều khiển của SVC ........................................ 61
4.2.2.1

Khối đo lường (Measurement System) .............................. 63

4.2.2.2

Khối điều chỉnh điện áp....................................................... 64

4.2.2.3

Khối đồng bộ hóa ................................................................. 70

4.2.2.4

Khối phát xung .................................................................... 71

4.3 TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) ............................. 73
4.3.1 Giới thiệu chung .......................................................................... 73
Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


iii
4.3.2 Mơ hình phần điều khiển TCSC................................................ 76
4.3.2.1

Mơ hình điều khiển ngồi của TCSC ................................. 76

4.3.2.2

Mơ hình điều khiển trong của TCSC ................................. 79

4.4 Kết luận .............................................................................................. 81
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ IEEE 173 NÚT .................................. 82
5.1 Giới thiệu phần mềm UWPFLOW .................................................. 82
5.2 Đặc điểm và cấu trúc sơ đồ tính tốn .............................................. 82
5.3 Kết quả tính tốn và nhận xét .......................................................... 84
5.3.1

SVC ................................................................................................. 85

5.3.2

TCSC .............................................................................................. 87

5.3.3

Các nhận xét và kết luận .............................................................. 97

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN ............................................................................ 98
PHỤ LỤC A. CẤU TRÚC FILE DỮ LIỆU CỦA SVC ........................... 101
PHỤ LỤC B. CẤU TRÚC FILE DỮ LIỆU CỦA TCSC ........................ 102
PHỤ LỤC C. CẤU TRÚC FILE DỮ LIỆU IEEE 173 THEO CHUẨN
WSCC .................................................................................. 103
PHỤ LỤC D. KẾT QUẢ TÍNH TỐN KHI CHƯA ĐẶT THIẾT BỊ
FACST ................................................................................. 118
PHỤ LỤC E. KẾT QUẢ TÍNH TỐN KHI ĐẶT SVC TẠI BUS_114. 119
PHỤ LỤC F. KẾT QUẢ TÍNH TỐN KHI ĐẶT TCSC TẠI BUS_114
NHÁNH 114-110 ................................................................. 120

Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


iv

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1-1: Các giai đoạn sụp đổ điện áp theo thời gian ..................................... 5
Hình 1-2: Sơ đồ hệ thống điện đơn giản 2 nút .................................................. 7
Hình 1-3: Đồ thị P,V,I theo sự biến thiên của phụ tải ...................................... 8
Hình 1-4: Đồ thị PR -VR của phụ tải với hệ số công suất khác nhau .............. 10
Hình 1-5: Đặc tính V-Q của phụ tải khi cơng suất phụ tải thay đổi ............... 10
Hình 2-3: Sơ đồ hệ thống điện đơn giản 2 nút ................................................ 16
Hình 2-5: Sơ đồ cân bằng cơng suất nút ......................................................... 17
Hình 3-14: Sự thay đổi của độ nhạy với cơng suất phụ tải ............................. 47

Hình 4-1: Cấu tạo của TCR và van Thyristor ................................................ 48
Hình 4-2: Giới hạn góc mở van α ................................................................... 49
Hình 4-3: Sơ đồ mạch hay thế của TCR ......................................................... 50
Hình 4-4: Quan hệ BTCR(α) ............................................................................. 51
Hình 4-5:Đặc tính V-I của TCR ...................................................................... 51
Hình 4-6: Đồ thị các sóng hài bậc cao do TCR gây ra ................................... 53
Hình 4-7: Tỉ lệ các dịng điện bậc cao so với dịng điện cơ bản ..................... 53
Hình 4-8: Cấu tạo của TSC ............................................................................. 54
Hình 4-9: Sơ đồ điện áp đóng ngắt TSC ......................................................... 56
Hình 4-10: Miền làm việc V-I của TSC .......................................................... 56
Hình 4-11: Cấu tạo FC-TCR ........................................................................... 57
Hình 4-12: Đặc tính cơng suất phản kháng của FC-TCR ............................... 57
Hình 4-13: Sơ đồ FC-TCR có máy biến áp hạ áp ........................................... 58
Hình 4-14: Đặc tính làm việc của FC-TCR .................................................... 59
Hình 4-15: Đặc tính làm việc của FC-TCR đã hiệu chỉnh.............................. 60
Hình 4-16: Sơ đồ điều khiển chức năng của SVC .......................................... 62
Hình 4-17: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển của SVC ..................................... 62
Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


v
Hình 4-18: Mạch đo của module điều khiển cho SVC. .................................. 64
Hình 4-19: Các cách thức điều chỉnh điện áp: ................................................ 66
Hình 4-20: Mơ hình cơ bản 1 của IEEE cho hệ thống điều khiển .................. 68
Hình 4-21: Mơ hình cơ bản 2 của IEEE cho hệ thống điều khiển .................. 69
Hình 4-22: Mơ hình PLL nói chung cho hệ thống điều khiển số. .................. 70
Hình 4-23: Sơ đồ khối điều khiển góc đánh lửa của TCR. ............................. 72
Hình 4-24: Cấu tạo cơ bản của TCSC. ............................................................ 74
Hình 4-25: Đặc tính điều chỉnh của TCSC. .................................................... 76
Hình 4-26: Sơ đồ điều khiển ngồi của TCSC................................................ 77

Hình 4-27: Cấu trúc vịng lặp điều khiển ổn định của TCSC. ........................ 77
Hình 4-28: Sơ đồ khối điều khiển trong của TCSC dựa trên sự đồng bộ thành
phần cơ bản của dòng điện .......................................................... 80
Hình 4-29: Sơ đồ điều khiển trong của TCSC dựa trên dự đoán thời điểm qua
giá trị 0 của điện áp tụ điện. ........................................................ 80
Hình 5-1: Sơ đồ hệ thống điện IEEE-173 ....................................................... 83
Hình 5-2: Đặc tính P-V khi chưa đặt thiết bị FACTS..................................... 84
Hình 5-3: Đặc tính P-V của BUS_114 sau khi đặt SVC ................................ 86
Hình 5-4: Đặc tính P-V của BUS_106 sau khi đặt SVC ................................ 86
Hình 5-5: Đặc tính P-V của BUS_101 sau khi đặt SVC ................................ 87
Hình 5-6: Đặc tính P-V của BUS_114,101, 106 khi điều khiển TCSC theo X ....... 89
Hình 5-7: Đặc tính P-V của BUS_114,101, 106 khi điều khiển TCSC theo I 89
Hình 5-8: Đặc tính P-V của BUS_114,101, 106 khi điều khiển TCSC theo P ......90
Hình 5-9: Đặc tính P-V của BUS_114 khi điều khiển TCSC theo các .......... 91
Hình 5-10: Đặc tính P-V của BUS_114 khi đặt TCSC vào đường dây 114-110
tại BUS_114 với %X khác nhau ................................................. 92
Hình 5-11: Đặc tính P-V của BUS_114 khi đặt TCSC vào đường dây 114-106
tại BUS_114 với %X khác nhau ................................................. 93
Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


vi
Hình 5-12: Đặc tính P-V của BUS_114 khi đặt TCSC vào đường dây 114-101
tại BUS_114 với %X khác nhau ................................................. 94
Hình 5-13: Đặc tính P-V của BUS_114 khi đặt TCSC vào đường dây 114-104
tại BUS_114 với %X khác nhau ................................................. 95
Hình 5-14: Đặc tính P-V của BUS_101 khi đặt TCSC vào đường dây 101-99,
101-129 tại BUS_101.................................................................. 96
Hình 5-15: Đặc tính P-V của BUS_106 khi đặt TCSC vào đường dây 106115, 106-166 tại BUS_106.......................................................... 97
Bảng 4-1: Các thông số bộ điều chỉnh điện áp SVC điển hình. ..................... 67

Bảng 5-1: Thơng số của SVC.......................................................................... 85
Bảng 5-2: So sánh hiệu quả vị trí đặt SVC ..................................................... 87
Bảng 5-3: So sánh kết quả tính tốn khi đặt TCSC tại nút 114 trên đường dây
114-110 với các thông số điều khiển khác nhau ............................................. 90
Bảng 5-4 Giá trị λmax khi đặt TCSC vào đường dây 114–110 tại BUS_114 .. 91
Bảng 5-5 Giá trị λmax khi đặt TCSC vào đường dây 114–106 tại BUS_114 .. 92
Bảng 5-6 Giá trị λmax khi đặt TCSC vào đường dây 114–101 tại BUS_114 .. 92
Bảng 5-7 Giá trị λmax khi đặt TCSC vào đường dây 114–104 tại BUS_114 .. 93
Bảng 5-8 So sánh hiệu quả của TCSC giữa các đường dây khác nhau tại
BUS_114 ......................................................................................................... 94
Bảng 5-9 Trị riêng phải tại BUS_106 và BUS_101 ....................................... 95
Bảng 5-10 So sánh hiệu quả giữa vị trí đặt TCSC tại BUS_114 với BUS_106
và BUS_101 .................................................................................................... 96

Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


vii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CĐXL

: Chế độ xác lập

CSPK

: Công suất phản kháng

CSTD

: Công suất tác dụng

FACTS

: Flexible AC Transmission System-Hệ thống
truyền tải điện linh hoạt

MBA

: Máy biến áp

ÔĐĐA

: Ổn định điện áp

SĐĐA

: Sụp đổ điện áp

SVC

: Static var Compensator - Tụ bù tĩnh

TCSC

: Thyristor Controlled Series Capacitor-Tụ bù dọc
điều khiển bằng thyristor.

TCR

: Thyristor Controlled Reactor-Kháng điện điều
khiển bằng thyristor

TSC

: Thyristor Switched Capacitor-Tụ điện đóng mở
bằng thyistor

TSR

: Thyristor Switched Reactor – Kháng điện đóng
mở bằng thyristor

Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


viii

LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển kinh tế với tốc độ cao,
nhu cầu tiêu thụ điện của nước ta tăng trưởng không ngừng, đặc biệt trong
q trình cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, hệ thống truyền tải điện
xoay chiều Việt Nam đã đang và sẽ phát triển không ngừng cả về cấu trúc
và mặt địa lý. Tuy nhiên, do một số điều kiện KT-XH và môi trường gây
ảnh hưởng đến việc xây dựng các hệ thống truyền tải và phát điện mới. Vì
vây, hệ thống điện Việt Nam ln vận hành trong tình trạng thiếu điện và
có nguy cơ mất ổn định cao.
Khi các thông số của hệ thống thay đổi, đặc biệt là cơng suất phụ tải
thì điện áp có thể giảm nhẹ. Nhân viên điều độ thực hiện điều chỉnh máy
phát, máy biến áp hoặc các thiết bị bù để on định điện áp. Tuy nhiên, khi

các thiết bị này đạt đến giới hạn điều chỉnh thì mọi hoạt động điều chỉnh
không thể thực hiện. Hơn nữa, khi phụ tải tăng đến một giới hạn cơng suất
nào đó, nguy cơ mất ổn định điện áp và sụp đổ điện áp có thể xảy ra.
Sụp đổ điện áp đặc trưng bởi hiện tượng điện áp giảm đột ngột tại
một số hoặc thậm chí tất cả các nút trong hệ thống điện. Nguyên nhân
chính gây ra sụp đổ điện áp là do hệ thống điện không thể đáp ứng đủ nhu
cầu công suất phản kháng của phụ tải và tổn thất truyền tải. Sụp đổ điện áp
có thể chỉ xảy ra trong một khu vực hoặc có thể xảy ra khắp hệ thống làm
tan rã HTĐ.
Vì vậy, nhiều nghiên cứu đã được xác định để tìm điểm gây sụp đổ
điện áp của hệ thống điện, đó chính là điểm giới hạn cơng suất truyền tải.
Ngồi ra, việc xác định vị trí ( nút ) có nguy cơ xảy ra sụp đổ điện áp cao
nhất trong hệ thống đem lại lợi ích to lớn cho công tác vận hành HTĐ.

Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


ix

NỘI DUNG BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
Giới thiệu các khái niệm chung về ổn định điện áp và sụp đổ điện áp.
Các nguyên nhân chính gây ra mất ổn định điện áp và sụp đổ điện áp trong
HTĐ.
CHƯƠNG 2 : LÝ THUYẾT GIAO NHAU ĐIỂM YÊN NGỰA
Trình bày tổng quan về nội dung lý thuyết giao nhau điểm yên ngựa áp
dụng trong q trình tính tốn, phân tích sụp đổ điện áp HTĐ.
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TÍNH DỊNG CƠNG SUẤT LIÊN
TỤC
Chương này đề cập đến phương pháp tính dịng cơng suất liên tục

(Continuation Power Flow) dựa trên lý thuyết giao nhau điểm yên ngựa để
xác định điểm sụp đổ điện áp. Đưa ra các ưu nhược điểm của phương pháp
này so với các phương pháp truyền thống khi nghiên cứu về sụp đổ điện áp.
CHƯƠNG 4 : CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC
VÀ TCSC
Chương này trình bày chi tiết về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của
SVC và TCSC, các mơ hình điều khiển của 2 thiết bị này trong sơ đồ HTĐ
CHƯƠNG 5 : ÁP DỤNG TÍNH TỐN TRÊN LƯỚI IEEE-173
Sau khi đã trình bày ngun lý của phương pháp tính dịng cơng suất liên
tục, chương này áp dụng phương pháp tính cho sơ đồ lưới chuẩn IEEE 173
nút tìm ra điểm sụp đổ điện áp và xác định nút yếu gây ra sụp đổ điện áp
trong hệ thống. Trong chương này cũng trình bày hiệu quả của việc lắp đặt
các thiết bị FACST (thiết bị bù tĩnh SVC và tụ bù dọc điều khiển bằng
thyristor) tới ổn định điện áp của hệ thống điện.
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
Các kết luận khi nghiên cứu về phương pháp tính điểm sụp đổ điện áp.

Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
Hiện nay, việc vận hành các hệ thống điện (HTĐ) hiện đại ngày càng
khó khăn do các hệ thống này thường phải làm việc gần các giới hạn ổn
định, do các qui định về môi trường không cho phép mở rộng mạng lưới
truyền tải trong khi lượng công suất yêu cầu truyền tải đi xa ngày càng lớn.
Ổn định điện áp đang là vấn đề được nhiều quốc gia chú ý do nhiều sự
cố mất điện nghiêm trọng liên quan đến mất ổn định điện áp đã xảy ra
trong vài thập niên gần đây. Trong chương này, luận văn trình bày khái

niệm tổng quan về ổn định điện áp và vấn đề tính tốn giới hạn truyền tải
của hệ thống điện.
1.1 Giới thiệu chung
1.1.1 Ổn định điện áp
Ổn định của hệ thống điện là khả năng của một hệ thống điện duy trì
được trạng thái cân bằng ở chế độ xác lập và có thể thiết lập lại trạng thái
cân bằng mới khi có kích động nào đó đến hệ thống.
Ổn định điện áp là khả năng của hệ thống điện có thể duy trì điện áp tại
các nút trong giới hạn cho phép trong chế độ làm việc bình thường và khi
có kích động nào đó đến hệ thống.
Sụp đổ điện áp là trường hợp sự cố nặng nề trong hệ thống điện. Sụp đổ
điện áp thường xảy ra khi hệ thống chịu các kích động lớn như mất máy
phát, mất đường dây cơng suất lớn… Khi đó, điện áp tại các nút giảm dưới
mức cho phép rất nhanh. Các biện pháp giữ ổn định điện áp đã đạt đến giới
hạn hoặc không đủ linh hoạt dẫn đến điện áp các nút càng giảm thấp theo
chuỗi liên tiếp trên khắp hệ thống trong thời gian rất ngắn. Hậu quả của sụp
đổ điện áp là phụ tải bị sa thải hàng loạt trên diện rộng, hệ thống bị tan rã.
Khái niệm an toàn điện áp cũng được sử dụng khi phân tích về ổn định
điện áp. An tồn điện áp là việc dự trữ công suất của hệ thống từ điểm làm
việc cân bằng ổn định trong chế độ xác lập đến điểm sụp đổ điện áp.
Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


2
1.1.2 Phân chia ổn định điện áp
Trên quan điểm đánh giá ổn định của hệ thống, người ta thường chia ổn
định điện áp thành ổn định điện áp tĩnh và ổn định điện áp động .
Ổn định điện áp tĩnh là khả năng của hệ thống điện có thể giữ điện áp
của các nút trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức khi có các
kích động nhỏ đến hệ thống như sự biến thiên liên tục công suất phụ tải.

Các kích động nhỏ này xảy ra liên tục nên ổn định tĩnh gắn liền với chế độ
xác lập của hệ thống điện.
Chỉ tiêu của ổn định tĩnh là sau khi có kích động nhỏ tới hệ thống thì
điện áp tại mọi thanh cái nhận điện cùng tăng hoặc cùng giảm tương ứng
với công suất phản kháng cấp vào thanh cái đó. Cụ thể hơn, hệ thống có ổn
dV
dV
định tĩnh nếu dQ >0, và ngược lại, nếu dQ < 0 thì hệ thống khơng đạt chỉ
A

E

A

A

E

A

tiêu ổn định tĩnh.
Ổn định điện áp động là khả năng của hệ thống điện có thể giữ điện áp
của các nút trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức khi có các
kích động lớn đến hệ thống như sự cố mất máy phát, đường dây công suất
lớn...
Chỉ tiêu của ổn định động là sau khi có kích động lớn tới hệ thống thì
điện áp tại tất cả các thanh cái nhận điện đều nằm trong giới hạn cho phép
so với điện áp định mức.
1.2 Hậu quả của mất ổn định điện áp
Mất ổn định điện áp gây ảnh hưởng đến các chỉ tiêu chất lượng của hệ

thống điện.
Mất ổn định điện áp gây tác động trực tiếp đến các phụ tải. Với các nhà
máy công nghiệp, mất ổn định điện áp ảnh hưởng đến các động cơ, máy
móc và chất lượng sản xuất. Tuổi thọ của các thiết bị và các khâu an tồn
trong cơng nghiệp cũng khơng đảm bảo. Mất ổn định điện áp còn gây ảnh
Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


3
hưởng to lớn tới đời sống xã hội, các vấn đề về sinh hoạt, giao thông không
đảm bảo, làm giảm tuổi thọ các thiết bị điện sinh hoạt .
Khi điện áp hệ thống giảm, nếu hệ thống không thể khắc phục bằng cách
cung cấp đủ công suất phản kháng cho phụ tải trong thời gian cho phép thì
có thể dẫn tới sụp đổ điện áp. Trường hợp nặng nề nhất, toàn bộ hệ thống
bị cắt điện. Chỉ tiêu về độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng bị
ảnh hưởng nghiêm trọng.
Sụp đổ điện áp :
Các sự cố sụp đổ điện áp của các hệ thống điện lớn nhất thế giới từ vài
thập niên trước cho đến những năm gần đây đã cho thấy tầm quan trọng
của việc đảm bảo ổn định điện áp .
- Sự cố tại nam Florida, Mỹ ngày 17/05/1985 : sự cố cháy đầu nguồn đã
cắt 3 đường dây 500kV khỏi hệ thống. Điện áp trong hệ thống sụt
giảm mạnh, công suất tác dụng (CSTD) cấp cho phụ tải thiếu. Các
rơle sa thải phụ tải tần số thấp không làm việc do điện áp quá thấp.
Sụp đổ điện áp xảy ra khiến một khu vực rộng lớn ước tính khoảng
4300 MW bị mất điện trong thời gian ngắn. Các báo cáo về sau đã
cho thấy, sự cố xảy ra chủ yếu bởi các biện pháp ngăn chặn mất ổn
định điện áp không hiệu quả, khơng dự báo chính xác u cầu cơng
suất của phụ tải.
- Sự cố trầm trọng ngày 27/12/1983, Thụy Điển : sự cố một máy cắt

khiến trạm biến áp và 2 đường dây 400kV từ trạm này bị cắt khỏi hệ
thống. Khoảng 8 giây sau một đường dây 220kV làm việc quá tải
tiếp tục bị cắt ra. Trong khi đó các máy biến áp (MBA) điều áp dưới
tải liên tục chuyển nấc để phục hồi điện áp tải làm cho điện áp trên
lưới truyền tải giảm mạnh hơn, dòng điện tăng cao trên đường dây
chính cấp điện từ phía Bắc tới phía Nam nơi có sự cố. Gần một phút
sau, một đường dây 400kV khác quá tải và bị cắt khỏi hệ thống. Cả
Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


4
tần số và điện áp của hệ thống bị suy giảm theo chuỗi. Các biện pháp
sa thải phụ tải dưới tần số và điện áp không thể giúp hệ thống tránh
khỏi tan rã. Ước tính khu vực phụ tải rộng lớn phía Nam Thụy Điển
bị mất điện lên tới 11400MW.
- Sự cố tại Tokyo,Nhật Bản 23/07/1987 : khí hậu quá nóng dẫn tới sự
tăng bất thường của phụ tải vào thời điểm giữa trưa với cường độ
400MW/phút. Điện áp trên đường dây 500kV giảm chỉ cịn khoảng
460kV mặc dù tồn bộ các tụ bù dọc đường dây đã được đóng vào hệ
thống. Vài phút sau, điện áp của đường dây 500kV chỉ còn 370kV và
sụp đổ điện áp bắt đầu xảy ra. Khu vực phụ tải bị mất điện ước tính
khoảng 8170MW.
- Sự cố tại Pháp, 19/12/1978 : tại thời điểm đó Pháp đang nhận điện từ
hệ thống điện nước ngoài cấp vào. Nhu cầu phụ tải tăng nhanh đột
ngột gấp 1,5 lần thường lệ. Sau vài phút, điện áp giảm nhanh. Các
máy biến áp điều áp dưới tải ở lưới cao áp bị khóa lại. Điện áp trên
đường dây 400kV phía Tây nước này nằm trong khoảng 342-374kV.
Sau khi một đường dây chính 400kV quá tải và bị cắt ra khỏi hệ
thống thì sụp đổ điện áp diễn ra. Phải sau vài giờ đồng hồ toàn bộ hệ
thống mới được khơi phục. Ước tính phụ tải bị mất điện lên tới

29GW. Tổn thất về mặt kinh tế là rất lớn.
Như vậy các sự cố sụp đổ điện áp xảy ra rất đa dạng và phức tạp. [5] chỉ
ra rằng các sự cố sụp đổ điện áp xảy ra bởi rất nhiều lí do và khung thời
gian khác nhau. Quá trình sụp đổ điện áp có thể chia thành 3 giai đoạn,
diễn ra từ vài giây cho tới vài phút như sau :
(1) Các quá trình quá độ điện cơ diễn ra trong vài giây (ví dụ như
các máy phát điện, các bộ điều chỉnh, các động cơ cảm ứng và
các thiết bị điện tử công suất như SVC,HVDC).

Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


5
(2) Các thiết bị đóng cắt rời rạc, như các đầu phân áp của các máy
biến áp điều áp dưới tải và các bộ giới hạn kích từ tác động trong
vài chục giây.
(3) Q trình khơi phục phụ tải diễn ra trong vài phút.
Khi phân tích ổn định điện áp, giai đoạn (1) được gọi là giai đoạn quá
độ, giai đoạn (2) và (3) là giai đoạn dài hạn.
Máy phát, bộ điều chỉnh, SVC,
HVDC, động cơ cảm ứng…
Các thay đổi nhanh thời gian ngắn
Tự khôi phục phụ tải, AGC, đầu
phân áp, các bộ giới hạn kích từ…

Khơi phục tải

Các thay đổi chậm thời gian dài

Hình 1-1: Các giai đoạn sụp đổ điện áp theo thời gian

1.3 Nguyên nhân gây ra mất ổn định điện áp
Một vài nguyên nhân chính gây ra mất ổn định điện áp và dẫn đến sụp
đổ điện áp như sau :
• Cơng suất truyền tải trên các đường dây quá lớn.
• Điện áp tại nguồn phát quá thấp.
• Khoảng cách giữa các nhà máy điện và phụ tải q xa.
• Dung lượng bù cơng suất phản kháng khơng đủ.
• Phối hợp kém giữa các thiết bị bảo vệ.

Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


6
Đặc tính về truyền tải cơng suất phản kháng của đường dây, đặc tính của
máy biến áp và đặc tính của phụ tải làm giới hạn khả năng truyền tải của hệ
thống. Hệ thống không thể truyền tải một lượng công suất vô cùng lớn đến
các phụ tải xa. Công suất phản kháng cũng không thể truyền đi quá xa do
tổn thất lớn.
1.4 Các biện pháp nâng cao ổn định điện áp
Mục đích của các biện pháp nâng cao ổn định điện áp là điều chỉnh dòng
CSPK trong hệ thống cân bằng với yêu cầu của phụ tải. Các biện pháp này
được sử dụng trong khắp hệ thống.
1. Điều chỉnh điện áp (Q) máy phát điện : điều chỉnh dòng điện kích từ
trong máy phát sẽ điều chỉnh dịng CSPK từ máy phát điện vào hệ
thống, theo đó điều chỉnh điện áp ra trên cực của stator máy phát
điện. Nếu máy phát làm việc ở trạng thái quá kích từ, máy phát phát
CSPK vào hệ thống. Nếu máy phát làm việc ở trạng thái thiếu kích từ,
máy phát tiêu thụ CSPK từ hệ thống.
2. Điều chỉnh đầu phân áp của MBA điều áp dưới tải : cho phép điều
chỉnh điện áp mà không cần cắt điện của phụ tải. Tuy nhiên trong

điều kiện điện áp thấp, thao tác tự động điều chỉnh điện áp của MBA
điều áp dưới tải sẽ làm mất ổn định điện áp trầm trọng thêm và có thể
dẫn tới sụp đổ điện áp. Các máy biến áp điều áp dưới tải cũng chỉ có
thể điều chỉnh điện áp trong phạm vi thiết kế của máy biến áp. Khi
làm việc tới giới hạn thì các MBA điều áp dưới tải coi như các máy
biến áp bình thường không thể thực hiện điều chỉnh.
3. Xa thải phụ tải: là biện pháp rẻ tiền để ngăn chặn hiện tượng SĐĐA
lan rộng. Biện pháp này chỉ hiệu quả đối với các hệ thống có xác suất
mất OĐĐA thấp, đồi với các hệ thống có xác suất mất ƠĐĐA thì nó
có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng. Do đó, người ta hạ chế
Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


7
sửa dụng biện áp này để nâng cao ÔĐĐA, nếu phải sử dụng thì hết
sức thận trọng trong việc xác định đặc điểm và vị trí của phụ tải bị sa
thải.
4. Sử dụng máy bù đồng bộ : máy bù là loại thiết bị làm việc rất linh
hoạt và có công suất lớn. Khả năng làm việc của máy bù đồng bộ
không bị phụ thuộc vào điện áp của lưới điện do nó có nguồn cấp
điện áp riêng bên trong. Tuy nhiên, máy bù là động cơ nên nó có
phần quay, đòi hỏi phải được bảo dưỡng thường xuyên và độ tin cậy
làm việc thấp hơn so với các thiết bị bù tĩnh hiện đại như SVC,
TCSC, STATCOM…
5. Sử dụng các thiết bị bù công suất phản kháng: các thiết bị bù như
tụ bù dọc đường dây, kháng bù ngang , tụ bù ngang đóng vai trị quan
trọng và rất hiệu quả trong ổn định điện áp và nâng cao khả năng tải
của đường dây dài. Tuy nhiên, các thiết bị này đều là các thiết bị điều
khiển rời rạc và thao tác cơ khí nên khơng thể điều chỉnh trơn và phản
ứng nhanh với các yêu cầu công suất của phụ tải. Ngày nay, các thiết

bị FACTS đã khắc phục được hầu hết các nhược điểm kể trên của
thiết bị bù CSPK truyền thống.
1.5 Quan hệ giữa công suất truyền tải và sụp đổ điện áp
Xét hệ thống điện đơn giản gồm 2 nút như sau :

Hình 1-2: Sơ đồ hệ thống điện đơn giản 2 nút

Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


8
ĖS
Dòng điện phụ tải : İ = Ż + Ż
D
T
A

⇒I=

A

E

ES
(ZDcosθ + ZTcosΦ)2 + (ZDsinθ + ZTsinΦ)2

E
A

E

Khai triển biểu thức trên và chia cả tử cả mẫu cho ZD ta được biểu thức :
ES
I=Z
A

1
E

ZDcosθ + ZTcosΦ 2 ZDsinθ + ZTsinΦ 2
(
) +(
)
ZD
ZD

E
A

D

E

E

ES 1
ZT
ZT
⇒I=Z
với F = 1+ (Z )2 + 2 Z cos(θ-Φ)

D F
D
D
A

A

E
A

E

A

A

A

E

A

A

E

E

⇒ VR = I.ZT
E

ZT ES
= Z
D F
A

E

E
A

E

Công suất hệ thống cấp cho tải :
PR = VRIcosΦ
ZT ES ES 1
= Z
. Z
cosΦ
D F
D F
A

E

E
A

E

A

A

E

E
A

E

A

ZT ES
= F (Z )2 cosΦ
D
A

E

A

A

E

A

I VR PR
ZD

Đồ thị thể hiện các hàm của I , E ,P theo Z trong trường hợp góc
sc
S
max
T
A

E

A

A

E

A

A

E

A

A

E

A

θ=84,30 và Φ =18,20 trong hình 1.3 .

Hình 1-3: Đồ thị P,V,I theo sự biến thiên của phụ tải
Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp


9
Trên hình (1-3) :
VR PR I
- Trục y tương ứng là E , P
,
S
MAX ISC
A

A

A

A

E

A

E

E

ES
- Isc = Z ; (Isc là dòng ngắn mạch 3 pha tại thanh cái phụ tải)

A

E

A

D

I
1
-I =
sc
F
A

E

A

E
A

E

A

VR
1
=
;

ES ZD
ZT F

;

A

E

A

E
A

E

A

E

ZD
- PMAX là công suất truyền tải tại điểm Z =1 ;
A

E

A

T

Hình (1-3) cho ta thấy có một số nhận xét như sau:
- Khi công suất phụ tải tăng (ZT giảm), công suất truyền tải tới phụ tải
ban đầu tăng rất nhanh,khi tới gần điểm cực đại PMAX thì tăng chậm dần.
Sau khi qua điểm cực đại thì cơng suất truyền tải bắt đầu giảm.
ZD
- Cơng suất truyền tải trên đường dây là lớn nhất khi Z =1.
A

E

A

T

- Khi công suất phụ tải tăng, VR giảm, I tăng dần.
ZD
- Ở giai đoạn đầu (0 < Z < 1), tỉ lệ tăng của I lớn hơn tỉ lệ giảm của VR
T
A

E

A

ZD
nên công suất truyền tải tăng. Khi Z >1, tỉ lệ tăng của I nhỏ hơn tỉ lệ giảm
T
A

E

A

của VR nên cơng suất truyền tải giảm.
Cũng trên hình (1-3) dễ dàng thấy rằng, ứng với mỗi giá trị cơng suất
truyền tải PR < PMAX thì có 2 điểm làm việc tương ứng với 2 giá trị khác
PR
= 0,8pu, hệ thống có 2
nhau của ZT. Giả sử tại chế độ làm việc có P
max
A

E

A

điểm làm việc cân bằng là A và B. Điểm cân bằng ứng với VR cao (điểm
A) là điểm làm việc ổn định của hệ thống điện.
Dựa vào các quan hệ trên đồ thị (1-3), ta có thể xây dựng đường đặc tính
PR-VR tại nút phụ tải như trong hình (1-4).
Hiệu quả của thiết bị FACTS đối với hiện tượng sụp đổ điện áp