Nghiên cứu tính toán chế độ khi lắp đặt thiết bị tcsc và svc tại trạm biến áp 220kv thái nguyên

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

NGUYỄN THÀNH LONG

Nghiên cứu tính tốn chế độ khi lắp đặt thiết bị TCSC
và SVC tại trạm biến áp 220kV Thái Nguyên

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HỆ THỐNG ĐIỆN

Hà Nội, 2011


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

NGUYỄN THÀNH LONG

Nghiên cứu tính tốn chế độ khi lắp đặt thiết bị TCSC và
SVC tại trạm biến áp 220kV Thái Nguyên

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS.PHAN ĐĂNG KHẢI

Hà Nội, 2011

MUC LỤC
Mục lục các chương .........................................................................................1
Danh mục các chữ viết tắt ................................................................................5
Danh mục các bảng biểu ...................................................................................6
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ...........................................................................7
Lời nói đầu .....................................................................................................10
Chương 1: Tổng quan về ổn định điện áp .......................................................12

1.1. Khái niệm chung về ổn định điện áp........................................................12
1.2. Nguyên nhân gây ra mất ổn định điện áp.................................................14
1.3. Hậu quả mất ổn định điện áp....................................................................15
1.4. Vấn đề đảm bảo giá trị điện áp cho phép.................................................17
1.5. Các biện pháp ngăn ngừa sụp đổ điện áp.................................................18
1.5.1. Các biện pháp vận hành.........................................................................18
1.5.2. Các biện pháp thiết kế...........................................................................18
1.6. Nhận xét...................................................................................................21
Chương 2: Vai trò và ứng dụng của thiết bị bù SVC và TCSC trong việc nâng
cao ổn định điện áp..........................................................................................23

2.1 SVC………………………………………………..................................23
2.1.1 Khả năng ứng dụng của SVC trong hệ thống điện.................................23
2.1.1.1 Đặt vấn đề ...........................................................................................23
2.1.1.2 Một số ứng dụng của SVC ................................................................24
2.1.1.2.1 Điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất .......................................24
2.1.1.2.2 Giới hạn thời gian và cường độ q áp khi xảy ra sự cố ................26
2.1.1.2.3 Ơn hịa dao động công suất hữu công ............................................27
2.1.1.2.4 Giảm cường độ dịng điện vơ cơng ................................................28
2.1.1.2.5 Tăng khả năng tải của đường dây .............................................. …28
2.1.1.2.6 Cân bằng các phụ tải không đối xứng ...............................……….30

1


2.1.1.2.7 Cải thiện ổn định sau sự cố ....................................................... …30
2.1.2. Thiết bị bù ngang có điều khiển SVC ..................................................32
2.1.2.1 Cấu tạo từng phần tử của SVC ...........................................................32
2.1.2.1.1. Nguyên lý hoạt động của bộ thyristor mắc song song ngược ........32
2.1.2.1.2 Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR (thyristor controlled
reactor)……………………………………………………………………….34
2.1.2.1.3 Tụ đóng mở bằng thyristor TSC (thyristor switch capacitor) ……43
2.1.2.1.4 Kháng đóng mở bằng thyristor TSR (thyristor switch reactor) …..44
2.1.2.1.5 Hệ thống điều khiển các van trong SVC ........................................44
2.1.3. Các đặc tính của SVC ................................................................... …...45
2.1.3.1. Đặc tính điều chỉnh của SVC ............................................................45
2.1.3.2. Đặc tính làm việc của SVC ...............................................................46
2.1.4 Mơ hình SVC trong tính tốn chế độ xác lập của hệ thống điện ...........47
2.1.4.1 Mơ hình hóa SVC như một điện kháng có trị số thay đổi ............ ….47
2.1.4.2 Mơ hình SVC theo tổ hợp nguồn và phụ tải phản kháng ..................49
Nhận xét – đánh giá….....................................................................................51
2.2 TCSC…………………………………………………………………….52
2.2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của TCSC……………………………...52
2.2.2 Mơ hình phần điều khiển TCSC……………………………………….55
2.2.2.1 Mơ hình điều khiển ngồi của TCSC………………………………..55
2.2.2.2 Mơ hình điều khiển trong của TCSC………………………………...58
2.2.3 Phân tích hiệu quả điều khiển của TCSC……………………………...59
2.2.3.1 Phân tích hiệu quả điều khiển TCSC theo tác động rời rạc………….59
2.2.3.2 Hiệu quả điều khiển TCSC theo tác động liên tục…………………..64
Nhận xét – đánh giá……………………………………………………….....67
Chương 3: Khai thác phấn mềm PSS/E, tính tốn phân tích ổn định hệ thống
điện........................................................................................................……..69

3.1. Phần mềm tính tốn PSS/E……………………………….......................69

2


3.1.1. Mô tả các phần tử của HTĐ trong PSS/E..............................................70
3.1.1.1 Dữ liệu về nút………..........................................................................70
3.1.1.2 Dữ liệu phụ tải……………………………………….........................72
3.1.1.3 Dữ liệu máy phát ……………………................................................73
3.1.1.4 Dữ liệu nhánh khơng có máy biến áp..................................................74
3.1.1.5. Dữ liệu máy biến áp.... ......................................................................76
3.1.1.6. Dữ liệu các thiết bị bù tĩnh ................................................................82
3.1.1.7 Dữ liệu hiệu chỉnh trở kháng máy biến áp..........................................83
3.1.1.8. Dữ liệu về các thiết bị bù có điều khiển.............................................83
3.1.2 Các bước mơ phỏng trong PSS/E... .......................................................84
3.1.2.1 Tính tốn chế độ xác lập trước sự cố ..................................................85
3.1.2.2 Số liệu động........................................................................................85
3.1.2.3 Kiểm tra số liệu……………………………………..........................87
3.1.2.4 Chạy trương chình mơ phỏng…………….………………................88
3.1.2.5 Phân tích ổn định động………….……………………......................89
Chương 4: Tính toán chế độ, lựa chọn phương án lắp đặt thiết bị TCSC kết
hợp SVC ..................................................................................................................90

4.1. Đặt vấn đề.................................................................................................90
4.2. Cơ sở tính tốn ........................................................................................90
4.3. Phân vùng phụ tải, xác định phạm vi đầu nối..........................................91
4.4. Sơ đồ kết lưới...........................................................................................92
4.5. Cơ sở, phương pháp và thời điểm tính tốn.............................................96
4.5.1. Cơ sở tính tốn......................................................................................96

4.5.2. Phương pháp luận..................................................................................96
4.5.3. Thời điểm tính tốn...............................................................................97
4.6. Đánh giá sơ bộ..........................................................................................97
4.7. Trường hợp không lắp đặt thêm thiết bị bù..............................................99
4.7.1. Kiểm tra ổn định điện áp.......................................................................99

3


4.7.2. Kiểm tra bước nhảy điện áp................................................................103
4.7.3. Đánh giá trường hợp khơng lắp đặt thêm thiết bị bù...........................104
4.8. Tính tốn khả năng truyền tải với tiêu chí n- 1......................................105
4.8.1. Thơng số thiết bị bù.............................................................................105
4.8.2. Kết quả tính tốn.................................................................................106
4.8.3. Nhận xét..............................................................................................107
4.9. Lắp đặt thiết bị bù ( lắp đặt 1 tụ bù dọc và SVC ở Thái Nguyên)..........109
4.9.1. Kiểm tra ổn định điện áp.....................................................................109
4.9.2. Tính tốn chế độ phương án................................................................119

4.9.3. Đánh giá phương án............................................................................120
Kết luận và kiến nghị ...................................................................................122
Tài liệu tham khảo ........................................................................................124

4


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT

Chữ viết tắt

Chữ tiếng Anh đầy đủ

1

SVC

Static Var Compensator

2

TCSC

3

STATCOM

Static Synchronous Compensator

4

UPFC

Unified Power Flow Controller

5

TCPAR

6

FACTS

Nghĩa tiếng Việt

Thiết bị bù tĩnh có điều
khiển bằng thyristor

Thyristor Controlled Series

Thiết bị bù dọc có điều

Capacitor

khiển bằng thyristor
Thiết bị bù tĩnh hồn
thiện của SVC
Thiết bị điều khiển
dịng cơng suất

Thyristor Controlled Phase Angle

Thiết bị điều khiển góc

Regulator

pha bằng thyristor

Flexible Alternating Current
Transmission Systems

Thiết bị có điều khiển
bù cơng suất phản
kháng
Phần mềm mơ phỏng

7

ISIS

Proteus 6 Professional

8

PCB

Printed Circuit Board

9

VĐK

Bộ vi điều khiển

10

HTĐ

Hệ thống điện

11

SS-TX

12

CĐQĐ

Chế độ quá độ

13

CĐXL

Chế độ xác lập

14

ĐDK

Đường dây kép

15

MBA

Máy biến áp

16

NMTĐ

Nhà máy thuỷ điện

17

CSPK

Công suất phản kháng

mạch điện-điện tử

Khâu so sánh và tạo
xung

5


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1: Giá trị của I3 khi thay đổi góc điều khiển ......................................42
R

R

Bảng 4.1. Dự báo phụ tải khu vực...................................................................91
Bảng 4.2. Nhu cầu phụ tải tỉnh Thái Nguyên giai đoạn 2006- 2010- 2015...........91
Bảng 4.3: Chế độ điện áp tại thời điểm 1(Tụ bù ngang 2x40 MVAr- Chế độ
phụ tải cực đại)................................................................................................99
Bảng 4.4: Chế độ điện áp tại thời điểm 1(Tụ bù ngang 40+ 20 MVar- Chế độ

phụ tải cực đại)..............................................................................................100
Bảng 4.5. Chế độ điện áp tại thời điểm 1(Tụ bù ngang 40 MBVar- Chế độ phụ
tải cực đại).....................................................................................................101
Bảng 4.6. Kết quả tính tốn chế độ tại thời điểm 1.......................................102
Bảng 4.7. Chế độ điện áp khi cắt bù ngang tại thời điểm 1...........................103
Bảng 4.8. Thông số bù đảm bảo khả năng truyền tải với tiêu chí n- 1..........106
Bảng 4.9: Chế độ điện áp tại thời điểm 3 (Sự cố ĐDK Hà Giang- Bắc CạnThái Nguyên).................................................................................................107
Bảng 4.10: phương án bù.............................................................................109
Bảng 4.11. Chế độ điện áp tại thời điểm 2 – Trường hợp 4.1.......................110
Bảng 4.12. Chế độ điện áp tại thời điểm 3 – Trường hợp 4.2.......................111
Bảng 4.13. Chế độ điện áp tại thời điểm 3 – Trường hợp 4.3.......................112
Bảng 4.14. Chế độ điện áp tại thời điểm 3 – Trường hợp 4.4.......................113
Bảng 4.15. Chế độ điện áp tại thời điểm 3 – Trường hợp 4.5.......................114
Bảng 4.16. Chế độ điện áp tại thời điểm 3 – Trường hợp 4.6.......................115
Bảng 4.17. Chế độ điện áp tại thời điểm 3 – Trường hợp 4.7.......................116
Bảng 4.18. Chế độ điện áp tại thời điểm 3 – Trường hợp 4.8.......................117
Bảng 4.19. Khả năng truyền tải cơng suất của phương án............................118
Bảng 4.20 Kết quả tính toán chế độ phương án...........................................119

6


DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Các giai đoạn SĐĐA theo thời gian………………………………14
Hình 2.1: Điều chỉnh điện áp tại nút phụ tải bằng SVC..................................25
Hình 2.2: Sự thay đổi điện áp tại thanh cái phụ tải khi có và khơng có SVC 26
Hình 2.3: Quan hệ thời gian và điện áp,q áp ..............................................26
Hình 2.4: Đặc tính cơng suất truyền tải của hệ thống khi có và khơng có
SVC.................................................................................................................29

Hình 2.5: Đặc tính cơng suất khi có và khơng có SVC ..................................31
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý bộ thyristor ..........................................................32
Hình 2.7: Đồ thị dịng điện tải ........................................................................33
Hình 2.8: Ngun lý cấu tạo và hoạt động của TCR .............................. …...35
Hình 2.9: Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR ............................................36
Hình 2.10: Dạng sóng của tín hiệu dịng điện qua TCR ......................... …...37
Hình 2.11: Đặc tính điều chỉnh dịng điện TCR theo góc cắt .........................40
Hình 2.12: Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR .....................................40
Hình 2.13: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TSC .......................................43
Hình 2.14: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TSR ....................................44
Hình 2.15: Hệ điều khiển các van của SVC ...................................................45
Hình 2.16: Đặc tính U-I của SVC ..................................................................45
Hình 2.17: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp ....................46
Hình 2.18: Đặc tính làm việc của nguồn cơng suất phản kháng.....................49
Hình 2.19: Đặc tính phụ tải cơng suất phản kháng qua MBA điều áp dưới
tải..............................................................................................................…...49
Hình 2.20: Đặc tính làm việc của SVC ..........................................................50
Hình 2.21: Phối hợp đặc tính của một nguồn và hai phụ tải phản kháng .......51
Hình 2.22: Cấu tạo cơ bản của TCSC……………………………………….53
Hình 2.23: Đặc tính điều chỉnhTCSC……………………………………….55
Hình 2.24: Sơ đồ điều khiển ngồi của TCSC………………………………56

7


Hình 2.25: Cấu trúc vịng lặp điều khiển ổn định của TCSC……………….56
Hình 2.26: Sơ đồ điều khiển trong của TCSC dựa trên sự đồng bộ thành phần
cơ bản của dòng điện………………………………………………………...58
Hình 2.27: Sơ đồ điều khiển trong của TCSC dựa trên dự đoán thời điểm qua
giá trị 0 của điện áp tụ điện………………………………………………….59

Hình 2.28: TCSC trong sơ đồ hệ thống điện đơn giản……………………....60
Hình 2.29: Hiệu quả đóng cắt tụ bù dọc…………………………………......61
Hình 2.30: Hiệu quả tác động TCSC theo tín hiệu cơng suất……………….66
Hình 2.31: Hiệu quả tác động TCSC theo tín hiệu dịng điện……………….67
Hình 3.1: Sơ đồ khối tính tốn giải tích lưới...................................................70
Hình 3.2: Nút điển hình trong PSS/E .............................................................71
Hình 3.3: Phụ tải điển hình trong PSS/E.........................................................72
Hình 3.4: Máy phát trong PSS/E.....................................................................73
Hình 3.5: Nhánh điển hình trong PSS/E..........................................................75
Hình 3.6: MBA 2 cuộn dây điển hình trong PSS/E ........................................76
Hình 3.7: MBA 3 cuộn dây trong PSS/E ........................................................76
Hình 4.1 Sơ đồ lưới điện khu vực...................................................................93
Hình 4.2 Sơ đồ dự kiến tách lưới ...................................................................94
Hình 4.3 Giới hạn truyền tải công suất tại thời điểm 1(Tụ bù ngang 2x40
MVAr- Chế độ phụ tải cực đại).....................................................................100
Hình 4.4 Chế độ điện áp tại thời điểm 1(Tụ bù ngang 40+ 20 MVar- Chế độ
phụ tải cực đại)..............................................................................................101
Hình 4.5 Giới hạn truyền tải công suất tại thời điểm 1(Tụ bù ngang 40
MBVar- Chế độ phụ tải cực đại)...................................................................102
Hình 4.6 Giới hạn truyền tải cơng suất tại thời điểm 1.................................103
Hình 4.7. Giới hạn truyền tải công suất tại thời điểm 3 (Sự cố ĐDK Hà
Giang- Bắc Cạn- Thái Nguyên)....................................................................107
Hình 4.8 Giới hạn truyền tải công suất tại thời điểm 2 0 Trường hợp 4.1...111

8


Hình 4.9. Giới hạn truyền tải cơng suất tại thời điểm 3 – trường hợp 4.2...112
Hình 4.10.Giới hạn truyền tải cơng suất tại thời điểm 3 – trường hợp 4.3..113
Hình 4.11. Giới hạn truyền tải công suất tại thời điểm 3 – trường hợp 4.4.....114

Hình 4.12.Giới hạn truyền tải cơng suất tại thời điểm 3 – trường hợp 4.5...115
Hình 4.13.Giới hạn truyền tải công suất tại thời điểm 3 – trường hợp 4.6...116
Hình 4.14.Giới hạn truyền tải cơng suất tại thời điểm 3 – trường hợp 4.7...117
Hình 4.15.Giới hạn truyền tải công suất tại thời điểm 3 – trường hợp 4.8..118

9


LỜI NĨI ĐẦU
Điện năng là dạng hàng hóa phục vụ nhu cầu thiết yếu của cuộc sống dân
sinh xã hội. Một xã hội phát triển, không thể ngành điện năng lại không phát
triển. Các nhà lãnh đạo quốc gia đã từng nói: Muốn cơng nghiệp phát triển thì
điện năng phải phát triển đi trước một bước. Điện năng thật quan trọng, từ
định hướng phát triển đó, ngày nay hệ thống điện của mỗi quốc gia đã phát
triển mạnh mẽ, hình thành hệ thống điện hợp nhất đáp ứng sự phát triển của
nền kinh tế xã hội. Nhiều quốc gia đã có theo xu thế liên kết điện năng tạo
thành hệ thống điện hợp nhất có quy mơ lớn để điều tiết phân phối điện năng
phục vụ con người ở từng vùng, từng khu vực.
Trong sự phát triển lớn mạnh của ngành điện năng phải nói đến sự phát triển
của kỹ thuật điện tử công nghiệp, kỹ thuật đo lường, điều khiển tự động…nó
đã góp phần nâng cao chất lượng hiệu quả, đưa công tác quản lý vận hành hệ
thống điện ngày càng hoạt động hiện đại hóa và mang lại hiệu quả to lớn. Một
số nước có nền cơng nghiệp phát triển tiên tiến, đã áp dụng sử lý bù dọc, bù
ngang bằng các thiết bị công nghệ thyristor. Ứng dụng này đã mang lại hiệu
quả cao trong việc điều chỉnh nhanh ổn định chất lượng điện áp của hệ thống
điện.
Thiết bị bù dọc có điều khiển (TCSC) cho phép chúng ta vận hành hệ thống
điện một cách linh hoạt, hiệu quả trong điều kiện bình thường hay sự cố, nhờ
vào khả năng điều chỉnh nhanh công suất phản kháng và các hệ thống khác
(kháng trở, góc pha) của chúng. Thiết bị bù ngang có điều khiển bằng

thyristor hay triăc (SVC) có tác dụng nâng cao chất lượng ổn định điện áp của
hệ thống điện.
Hệ thống điện năng của Việt Nam đã phát triển mạnh với quy mô lớn, đã có
đường dây và trạm biến áp 500KV Bắc-Nam. Hệ thống điện siêu cao áp này
giữ vai trò chủ đạo điều hòa phân phối điện năng hai chiều (tải điện từ Bắc
vào Nam hoặc đảo chiều tải điện từ Nam ra Bắc) để đáp ứng phụ vụ điện năng

10


ba miền Bắc-Trung-Nam. Điện áp 500KV có đường dây dài 3131km qua
nhiều đồi, núi mặt khác sẽ có nhiều tình huống phải cắt ngắn mạch các đoạn
đường dây với nhiều lý do khác nhau (loại bỏ phụ tải, hòa đồng bộ, sửa chữa
định kỳ, các sự cố…) có thể dẫn đến quá áp, mất ổn định điện áp. Vì vậy việc
ứng dụng các thiết bị công nghệ bù dọc (TCSC) và công nghệ bù ngang
(SVC) để nâng cao ổn định điện áp trên toàn hệ thống là rất cần thiết. Nghiên
cứu và ứng dụng nhằm mở ra một hướng mới trong việc áp dụng các phương
pháp điều khiển, điều chỉnh các hoạt động của hệ thống điện để luôn giữ được
ổn định, an toàn và chất lượng hiệu quả.
Bản luận văn này xin trình bày việc ứng dụng thiết bị bù ngang bằng
thyristor hay triăc (SVC). Nội dung mô phỏng: ứng dụng phần mềm việc thiết
kế, tính tốn phân tích và đánh giá hiệu quả ban đầu của thiết bị bù nhanh đối
với công suất phản kháng trong chế độ quản lý vận hành hệ thống điện. Địa
điểm đặt ứng dụng thiết bị tại Trạm biến áp 220KV Thái Nguyên.
Luận văn trình bày cịn nhiều giới hạn về mọi mặt nên khơng tránh khỏi các
thiếu sót, mong các thầy, cơ giáo chỉ bảo để nội dung của đề tài được hoàn
thiện hơn.
Xin cảm ơn./
TÁC GIẢ

Nguyễn Thành Long

11


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
Ổn định điện áp (OĐĐA) là vấn đề nghiên cứu đang được quan tâm
trong các thập kỷ gần đây. Nhiều cơng trình nghiên cứu đã trình bày về đặc
điểm và hậu quả nghiêm trọng của sự cố mất OĐĐA.
Các hệ thống điện lớn (HTĐ) ngày nay thường phải vận hành ở
những chế độ nặng nề, nên vấn đề đảm bảo OĐĐA và các biện pháp kỹ
thuật cải thiện điện áp và điều chỉnh điện áp là rất cần thiết. Nếu khơng có
các tác động điều khiển hợp lý thì khi phụ tải tăng liên tục, hệ thống có thể
mất ổn định.
1.1. Khái niệm chung về ổn định điện áp
Ổn định của HTĐ là khả năng của một HTĐ duy trì được trạng thái
cân bằng ở chế độ xác lập và có thể thiết lập lại trạng thái cân bằng mới khi
có kích động nào đó đến hệ thống.
Ổn định điện áp của HTĐ là khả năng của một HTĐ khôi phục lại
điện áp ban đầu hay lân cận ban đầu khi chịu các kích động nhỏ tại phụ tải.
OĐĐA về bản chất là một trạng thái động và bị tác động bởi việc kiểm sốt
điện áp và các đặc tính của tải dưới dạng biến thiên.
Ổn định điện áp tĩnh (static voltage stability) là khả năng của HTĐ có
thể giữ điện áp của các nút trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức
khi có các kích động nhỏ đến hệ thống như sự biến thiên liên tục công suất
phụ tải. Các kích động nhỏ này xảy ra liên tục nên ổn định tĩnh gắn liền với
chế độ xác lập của HTĐ. Chỉ tiêu của ổn định tĩnh là sau khi có kích động
nhỏ tới hệ thống thì điện áp tại mọi thanh cái nhận điện cùng tăng hoặc cùng
giảm tương ứng với công suất phản kháng (CSPK) cấp vào thanh cái đó. Cụ

thể hơn, hệ thống có ổn định tĩnh nếu

dU
dU
> 0 và ngược lại nếu
< 0 thì hệ
dQ
dQ

thống khơng đạt chỉ tiêu ổn định tĩnh.

12


Ổn định động (dynamic voltage stability) là khả năng của HTĐ có thể
giữ điện áp của các nút trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức khi
có các kích động lớn đến hệ thống như sự cố mất máy phát, đường dây công
suất lớn... Chỉ tiêu của ổn định động là sau khi có kích động lớn tới hệ thống
là điện áp tại tất cả các thanh cái nhận điện đều nằm trong giới hạn cho phép
so với điện áp định mức.[1],[2]
Giả sử một HTĐ đang ở trạng thái ổn định. Khi có thay đổi nào đó
trong HTĐ thì hệ thống sẽ xuất hiện quá trình dao động. Nếu dao động lớn
thì HTĐ có thể rời khỏi trạng thái cân bằng lúc trước và xuất hiện quá trình
quá 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 khơng 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. Quá trình 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 mất OĐĐA được chia thành 3 giai đoạn diễn ra từ vài giây
cho tới vài phút như sau:
1. Các quá trình q 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 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.

13


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 OĐĐA theo
các giai đoạn vừa đề cập ở trên.
Các thay đổi nhanh thời gian ngắn

Máy phát, bộ điều chỉnh, SVC,
HVDC, động cơ cảm ứng…

Tự khôi phục phụ tải, AGC, đầu phân
áp, các bộ giới hạn kích từ…
Các thay đổi chậm thời gian dài
Khơi phục tải

Hình 1.1: Các giai đoạn SĐĐA theo thời gian

Mất OĐĐA thường xảy ra với các HTĐ nặng tải (HTĐ phải vận
hành ở gần điểm giới hạn tải), hoặc HTĐ có sự cố (ví dụ như sự cố mất
đường dây), hoặc HTĐ thiếu hụt CSPK. Hiện tượng này liên quan tới nhiều
phần tử trong hệ thống và thông số của các phần tử đó. Dễ nhận thấy, 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 đoan 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 quá
độ.[6]
1.2. Nguyên nhân gây ra mất ổn định điện áp
Bản chất vật lý của hiện tượng SĐĐA chính là u cầu CSPK của phụ
tải khơng được đáp ứng đủ do giới hạn về phát và truyền tải CSPK. Các giới

14


hạn về phát CSPK bao gồm giới hạn của 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 đẫn đến giảm công suất truyền tải.
Các nguyên nhân gây mất OĐĐA bao gồm:
 Công suất truyền tải trên các đường dây quá lớn;
 Điện áp tại nguồn phát quá thấp;
 Khoảng cách giữa các nhà máy điện và phụ tải quá xa;
 Dung lượng bù CSPK không đủ;
 Phối hợp kém giữa các thiết bị bảo vệ.
1.3. Hậu quả mất ổn định điện áp
Mất OĐĐA gây tác động trực tiếp đến các phụ tải. Với các nhà máy

công nghiệp, mất ổn định điện áp ảnh hưởng đến các động cơ, máy móc và
chất lượng sản xuất. Tuổi thọ của các thiết bị và các khâu an tồn trong cơng
nghiệp cũng khơng đảm bảo. Mất OĐĐA cịn gây ảnh hưởng to lớn tới đời
sống xã hội, các vấn đề về sinh hoạt, giao thông không đảm bảo, làm giảm
tuổi thọ các thiết bị điện sinh hoạt.
Sụp đổ điện áp (SĐĐA) là trường hợp sự cố nặng nề trong HTĐ.
SĐĐA thường xảy ra khi hệ thống chịu các kích động lớn như mất máy
phát, mất đường dây công suất lớn… Khi đó, điện áp tại các nút giảm dưới
mức cho phép rất nhanh. Các biện pháp giữ OĐĐA đã đạt đến giới hạn hoặc
không đủ linh hoạt dẫn đến điện áp các nút càng giảm thấp theo chuỗi liên
tiếp trong hệ thống trong thời gian rất ngắn. Hậu quả của SĐĐA là phụ tải bị
sa thải hàng loạt trên diện rộng, hệ thống bị tan rã. Dưới đây là một số sự cố
SĐĐA đã xảy ra trên thế giới:
Sự cố ở Nam Florida, Mỹ ngày 17/05/1985: do khơng dự báo chính
xác yêu cầu công suất của phụ tải, các biện pháp ngăn chặn mất OĐĐA
không hiệu quả nên các máy cắt đã cắt 3 đường dây 500 kV khỏi hệ thống

15


làm điện áp trong hệ thống sụt giảm mạnh, công suất tác dụng cấp cho phụ
tải thiếu. Các rơle sa thải phụ tải tần số thấp không làm việc do điện áp quá
thấp. SĐĐA xảy ra khiến một khu vực phụ tải rộng lớn khoảng 4300 MW bị
mất điện.
Sự cố ở Thụy Điển ngày 27/12/1983: sự cố một máy cắt khiến trạm
biến áp và 2 đường dây 400 kV từ trạm này bị cắt khỏi hệ thống. Khoảng 8
giây sau một đường dây 220 kV làm việc quá tải tiếp tục bị cắt ra. Trong khi
đó, các máy biến áp (MBA) điều áp dưới tải liên tục chuyển nấc để phục hồi
điện áp tải làm cho điện áp trên lưới truyền tải giảm mạnh hơn, dòng điện
tăng cao trên đường dây chính cấp điện từ phía Bắc tới phía Nam nơi có sự

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

16


hồ tồn bộ hệ thống mới được khơi phục. Ước tính phụ tải bị mất điện lên
tới 29 GW. Tổn thất về mặt kinh tế là rất lớn.
Như vậy, SĐĐA là một vấn đề thực tế và hậu quả của nó là rất lớn mà
nguyên nhân của các sự cố là vì rất nhiều lý do.
1.4. Vấn đề đảm bảo giá trị điện áp cho phép
Một vấn đề liên quan tới OĐĐA là điện áp cho phép. Điện áp cho
phép là một giá trị nằm trong khoảng lân cận giá trị định mức. Ví dụ điện áp
hệ thống truyền tải thường chỉ được phép thay đổi trong phạm vi 5% điện áp
định mức. Do đó, đảm 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 đường đây 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;
 Các thiết bị bù được điều khiển bằng thyristor;
 Các thiết 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 HTĐ 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.
Nâng điện áp bằng cách phát thêm CSPK có thể nâng cao giới hạn
xảy ra SĐĐA. Đặc biệt, các bộ shunt tỏ ra hiệu quả hơn khi cung cấp CSPK
tại các thanh cái có điện áp cao. Điện áp thấp cũng ảnh hưởng lớn tới chỉ số

17


giới hạn SĐĐA. 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.
1.5. Các biện pháp ngăn ngừa sụp đổ điện áp
1.5.1. Các biện pháp vận hành
Giới hạn ổn định: Hệ thống nên vận hành với một 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.
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.
Người vận hành: 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.
1.5.2. Các biện pháp thiết kế
Điều khiển điện áp máy phát: Hiệu quả tác động của bộ tự động điều
chỉnh điện áp máy phát 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.
Phối hợp các thiết bị bảo vệ và điều khiển: 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.

18


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
không 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.
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 yếu 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 tùy tiện.
Sử dụng các thiết bị FACTS: Các yêu cầu về cách điện, về nhiệt của
các khí cụ điện, về ổn định của HTĐ sẽ quy định giới hạn công suất tối đa
truyền tải trên các đường dây. Việc xây dựng thêm các đường dây truyền tải
mới là biện pháp hữu hiệu tăng công suất truyền tải cho HTĐ nhưng khó
thực hiện do chi phí đầu tư xây dựng, thời gian thi công tuyến đường dây bị
hạn chế.
Mặt khác, khi các thông số của HTĐ như công suất phụ tải thay đổi
thì điện áp cũng có thể thay đổi theo. Người làm công tác điều độ thực hiện
việc điều chỉnh bằng cách điều chỉnh máy phát, máy biến áp... Khi các thiết
bị này đều đạt đến giới hạn điều chỉnh thì mọi hoạt động điều chỉnh khơng
thể thực hiện.
Vì thế khi HTĐ phát triển nhanh địi hỏi cần phải đưa vào những công
nghệ mới để khai thác triệt để các khả năng của HTĐ hiện có mà khơng ảnh
hưởng đến sự an tồn của hệ thống.

19


Để giải quyết vấn đề này, các nghiên cứu về thiết bị điều chỉnh linh
hoạt hệ thống truyền tải điện xoay chiều FACTS (Flexible AC Transmission
Systems) đã được tiến hành nhằm nâng cao khả năng truyền tải của các hệ
thống truyền tải và nâng cao khả năng ổn định của HTĐ. Với sự phát triển

vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt là kỹ thuật điện tử công
suất như thyristor công suất lớn đã tạo ra các bộ điều chỉnh cho phép điều
khiển bù CSPK gần như tức thời, ngăn cản dao động để ổn định điện áp một
cách nhanh chóng. Các thiết bị FACTS có khả năng điều khiển nhanh một
cách linh hoạt công suất tác dụng và phản kháng của HTĐ. Các thiết bị
FACTS khác nhau có các thơng số điều khiển khác nhau và có các mơ hình
vật lý khác nhau để điều khiển công suất.
Các thiết bị FACTS bao gồm:
 Static Var Compensator (SVC): thiết bị bù ngang điều khiển bằng
Thyristor. Công suất đầu ra của SVC có thể được điều chỉnh để
trao đổi dòng điện điện cảm hoặc điện dung nhằm duy trì hoặc
điều khiển các thơng số cụ thể của HTĐ (điển hình là điện áp nút);
 Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC): thiết bị bù dọc
được điều khiển thyristor. TCSC là 1 bộ bù điện kháng mang tính
chất dung kháng, có chứa 1 bộ các tụ điện nối tiếp và bộ này song
song với kháng điện điều khiển bằng thyristor (TCR) nhằm cung
cấp điện dung có thể điều chỉnh trơn;
 Static Sysnchronous Compensator (STATCOM): Bộ tụ bù đồng
bộ tĩnh. Với bộ chuyển đổi điện nguồn áp, điện áp đầu ra xoay
chiều của nó được điều khiển sao cho chỉ phù hợp cho dòng CSPK
theo yêu cầu tương ứng với điện áp nút bất kỳ nào đó, điện áp tụ
điện 1 chiều sẽ được điều chỉnh tự động theo yêu cầu để hoạt động
như nguồn áp cho bộ chuyển đổi điện. STATCOM có thể được
thiết kế để cũng hoạt động được như 1 bộ lọc để lọc các sóng hài;

20


 Unified Power Flow Control (UPFC): thiết bị điều khiển dịng
cơng suất, có khả năng điều khiển để cung cấp bù CSPK và tác

dụng một cách đồng thời mà không cần nguồn điện bên ngồi.
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 hợp, thì giới hạn cơng suất truyền tải của
hệ thống tăng lên đáng kể. Hơn nữa, các thiết bị FACTS cịn tỏ ra có hiệu
quả trong việc ngăn ngừa SĐĐA.
Nhìn chung, các thiết bị FACTS này có tác dụng:
 Điều khiển điện áp tại nút đặt thiết bị FACTS để ổn định điện áp,
nhờ đó chất lượng điện áp được nâng cao;


Điều khiển công suất tác dụng, phản kháng tại nút được đặt thiết
bị;

 Giảm quá điện áp khi xảy ra sự cố (ngắn mạch, mất tải đột ngột...);
 Giảm quá điện áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch trong HTĐ;
 Điều khiển quá trình quá độ, nâng cao tính ổn định cho hệ thống;
 Giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn
mạch, mất tải đột ngột...;
 Nâng cao giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định
tĩnh;
 Giảm tổn thất công suất và điện năng.
Tùy theo yêu cầu trong từng HTĐ cụ thể như yêu cầu điều chỉnh điện
áp, trào lưu công suất, nâng cao ổn định hay giảm dao động công suất trên
đường dây,... tùy vào chế độ vận hành mà ta lựa chọn các thiết bị một cách
hợp lý.[8], [10]
1.6. Nhận xét
Nội dung của chương 1 quan tâm tới các vấn đề liên quan tới OĐĐA
bao gồm: các khái niệm cơ bản về ổn định, phân tích các nguyên nhân gây ra

21


mất ổn định điện áp, phân tích hậu quả của mất ổn định điện áp trong đó sụp
đổ điện áp là một trong những sự cố nặng nề nhất. Cuối cùng đưa ra các biện
pháp ngăn ngừa SĐĐA.
Trong các biện pháp vận hành và thiết kết ngăn ngừa mất OĐĐA đề
cập thì việc sử dụng các thiết bị truyền tải điện xoay chiều FACTS được xem
là phương pháp hiện đại đem lại hiệu quả cao và nhanh chóng.
SVC là một trong những thiết bị FACTS đầu tiên được phát triển với
hiệu quả nổi bật là điều khiển nhanh CSPK. Do đó, luận văn tập trung vào
nghiên cứu nguyên lý hoạt động và hiệu quả của SVC để nâng cao OĐĐA
của HTĐ. Tuy nhiên, giá thành của SVC rất đắt tiền, nên vấn đề đặt ra là phải
xác định được vị trí đặt phù hợp của SVC trong hệ thống để đạt được hiệu quả
kỹ thuật tốt nhất và không làm chi phí đầu tư tăng quá lớn.

22


CHƯƠNG 2
VAI TRÒ VÀ ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ BÙ SVC VÀ TCSC
TRONG VIỆC NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
Những thiết bị bù ngang có điều khiển SVC (Static Var Compensator) đầu
tiên được cho ra đời vào khoảng giữa thập kỷ 70 nhờ ứng dụng các công nghệ
mới của ngành sản xuất chất bán dẫn. Sự xuất hiện của SVC đã mở ra một kỷ
nguyên mới cho việc phát triển các thiết bị thuộc Hệ thống truyền tải điện
xoay chiều linh hoạt FACTS (flexible alternating current transmission
systems). Được sử dụng từ hàng chục năm nay, SVC đã khẳng định được các
ưu điểm của mình trong việc vận hành lưới điện và khả năng mang lại những
lợi ích kinh tế to lớn cho hệ thống.

Trong hệ thống truyền tải điện năng, SVC được sử dụng với các mục đích
chính sau:
- Ổn định điện áp trong các hệ thống yếu
- Tăng khả năng truyền tải của đường dây
- Giảm tổn thất điện năng truyền tải
- Tăng cường khả năng điều khiển điện áp
- Ơn hịa các dao động cơng suất.
2.1 SVC
2.1. 1 Khả năng ứng dụng của SVC trong Hệ thống điện
2.1.1.1 Đặt vấn đề
Cũng như công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q trong hệ thống
điện cũng cần luôn luôn phải điều chỉnh để giữ trạng thái cân bằng. Việc phân
bố dịng cơng suất trong hệ thống điện là một nhiệm vụ rất quan trọng nhằm
đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp cho các phụ tải và đảm bảo điều kiện
vận hành các thiết bị và đường dây an toàn, tránh hiện tượng quá áp và một số
hiện tượng khác do công suất phản kháng gây nên. Hơn nữa, nó cịn làm tăng
tính kinh tế - kỹ thuật trong vận hành hệ thống điện. Khác với công suất tác

23