Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong hệ thống điện

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

NGUYỄN VĂN NGHIỆP

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ ĐIỀU CHỈNH
GÓC PHA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện – Hệ thống điện

Hà Nội – 2018


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

NGUYỄN VĂN NGHIỆP

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ ĐIỀU CHỈNH
GÓC PHA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện – Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS LÃ VĂN ÚT

Hà Nội – 2018

Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết
quả nghiên cứu nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được công bố
trong bất kỳ một bài luận văn nào khác và các thơng tin trích dẫn trong đoạn văn đều
đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2018
Người cam đoan

Nguyễn Văn Nghiệp

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

1

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian thực hiện luận văn, đến nay đề tài “Nghiên cứu hiệu quả ứng
dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong Hệ thống điện” đã được hoàn thành.
Trong thời gian thực hiện đề tài tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ quý báu của
các đồng nghiệp và các thầy cô giáo trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo GS.TS Lã Văn Út nguyên cán
bộ Bộ môn Hệ thống điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ tơi xây dựng và hồn thành bản luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Hệ thống điện- Viện
Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi
trong q trình học tập, cơng tác, nghiên cứu và hồn thành luận văn.

Xin trân trọng cảm ơn!

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

2

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
MỤC LỤC
1. Lời cam đoan

Trang 1

2. Lời cảm ơn

2

3. Các ký hiệu

5

4. Mở đầu

10

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ FACTS ỨNG DỤNG TRONG HTĐ
1.1. Giới thiệu chung

12

1.2. Đặt vấn đề

15

1.3. Phân loại các thiết bị FACTS

16

1.3.1. Kháng điều khiển bằng thyristor TCR

19

1.3.2. Kháng đóng cắt bằng thyristor TSR

22

1.3.3. Tụ đóng cắt bằng thyristor TSC

23

1.4. Hiệu quả cơ bản và ứng dụng các thiết bị FACTS

25

1.5. Kết luận

27

CHƯƠNG 2 – CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ ĐIỀU
CHỈNH GÓC PHA
2.1. Đặt vấn đề

28

2.2. Các máy biến áp điều chỉnh nối tiếp và khả năng điều chỉnh góc pha

29

2.2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc

29

2.2.2. Khả năng thay đổi góc pha và hiệu quả tác động

30

2.3. Cấu trúc điều khiển bằng Thyristor của TCPAP

32

2.3.1. Điều chỉnh rời rạc

32

2.3.2. Nguyên lý hoạt động

33

2.4. Hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha khắc phục hậu

36

quả nghẽn mạch
2.5. Kết Luận

38

CHƯƠNG 3– MƠ HÌNH TCPAR TRONG TÍNH TỐN CHẾ ĐỘ XÁC LẬP
3.1. Sơ đồ thay thế các phần tử cơ bản.

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

39

3

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
3.1.1. Các đường dây tải điện.

39

3.1.2. Các máy biến áp điện lực.

41

3.2. Mơ hình tính tốn CĐXL HTĐ có máy biến áp (nhiều cấp điện áp)

42

3.2.1. Trường hợp có thể quy đổi lưới về sơ đồ về một cấp điện áp

42

3.2.2. Mơ hình CĐXL HTĐ xét đến sự thay đổi góc pha các máy biến

45

áp
3.3. Mơ hình tính tốn TCPAR.

49

3.4. Kết luận chương 3

50

CHƯƠNG 4 – ỨNG DỤNG TCPAR TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
4.1. Giới thiệu phần mềm tính tốn hệ thống điện CONUS

51

4.2. Nội dung nghiên cứu ứng dụng TCPAR điều chỉnh CĐXL của

51

HTĐ
4.3. Kết quả tính tốn phân bố cơng suất trong lưới khi chưa đặt

54

TCPAR
4.4. Kết quả tính tốn phân bố cơng suất trong lưới khi có sử dụng

58

TCPAR
1. Sử lí nghẽn mạch khi phụ tải đạt 95% phụ tải cực đại (trong khoảng

58

thời gian từ (8-10)h; (16-20)h).
2. Sử lí nghẽn mạch khi phụ tải đạt 100% phụ tải cực đại (trong khoảng

67

thời gian từ (12-16)h).
4.5. Kết Luận.

74

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ

75

TÀI LIỆU THAM KHẢO

76

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

4

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ

CÁC KÝ HIỆU
AC/DC:

Alternative

Current/Direct

Current

(dịng

điện

xoay

chiều/mộtchiều)
BESS:

Battery Energy Storage System (hệ thống lưu trữ năng lượng
sử dụng pin hóa học)

CĐQĐ:

Chế độ quá độ

CĐXL:

Chế độ xác lập

CSC:

Current Sourced Convertor (bộ biến đổi nguồn dịng)

CSTD:

Cơng suất tác dụng

CSPK:

Cơng suất phản kháng

ĐCĐA:

Điều chỉnh điện áp

FACTS:

Flexible Alternative Current Transmission System (hệ thống

truyền tải điện xoay chiều linh hoạt)

GTO:

Gate turn-off (thyristor đóng cắt)

HTĐ:

Hệ thống điện

LĐPP:

Lưới điện phân phối

LĐTT:

Lưới điện truyền tải

MBA:

Máy biến áp

NMĐ:

Nhà máy điện

SSR:

Sub-synchronous Resonance (cộng hưởng tần số dưới đồng
bộ)

SSSC:

Static Synchronous Series Compensator (bộ nguồn bù dọc
đồng bộ tĩnh)

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

5

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
STATCOM:

Static Synchronous Compensator (máy bù đồng bộ tĩnh)

SVC:

Static Sar Compensator (tụ bù ngang có điều khiển)

TCR:

Thyristor Controlled Reactor (kháng điện điều khiển bằng
Thyristor)

TCPAR:

Thyristor Controlled Phase Angle Regulator (thiết bị điều

chỉnh góc pha điều khiển bằng Thyristor)

TCSC:

Thyristor Controlled Series Capacitor (tụ bù dọc điều khiển
bằng Thyristor)

TCVR:

Thyristor Controlled Voltage Regulator (thiết bị điều chỉnh
điện áp điều khiển bằng Thyristor)

TSC:

Thyristor Switched Compensator (tụ điện đóng cắt bằng
Thyristor)

TSSC:

Thyristor Switched Series Capacitor (tụ bù dọc đóng cắt
bằng Thyristor)

TSSR

Thyristor Switched Series Reactor (kháng bù dọc đóng cắt
bằng Thyristor)

TJPFC:

Unified Power Flow Controler (bộ điều khiển công suất tổng

hợp)

VSC:

Voltage Sourced Convertor (bộ biến đổi nguồn áp)

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

6

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ, PHỤ LỤC
Hình 1.1a. Các thiết bị mắc nối tiếp

Trang 17

Hình 1.1b. Các thiết bị mắc song song

17

Hình 1.1c. Các thiết bị mắc nối tiếp-nối tiếp

18

Hình 1.1d. Các thiết bị mắc nối tiếp-song song

18

Hình 1.1e. Các thiết bị mắc nối tiếp-song song

19

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý của TCR

19

Hình 1.3. Dạng sóng theo góc mở α

20

Hình 1.4. Biên độ của thành phần cơ bản dòng điện qua TCR phụ thuộc góc

21

mở α
Hình 1.5. Đặc tính V-I của TCR

21

Hình 1.6. Biên bộ các thành phần bậc cao của TCR so với góc a

22

Hình 1.7. Cấu tạo của TSC

23

Hình 1.8. Đặc tính V-I của TSC

24

Hình 1.9. Tổng kết các thiết bị FACTS

25

Hình 2.1

29

Hình 2.2

30

Hình 2.3

30

Hình 2.4. Đặc tính thay đổi cơng suất khi dịch chuyển góc pha

31

Hình 2.5. Q trình điều khiển nâng cao ổn định động khi ngắn mạch

32

Hình 2.6. Sơ đồ sử dụng Thyristors để thay đổi số vịng dây MBA

33

Hình 2.7. Điều chỉnh liên tục điện áp

34

Hình 2.8. Mơ đun và góc pha của điện áp cơ bản

35

Hình 2.9. Mơ đun của các thành phần bậc cao

35

Hình 2.10. Sơ đồ đấu nối 3 pha của MBA có điều chỉnh pha rời rạc vào

36

đường dây
Hình 2.11

37

Hình 3.1. Sơ đồ thay thế đường dây 35kV

39

Hình 3.2. Đường dây trên khơng điện áp cao và các đường dây cáp

40

Hình 3.3. Mơ hình chuỗi các mắt xích hình π

40

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

7

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
Hình 3.4. Mơ hình theo sơ đồ hình π tổng hợp

41

Hình 3.5. Sơ đồ thay thế máy biến áp 2 cuộn dây

41

Hình 3.6. Sơ đồ thay thế máy biến áp 3 cuộn dây

42

Hình 3.7

43

Hình 3.8

43

Hình 3.9

46

Hình 3.10

49

Hình 4.1. Lưới điện tính tốn

52

Hình 4.2. Biểu đồ phụ tải (%)

54

Hình 4.3: Phân bố cơng suất từ (0-4)h; (20-24)h

55

Hình 4.4: Phân bố cơng suất từ (4-8)h; (10-12)h

56

Hình 4.5: Phân bố cơng suất từ (8-10)h; (16-20)h

56

Hình 4.6: Phân bố cơng suất từ (12-16)h

57

Hình 4.7: Phân bố cơng suất khi phụ tải đạt 92% phụ tải cực đại

57

Hình 4.8: Phân bố công suất từ (8-10)h; (16-20)h khi điều chỉnh góc pha 1 độ

59

Hình 4.9: Phân bố cơng suất từ (8-10)h; (16-20)h khi điều chỉnh góc pha 2 độ

60

Hình 4.10: Phân bố công suất từ (8-10)h; (16-20)h khi điều chỉnh góc pha 3 độ

60

Hình 4.11: Phân bố cơng suất từ (8-10)h; (16-20)h khi điều chỉnh góc pha 5 độ

61

Hình 4.12: Phân bố công suất từ (8-10)h; (16-20)h khi điều chỉnh góc pha 7 độ

61

Hình 4.13: Phân bố cơng suất từ (8-10)h; (16-20)h khi điều chỉnh góc pha 8 độ

62

Hình 4.14: Phân bố công suất từ (8-10)h; (16-20)h khi điều chỉnh góc pha 9 độ

62

Hình 4.15: Phân bố cơng suất từ (8-10)h; (16-20)h khi điều chỉnh góc pha 10 độ

63

Hình 4.16: Phân bố cơng suất từ (12-16)h khi điều chỉnh góc pha 1 độ

67

Hình 4.17: Phân bố cơng suất từ (12-16)h khi điều chỉnh góc pha 2 độ

68

Hình 4.18: Phân bố cơng suất từ (12-16)h khi điều chỉnh góc pha 3 độ

68

Hình 4.19: Phân bố cơng suất từ (12-16)h khi điều chỉnh góc pha 5 độ

69

Hình 4.20: Phân bố cơng suất từ (12-16)h khi điều chỉnh góc pha 7 độ

69

Hình 4.21: Phân bố cơng suất từ (12-16)h khi điều chỉnh góc pha 8 độ

70

Hình 4.22: Phân bố cơng suất từ (12-16)h khi điều chỉnh góc pha 9 độ

70

Hình 4.23: Phân bố cơng suất từ (12-16)h khi điều chỉnh góc pha 10 độ

71

Bảng 1.1. So sánh hiệu quả điều khiển của một số thiết bị FACTS

27

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

8

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
Bảng 4.1 Thơng số phụ tải trong quá trình vận hành của lưới điện

53

Bảng 4.2: Phân bố dịng điện tính tốn của các đoạn đường dây

55

Bảng 4.3: Dòng điện chạy trên các đường dây khi đạt 95% phụ tải cực đại

63

Bảng 4.4: Công suất chạy trên các đường dây khi đạt 95% phụ tải cực đại

64

Bảng 4.5: Dòng điện chạy trên các đường dây khi đạt 100% phụ tải cực đại

71

Bảng 4.6: Công suất chạy trên các đường dây khi đạt 100% phụ tải cực đại

72

Phụ lục 1

77

Phân bố công suất trên các đoạn đường dây của lưới điện khi phụ tải đạt 95%
phụ tải cực đại (trong khoảng thời gian (8-10)h; (16-20)h)
(Khi chưa có thiết bị TCPAR)
Phụ lục 2

81

Phân bố cơng suất trên các đoạn đường dây của lưới điện khi phụ tải đạt 95%
phụ tải cực đại (trong khoảng thời gian (8-10)h; (16-20)h)
(Khi có thiết bị TCPAR góc pha điều chỉnh là 2 độ)
Phụ lục 3

85

Phân bố công suất trên các đoạn đường dây của lưới điện khi phụ tải đạt
100% phụ tải cực đại (trong khoảng thời gian (12-16)h)
(Khi chưa có thiết bị TCPAR)
Phụ lục 4

89

Phân bố công suất trên các đoạn đường dây của lưới điện khi phụ tải đạt
100% phụ tải cực đại (trong khoảng thời gian (12-16)h)
(Khi có thiết bị TCPAR góc pha điều chỉnh là 7 độ)

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

9

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ

MỞ ĐẦU
1. Mục đích nghiên cứu và lý do chọn đề tài.

Liên kết các lưới điện với nhau đang là xu hướng phát triển của hệ thống điện
(HTĐ) hiện đại nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế trong sản xuất, vận hành. Nhưng
chính điều này làm cho HTĐ ngày càng phức tạp về quy mô, rộng lớn về không gian
và đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật khá phức tạp cần được giải quyết trong thiết kế cũng
như vận hành. Với một hệ thống điện Việt Nam trong quá trình vận hành thường xảy
ra hiện tượng quá tải trên một số đường dây, để đảm bảo các đường dây vận hành
bình thường khơng bị quá tải, việc giải quyết vấn đề quá tải có nhiều cách như tăng
tiết diện đường dây, bù công suất phản kháng….. Tuy nhiên, việc điều chỉnh góc pha
trong hệ thống điện để phân bố lại dịng cơng suất trên các đoạn đường dây cũng là
phương án được áp dụng để vận hành HTĐ.
Hiện nay, điều chỉnh góc pha để phân bố lại dịng cơng suất trên các đoạn
đường dây ta dùng các máy biến áp để điều chỉnh góc pha, phương pháp truyền
thống này có nhược điểm là điều khiển chậm, không linh hoạt và chỉ điều chỉnh được
với công suất nhỏ.
Với việc phát triển của công nghệ điều khiển số được áp dụng trong hệ thống
điện “Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt” FACTS (Flexible Altemating
Current Transmission System). Việc áp dụng thiết bị điều chỉnh góc pha (TCPAR)
vào trong hệ thống điện là rất thuận tiện.
Việc nghiên cứu thiết bị điều chỉnh góc pha (TCPAR) để ứng dụng vào hệ
thống điện nó giải quyết vấn đề điều chỉnh góc pha phân bố lại dịng cơng suất chạy
trên các đường dây một cách tức thời điều khiển nhanh, linh hoạt và điều chỉnh được
với các góc nhỏ mà phương pháp truyền thống không đáp ứng được.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-

Đối tượng nghiên cứu: Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các thiết bị
FACTS để ứng dụng trong hệ thống điện.

-

Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha TCPAR trong
hệ thống điện.

3. Nội dung nghiên cứu
-

Tổng quan về các thiết bị FACTS ứng dụng trong hệ thống điện.

-

Hiệu quả của việc ứng dụng thiết bị FACTS vào hệ thống điện.

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

10

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
-

Mơ hình thiết bị điều chỉnh góc pha (TCPAR) trong các phần mềm tính tốn
phân tích hệ thống điện.

-

Phân tích hiệu quả dùng (TCPAR) để phân bố công suất trên các đường dây
trong hệ thống điện

4. Bố cục luận văn
Luận văn được chia thành 4 chương gồm các nội dung chính như sau:
+ Chương 1: Tổng quan về các thiết bị FACTS ứng dụng trong HTĐ;
+ Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị điều chỉnh góc pha;
+ Chương 3: Mơ hình TCPAR trong tính tốn chế độ xác lập;
+ Chương 4: Ứng dụng TCPAR trong hệ thống điện.
5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài.
5.1.

Ý nghĩa khoa học của đề tài.

- Nghiên cứu, khai thác phần mềm CONUS để phân tích mơ phỏng hệ thống
điện. Trên cơ sở đó tính tốn điều chỉnh góc pha trong hệ thống điện để phân bố lại
công suất trên các đoạn đường dây khi vận hành xảy ra hiện tượng quá tải.
5.2.

Tính thực tiễn của đề tài.

- Ứng dụng thiết bị điều chỉnh góc pha (TCPAR) vào trong vận hành hệ thống
điện giải quyết được vấn đề quá tải trên các đường dây, điều khiển nhanh, linh hoạt
giá thành thấp.

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

11

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ FACTS ỨNG DỤNG TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. Giới thiệu chung:
Xu hướng liên kết các HTĐ nhỏ thành HTĐ hợp nhất bằng các đường dây
truyền tải điện (thường là 3 pha) siêu cao áp đang được phát triển tại nhiều quốc gia,
khu vực trên thế giới. Đây là xu hướng phát triển tất yếu của các hệ thống điện hiện
đại nhằm nâng cao tính kinh tế - kỹ thuật trong sản xuất, vận hành các hệ thống điện
thành viên.
Tuy vậy, khả năng truyền tải công suất giữa các HTĐ nhỏ lại bị giới hạn bởi các
yếu tố vật lý, điện từ bao gồm:
+ Giới hạn về nhiệt: Giới hạn tối đa của dòng điện mà đường dây hoặc thiết bị
điện có thể chịu được trong một khoảng thời gian quy định.
+ Giới hạn về cách điện: Sự thay đổi điện áp phải được duy trì trong phạm vi
cho phép, khơng gây nguy hiểm cho cách điện của đường dây và thiết bị điện.
+ Giới hạn về ổn định: Giới hạn đảm bảo cho mạng lưới truyền tải phải có khả
năng phục hồi trạng thái ổn định sau những kích động thông qua các khoảng thời
gian quá độ. Sự mất ổn định có thể dẫn đến việc mất đồng bộ của các máy phát, hệ
thống rơi vào trạng thái mất điều khiển, sụp đổ điện áp có thể dẫn đến sự cố mất một
phần hoặc tan dã cả hệ thống, gián đoạn cung cấp điện trên diện rộng.
Các giới hạn trên xác định công suất tối đa truyền tải được mà không gây nguy
hiểm đến đường dây truyền tải và các thiết bị điện, về lý thuyết, giới hạn truyền công
suất trong hệ thống có thể cải thiện bằng cách xây dựng các đường dây truyền tải
mới. Nhưng điều này yêu cầu khoản vốn đầu tư lớn, thời gian thi công cũng như quỹ
đất cho các hành lang an toàn của đường dây mới. Với yêu cầu lớn về công suất, gia
tăng khoảng cách truyền tải, cũng như giảm chi phí năng lượng địi hỏi những cơng
nghệ mới nhằm khai thác triệt để các khả năng của HTĐ hiện có mà không ảnh

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

12

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
hưởng đến sự an toàn của hệ thống.
Đáp ứng nhu cầu trên, các thiết bị điều chỉnh điện tử công suất được nghiên cứu chế
tạo và đưa vào ứng dụng trong điều khiển HTĐ đầu tiên tại Mỹ từ những năm 1974.
Cùng với sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực điều khiển tự động và công nghệ
chế tạo thiết bị điện tử công suất đã tạo ra những bộ điều khiển công suất lớn để điều
khiển hệ thống điện. Thuật ngữ “Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt”
FACTS (Flexible Altemating Current Transmission System) dùng để chỉ việc sử
dụng các thiết bị điện tử công suất lớn để điểu khiển HTĐ. Các thiết bị FACTS được
sử dụng nhằm giải quyết 2 vấn đề là:
+ Tăng khả năng truyền tải của đường dây
+ Điều khiển linh hoạt công suất trong hệ thống điện
Hiện nay, có rất nhiều cơng trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS, đặc
biệt là sử dụng các thiết bị phát nguồn công suất phản kháng cho hệ thống điện nhằm
đảm bảo ổn định cho hệ thống. Tuy nhiên, việc đánh giá, lựa chọn thiết bị phát công
suất nào hợp lý, cũng như dung lượng bù tối ưu trong phân tích ở chế độ xác lập, quá
độ là chưa được quan tâm sâu sắc.
Theo thực tế hiện nay, hệ thống điện chúng ta đang sử dụng là hệ thống điện
xoay chiều. Hệ thống điện xoay chiều là một hệ thống điện phức tạp, gồm có các máy
phát đồng bộ, đường dây truyền tải, máy biến áp, các thiết bị bù, các phụ tải…và
được chia thành ba khâu là sản xuất, truyền tải và phân phối.
Một hệ thống điện xoay chiều hoạt động cơ bản phải thỏa các yêu cầu sau:
- Các máy phát điện làm việc trong chế độ đồng bộ.
- Điện áp vận hành nằm trong giới hạn cho phép theo qui định.

- Tần số vận hành nằm trong giới hạn cho phép theo qui định.
- Các phụ tải phải được cung cấp nguồn điện đầy đủ.
- Các đường dây phải được vận hành ở điều kiện bình thường không quá tải.

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

13

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
Trong hệ thống điện, công suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vào
tổng trở đường dây, điện áp và góc truyền tải giữa điểm đầu và điểm cuối của đường
dây, những đại lượng này giới hạn công suất truyền tải trên đường dây. Vì vậy, khả
năng truyền tải cơng suất của đường dây được cải thiện đáng kể bằng việc tăng công
suất phản kháng ở phía phụ tải, lắp cuộn kháng bù ngang (mắc song song), tụ điện bù
dọc (mắc nối tiếp) vào đường dây để điều khiển điện áp dọc theo chiều dài đường
dây.
Để nâng cao chất lượng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt
Nam, hiện tại đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bù
công suất phản kháng. Tuy nhiên, các thiết bị bù đó vẫn chưa đáp ứng được các yêu
cầu về phản ứng nhanh nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công
suất phản kháng. Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS-Flexible
AC Transmission System) đã đáp ứng được yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy cũng
như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc.
FACTS dùng để nâng cao khả năng điều khiển hệ thống điện và tăng khả năng
truyền tải công suất trên đường dây.
FACTS được định nghĩa bởi IEEE là: “Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử
công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ

thống đường dây tải điện xoay chiều, qua đó nâng cao khả năng điều khiển và khả
năng truyền tải công suất”.
Qua định nghĩa FACTS, nhận thấy tầm quan trọng của thiết bị FACTS đến hệ
thống điện có sự ảnh hưởng rất lớn về kinh tế và kỹ thuật.
Trong thực tế, do tính chất tiêu thụ điện ở từng thời điểm luôn khác nhau, cho
nên tình trạng vận chuyển cơng suất trên các đường dây truyền tải cũng khác nhau,
có thể tại một thời điểm trên hệ thống sẽ có những đường dây bị quá tải trong khi các
đường dây khác thì non tải và ngược lại.
Với đà phát triển cơng nghiệp hóa như hiện nay, đòi hỏi nhu cầu truyền tải để
đáp ứng cho các phụ tải ngày càng cao và hiện nay đường dây truyền tải cao áp luôn
Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

14

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
đặt trong trình trạng báo động về giới hạn vật lý của chúng như là quá tải đường dây,
những hiện tượng nhiễu hệ thống như là hiện tượng dao động tần số, điện áp….
Nhằm tăng khả năng truyền tải điện năng trên hệ thống điện, khắc phục những
nhược điểm nêu trên, trên thế giới người ta đã sử dụng các thiết bị FACTS. Các thiết
bị này được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của đường dây cao
áp. Các thiết bị FACTS đã giúp cho nhà cung cấp điện những lợi ích sau đây:
- Tận dụng lưới truyền tải hiện hữu để lắp đặt các thiết bị FACTS.
- Giảm chi phí đầu tư.
- Tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải.
- Tăng độ ổn định quá độ của lưới.
- Tăng chất lượng cung cấp điện năng cho các ngành công nghiệp và các
ngành có yêu cầu chất lượng điện năng cao.

- Ảnh hưởng không đáng kể đến môi trường xung quanh.
1.2. Đặt vấn đề:
Để hệ thống điện hoạt động linh hoạt ở mọi tình huống, kể cả tình huống sự cố
nghiêm trọng nhất, thì phải có thiết bị để điều khiển các đại lượng trong hệ thống
điện. Đại lượng được nghiên cứu trong luận văn này chính là đại lượng góc lệch pha,
theo nhận định trong quá trình vận hành thực tế lưới điện nhu cầu công suất của các
phụ tải biến đổi liên tục, vì vậy trong quá trình vận hành thường xảy ra hiện tượng có
một số đường dây bị quá tải trong khi một số đường dây khác lại non tải vẫn còn khả
năng mang thêm tải. Hiện tượng quá tải nó có thể gây ra mất ổn định của hệ thống
điện.
Việc phân bố công suất truyền tải trên các đường dây để đảm bảo các đường
dây làm việc bình thường không bị quá tải (nghẽn mạch) là rất quan trọng, nếu xảy ra
quá tải trên một số đường dây với dòng điện chạy trên đường dây lớn hơn nhiều so
với giới hạn cho phép của dây dẫn sẽ không đảm bảo kỹ thuật.

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

15

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
Trước đây, khi mà thiết bị điện tử công suất cao chưa phát triển mạnh thì việc
điều chỉnh phân bố cơng suất trên các đường dây dùng các máy biến áp (phương
pháp truyền thống) bị hạn chế và thời gian đáp ứng cũng rất chậm, bởi vì lúc đó ta
phải thực hiện việc đóng cắt các khóa cơ khí các phần tử điện như là cuộn dây, tụ
điện, bộ chuyển đổi nấc máy biến áp….
Ngày nay, với sự phát triển mạnh và nhanh của các thiết bị điện tử công suất
lớn, điện áp cao cho nên công nghệ FACTS ra đời nhằm giúp cho q trình thực hiện

điều khiển cơng suất trên các đường dây của hệ thống điện, cụ thể là đường dây
truyền tải được linh hoạt và nhanh chóng, một số nước tiên tiến đã sử dụng thiết bị
FACTS trong mạng truyền tải, cụ thể như Mỹ, Canada, Brazil… là những nước tiên
phong sử dụng công nghệ FACTS. Các thiết bị FACTS thường được sử dụng là:
- SVC (Static Var Compensator): Bộ bù công suất VAR tĩnh.
- UPFC (Unified Power Flow Controller): Bộ điều khiển dịng cơng suất hợp nhất.
- STATCOM (Static Synchronous Compensator): Bộ bù đồng bộ tĩnh.
-TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator): Bộ bù dọc điều khiển thyristor.
- SSSC (Static synchronous series compensator): Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh.
- HVDC (Hight voltage direct current): Dòng một chiều điện áp cao.
1.3. Phân loại thiết bị FACTS:
FACTS được định nghĩa bởi IEEE là: “Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử
công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ
thống đường dây tải điện xoay chiều, qua đó nâng cao khả năng điều khiển và khả
năng truyền tải công suất”.
Các thiết bị FACTS có phép thay đổi các thơng số hệ thống, thơng số chế độ bao
gồm điện kháng đường dây, điện áp, dịng điện, góc pha và các dao động ở các tần số
khác so với tần số cơ bản. Các thông số này được điều chỉnh không vượt quá trị số
cho phép mà vẫn giữ cho hệ thống ổn định như, nâng cao tối đa khả năng mang tải
của đường dây. Bằng việc sử dụng các thiết bị có tính linh hoạt cao, FACTS cho

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

16

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
phép điều khiển cơng suất gần như tức thời, làm tăng khả năng điều khiển HTĐ.

Nhưng cũng cần nói thêm các thiết bị FACTS là các thiết bị bổ trợ, chứ không thể
thay thế hồn tồn các thiết bị đóng cắt cơ khí.
Các thiết bị FACTS có thể chia thành 3 loại:
Các thiết bị mắc nối tiếp: (Hình 1.1.a) Có thể là một điện kháng (tụ điện hay
kháng điện) có thể thay đổi giá trị hoặc là một bộ biến đổi nguồn có tần số bằng tần
số lưới dựa trên các thiết bị điện tử công suất. Các thiết bị này đưa vào một điện áp
nối tiếp với đường dây, nó chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ cơng suất phản kháng.

Hình 1.1.a: Các thiết bị mắc nối tiếp
Các thiết bị mắc song song: (Hình 1.1.b) Giống như ở trên, các thiết bị này có
thể là một điện kháng (tụ điện hay kháng điện) có thể thay đổi giá trị hoặc là một
nguồn có thể thay đổi dựa trên các thiết bị điện tử công suất, về nguyên lý, tất cả các
thiết bị này đưa thêm vào đường dây 1 nguồn dòng tại điểm nối vào. Khi tổng trở
song song được mắc vào dây nguồn, tạo ra dịng điện biến đổi khi đó nó được thay
thế như một nguồn dịng bù vào dây dẫn.

Hình 1.1.b: Các thiết bị mắc song song
Các thiết bị mắc hỗn hợp:
+ Các thiết bị mắc nối tiếp – nối tiếp: (Hình 1.1.c) Có thể là các sự kết hợp
của các bộ điều khiển nối tiếp riêng lẻ, được điều khiển phối hợp trong hệ thống
Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

17

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
nhiều đường dây truyền tải. Hoặc nó cũng có thể là một bộ điều khiển khối, trong đó
bộ điều khiển nối tiếp bù cơng suất phản kháng nối tiếp độc lập cho mỗi đường dây

nhưng cũng truyền công suất tác dụng giữa các đường dây qua đường truyền công
suất.
Khả năng truyền công suất tác dụng của thiết bị nối tiếp - nối tiếp được coi như có
khả năng cân bằng cả dịng cơng suất tác dụng, cơng suất phản kháng, do đó tận dụng
tối đa khả năng sử dụng của hệ thống truyền tải.

Hình 1.1.c: Các thiết bị mắc nối tiếp-nối tiếp
+ Các thiết bị mắc nối tiếp - song song: (Hình 1.1.d, e) Đây có thể là sự kết hợp
những thiết bị điều khiển song song và nối tiếp riêng biệt được điều khiển kết hợp
hoặc điều khiển hợp nhất dòng năng lượng với các phần tử nối tiếp và song song. Về
nguyên tắc, bộ điều khiển kết hợp nối tiếp - song song đưa dòng vào hệ thống nhờ
phần tử song song của bộ điều khiển, bộ điều khiển hợp nhất nối tiếp - song song sẽ
có sự trao đổi cơng suất tác dụng giữa bộ điều khiển nối tiếp và song song thơng qua
đường dẫn cơng suất.

Hình 1.1.d: Các thiết bị mắc nối tiếp-song song

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

18

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ

Hình 1.1.e: Các thiết bị mắc nối tiếp-song song
1.3.1. Kháng điều khiển bằng thyristor TCR.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động TCR:
Về cấu tạo, TCR bao gồm cuộn dây điện cảm với 2 Thyristor nối ngược chiều

nhau (Hình 1.2). Để phân bố hợp lý về điện áp trên cách điện cuộn dây, người ta
thường chia cuộn cảm thành 2 phần, Thyristor nối vào điển giữa.

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý của TCR
Hình 1.3. Cấu tạo của TCR Dịng điện trong điện kháng có thể được điều
khiển bằng cách điều khiển góc mở thyristor. Góc điều khiển (góc mở) α là góc tính
từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm thyristor được phát xung vào cực điều khiển
để mở van. Thời điểm mở tự nhiên là thời điểm mà ở đó nếu van là diode thì nó bắt
đầu dẫn. Góc mở có thể thay đổi trong khoảng từ 00 đến 900, với α thay đổi, dịng
điện thay đổi có dạng biến thiên phức tạp như hình 2.2. Dịng điện IL chạy qua TCR
thay đổi từ giá trị lớn nhất Imax giảm đến 0. Với góc α thay đổi theo thời gian (khi góc
mở α = 900). Dịng điện này khơng có dạng hình sin mà có dạng hàm chu kỳ với tần
số bằng tần số của nguồn (f = 50Hz). Giá trị của dòng điện chạy qua TCR là một
hàm biến thiên phụ thuộc vào góc điều khiển α.
Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

19

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
Ta thấy thyristor sẽ bị khóa khi dịng điện qua 0, do đó ta có thể chủ động
được khoảng dẫn dịng của thyristor, người ta đưa ra khái niệm góc dẫn dịng. Khi
góc mở α tăng thì góc dẫn dịng α giảm, khi α = 900 thì góc dẫn dịng và dịng qua
điện kháng bằng 0. Tuy nhiên, việc điều chỉnh dòng điện trong điện kháng chỉ diễn
ra 1 lần trong mỗi nửa chu kỳ, trong khoảng thời gian từ 0 đến π/2.

Hình 1.3: Dạng sóng theo góc mở α
Đặc tính điều chỉnh của TCR.

Xét quan hệ biên độ của thành phần dòng điện cơ bản với góc trễ α. Để dễ
biểu diễn hàm ta sử dụng góc ζ=α-π/2. Góc này thay đổi từ 00 đến 900. Khi ζ=0
thyristor mở liên tục cho dòng điện chạy qua tương ứng với mạch điện cảm L thơng
thường. Với dịng điện chậm sau điện áp góc π/2 biên độ.
Phân tích iL(t) ta có biên độ của thành phần dịng điện cơ bản IIF(α) có thể
được biểu thị là hàm của góc α như sau:
V
2
1
I LF ( ) 
(1    sin 2 ) (2.1)
 .L


Công thức 2.1 có thể viết theo quan hệ tổng dẫn IIF(α) = V.BTCR (α)
1
1
2
1
Hay BTCR ( )  Bmax (1    sin 2 ) (2.2) với Bmax 

 .L
XL



Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

20

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ

Hình 1.4. Biên độ của thành phần cơ bản dòng điện qua TCR phụ thuộc góc mở α
Theo cơng thức (2.2), điện dẫn BTCR(α) được xác định từ biên độ của thành
phần dòng điện cơ bản ILF(α) trong TCR ở 1 điện áp nguồn cho trước. Với TCR, biên
độ lớn nhất của điện áp nguồn và của dòng điện bị giới hạn bởi các giá trị định mức
công suất của điện kháng và thyristor. Do dó TCR có thể làm việc ở bất cứ điểm nào
trong vùng V-I xác định, đường biên của nó xác định bằng điện dẫn lớn nhất có thể
đạt được, điện áp và dòng điện định mức, như minh họa trên hình 1.5. Giới hạn của
TCR được thiết lập khi thiết kế từ yêu cầu vận hành thực tế.

Hình 1.5. Đặc tính V-I của TCR
Khi điều khiển góc mở dẫn đến dạng sóng của dịng điện khơng cịn là hình
sin. Nói cách khác, ngồi thành phần cơ bản, TCR cịn sinh ra các sóng hài. Trong
nửa chu kỳ dịng điện dương, âm xác định, chỉ có các sóng hài bậc lẻ mới được tạo
ra. Biên độ của các sóng này là hàm của góc trễ α, biểu thị trong cơng thức sau:

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

21

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
I Ln ( ) 

4.V sin . cos(n )  n cos .sin( n )
(
) (2.3)
.L
n(n 2  1)

Với n = 2k+1, k = 1, 2, 3,...

Hình 1.6. Biên bộ các thành phần bậc cao của TCR so với góc a
Có thể dễ dàng nhận được các thành phần sóng hài bằng cách khai triển
Fourier. Thực ra thành phần làm việc của dòng điện chạy qua TCR chỉ là thành phần
cơ bản, vì các thành phần bậc cao có trị số nhỏ, thường bị lọc khỏi sơ đồ.
Để giảm trị số các thành phần bậc cao ở mạch ngoài TCR, người ta sẽ sử dụng
bộ lọc sóng hài. Thơng thường, các bộ lọc này là các nhánh LC, LCR nối tiếp nhau
và song song với TCR. Tần số lọc được chú ý là bậc 5, 7, và đôi khi là bậc 11, 13.
Các bộ lọc tần số cao có thể được thực hiện bằng nối song song điện kháng với 1
trong các nhánh bộ lọc LC với 1 điện trở nhằm duy trì độ suy giảm hợp lý ở tần số
cao hơn mà bộ lọc trên khơng có hiệu quả. Trong rất nhiều ứng dụng thực tế, nhờ
hiện tượng cộng hưởng và không cân bằng trong hệ thống AC, hoặc điều khiển độc
lập các nhóm 3 TCR (1pha), có thể yêu cầu dùng nhánh bộ lọc tuned ở tần số hài bậc
3.
1.3.2. Kháng đóng cắt bằng thyristor TSR.
Về cấu tạo TSR (Thyristor Switched Reactor) hồn tồn giống TCR, tuy nhiên
góc trễ điều khiển ln ln chỉ có 2 giá trị α = 900 hoặc α = 1800. Khi α = 900 các
thyristor liên tục mở cuộn dây có dịng điện chạy qua lớn nhất. Khi α = 1800 dòng

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

22

MHHV: CA160496-KTĐ


Đế tài: Nghiên cứu hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều chỉnh góc pha trong HTĐ
điện kháng bị ngắt đột ngột do các thyristor ln bị khóa.
Các TSR được chế tạo nhằm phối hợp với TCR khi cần có phạm vi điều chỉnh
rộng cho CSPK. So với chỉ dùng TCR tổ hợp có lợi hơn do giảm được mặt tổn thất
và sóng hài bậc cao.
1.3.3. Tụ đóng cắt bằng thyristor TSC
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
TSC (Thyristor Switched Capacitor): Tụ điện đóng cắt bằng thyristor, gồm 2
van thyristor mắc song song ngược, nối tiếp với tụ điện, 1 điện kháng tương đối nhỏ
để chặn dịng điện xung kích trong các điều kiện vận hành khơng bình thường, nó
cũng có thể được sử dụng để tránh hiện tượng cộng hưởng với điện kháng hệ thống
xoay chiều ở tần số cụ thể nào đó. Điện dung của nó được thay đổi theo dạng bậc
thang, theo trạng thái dẫn dòng hay khóa của van thyristor.
TSC được điều khiển đóng mở với góc α cố định, nhằm đóng cắt các bộ tụ
điện, từ đó thay đổi dịng cơng suất phản kháng đưa vào hệ thống. Cũng như TSR,
TSC cũng không thể thay đổi công suất phản kháng bơm vào bằng cách điều chỉnh
góc mở α của van dẫn.

Hình 1.7. Cấu tạo của TSC

Học viên: Nguyễn Văn Nghiệp

23

MHHV: CA160496-KTĐ