Một số phương pháp tối ưu công suất phản kháng trong hệ thống điện và ứng dụng

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

NGUYỄN TUẤN ANH

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU CÔNG SUẤT
PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. TRẦN BÁCH

Hà Nội – Năm 2011


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan bản luận văn cao học này với đề tài: “Một số phương
pháp tối ưu công suất phản kháng trong Hệ thống điện và ứng dụng” hoàn toàn
do tác giả tự làm và các số liệu chưa từng được công bố trong các tài liệu nào khác.
Tác giả có tham khảo một số tài liệu được ghi trong mục “Tài liệu tham khảo”.
Tác giả luận văn

Nguyễn Tuấn Anh

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Hệ thống
điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã giúp
đỡ, động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả thực hiện luận văn. Đặc biệt tác
giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS. TS. Trần Bách người đã tận
tình hướng dẫn giúp tác giả hồn thiện luận văn này.

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I: VẤN ĐỀ CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG
T
2
3

T
2
3

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ...................................................................................... 1
1.1 Vai trò và ảnh hưởng của công suất phản kháng trong hệ thống điện................... 1
1.1.1 Khái niệm công suất phản kháng ................................................................. 2
1.1.2 Các nguồn công suất phản kháng và sự tiêu thụ công suất phản kháng ......... 7
1.2 Ảnh hưởng của công suất phản kháng đến điện áp .............................................. 8
1.3 Sụt giảm điện áp trên đường dây truyền tải: nguyên nhân và ảnh hưởng ............. 9
1.3.1 Các nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt giảm điện áp.................................... 9
1.3.2 Ảnh hưởng của sụt giảm điện áp ................................................................. 10
CHƯƠNG II: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN
KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ..................................................................... 12
2.1 Tụ bù dọc .......................................................................................................... 12
2.1.1 Tác dụng của tụ bù dọc ............................................................................... 12
2.1.2 Vị trí đặt thiết bị bù .................................................................................... 14
2.1.3 Mức độ bù dọc............................................................................................ 16
2.2 Kháng bù ngang ................................................................................................ 16
2.3 Tụ bù ngang ...................................................................................................... 18

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

2.3.1 Tụ bù ngang dùng để điều chỉnh điện áp ..................................................... 18
2.3.2 Tụ bù ngang dùng để điều chỉnh hệ số công suất ........................................ 20
2.4 Các thiết bị bù có điều khiển ............................................................................. 21
2.4.1 Nhóm các thiết bị điều khiển nối tiếp.......................................................... 23
2.4.2 Nhóm các thiết bị điều khiển song song ...................................................... 25
2.4.3 Nhóm các thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp - song song .......................... 26
CHƯƠNG III: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TỐN TỐI ƯU CƠNG
SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ............................................. 28
3.1 Giới thiệu bài tốn tối ưu cơng suất phản kháng ................................................ 28
3.1.1 Bài tốn tối ưu chế độ xác lập nói chung..................................................... 28
3.1.2 Bài tốn tối ưu cơng suất phản kháng ......................................................... 29
3.2 Một số phương pháp tối ưu hóa cơng suất phản kháng ...................................... 30
3.2.1 Phương pháp điều độ công suất phản kháng cổ điển ................................... 30
3.2.2 Phân tích độ nhạy điện áp ........................................................................... 36
3.2.3 Phương pháp quy hoạch tuyến tính ............................................................. 37
3.2.4 Phương pháp điểm trong ............................................................................. 41
3.2.5 Phương pháp mạng nơ-ron tối ưu phi tuyến ................................................ 46
CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN
CHUẨN IEEE VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN BẮC VIỆT NAM .......................... 52
4.1 Giới thiệu phần mềm PSS/E .............................................................................. 52
4.1.1 Giới thiệu chung ......................................................................................... 52
4.1.2 Module PSS/E Power Flow ........................................................................ 52

4.1.3 Module PSS/E OPF .................................................................................... 53
4.2 Ứng dụng của PSS/E trên hệ thống điện chuẩn IEEE – 30 nút........................... 55

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

4.2.1 Giới thiệu hệ thống điện chuẩn IEEE – 30 nút ............................................ 55
4.2.2 Chế độ xác lập sử dụng PSS/E Power Flow ................................................ 59
4.2.3 Chế độ tối ưu tìm dung lượng bù sử dụng PSS/E OPF ................................ 64
4.3 Ứng dụng PSS/E trong việc phân tích bù cơng suất phản kháng cho lưới điện
miền Bắc Việt Nam................................................................................................. 67
4.3.1 Giới thiệu hệ thống điện miền Bắc Việt Nam.............................................. 67
4.3.2 Vị trí bù và dung lượng bù tối ưu CSPK cho lưới miền Bắc Việt Nam ....... 71
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 78
PHỤ LỤC

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
CĐXL
CSTD

Chế độ xác lập
Công suất tác dụng

CSPK
HTĐ

Công suất phản kháng
Hệ thống điện

FACTS
SSSC

Flexible AC Transmission System
Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt
Static Synchronous Series Compensator

TCSC

Thiết bị bù nối tiếp đồng bộ tĩnh
Thyristor Controlled Series Capacitor

TSSC
TCSR

Tụ nối tiếp điều khiển bằng thyristor
Thyristor Switched Series Capacitor
Tụ điện nối tiếp đóng mở bằng thyristor
Thyristor Controlled Series Reactor

Kháng điện nối tiếp điều khiển bằng thyristor
TSSR
Thyristor Switched Series Reactor
Kháng điện nối tiếp đóng mở bằng thyristor
SVC
Static Var Compensator – Bộ bù tĩnh
TCR
Thyristor Controlled Reactor – Cuộn kháng điều chỉnh bằng thyristor
TSR
Thyristor Switched Reactor – Cuộn kháng đóng mở bằng thyristor
TSC
Thyristor Switched Capacitor – Tụ đóng cắt bằng thyristor
STATCOM Static Synchronous Compensator – Bộ bù đồng bộ tĩnh
UPFC
Unified Power Flow Cotroller
Thiết bị điều khiển dịng cơng suất hợp nhất
TCPST
Thyristor – Controlled Phase Shifting Transformer
Biến áp dịch pha điều khiển bằng thyristor
LP
Linear Programming – Bài toán quy hoạch tuyến tính
NLP
Nonlinear Programming – Bài tốn quy hoạch phi tuyến
VBF
Voltage Benefit Factor – Hệ số lợi điện áp

LBF
Loss Benefit Factor – Hệ số lợi tổn thất

p.

Page – Trang

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1: Thông số nút HTĐ 30 nút IEEE.................................................................. 56
Bảng 4.2: Thông số nhánh HTĐ 30 nút IEEE ............................................................. 57
Bảng 4.3: Thông số tải HTĐ 30 nút IEEE................................................................... 58
Bảng 4.4: Thông số máy biến áp 2 cuộn dây HTĐ 30 nút IEEE.................................. 58
Bảng 4.5: Thông số máy biến áp 3 cuộn dây HTĐ 30 nút IEEE.................................. 58
Bảng 4.6: Thông số máy phát HTĐ 30 nút IEEE ........................................................ 58
Bảng 4.7: Công suất phát các nhà máy ....................................................................... 68
Bảng 4.8: Các đường dây tải điện 500kV và 220kV
lưới điện miền Bắc năm 2015...................................................................... 70
Bảng 4.9: Thông số các loại dây dẫn .......................................................................... 71
Bảng 4.10: Điện áp các nút tải .................................................................................... 72
Bảng 4.11: Dung lượng bù tối ưu và dung lượng chọn tụ............................................ 75

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Hình minh họa cơng suất phản kháng............................................................ 2
Hình 1.2: Mạch điện với tải có tính điện cảm ............................................................... 2
Hình 1.3: Quan hệ giữa P và Q của tải có tính điện cảm ............................................... 3
Hình 1.4: Mạch điện với tải có tính điện dung .............................................................. 4
Hình 1.5: Quan hệ giữa P và Q của tải có tính điện dung .............................................. 4
Hình 1.6: Mạch điện có cả điện kháng và điện dung ..................................................... 5
Hình 1.7: Đồ thị véc tơ điện áp ..................................................................................... 6
Hình 1.8: Sự triệt tiêu CSPK điện cảm do CSPK tụ điện gây ra .................................... 6
Hình 2.1: Đồ thị véc tơ điện áp ................................................................................... 13
Hình 2.2: Các vị trí đặt tụ bù dọc trên đường dây ....................................................... 15
Hình 2.3: Đồ thị véc tơ điện áp và mạch minh họa...................................................... 17
Hình 2.4: Mạch điện trước khi đặt tụ bù ngang ........................................................... 19
Hình 2.5: Mạch điện sau khi đặt tụ bù ngang .............................................................. 19
Hình 2.6: Minh họa việc đặt tụ bù điều chỉnh hệ số cơng suất..................................... 20
Hình 2.7: Bộ điều khiển nối tiếp ................................................................................. 21
Hình 2.8: Bộ điều khiển song song ............................................................................. 22
Hình 2.9: Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp ..................................................... 22
Hình 2.10: Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp – song song ............................................... 23
Hình 2.11: SSSC dựa trên bộ biến đổi nguồn áp và SSSC có nguồn dự trữ ................. 23
Hình 2.12: Mơ tả đơn giản của TCSC ......................................................................... 24

Hình 2.13: Mơ tả đơn giản của TSSC ......................................................................... 24
Hình 2.14: Mơ tả đơn giản của TCSR ......................................................................... 24

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

Hình 2.15: Mơ tả đơn giản của TSSR ......................................................................... 25
Hình 2.16: Cấu tạo chung của SVC ............................................................................ 25
Hình 2.17: Cấu tạo của STATCOM ............................................................................ 26
Hình 2.18: Cấu tạo chung của UPFC .......................................................................... 27
Hình 2.19: Cấu tạo chung của TCPST ........................................................................ 27
Hình 3.1 Mạch minh họa ............................................................................................ 47
Hình 4.1: Sơ đồ khối q trình tính chế độ xác lập của module PSS/E PowerFlow ..... 53
Hình 4.2: Sơ đồ HTĐ 30 nút IEEE ............................................................................. 55
Hình 4.3: Các bước thực hiện tìm dung lượng bù tối ưu bằng PSS/E 29 ..................... 65
Hình 4.4: Đồ thị so sánh mức điện áp trước và sau khi đặt bù ..................................... 66
Hình 4.5: Đồ thị mức điện áp các nút tải trước khi đặt bù tối ưu ................................. 73
Hình 4.6: Điện áp nút sau khi chạy OPF lần thứ nhất.................................................. 74
Hình 4.7: Điện áp nút sau khi chạy OPF lần thứ hai.................................................... 75
Hình 4.8: So sánh điện áp nút trước và sau khi bù tối ưu ............................................ 76

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

Khóa : 2010B

LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Năng lượng đóng vai trò chủ yếu trong sự phát triển kinh tế - xã hội, trong đó
điện năng có tầm quan trọng hàng đầu. Trong quá trình truyền tải điện đến nơi tiêu
thụ hệ thống điện phải gánh chịu tổn thất trong các cấp sản xuất, truyền tải và phân
phối điện năng.
Phân bố công suất trong hệ thống phụ thuộc vào chế độ làm việc của các
nguồn điện và cấu trúc lưới. Để đảm bảo độ tin cậy, lưới hệ thống phải là cấu trúc
thừa, cho phép bảo dưỡng định kỳ các đường dây mà khơng gây ít mất điện nhất,
tăng độ tin cậy, không gây quá tải hoặc giảm thấp điện áp.
Để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp, tổn thất
điện áp trên lưới điện phải ở mức cho phép, phải có hệ thống điều chỉnh điện áp ở
nguồn điện, ở các máy biến áp, các nguồn phát và tiêu thụ công suất phản kháng
điều chỉnh vô cấp hoặc hữu cấp.
Bù công suất phản kháng là một phần của bài toán lập kế hoạch về công suất
phản kháng cho hệ thống điện mà mục tiêu của nó là xác định loại, độ lớn và vị trí
của các nguồn cơng suất phản kháng (tụ điện, kháng điện, SVC hay máy bù đồng
bộ) nhằm đảm bảo khả năng điều khiển điện áp của hệ thống điện trong các chế độ
làm việc khác nhau khi phối hợp với các nguồn cơng suất phản kháng hiện có.
Tác giả chọn đề tài “Một số phương pháp tối ưu công suất phản kháng trong
Hệ thống điện và ứng dụng” là để nâng cao hiểu biết chung về các chế độ tối ưu và
các phương pháp tối ưu công suất phản kháng trong hệ thống điện, sử dụng chương
trình mơ phỏng hệ thống điện PSS/E để tính dung lượng bù tối ưu cơng suất phản
kháng.

2. Lịch sử nghiên cứu
Trước đây, việc tính tốn bù cơng suất phản kháng phần lớn đều dựa trên
cách thử dần dần. Theo cách này, người lập kế hoạch khảo sát trào lưu công suất
của hàng loạt các chế độ làm việc khác nhau của hệ thống. Sau đó dựa trên kinh
nghiệm quyết định các vị trí đặt nguồn công suất phản kháng để nhằm đảm bảo khả
Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

năng điều khiển điện áp của hệ thống. Cách giải quyết như vậy không đảm bảo việc
tối ưu trên tồn hệ thống và khơng đảm bảo chi phí đầu tư là nhỏ nhất.
Ngày nay, vấn đề tính tốn bù cơng suất phản kháng được nhìn nhận là bài
tốn tối ưu với mục tiêu giảm thiểu chi phí cho các thiết bị bù cần đặt thêm nhằm
đảm bảo chế độ điện áp của hệ thống trong các chế độ làm việc bình thường và sự
cố, trên cơ sở sử dụng có hiệu quả tất cả các thiết bị điều khiển cơng suất phản
kháng hiện có.
Có nhiều phương pháp tính tốn tối ưu bù công suất phản kháng trong hệ
thống điện. Các phương pháp này đều nhằm mục đích tìm ra được một chế độ làm
việc mà trong đó các thơng số đều thỏa mãn điều kiện ràng buộc với chi phí và
dung lượng bù nhỏ nhất.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Trong giới hạn luận văn này tác giả xin trình bày đề tài: “Một số phương
pháp tối ưu công suất phản kháng trong hệ thống điện và ứng dụng”. Bản luận
văn được thực hiện với mục đích:
- Tìm hiểu ảnh hưởng của cơng suất phản kháng đến điện áp.

- Tìm hiểu các thiết bị bù.
- Đưa ra một số các mơ hình tối ưu.
- Ứng dụng tìm vị trí và dung lượng bù tối ưu nâng cao chất lượng điện áp
trong sơ đồ IEEE 30 nút và lưới điện miền Bắc Việt Nam.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu trong luận văn là các mơ hình tối ưu cơng
suất phản kháng, chương trình mơ phỏng hệ thống điện PSS/E Power Flow và
PSS/E OPF, hệ thống điện IEEE 30 nút và lưới điện miền Bắc Việt Nam.
4. Tóm tắt luận điểm, bố cục nội dung
Với mục đích trên bản luận văn được thực hiện theo bố cục nội dung sau:
 Chương I : Vấn đề công suất phản kháng trong hệ thống điện
42T

 Chương II: Các thiết bị bù công suất phản kháng trong hệ thống điện
42T

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

 Chương III: Một số phương pháp giải bài tốn tối ưu cơng suất phản kháng
42T

trong hệ thống điện
 Chương IV: Ứng dụng cho hệ thống điện chuẩn IEEE và hệ thống điện miền
42T

Bắc Việt Nam
5. Phương pháp nghiên cứu
Trước hết, tác giả tìm hiểu ảnh hưởng của cơng suất phản kháng đến điện áp
theo nhiều khía cạnh bằng việc tham khảo các tài liệu và có sử dụng chương trình
mơ phỏng để đánh giá.
Tác giả có nghiên cứu về tác dụng của các thiết bị bù trong hệ thống điện
như tụ bù dọc, tụ bù ngang, kháng bù ngang, các thiết bị FACTS.
Sau đó, tác giả tìm hiểu các phương pháp tối ưu cơng suất phản kháng trong
đó là các mơ hình tối ưu và các phương pháp giải.
Cuối cùng, tác giả đã nghiên cứu sử dụng các chức năng của chương trình
PSS/E để tìm dung lượng cơng suất phản kháng bù tối ưu vào lưới điện bằng tụ bù
ngang. Quá trình nghiên cứu sử dụng PSS/E trước tiên được áp dụng trên lưới
chuẩn IEEE 30 nút, với việc thử và chạy hàng loạt các chức năng để phục vụ cho
việc đưa ra kết quả, đánh giá phân tích và kết luận. Sau khi hiểu rõ bản chất vấn đề
trên lưới chuẩn IEEE 30 nút, tác giả áp dụng trên lưới điện miền Bắc Việt Nam để
tìm vị trí bù thích hợp, dung lượng bù tối ưu và cho ra kết quả.

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

CHƯƠNG I: VẤN ĐỀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1 Vai trị và ảnh hưởng của cơng suất phản kháng trong hệ thống điện

Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng về nhu cầu sử dụng điện dẫn đến
việc phải xây dựng và phát triển các nguồn phát ở xa các trung tâm phụ tải lớn,
chẳng hạn như các nhà máy thủy điện xây dựng ở nguồn nước nơi có cột áp và lưu
lượng dịng chảy lớn, các nhà máy nhiệt điện xây dựng gần nguồn nhiên liệu, các
nhà máy địa nhiệt và thủy triều chỉ có thể xây dựng ở vị trí nhất định, các tuabin gió
chỉ có thể ở nơi có tốc độ gió lớn, cịn các nhà máy điện hạt nhân thì phải xây dựng
xa khu đô thị. Do vậy phải cần thiết xây dựng hệ thống truyền tải điện để đưa điện
từ nguồn phát đến trung tâm phụ tải.
Hệ thống truyền tải điện ngày càng phát triển về số lượng phải đi kèm với
phát triển về chất lượng. Khi truyền tải lượng công suất tác dụng (CSTD) lớn trên
đường dây tới các phụ tải lớn đồng nghĩa với việc cũng phải truyền tải một lượng
công suất phản kháng (CSPK). CSPK là dạng năng lượng sinh ra do cấu trúc của
lưới điện, điều này không thể tránh khỏi, nhưng để lượng CSPK này truyền trên
đường dây nhiều sẽ làm điện áp các nút xấu đi không theo ý muốn.
Cũng như CSTD, CSPK trong hệ thống điện (HTĐ) cần phải luôn luôn điều
chỉnh để giữ trạng thái cân bằng (giữa công suất phát và phụ tải tiêu thụ, kể cả tổn
hao). Mất cân bằng CSPK dẫn đến chất lượng điện áp không đảm bảo, tăng tổn thất
điện năng, hệ thống mất ổn định… Một đặc điểm khác về u cầu giữ cân bằng
CSPK là có tính phân bố theo khu vực do điện áp các nút trong hệ thống rất khác
nhau. Vì vậy ngồi CSPK cung cấp từ các nhà máy điện cần phải có thêm các
nguồn CSPK khác phân bổ trong hệ thống, như máy bù đồng bộ, tụ bù, kháng điện.
Bên cạnh ý nghĩa cân bằng CSPK, các thiết bị bù cịn có tác dụng cải thiện các
thông số đặc biệt đối với các đường dây siêu cao, tác dụng điều khiển nâng cao tính
ổn định.

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

1

Khóa : 2010B

LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

Hình 1.1: Hình minh họa cơng suất phản kháng
1.1.1 Khái niệm công suất phản kháng
1.1.1.1 Công suất phản kháng của điện cảm
Trong mạch điện có tải là điện trở và điện cảm (hình 1.2) được cung cấp bởi
điện áp u = U msinωt , dòng điện i chậm pha sau so với điện áp u góc φ.

i = Im .sin ( ωt -φ )
i = Im . ( sin ωt.cos φ - sinφ.cosωt )
i = ia + i r

Hình 1.2: Mạch điện với tải có tính điện cảm
Trong đó:
ia = Im cosφ.sinωt
i r = - Im .sinφ.cosωt = Im .sinφ.sin(ωt - π/2)

Có thể coi dịng điện i là tổng của hai thành phần:

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

2

Khóa : 2010B

LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

+ ia có biên độ Im cosφ cùng pha với điện áp u , được hiểu là thành phần tác
dụng của dịng điện.
+ ir có biên độ Im sinφ chậm pha với điện áp u góc π / 2 , được hiểu là thành
phần phản kháng của dịng điện.
Cơng suất tương ứng với thành phần ia :
P = U.I.cosφ là công suất tác dụng (CSTD), đặc trưng cho cường độ của q

trình tiêu tán năng lượng.
Cơng suất tương ứng với thành phần i r :
Q = U.I.sinφ , (với φ > 0 nên Q > 0) gọi là công suất phản kháng (CSPK) của

điện cảm, đặc trưng cho cường độ của quá trình dao động năng lượng giữa nguồn
với từ trường của điện cảm [4].
Biểu diễn quan hệ P và QL :
P = U.I.cosϕ
ϕ>0

U
Q L = U.I.sinϕ

I
S = U.I

Hình 1.3: Quan hệ giữa P và Q của tải có tính điện cảm
1.1.1.2 Cơng suất phản kháng của điện dung
Trong mạch điện có tải là điện trở và điện dung (hình 1.4) được cung cấp bởi

điện áp u = U m .sin (ωt + φ) , dòng điện i vượt trước so với điện áp u góc φ
i = Im .sin (ωt + φ)

i = Im . ( sin ωt.cos φ + sinφ.cosωt )
i = ia + i r

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

3

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

u

i

R
C

Hình 1.4: Mạch điện với tải có tính điện dung
Trong đó:
ia = Im cosφ.sinωt
i r = Im .sinφ.cosωt = Im .sinφ.sin(ωt + π/2)

Có thể coi dịng điện i là tổng của hai thành phần:

+ ia có biên độ Im cosφ cùng pha với điện áp u , được hiểu là thành phần tác
dụng của dịng điện.
+ ir có biên độ Im sinφ vượt trước so với điện áp u góc π / 2 , được hiểu là
thành phần phản kháng của dịng điện.
Cơng suất tương ứng với thành phần ia :
P = U.I.cosφ là CSTD, đặc trưng cho cường độ của q trình tiêu tán năng

lượng.
Cơng suất tương ứng với thành phần i r :
Q = U.I.sinφ , (với φ < 0 nên Q < 0) gọi là CSPK của tụ điện, đặc trưng cho

cường độ của quá trình dao động năng lượng giữa nguồn với điện trường của tụ
điện.
Biểu diễn quan hệ P và QC :

S = U.I
ϕ<0

Q C = U.I.sinϕ

I
U

P = U.I.cosϕ
Hình 1.5: Quan hệ giữa P và Q của tải có tính điện dung

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

4

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

1.1.1.3 Cơng suất phản kháng của mạch có cả điện cảm và điện dung
Trong mạch điện có cả điện cảm và điện dung (hình 1.6) có dịng điện
i = Im .sin ωt chạy qua. Góc lệch pha φ giữa điện áp hai đầu cực u và dịng điện i.

R
i

u

L
C

Hình 1.6: Mạch điện có cả điện kháng và điện dung
Ta có điện áp hai đầu cực là tổng điện áp tức thời trên các phần tử R-L-C:

u = U m .sin (ωt + φ)
= R.Im .sinωt + ω.L.Im .sin(ωt + π/2) +

Im
.sin(ωt - π/2)
Cω

u = U Rm .sinωt + U Lm .sin(ωt + π/2) + U Cm .sin(ωt - π/2)

Công thức trên nói lên quan hệ giữa u và i.
Xét theo quan hệ hiệu dụng giữa U và I (I m = 2 I), ta có:
R

U/I = R 2 + (ωL - 1/ωC)2 =

R

R 2 + (X L - X C )2 = Z

Z = U/I = R 2 + X 2

Hay

Ở đây ta thấy X và R đặc trưng cho hai quá trình năng lượng khác hẳn nhau
về mặt bản chất (tiêu tán và dao động).
Từ đồ thị véc tơ (hình 1.7) ta tìm được góc lệch pha giữa u và i:
=
tgφ

UL - UC XL - XC X
= =
UR
R
R

Trường hợp X L > X C mạch có tính cảm, tgφ > 0, φ = φ u -φi > 0.
Trường hợp X L < X C mạch có tính dung, tgφ < 0, φ = φ u -φi < 0.
Trường hợp X L = X C , mạch chỉ có tính trở, tgφ = 0, φ = φ u -φi = 0. Điện

cảm và điện dung triệt tiêu nhau, dòng và áp cùng pha với nhau.
Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

5

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

UL

UC
U
ϕ

UR

I

UC

Hình 1.7: Đồ thị véc tơ điện áp
Năng lượng tích lũy trong điện trường của điện dung cịn được gọi là năng
lượng tĩnh điện, dấu của nó ln ngược dấu với năng lượng điện từ trong từ trường
của điện cảm.
Khi cuộn kháng hấp thụ năng lượng điện từ, nó sẽ lấy năng lượng tĩnh điện ở
tụ điện, nếu tụ điện khơng cung cấp đủ năng lượng này, thì nguồn sẽ cung cấp phần

cịn lại, và chỉ có phần năng lượng điện từ này được lưu thông trong mạch nối giữa
nguồn đến tổ hợp kháng dung. Điều này giải thích vai trò của tụ điện trong việc sản
ra năng lượng phản kháng để bù vào sự hấp thụ của trở kháng.
Theo quy ước:
-

Năng lượng điện từ là năng lượng phản kháng dương.

-

Năng lượng tĩnh điện là năng lượng phản kháng âm.
CSPK điện dung ngược dấu với CSPK điện cảm, có tác dụng giảm bớt

CSPK của mạch điện [4], [6]:
Q = Q L -QC
QC
QL
Q
ϕ2

ϕ1

P

Hình 1.8: Sự triệt tiêu CSPK điện cảm do CSPK tụ điện gây ra
Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

6

Khóa : 2010B

LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

1.1.2 Các nguồn công suất phản kháng và sự tiêu thụ công suất phản kháng
1.1.2.1 Các nguồn công suất phản kháng và ảnh hưởng của chúng
Trong hệ thống điện, các nguồn CSPK gồm có: Máy điện đồng bộ (máy phát
điện, máy bù), các đường dây tải điện (đường dây cao áp hoặc siêu cao áp, cáp
điện), tụ điện tĩnh và các thiết bị FACTS.
Máy phát điện đặt tại các nhà máy điện có khả năng phát CSPK, nhưng
lượng CSPK ra cũng chỉ cho phép trong một giới hạn nhất định do cosφ đm của máy
R

R

phát thường trong khoảng 0,8 – 0,85 [4].
Máy bù đồng bộ cũng là một nguồn phát CSPK. Vì lý do kinh tế nên người
ta hạn chế sử dụng các máy bù đồng bộ. Chúng chỉ sử dụng trong những trường hợp
đặc biệt, không thể thay thế [4].
Đường dây tải điện trong mạng cao áp và siêu cao áp với chiều dài đáng kể
cũng là một nguồn phát CSPK. CSPK do đường dây tải điện sinh ra do thành phần
dung dẫn của đường dây. Trong chế độ max nó làm nhẹ đi khá nhiều vấn đề thiếu
CSPK, nhưng trong chế độ non tải nó gây thừa CSPK đến mức có thể gây quá áp
cuối các đường dây tải điện cao áp hoặc siêu cao áp, phải đối phó bằng cách đặt
kháng điện, nếu các đường dây này quá dài [6].
Tụ điện tĩnh là nguồn phát CSPK có tác dụng bù những phần cịn thiếu cho
những thiết bị tiêu thụ CSPK ở từng nút, từng địa phương khác nhau trong một
mạng điện. Tụ điện được sử dụng nhiều do tính vận hành sửa chữa bảo dưỡng đơn

giản, độ tin cậy cao và rẻ hơn máy bù đồng bộ [4].
FACTS là thiết bị bù tĩnh khắc phục được các nhược điểm của tụ điện, các
thiết bị FACTS có khả năng linh hoạt trong việc phát hay nhận CSPK, có khả năng
điều khiển được [6].
1.1.2.2 Sự tiêu thụ cơng suất phản kháng và ảnh hưởng của nó
CSPK được tiêu thụ ở mọi nơi có từ trường như động cơ không đồng bộ,
máy biến áp, trên đường dây tải điện. Yêu cầu CSPK chỉ có thể giảm đến tối thiểu
chứ khơng triệt tiêu được vì nó cần thiết để tạo ra từ trường, một môi trường cần
thiết để cho quá trình chuyển hóa biến đổi điện năng được thực hiện trong đó.
Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

7

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

Sự tiêu thụ CSPK trên lưới điện có thể phân chia một cách gần đúng như
sau:
-

Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 70% - 80% - một lượng lớn CSPK
của hệ thống. CSPK ở động cơ không đồng bộ gồm hai thành phần: Phần lớn
CSPK được sử dụng để tạo ra từ trường khe hở. Từ thơng móc vịng từ mạch
stator sang mạch rotor qua mơi trường khe hở khơng khí có từ trở lớn nên
cần dịng điện từ hóa lớn dẫn đến nhu cầu CSPK. Phần nhỏ CSPK sinh ra từ
trường tản trong mạch sơ cấp. Từ trường tản khơng có vai trị trong q trình

chuyển hóa năng lượng, đây là phần năng lượng vơ ích [1].

-

Máy biến áp sử dụng 15% - 25% lượng CSPK của hệ thống. Máy biến áp
khơng có khe hở khơng khí, lại có lõi thép làm bằng lá thép kỹ thuật có từ trở
nhỏ, nhu cầu về từ trường từ hóa ít hơn động cơ không đồng bộ, nên nhu cầu
CSPK cũng ít hơn động cơ khơng đồng bộ. Nhưng do số lượng và dung
lượng máy biến áp lớn cũng gây ra việc tiêu thụ một lượng CSPK đáng kể
trong hệ thống [2], [5].

-

Đường dây tải điện và các phụ tải khác sử dụng khoảng 5% tổng CSPK của
hệ thống. CSPK được sản xuất từ nhà máy điện và cũng được truyền tải trên
các đường dây cao áp và siêu cao áp như CSTD, do đó cũng có tổn hao
CSPK trên đường dây tải điện [1]:

=
ΔQ

P 2 + Q2
.X
U2

1.2 Ảnh hưởng của công suất phản kháng đến điện áp
Điều kiện để chế độ xác lập có thể tồn tại là sự cân bằng CSTD và CSPK.
Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với
tổn thất công suất trong các phần tử hệ thống điện:
PF= Ppt + ∆P

Q=
Q pt + ∆Q
F

Giữa CSPK và CSTD có mối quan hệ:

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

8

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện
2
S=
P2 + Q2

Cho nên các điều kiện cân bằng công suất trên không thể xét một cách độc
lập mà lúc nào cũng xét đến mối quan hệ giữa chúng. Tuy vậy trong thực tế tính
tốn và vận hành hệ thống điện một cách gần đúng có thể xem sự biến thiên CSTD
và CSPK tuân theo quy luật riêng biệt ít ảnh hưởng đến nhau. Đó là:
Sự biến đổi CSTD chỉ có ảnh hưởng đến tần số của hệ thống điện, ảnh hưởng
của nó đến điện áp khơng đáng kể.
Sự biến đổi CSPK ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp của hệ thống điện. Do đó
điện áp là thước đo đánh giá sự cân bằng CSPK. Nếu CSPK nhỏ hơn u cầu thì
điện áp sẽ giảm, cịn khi CSPK nguồn lớn hơn CSPK yêu cầu của phụ tải thì điện áp
sẽ tăng. Nếu điện áp thấp hơn giới hạn quy định bởi tiêu chuẩn chất lượng điện áp

thì có nghĩa là CSPK của nguồn thiếu so với phụ tải, còn nếu điện áp cao hơn thì có
nghĩa là nguồn thừa CSPK.
Sự cân bằng CSPK vừa có tính hệ thống vừa có tính địa phương. Có nghĩa là
có thể chỗ này thừa CSPK, nhưng chỗ khác lại thiếu. Điện áp ở các điểm khác nhau
có thể rất khác nhau. Do đó điều chỉnh cân bằng CSPK phải thực hiện cả ở cấp hệ
thống lẫn ở cấp địa phương. Ở cấp hệ thống điều chỉnh mức điện áp trung bình của
hệ thống, còn điều chỉnh địa phương nhằm đạt được yêu cầu điện áp cụ thể của địa
phương.
CSPK được phát ra từ các nhà máy điện, đây là phần quan trọng có khả năng
biến đổi nhanh đáp ứng được sự biến đổi của yêu cầu. Phần còn lại được cấp nhờ
các tụ bù, kháng điện … được đặt một cách hợp lý trong hệ thống điện. Hệ thống
điện cần một lượng CSPK dự trữ chung để điều chỉnh mức điện áp hệ thống khi nhu
cầu biến đổi hoặc sự cố nhà máy điện [6].
1.3 Sụt giảm điện áp trên đường dây truyền tải: nguyên nhân và ảnh hưởng
1.3.1 Các nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt giảm điện áp
Sụt giảm điện áp trong luận văn đề cập đến việc điện áp bị giảm đi trở thành
nhỏ hơn 90% điện áp định mức tại tần số công nghiệp trong thời gian lớn hơn 1

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

9

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

phút. Nguyên nhân của sự sụt giảm thấp điện áp có thể là do có một tải lớn đóng

vào hệ thống, ngắt một bộ tụ bù ra khỏi hệ thống hoặc một đường dây trong đường
dây lộ kép bị đứt. Mạch điện quá tải cũng có thể gây ra hiện tượng sụt giảm thấp
điện áp. Sụt giảm điện áp chủ yếu do tổn thất điện áp trên đường dây và một phần
tổn thất điện áp qua máy biến áp (lượng tổn thất điện áp qua máy biến áp không
đáng kể).
Tổn thất điện áp được tính theo cơng thức sau:

 = P.R + Q.X + j P.X - Q.R = ΔU + jδU
ΔU
U
U
Trong đó thành phần dọc trục ∆U làm biến đổi modul của điện áp, còn thành
phần δ U làm biến đổi góc pha của điện áp. Trên lưới hệ thống, điện trở R thường
nhỏ hơn nhiều so với điện kháng X, do đó có thể bỏ qua R trong công thức trên [1]:

 = Q.X + j Q.R = ΔU + jδU
ΔU
U
U
Thành phần ΔU chỉ phụ thuộc vào CSPK Q. Còn sự biến đổi CSTD chỉ làm
thay đổi góc pha của điện áp, thành phần này ảnh hưởng ít đến modul của điện áp.
Trên lưới hệ thống, mức điện áp phụ thuộc vào dòng CSPK trên các đường
dây truyền tải.
1.3.2 Ảnh hưởng của sụt giảm điện áp
Sụt giảm điện áp ở lưới phân phối ảnh hưởng đến vấn đề chất lượng điện
năng. Điện áp tại các nút tải không đạt yêu cầu, trong khi các thiết bị điện tử hiện
đại ngày nay rất nhạy cảm với sự thay đổi điện áp. Các xí nghiệp cơng nghiệp có
u cầu về tiêu chuẩn chất lượng điện áp, yêu cầu điện áp cung cấp cho các động cơ
phải nằm trong một giới hạn cho phép, vì khi điện áp sụt giảm dưới giới hạn cho
phép có thể làm dừng động cơ, động cơ chạy sai quy trình dẫn đến việc khơng hoàn

thành sản xuất thiệt hại đến kinh tế.
Sụt giảm điện áp ở lưới truyền tải nguyên nhân chủ yếu là do quá tải cuối
đường dây, hoặc sự cố đứt dây ở đường dây hai mạch. Sụt giảm điện áp trên lưới
truyền tải gây hiện tượng thấp áp cho cả một khu vực, tuy nhiên không nguy hiểm

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

10

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

bằng sụt giảm điện áp trên lưới phân phối vì có thể điều chỉnh được bằng đầu phân
áp máy biến áp hoặc cắt bớt phụ tải.
Trong trường hợp sụt giảm điện áp nặng nề do sự cố ngắn mạch có thể gây ra
hiện tượng sụp đổ điện áp, mất điện một phần hoặc toàn hệ thống.

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

11

Khóa : 2010B


LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên nghành: Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện

CHƯƠNG II: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN
KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
2.1 Tụ bù dọc
2.1.1 Tác dụng của tụ bù dọc
Điện kháng đường dây siêu cao áp thường rất cao do chiều dài đường dây
lớn, trị số điện kháng làm ảnh hưởng xấu đến hàng loạt các chỉ tiêu kinh tế - kỹ
thuật quan trọng của đường dây như: góc lệch pha giữa điện áp ở đầu và cuối đường
dây thay đổi trong phạm vi rộng, tổn thất CSPK trên đường dây lớn, giảm khả năng
tải của đường dây. Bù dọc chính là giải pháp làm giảm bớt cảm kháng X L của
R

R

đường dây bằng dung kháng X C của tụ điện, giải pháp này được thực hiện bằng
R

R

cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây ở những vị trí thích hợp. Sau đây là các tác
dụng khác nhau của tụ bù dọc:
1. Giảm độ lệch điện áp
Khi mắc thêm tụ điện nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng đường dây
X = X L – X C sẽ giảm xuống. Nếu ta giả thiết góc lệch pha φ giữa dòng điện phụ tải
R

R

R

R

và điện áp U 2 ở cuối đường dây khơng đổi thì độ lệch điện áp và góc lệch pha δ
R

R

giữa véc tơ điện áp đầu đường dây và cuối đường dây giảm xuống đáng kể. Trên đồ

 và góc
thị hình 2.1 ta thấy trước khi mắc tụ bù dọc thì điện áp đầu đường dây là U
1

 là δ, sau khi mắc tụ bù dọc thì điện áp đầu đường dây là U ' và
lệch pha so với U
2
1
 là δ' [5]. Ta nhận thấy:
góc lệch pha so với U
2
 ' < ΔU

δ' < δ , ΔU

 = U - U
Trong đó: ΔU
1
2
ΔU '= U 1' - U 2

Học viên: Nguyễn Tuấn Anh

12

Khóa : 2010B