Xác định vị trí đặt SVC để nâng cao ổn định điện áp

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
--------------------------------------------

Luận văn thạc sĩ khoa học
Ngành: Mạng Và Hệ thống điện

vị trí đặt tối ưu của svc
để nâng cao ổn định điện áp

nguyễn hữu đức

Hà nội 2008


Lời nói đầu

Trước hết, em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô công tác tại Bộ môn
Hệ thống điện thuộc trường Đại học Bách khoa. Các thầy đã giảng dạy, giúp đỡ
em rất nhiều trong suốt hai năm học vừa qua.
Đặc biệt, em xin dành lời cám ơn chân thành nhất đồi với thầy giáo
Trương Ngọc Minh, người đã hết sức tận tình hướng dẫn em hồn thành luận
văn này.
Và luận văn này sẽ như một món quà đầy ý nghĩa dành tặng cho cha mẹ
tôi, những người luôn theo sát và dành chọn niềm yêu thương cho tôi.


TÓM TẮT
Chương 1. Tổng quan về ổn định điện áp
Chương này trình bày về vấn đề ổn định điện áp, hiện tượng sụp đổ điện áp, các
nguyên nhân gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp, các mối liên quan giữa hiện

tượng sụp đổ điện áp, ổn đinh điện áp và các thay đổi khác nhau trong hệ thống
điện. Trong chương này, ta cũng đề cập các phương pháp ngăn ngừa hiện tượng
sụp đổ điện áp, trong đó phương pháp đặt các thiết bị FACTS tỏ ra rất hiệu quả.
Tuy nhiên, vì lý do kinh tế nên ta phải chọn vị trí đặt tối ưu cho SVC nhằm nâng
cao ổn định điện áp. Lý do chọn SVC nghiên cứu là do tính phổ thơng của thiết
bị và khả năng áp dụng thiết bị này cho lưới điện Việt Nam.
Chương 3. Lý thuyết giao nhau tại điểm yên ngựa
Sụp đổ điện áp là một hiện tượng phi tuyến, và lý thuyết giao nhau tại điểm yên
ngựa là một lý thuyết tỏ ra hiệu quả trong việc nghiên cứu hiện tượng này. Trong
chương này, lý thuyết giao nhau tại điểm yên ngựa được nghiên cứu chi tiết
nhằm ứng dụng vào nghiên cứu hiện tượng SĐĐA.
Chương 2. Thiết bị bù tĩnh SVC
Chương này nghiên cứu thiết bị bù tĩnh SVC, từ cấu tạo, ngun lý điều khiển,
các mơ hình phục vụ cho các nghiên cứu khác nhau.
Chương 4. Phương pháp xác định vị trí đặt SVC
Sử dụng lý thuyết giao nhau tại điểm n ngựa để tìm điểm vị trí đặt SVC tối ưu.
Và phương pháp phân tích dịng cơng suất liên tục được áp dụng để tìm điểm có
khả năng tải lớn nhât (điểm SĐĐA). Phân tích trị riêng tại điểm SĐĐA để tìm vị
trí đặt SVC. Ta đặt SVC tại thanh cái giúp nâng cao giới hạn ổn định điện áp tĩnh
một cách tốt nhất.


1

Mục lục
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 9
Mục đích nghiên cứu ........................................................................................ 10
Ý nghĩa khoa học của luận văn ........................................................................ 10
Nội dung và bố cục của luận văn ..................................................................... 10
Chương 1 .............................................................................................................. 11

TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ............................................................. 11
1.1. Khái quát về ổn định điện áp .................................................................... 11
1.1.1. Ổn định điện áp .................................................................................. 11
1.1.2. Sụp đổ điện áp .................................................................................... 12
1.2. Một số biện pháp ngăn ngừa sự sụp đổ điện áp ........................................ 16
1.2.1. Các biện pháp vận hành ..................................................................... 16
1.2.2. Các biện pháp thiết kế ........................................................................ 16
1.3. Hiện tượng điện áp thấp ............................................................................ 18
Chương 2 .............................................................................................................. 20
LÝ THUYẾT GIAO NHAU TẠI ĐIỂM YÊN NGỰA ....................................... 20
2.1. Khái quát về lý thuyết giao nhau .............................................................. 20
2.2. Giao nhau điểm yên ngựa ......................................................................... 21
2.2.1. Giao nhau điểm yên ngựa của phương trình bậc hai ......................... 22
2.2.2. Giao nhau điểm yên ngựa của một hệ thống điện đơn giản............... 22
2.2.3. Các yêu cầu về mơ hình hố .............................................................. 28
2.3. Trị riêng của giao nhau điểm yên ngựa..................................................... 30
2.4. Đặc điểm của giao nhau điểm yên ngựa ................................................... 30
2.5. Không gian trạng thái của giao nhau điểm yên ngựa................................ 31


2

2.6. Sự liên hệ giữa giao nhau điểm yên ngựa với SĐĐA ............................... 33
2.7. Một số điểm chú ý ..................................................................................... 34
Chương 3 .............................................................................................................. 36
THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC ................................................................................... 36
3.1. Giới thiệu................................................................................................... 36
3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCR và TSR .................................... 37
3.2.1.Cấu tạo................................................................................................. 37
3.2.2.Nguyên lý hoạt động và đặc tính điều chỉnh....................................... 38

3.2.3. Các hiệu ứng phụ ............................................................................... 41
2.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSC ................................................. 44
2.3.1.Cấu tạo................................................................................................. 44
3.3.2.Đặc tính điều chỉnh ................................................................................. 45
3.4. Các thành phần điều khiển của SVC......................................................... 48
3.4.1. Khối đo lường .................................................................................... 50
3.4.2. Bộ điều chỉnh điện áp......................................................................... 51
3.4.3. Hệ thống đồng bộ ............................................................................... 56
3.4.4. Khối phát xung ................................................................................... 57
3.5. Đặc tính làm việc của SVC ....................................................................... 58
3.6. Đặc tính điều chỉnh ................................................................................... 59
3.7. Mơ hình SVC ............................................................................................ 65
3.7.1 Mơ hình hố SVC như một điện kháng có trị số thay đổi .................. 65
3.7.2 Mơ hình SVC theo tổ hợp nguồn và phụ tải phản kháng.................... 67
Chương 4 .............................................................................................................. 71
XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ĐẶT SVC............................................................................ 71
4.1. Mơ hình hóa hệ thống điện ....................................................................... 71


3

4.2. Giới hạn công suất truyền tải .................................................................... 72
4.2.1. Thuật tốn phân bố cơng suất liên tục ............................................... 73
b. Áp dụng .................................................................................................... 74
c. Ưu, nhược điểm của thuật toán ................................................................ 75
4.3. Thanh cái (khu vực) dễ bị mất ổn định điện áp ........................................ 76
4.3.1. Phân tích giá trị suy biến .................................................................... 76
4.3.2. Phân tích vectơ trị riêng ..................................................................... 78
4.4. Phương pháp xác định vị trí tối ưu của SVC ............................................ 78
4.5. Một số kết quả mô phỏng .......................................................................... 79

4.5.1. Sơ đồ tính tốn ................................................................................... 79
4.5.2. Phần mềm tính tốn............................................................................ 80
4.5.3. Kết quả tính tốn ................................................................................ 81
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 88
Tài liệu tham khảo ................................................................................................ 89
Tiếng Việt......................................................................................................... 89
Tiếng Anh......................................................................................................... 89


4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CSPK

Công suất phản kháng

FACTS

Flexible AC Transmission Systems

GTO

Gate Turn - Off Thyristor

HTĐ

Hệ thống điện

OĐĐA

Ôn định điện áp

SĐĐA

Sụp đổ điện áp

STATCOM Static Sysnchronous Compensator
SVC

Static Var Compensator

TCR

Thyristor Cỏntolled Reactor

TCSC

Thyristor Controlled Series Compensator

TSR

Thyristor Swithed Reactor

TSC

Thyristor Switched Capacitor

UPFC

Unified Power Flow Control


5

Danh sách các hình vẽ
Hình 1.1 Các giai đoạn SĐĐA theo thời gian...................................................... 14
Hình 2. 2 Biểu đồ giao nhau của trạng thái V và thơng số p ............................... 24
Hình 2.3. Biều đồ giao nhau của V và δ .............................................................. 25
Hình 2. 5.Khơng gian trạng thái tại điểm giao nhau ............................................ 27
Hình 2.6. Khơng gian trạng thái sau điểm giao nhau........................................... 28
Hình 2. 7. Hiện tượng SĐĐA theo thời gian ....................................................... 31
Hình 2. 8. Khơng gian thơng số cơng suất tải ...................................................... 32
Hình 3.1: a. Cấu tạo của TCR, b. Điều khiển góc đánh lửa,c. Dạng sóng vận
hành. ............................................................................................................. 37
Hình 3.2: Biến thiên biên độ các dòng điện thành phần cơ bản qua TCR phụ
thuộc góc mở α ............................................................................................. 39
Hình 3.3: Đặc tính V-I của TCR .......................................................................... 40
Hình 3.4: Biên độ các thành phần dòng điện bậc cao của TCR so với α ............ 41
Hình 3.5: Dạng sóng minh họa cho phương pháp điều khiển tuần tự ................. 42
để giảm sóng hài bằng hệ thống 4 TCR. .............................................................. 42
Hình 3.6: Cách sắp xếp 12 xung 2 bộ TCR và dạng sóng dịng điện .................. 43
Hình 3.7: Cấu tạo TSC và dạng sóng vận hành ................................................... 45
Hình 3.8: Dạng sóng minh họa q trình đóng cắt khơng có q trình q độ của
TSC............................................................................................................... 46


6

Hình 3.9: Đặc tính V-I của TSC (làm tăng điện dung bậc), hoặc phối hợp với 1

nhánh TCR. .................................................................................................. 47
Hình 3.10: Sơ đồ điều khiển chức năng của SVC................................................ 49
Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển của SVC .......................................... 50
Hình 3.12 : Mạch đo của module điều khiển cho SVC. ...................................... 51
Hình 3.13: Các cách thức điều chỉnh điện áp:a) Bộ tích phân với phản hồi lấy từ
điện dẫn.b) Bộ tích phân với phản hồi dịng điện.c) Sử dụng hằng số thời
gian. .............................................................................................................. 53
Hình 3.14: Mơ hình cơ bản 1 của IEEE cho hệ thống điều khiển của SVC (a) và
mơ hình bộ điều chỉnh điện áp (b) ............................................................... 54
Hình 3.15: Mơ hình cơ bản 2 của IEEE cho hệ thống điều khiển của SVC (a) và
mơ hình bộ điều chỉnh điện áp (b) ............................................................... 55
Hình 3.16: Mơ hình PLL nói chung cho hệ thống điều khiển số......................... 57
Hình 3.17: Sơ đồ khối điều khiển góc đánh lửa của TCR ................................... 57
Hình 3.18: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp ......................... 58
Hình 3.19: Sóng của điện áp đầu ra của mạch thuần trở có thyristor .................. 59
Hình 3.20: Ảnh hưởng của giá trị góc cắt α đến dịng điện của TCR ................ 60
Hình 3.21: Sóng của tín hiệu dịng điện của TCR ............................................... 61
Hình 3.22: Đặc tính điều chỉnh dịng điện của TCR theo góc cắt α ................... 63
Hình 3.23: Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR .......................................... 64
Hình 3.24: Đặc tính Vơn – Ampe của SVC ......................................................... 65
Hình 3.29: Sơ đồ bố trí tương đương của SVC.................................................... 70
Hình 4.2. Sơ đồ hệ thống 300 nút của IEEE ........................................................ 80
Hình 4.3. Dạng điện áp tại các nút nhạy nhất trong trường hợp khơng SVC ...... 82
Hình 4.4. Vectơ suy biến và vectơ riêng của ma trận JQV .................................... 85


7

Hình 4.5. Vectơ trị riêng của ma trận đầy đủ ....................................................... 85
Hình 4.6. Vectơ trị riêng của ma trận dịng công suất ......................................... 86

8

Danh sách các bảng
Bảng 3.1: Các thông số bộ điều chỉnh điện áp SVC điển hình. ........................... 53
Bảng 4.1. Giá trị riêng phải .................................................................................. 82
Bảng 4.2. Thông số của SVC ............................................................................... 83
Bảng 4.3. Hiệu quả tác động của SVC ................................................................. 87
Bảng 4.4. Công suất truyền tải giới hạn (MW) .................................................... 87
Bảng 4.5. Lượng cơng suất truyền tải tăng khi có SVC ...................................... 87


9

MỞ ĐẦU
Hiện nay, các hệ thống điện (HTĐ) truyền tải điện xoay chiều đều phức
tạp về thiết bị, cấu trúc và rộng lớn về mặt địa lý. Tuy nhiên, do nhu cầu sử dụng
điện năng ngày càng lớn, điều kiện kinh tế và các yêu cầu về môi trường phần
nào hạn chế việc xây dựng các hệ thống truyền tải và phát điện mới nên nhiều
công ty điện buộc phải vận hành hệ thống gần với giới hạn ổn định.
Khi các thông số của hệ thống thay đổi, đặc biệt là phụ tải trong hệ thống,
giá trị điện áp có thể sẽ giảm nhẹ. Kỹ sư vận hành thường điều khiển điện áp tại
một số thanh cái bằng cách tăng CSPK phát, đóng cắt bộ tụ điện và thay đổi đầu
phân áp. Khi những thiết bị này đạt giới hạn điều chỉnh thì người vận hành
khơng thể điều khiển điện áp được nữa. Hơn nữa, khi công suất phụ tải tăng đến
một giá trị nào đó, một dạng mất ổn định hệ thống (sụp đổ điện áp) có thể xảy ra.
Hiện tượng này đặc trưng bởi việc giảm điện áp đột ngột và nhanh tại một số
hoặc tất cả các thanh cái trong hệ thống.
Nguyên nhân chính gây ra sụp đổ điện áp (SĐĐA) là do hệ thống không

đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ công suất phản kháng (CSPK). SĐĐA có thể là tồn
bộ hoặc là một phần.
SĐĐA cũng có thể xảy ra với một khu vực trong hệ thống có phụ tải lớn
nhưng khơng có khả năng bảo đảm điện áp trong phạm vi cho phép. Giới hạn
đầu phân áp và các động cơ cảm ứng công suất lớn cũng là những nguyên nhân
chính gây mất ổn định điện áp.
Nhiều nghiên cứu về mất ổn định điện áp đã được thực hiện để đề xuất các
biện pháp bảo vệ HTĐ chống lại SĐĐA sự cố này như sa thải phụ tải, sử dụng
các máy phát dự phòng... Trong các biện pháp ngăn ngừa đã đề xuất thì sử dụng


10

Static Var Compensator (SVC) là một trong những biện pháp hiệu quả rõ rệt.
Tuy nhiên, do giá thành cao của SVC nên việc xác định vị trí đặt tối ưu của bộ
điều khiển này trong hệ thống là bài toán quan trọng đã và đang đặt ra cho các
nhà nghiên cứu cũng như những người quy hoạch và thiết kế hệ thống.
Mục đích nghiên cứu
Nhằm xây dựng một phương pháp xác định vị trí đặt của SVC, mục đích
chính của luận văn là:
- Nghiên cứu về ổn định điện áp;
- Nghiên cứu về lý thuyết giao nhau để phân tích hiện tượng SĐĐA;
- Nghiên cứu về nguyên lý hoạt động, tác động điều khiển của SVC;
- Đề xuất phương pháp xác định vị trí đặt thiết bị SVC để nâng cao
giới hạn ổn định.
Ý nghĩa khoa học của luận văn
Với những nội dung nghiên cứu nêu trên cùng với đề xuất phương pháp
xác định vị trí đặt của thiết bị SVC để nâng cao ổn định, luận văn có ý nghĩa
đáng kể về mặt khoa học.
Nội dung và bố cục của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn được trình bày
trong 4 chương như sau:
- Chương 1. Tổng quan về ổn định điện áp
- Chương 2. Lý thuyết giao nhau tại điểm yên ngựa
- Chương 3. Thiết bị bù tĩnh SVC
- Chương 4. Phương pháp xác định vị trí đặt SVC


11

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
1.1. Khái quát về ổn định điện áp
1.1.1. Ổn định điện áp
Ổn định điện áp (OĐĐA) là vấn đề nghiên cứu được quan tâm trong nhiều
năm qua. Nhiều cơng trình nghiên cứu đã trình bày về sự quan trọng của OĐĐA
và một vài sự cố mất OĐĐA trên thế giới đã cho thấy hậu quả nghiêm trọng của
sự cố này như sụt giảm điện áp lớn...
Do HTĐ có thể phải vận hành ở những chế độ nặng nề, nên khả năng giữ
OĐĐA và các biện pháp tốt cải thiện công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp
là rất cần thiết. Nếu các tác động điều khiển khơng hợp lý thì khi phụ tải tăng
liên tục, hệ thống có thể mất ổn định. Dưới đây là một số khái niệm liên quan
đến OĐĐA:
- OĐĐA (Voltage Stability) là khả năng của một HTĐ giữ được
điện áp. Do đó, khi có sự thay đổi phụ tải (tăng) thì cả cơng suất và điện
áp đều có thể điều khiển được;
- SĐĐA (Voltage Collapse) là quá trình mà việc mất OĐĐA dẫn
đến sự sụt giảm điện áp trong hệ thống;
- Độ an toàn điện áp (Voltage Security) là khả năng của một HTĐ
không chỉ vận hành ổn định mà cịn giữ được ổn định khi có sự cố hoặc

thay đổi tiêu cực trong hệ thống.
OĐĐA được chia thành hai dạng như sau:
- Ổn định tĩnh (ổn định điện áp sau những kích động nhỏ) là khả
năng hệ thống điều khiển được điện áp trong hệ thống sau những kích


12

động nhỏ như thay đổi phụ tải. Dạng ổn định này được quyết định bởi các
đặc tính của tải, các thiết bị điều khiển liên tục, điều khiển rời rạc trong
một thời gian cho trước;
- Ổn định động (ổn định điện áp sau những kích động lớn) là khả
năng hệ thống điều khiển được các điện áp trong mạng sau những kích
động lớn như sự cố mất máy phát, ngắn mạch. Dạng ổn định này được
quyết định bởi đặc tính tải và sự tác động qua lại giữa các thiết bị bảo vệ
và điều khiển liên tục cũng như rời rạc trong hệ thống.
Một hệ thống có thể mất ổn định khi có kích động dẫn đến điện áp giảm
mạnh mà người vận hành và các hệ thống điều khiển tự động khơng cải thiện
được điện áp. Ngun nhân chính gây mất OĐĐA thường là do HTĐ không đáp
ứng đủ nhu cầu CSPK. Tuy hệ thống không OĐĐA là hiện tượng mang tính cục
bộ nhưng hậu quả của nó lại có thể nghiêm trọng như sự cố SĐĐA. Sự sụt giảm
điện áp có thể diễn ra trong vài giây cho tới vài phút.
1.1.2. Sụp đổ điện áp
SĐĐA là một hiện tượng phức tạp và hậu quả của nó là điện áp tại một
phần quan trọng trong HTĐ bị giảm rất thấp.
Dưới đây là một số sự cố SĐĐA đã xảy ra trên thế giới [40]:
- Sự cố ở South Zealand, Đan Mạch, tháng 3 năm 1979;
- Sự cố ở miền Nam của hệ thống Nordel (Thụy Điển và Đan
Mạch), tháng 12 năm 1983;
- Sự cố ở Cộng hòa Séc, tháng 7 năm 1985;

- Sự cố ở Anh, tháng 5 năm 1986.
Như vậy, SĐĐA là một vấn đề thực tế và hậu quả của nó là rất lớn. [40]
chỉ ra rằng các sự cố trên xảy ra vì các lý do khác nhau. Do đó, rất nhiều nghiên


13

cứu về SĐĐA đã được thực hiện, ví dụ như [41.42] chỉ ra mối liên quan giữa sụp
đổ điện áp và điểm phân nhánh (bifurcation point).
Giả sử một HTĐ đang ở trạng thái ổn định. Thơng thường, khi có thay đổi
(đề cập ở mục trước) trong HTĐ thì hệ thống sẽ có q trình q độ để thiết lập
lại trạng thái ổn định mới với điểm vận hành ổn định mới. Nếu sự thay đổi là liên
tục (ví dụ như phụ tải tăng dần) thì quá trình thiết lập phải xác định được điểm
vận hành ổn định mới vì điểm này ln thay đổi. Đây chính là mục tiêu mong
muốn khi vận hành HTĐ.
Tuy nhiên, HTĐ có thể mất ổn định khi sự thay đổi trong hệ thống dẫn
đến không có điểm vận hành ổn định nữa. Vì khơng tồn tại điểm vận hành ổn
định mới nên hệ thống sẽ xảy ra một quá trình quá độ phức tạp đặc trưng bởi sự
SĐĐA. Sự SĐĐA này bắt đầu bằng việc điện áp sụt giảm chậm và sau đó là
giảm nhanh do có các thay đổi khác xảy ra theo trong hệ thống. Điều này dẫn
đến sự sụt giảm điện áp liên tục và HTĐ bị tan rã.
Quá trình SĐĐA được chia thành 3 giai đoạn diễn ra từ vài giây cho tới
vài phút như sau:
(1) Các quá trình quá độ điện cơ (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) trong vài giây.
(2) Các thiết bị đóng cắt rời rạc, như các đầu phân áp của các máy
biến áp (MBA) 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.

14

Khi phân tích OĐĐA, giai đoạn (1) được gọi là giai đoạn quá độ, giai
đoạn (2) và (3) là giai đoạn dài hạn. Hình 1.1 mơ tả hiện tượng SĐĐA theo các
giai đoạn vừa đề cập.
Máy phát, bộ điều chỉnh, SVC, HVDC, động
cơ cảm ứng . . .

Các thay đổi
nhanh - thời
gian ngắn

Tự khôi phục 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 SĐĐA theo thời gian
SĐĐA thường xảy ra với các HTĐ nặng tải, hoặc HTĐ có sự cố, hoặc
HTĐ thiếu hụt CSPK. Hiện tượng này liên quan tới nhiều phần tử trong hệ thống
và thơng số của các phần tử đó. Dễ nhận thấy rằng tuy hiện tượng này thường
liên quan đến một khu vực nào đó trong hệ thống nhưng hậu quả của nó lại ảnh
hưởng đến cả hệ thống.

Như đã nói ở trên, SĐĐA được phân loại theo giai đoạn quá độ hoặc trong
giai đoạn dài hạn. Tuy nhiên, SĐĐA trong giai đoạn dài hạn có thể bao gồm các
hậu quả từ giai đoạn quá độ; ví dụ SĐĐA diễn ra chậm trong vài phút có thể kết
thúc nếu có sự SĐĐA nhanh xảy ra trong giai đoạn gian quá độ.


15

Bản chất vật lý của hiện tượng SĐĐA chính là yêu cầu CSPK của phụ tải
không được đáp ứng đủ do giới hạn về phát và truyền tải CSPK. Các giới hạn về
phát CSPK bao gồm giới hạn của các máy phát, giới hạn công suất của SVC và
sự sụt giảm CSPK của các tụ ở điện áp thấp. Các giới hạn về truyền tải CSPK là
tổn thất CSPK lớn trên các đường dây nặng tải, hoặc có sự cố đường dây dẫn đến
giảm công suất truyền tải.
Một số thay đổi trong hệ thống có thể dẫn tới SĐĐA là:
• Phụ tải tăng;
• CSPK giới hạn của máy phát, máy bù đồng bộ hoặc SVC;
• Thao tác với MBA điều áp dưới tải;
• Q trình khơi phục phụ tải;
• Sự cố đường dây hoặc máy phát.
Hầu hết các thay đổi này có ảnh hưởng rất lớn tới việc phát, truyền tải và
tiêu thụ CSPK. Do đó, SĐĐA là vấn đề thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên
cứu và công ty điện trong suốt hơn hai mươi năm qua nhằm đề xuất các phương
pháp để bảo vệ HTĐ không bị SĐĐA.
Việc ngắt các bộ tụ shunt, khoá các MBA điều áp dưới tải, phân bố lại
công suất phát, điều chỉnh điện áp, sa thải phụ tải, và quá tải tạm thời CSPK của
các máy phát là một số phương thức điều khiển được sử dụng như là các biện
pháp ngân ngừa SĐĐA.

16

1.2. Một số biện pháp ngăn ngừa sự sụp đổ điện áp
1.2.1. Các biện pháp vận hành
a. Giới hạn ổn định
Hệ thống nên vận hành với một giới hạn OĐĐA cho phép bằng cách xây
dựng kế hoạch sử dụng các nguồn CSPK phù hợp. Nếu sự cố SĐĐA không thể
ngăn chặn được bằng các nguồn CSPK và các thiết bị điều chỉnh điện áp hiện có
trong hệ thống, thì cơng suất truyền tải phải được giới hạn và các máy phát dự
phòng phải được khởi động.
b. Dự trữ quay
Dự trữ CSPK phải được đảm bảo bởi các máy phát đang vận hành để duy
trì điện áp trong phạm vi cho phép. Cần chú ý rằng, công suất dự trữ quay phải
được phân bố tại các khu vực có nhu cầu lớn về điều chỉnh điện áp.
c. Người vận hành
Yêu cầu đối với người vận hành là phải nắm vững các hiện tượng liên
quan đến OĐĐA và kịp thời có các thao tác hợp lý như điều chỉnh điện áp, sa
thải phụ tải... Các phương thức vận hành ngăn ngừa hiện tượng SĐĐA phải được
thiết lập ngay.
1.2.2. Các biện pháp thiết kế
a. Điều khiển điện áp máy phát
Hiệu quả tác động của bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát AVR
(automatic voltage regulator) là điện áp phía cao của MBA tăng áp sẽ được điều
chỉnh. Trong nhiều trường hợp, biện pháp này rất hiệu quả để đảm bảo OĐĐA.
b. Phối hợp các thiết bị bảo vệ và điều khiển


17

Một trong các nguyên nhân dẫn đến SĐĐA là thiếu sự phối hợp giữa các

thiết bị bảo vệ, điều khiển. Do vậy, các nghiên cứu mô phỏng về sự phối hợp của
các thiết bị bảo vệ trong các tình huống khác nhau của hệ thống là rất cần thiết.
c. Điều khiển đầu phân áp của MBA
Người ta có thể thay đổi đầu phân áp của MBA để giảm nguy cơ SĐĐA.
Tuy nhiên, nếu khơng có ảnh hưởng tích cực tại nơi thay đổi đầu phân áp của
MBA thì biện pháp này phải khơng được dùng nữa khi điện áp phía nguồn giảm.
Đầu phân áp chỉ được tiếp tục thay đổi khi điện áp phía nguồn hồi phục.
d. Sa thải phụ tải
Trong một số trường hợp nguy hiểm, người ta phải tiến hành sa thải phụ
tải. Đây là biện pháp rẻ tiền để ngăn chặn hiện tượng SĐĐA lan rộng. Điều này
đúng nếu xác suất các điều kiện và các tình huống khẩn cấp trong hệ thống gây
mất OĐĐA thấp. Tuy nhiên, biện pháp này có thể đem lại những hậu quả
nghiêm trọng. Đặc điểm và vị trí của phụ tải bị sa thải là các yểu tố cần chú ý khi
sử dụng biện pháp này.
Quy trình sa thải phụ tải phải phân biệt được các sự cố, sụt giảm điện áp
thoáng qua, và các điều kiện điện áp thấp dẫn tới hiện tượng SĐĐA. Tuy nhiên,
phương pháp này không nên sử dụng nếu có thể.
e. Sử dụng các thiết bị FACTS
Flexible Alternative Current Transmission Systems (FACTS) là khái niệm
hệ thống điện truyền tải xoay chiều linh hoạt được phát triển dựa trên công nghệ
tiên tiến trong lĩnh vực điện tử công suất.
Thực chất, các thiết bị FACTS là sự kết hợp giữa khả năng đóng/cắt nhanh
của các thiết bị bán dẫn với các mạch điện phức tạp. Ưu điểm của các thiết bị
này là khả năng điều chỉnh nhanh và hiệu quả các thông số ảnh hưởng đến vận


18

hành của các hệ thống truyền tải như điện kháng đường dây, điện áp, dịng điện,
góc pha… nhằm nâng cao sự an toàn (ổn định) khi vận hành các HTĐ [29].

Các thiết bị FACTS chính bao gồm:
- Static Var Compensator (SVC): thiết bị bù ngang điều khiển bằng
Thyristor
- Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC) :thiêt bị bù dọc
được điều khiển thyristor
- Static Sysnchronous Compensator (STATCOM): Bộ tụ bù tĩnh
- Unified Power Flow Control (UPFC): thiết bị điều khiển dịng cơng
suất
Lợi ích của việc áp dụng các thiết bị FACTS vào HTĐ là nâng cao độ tin
cậy và khả năng phản ứng động của hệ thống. Ngoài ra, nếu các thiết bị FACTS
được lắp đặt tại vị trí phù thợp, thì giới hạn công suất truyền tải của hệ thống
tăng lên đáng kể [26]. Hơn nữa, các thiết bị FACTS còn tỏ ra có hiệu quả trong
việc ngăn ngừa SĐĐA.
Tuy nhiên, giá thành của các thiết bị FACTS là một trở ngại lớn khi áp
dụng trong thực tế.
1.3. Hiện tượng điện áp thấp
Một vấn đề liên quan tới SĐĐA là điện áp cho phép. Điện áp cho phép là
một giá trị nằm trong một khoảng lân cận giá trị định mức [25]. Ví dụ điện áp hệ
thống truyền tải thường được điều chỉnh trong phạm vi 5% điện áp định mức. Do
đó, đàm bảo điện áp trong phạm vi cho phép khi có thay đổi trong hệ thống là rất
quan trọng.
Điện áp được quyết định bởi sự cân bằng giữa CSPK yêu cầu và CSPK
phát. Do có tổn thất trên đường dây nên việc truyền tải một lượng lớn CSPK trên


19

đường dây dài thường không hiệu quả. Để khắc phục vấn đề này thì phần lớn
CSPK phụ tải yêu cầu sẽ được cung cấp ngay tại đó. Bên cạnh đó, các máy phát
điện đều có giới hạn phát CSPK nên đây cũng là nguyên nhân ảnh hưởng tới

điện áp trong hệ thống cũng như hiện tượng SĐĐA.
Các thiết bị thực hiện điều chỉnh điện áp bao gồm:
- Các thiết bị bù tĩnh và có thể đóng/cắt được;
- Các thiết bị bù được điều khiển bằng thyristor;
- Các MBA điều áp dưới tải;
- Các máy phát điện.
Hiện tượng điện áp thấp xảy ra khi điện áp các thanh cái trong hệ thống ở
dưới giá trị cho phép nhưng hệ thống điện vẫn có thể vận hành. Do điểm vận
hành ổn định là bền vững và khơng có sự SĐĐA động nên về bản chất hiện
tượng điện áp thấp khác với hiện tượng SĐĐA.
Tăng điện áp bằng cách phát thêm CSPK có thể nâng cao giới hạn xảy ra
SĐĐA. Đặc biệt, các bộ tụ shunt tỏ ra hiệu quả hơn khi cung cấp CSPK tại các
thanh cái có điện áp cao. Tuy nhiên, tăng điện áp bằng cách điều chỉnh đầu phân
áp của các MBA điều áp dưới tải lại có thể làm giảm giới hạn SĐĐA do nhu cầu
CSPK tăng lên.


20

Chương 2
LÝ THUYẾT GIAO NHAU TẠI ĐIỂM YÊN NGỰA
2.1. Khái quát về lý thuyết giao nhau
SĐĐA là một hiện tượng phi tuyến, nên các lý thuyết phi tuyến thường
được áp dụng để phân tích hiện tượng này.
Qua các tài liệu tham khảo được biết, nhiều nhà nghiên cứu trên cơ sở lý
thuyết giao nhau (bifurcation theory) đã giải thích và làm sáng tỏ hiện tượng
SĐĐA. Lý thuyết này được phát triển từ các ý tưởng của các nhà toán học, các
nhà khoa học và các lý thuyết khác trong lĩnh vực kỹ thuật (đặc biệt là lý thuyết
hệ thống phi tuyến động).
Lý thuyết giao nhau nghiên cứu các diễn biến về chất, ví dụ như mất ổn

định, của một hệ thống nào đó khi các thơng số của hệ thống này thay đổi từ từ.
Vì vậy, lý thuyết giao nhau được áp dụng để mơ tả và tính tốn các sự thay đổi
dẫn đến sự mất ổn định của các HTĐ có độ phức tạp và rộng lớn bất kỳ.
Các hiện tượng giao nhau của lý thuyết này được chia thành hai loại chính
như sau:
- Giao nhau tại điểm yên ngựa (saddle node bifurcation): hệ thống
bị mất ổn định khi các thông số hệ thống thay đổi chậm. Hệ quả của nó là
các trạng thái hệ thống sụp đổ động. Sự sụp đổ động của điện áp trong
hiện tượng SĐĐA đã được giải thích dựa trên hiện tượng giao nhau này;
- Giao nhau Hopf (Hopf bifurcation): hệ thống bắt đầu dao động khi
các thông số hệ thống thay đổi. Hệ quả của nó hoặc là dao động ổn định
hoặc là dao động có biên độ lớn dần.


21

Sự giao nhau tại điểm yên ngựa xảy ra khi có thơng số thay đổi gây mất ổn
định của hệ thống. Trong các hệ thống liên tục, sự giao nhau ứng với việc phần
thực một véc tơ trị riêng của phương trình mơ tả hệ thống đi qua điểm 0. Trong
các hệ thống rời rạc, sự giao nhau ứng với một điểm có modun bội số Flouent
bằng 1. Trong cả hai trường hợp này thì phương trình mơ tả hệ thống là không
hypebol tại điểm giao nhau.
Cụ thể hơn, xét một hệ thống động liên tục được môt tả bằng phương trình
vi phân như sau:
Sự giao nhau xảy ra tại (x0, λ0) nếu ma trận Jacobi

có phần thực

một trị riêng bằng 0. Nếu phần ảo trị riêng này bằng 0 thì sự giao nhau này là
giao nhau ổn định. Nếu phần ảo trị riêng này khác 0, thì đây là giao nhau Hopf.

Với hệ thống động rời rạc, phương trình mơ tả hệ thống có dạng:
Do đó, sự giao nhau xảy ra tại (x0,λ0) nếu ma trận

có mođun một

trị riêng bằng một. Nếu trị riêng này bằng 1, thì sự giao nhau này là giao nhau
điểm yên ngựa. Nếu trị riêng này bằng -1, thì đây là giao nhau Hopf. Trong
khuôn khổ luận văn, vấn đề giao nhau Hopf không được đề cập nữa.
2.2. Giao nhau điểm yên ngựa
Giao nhau điểm yên ngựa là sự mất cân bằng của hệ thống khi các thông
số thay đổi từ từ. Đối với lĩnh vực HTĐ, giao nhau điểm yên ngựa xảy ra khi hệ
thống bị mất ổn định. Kết quả của sự mất ổn định như vừa nêu làm trạng thái của
hệ thống thay đổi động. Đặc biệt, sự thay đổi động này có thể làm cho hệ thống
bị SĐĐA. Như vậy, giao nhau điểm yên ngựa có thể gây SĐĐA.


22

2.2.1. Giao nhau điểm yên ngựa của phương trình bậc hai
Giao nhau điểm yên ngựa là một hiện tượng phi tuyến, nên nó khơng xảy
ra trong mơ hình tuyến tính. Tuy nhiên, hiện tượng này có thể được giải thích
bằng nghiệm của một phương trình bậc hai đơn giản.
Giả thiết phương trình có hai nghiệm thực (các điểm cân bằng). Khi hệ số
(thơng số) của phương trình thay đổi từ từ, giá trị hai nghiệm thực thay đổi theo,
có thể bằng nhau hoặc không tồn tại. Sự giao nhau xảy ra tại trường hợp phương
trình có nghiệm kép (trường hợp giới hạn). Nói cách khác, sự giao nhau phân
chia trường hợp có hai nghiệm thực và trường hợp khơng có nghiệm thực.
Xét phương trình sau:
− x2 − p = 0

Biến x là trạng thái hệ thống và p là thông số của hệ thống. Nếu p < 0 thì
phương trình có hai nghiệm thực x (hệ thống có hai điểm cân bằng). Nếu tăng p
bằng 0, thì hai nghiệm thực thành nghiệm kép x = 0. Nếu tiếp tục tăng p (p >0)
thì phương trình khơng có nghiệm thực. Như vậy, các nghiệm thực giao nhau tại
p = 0. Đây chính là điểm phân chia trường hợp có hai nghiệm thực với trường
hợp khơng có nghiệm thực.
2.2.2. Giao nhau điểm yên ngựa của một hệ thống điện đơn giản
Xét một HTĐ đơn giản gồm một máy phát (PV) cấp điện cho phụ tải (PQ)
có hệ số cơng suất khơng đổi (hình 2.1).