Đánh giá hiệu quả hoạt động của SVC nâng cao ổn định hệ thống điện

..

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

NGUYỄN DANH NGỌC

Đánh giá hiệu quả hoạt động của SVC nâng cao ổn định
hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỆ THỐNG ĐIỆN

Hà Nội, 2010


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

NGUYỄN DANH NGỌC

Đánh giá hiệu quả hoạt động của SVC nâng cao ổn định hệ
thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỆ THỐNG ĐIỆN

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

Hà Nội, 2010

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................3
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...............................................................7
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................9
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ............................................11
1.1.Tổng quan về ổn định điện áp, ổn định hệ thống điện.....................................11
1.1.1.Khái quát về ổn định điện áp .....................................................................11
1.1.2.Một số biện pháp ngăn ngừa sự sụp đổ điện áp ........................................18
1.1.3. Hiện tượng điện áp thấp ...........................................................................20
1.1.4.Khái niê ̣m về ổ n đinh
̣ tiñ h hê ̣ thố ng điê ̣n (HTĐ) ......................................21
1.1.5.Kết luận .....................................................................................................24
1.2.Tiêu chuẩ n thực du ̣ng đánh giá ổ n đinh
̣ tiñ h HTĐ theo mô hình đơn giản .....25
1.1.1.Tiêu chuẩn mấ t ổ n đinh
̣ phi chu kỳ (tiêu chuẩ n Gidanov) ........................26
1.1.2.Áp du ̣ng tiêu chuẩ n mấ t ổ n đinh
̣ phi chu kỳ để đánh giá ổ n đinh
̣ tiñ h hê .̣ 28
thố ng điê ̣n theo mô hình đơn giản hóa ...............................................................28
CHƯƠNG II: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC ................33
2.1.Các phần tử cơ bản ..........................................................................................34
2.1.1.TCR và TSR ..............................................................................................34
2.1.2.TSC ............................................................................................................40
2.2.Thiết bị bù tĩnh có điều khiển (SVC)...............................................................44

2.2.1.Cấu tạo và nguyên lý vận hành: ................................................................44
2.2.2.Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp .................................45
2.2.3.Các thành phần điều khiển của SVC .........................................................52
2.2.4.Phân tích hiệu quả điều khiển của SVC ....................................................63
CHƯƠNG 3: KHAI THÁC PHẦN MỀM CONUS TÍNH TỐN PHÂN TÍCH ỔN
ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 2015 ................................................................................68
Mô ̣t số tiń h năng của chương triǹ h tiń h toán Conus .............................................68

1


3.1.1.Tiń h toán chế đô ̣ xác lâ ̣p............................................................................68
3.1.2.Tính toán giới ha ̣n truyề n tải trên đường dây ............................................69
3.1.3.Đánh giá ổ n đinh
̣ tiñ h của mô ̣t nút tải bấ t kỳ ............................................69
3.1.4.Tiń h toán xác đinh
̣ miề n ổ n đinh
̣ của nút tải .............................................69
3.1.5.Tiń h toán đô ̣ dự trữ ổ n đinh
̣ theo kich
̣ bản điể n hiǹ h, phân tích đô ̣ nha ̣y
từng nút ...............................................................................................................69
3.1.6.Tiń h toán đô ̣ dự trữ ổ n đinh
̣ theo kich
̣ bản quan tâm ................................70
3.2.Hệ thống điện Việt Nam 2015 .........................................................................70
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦA SVC ĐỐI VỚI HỆ
THỐNG ĐIỆN 2015 .................................................................................................77
4.1.Tính tốn sơ đồ HTĐ Việt Nam 2015 .............................................................77
4.1.2.Các giả thiết tính tốn ................................................................................77

4.1.3.Tính tốn chế độ xác lập............................................................................78
4.1.4.Tính tốn phân tích ổn định tĩnh hê ̣ thố ng điê ̣n 500, 220kV Viê ̣t Nam
2015 ....................................................................................................................80
4.1.5.Sử dụng thiết bị SVC cải thiện nút yếu nâng cao độ dự trữ ổn định HTĐ
Việt Nam 2015. ..................................................................................................83
4.2.Các nhận xét, kết luận và kiến nghị .................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................90
PHỤ LỤC ..................................................................................................................91

2


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình làm luận văn, tác giả đã cố gắng tìm hiểu và hồn thành
bản luận văn của riêng mình. Để hồn thành được bản luận văn này, tác giả xin chân
thành cảm ơn các thầy giáo và cô giáo trong bộ môn Hệ Thống Điện trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo GS.TS
Lã Văn Út người đã quan tâm, tận tình hướng dẫn giúp tác giả xây dựng và hoàn
thành bản luận văn này. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị, bạn bè đồng
nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian tác giả thực hiện luận
văn. Bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót do hiểu biết và thời gian hạn chế,
tác giả rất mong nhận được nhiều góp ý của các thầy cô giáo cũng như đồng nghiệp
và bạn bè.
Xin chân thành cảm ơn !

3


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn được hồn thành là của riêng tơi. Các kết quả

tính tốn nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ
một bản luận hay văn nghiên cứu nào khác.

Hà Nội, tháng 3 năm 2011
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Danh Ngọc

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT

Viết tắt

Giải thích

1

HTĐ

Hệ thống điện

2

CĐXL

Chế độ xác lập

3

CĐQĐ

Chế độ quá độ

4

QTQĐ

Quá trình q độ

5

TĐK

Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ

6

ĐTĐ

Thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ quay của Tuabin

7

MBA

Máy biến áp

8

NMTĐ

Nhà máy thủy điện

9

OĐĐA

Ổn định điện áp

10

SĐĐA

Sụp đổ điện áp

11

NMNĐ Nhà máy nhiệt điện

12

U0

Điện áp ở chế độ xác lập

13

Ugh

Điện áp ở chế độ giới hạn

14

P0

Công suất truyền tải ở chế độ xác lập

15

Pgh

Công suất truyền tải ở chế độ giới hạn

16

Δ0

17

ΔM

18

kU%

Hệ số sụt áp nút

19

kP%

Hệ số biến thiên công suất nhánh

20

dP/dδ

Tốc độ biến thiên công suất tác dụng theo góc lệch

21

dQ/dU

Tốc độ biến thiên cơng suất phản kháng theo điện áp

22

dU/dk

Tốc độ biến thiên điện áp theo hệ số làm nặng

23

dδ/dk

Tốc độ biến thiên góc lệch pha theo hệ số làm nặng

24

SVC

Thiết bị bù tĩnh có điều khiển

Góc lệch pha giữa véc tơ điện áp nút so với nút cân bằng ở chế
độ xác lập
Góc lệch pha giữa véc tơ điện áp nút so với nút cân bằng ở chế
độ giới hạn

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
TT
1

Bảng số
Bảng 2.1

Tên bảng

Trang

Các thông số bộ điều chỉnh điện áp SVC 57
điển hình

2

Bảng 3.1

Nhu cầu điện hiện tại và dự báo đến năm 71
2015

3

Bảng 3.2

Danh mu ̣c các nhà máy điê ̣n đưa vào vâ ̣n 72
hành giai đoa ̣n 2010 - 2015

4

Bảng 4.1

Công suất truyền tải và giá trị điện áp trên 80
hệ thống điện 500kV ở chế độ xác lập

5

6

Bảng 4.2

Kết quả biến thiên thông số nút 500kV

Bảng 4.3

Kết quả biến thiên thông số nút yếu 220kV 85

Bảng 4.4

Độ dự trữ ổn định của hệ thống khi thay đôi 87

82

dung lượng SVC
7

Bảng PL1

Kế t quả biế n thiên thông số nút 220kV

PL

8

Bảng PL2

Kế t quả biế n thiên thông số nút 220kV

PL

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
STT

Hình số

Tên hình

Trang

1

Hiǹ h 1.1

Các giai đoạn SĐĐA theo thời gian

17

2

Hình 1.2a

Hê ̣ thố ng điê ̣n đơn giản

23

Đă ̣c tin
́ h công suấ t điê ̣n từ của máy phát và đă ̣c

24

3
Hình 1.2b

tiń h công suấ t cơ của tuabin

4

Hình 1.3

Đă ̣c tính công suấ t phản kháng của phu ̣ tải

29

5

Hình 1.4

Thông số thay đổi an

32

6

Hiǹ h 1.5

Sơ đồ khố i tìm giới ha ̣n ổ n đinh
̣ tiñ h của HTĐ

7

Hiǹ h 2.1

Cấu tạo của TCR

34

Biến thiên biên độ các dòng điện thành phần cơ

36

8

9

Hiǹ h 2.2

bản qua TCR phụ thuộc góc mở α

Hiǹ h 2.3

Đặc tính V-I của TCR

37

Biên độ các thành phần dòng điện bậc cao của

38

10
Hiǹ h 2.4

Dạng sóng minh họa cho phương pháp điều khiển

11
Hình 2.5

40

Hinh 2.6

dịng điện.

Hinh 2.7

Cấu tạo TSC và dạng sóng vận hành

41

Dạng sóng minh họa q trình đóng cắt khơng có

42

14

15

39

tuần tự để giảm sóng hài bằng hệ thống 4 TCR.
Cách sắp xếp 12 xung 2 bộ TCR và dạng sóng

12

13

TCR so với α.

Hiǹ h 2.8

quá trình quá độ của TSC

Hình 2.9

Đặc tính V-I của TSC

43

Cấu tạo SVC và đặc tính công suất theo yêu cầu so

44

16
Hình 2.10

với công suất đầu ra
Đặc tính V-I của SVC

17

Hình 2.11

18

Hình 2.12

Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp

46

19

Hình 2.16

Sóng tín hiệu dòng điện của TCR

49

7

45


Đặc tính điều chỉnh dịng điện của TCR theo góc

20

50

Hình 2.17

cắt

21

Hình 2.18

Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR

52

21

Hình 2.19

Sơ đồ điều khiển chức năng của SVC

53

23

Hình 2.20

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển của SVC

53

24

Hình 2.21

Mạch đo của module điều khiển cho SVC

54

25

Hình 2.22

Các cách thức điều chỉnh điện áp

57

Mơ hình cơ bản 1 của IEEE cho hệ thống điều

58

37

khiển của SVC (a) và mơ hình bộ điều chỉnh điện
Hình 2.23

áp (b)
Mơ hình cơ bản 2 của IEEE cho hệ thống điều

38

59

khiển của SVC (a) và mơ hình bộ điều chỉnh điện
Hình 2.24

Mơ hình PLL nói chung cho hệ thống điều khiển

39

40

áp (b)
61

Hình 2.25

số

Hình 2.26

Sơ đồ khối điều khiển góc đánh lửa của TCR

62

Đồ thị biến thiên giới hạn ổn định điện áp khi tải

67

41
Hình 2.28

và hệ số cơng suất tải thay đổi

42

Hình 3.1

Biể u đờ phu ̣ tải ngày

38

Hình 4.1

Biến thiên điện áp tại một số nút theo kịch bản điển 84

79

hình
39

Hình 4.2

Biến thiên dU/dk tại một số nút theo kịch bản điển

85

hình
40

Hình 4.3

Biểu đồ thay đổi độ dự trữ ổn định hệ thống theo

87

công suất đặt SVC
41

Hình 4.4

Miền ổn định nút Huế trước và sau khi đặt SVC

88

42

Hình 4.5

Biến thiên điện áp và biến thiên dU/dK tạ nút Huế

88

khi chưa đă ̣t SVC

8


43

Hình 4.6

Biến thiên điện áp và biến thiên dU/dK tạ nút Huế

89

khi lắp đă ̣t SVC
44

Hình 4.7

Hê ̣ sớ dự trữ ổ n đinh
̣ tiñ h của HTĐ khi đă ̣t SVC ta ̣i

90

nhiề u vi ̣trí

MỞ ĐẦU
1. Mục đích nghiên cứu và lý do chọn đề tài
Nước ta đang trong cơng cuộc xây dựng theo hướng cơng nghiệp hóa, hiện đại
hóa và dần trở thành một nước cơng nghiệp, cùng với đó là nhu cầu sử dụng điện của
các phụ tải trong những năm tới được dự báo là sẽ có sự tăng trưởng cao. Theo “Quy
hoạch phát triển điện lực Việt Nam giai đoạn 2006 – 2015 có xét đến 2025” (QHĐ
VI) do Viện Năng Lượng lập, nhu cầu điện năng toàn quốc năm 2010 là 96 tỷ kWh
(gấp 2 lần 2005), năm 2015 là 215 tỷ kWh. Cùng với sự phát triển ngày càng cao của
xã hội, sự tăng trưởng kinh tế, đặc biệt là lĩnh vực công nghiệp, ngành điện đang nỗ
lực xây dựng và đưa vào nhiều nguồn điện mới cùng với hệ thống truyền tải đáp ứng
nhu cầu của phụ tải. Vì vậy, HTĐ Việt Nam đã và đang phát triển hết sức nhanh
chóng, sơ đồ lưới điện ngày càng phức tạp với các đặc điểm của các hệ thống điện
lớn.
Tuy nhiên đối với một hệ thống lớn thì một yêu cầu đặc biệt quan trọng đó là
vận hành HTĐ làm việc ổn định. Bởi vậy việc nghiên cứu các đặc trưng ổn định của
HTĐ phức tạp và các biện pháp để nâng cao ổn định là hết sức cần thiết.
Mục đích nghiên cứu của luận văn: Đánh giá hiệu quả hoạt động của SVC
nâng cao ổn định HTĐ. Từ đó đưa ra một số biện pháp lắp đặt SVC để nâng cao ổn
định của HTĐ năm 2015.
2. Nội dung của luận văn

Với mục tiêu trên, luận văn thực hiên theo bố cục nội dung sau:
Chương 1: Tổng quan về ổn định điện áp

9


Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC
Chương 3: Khai thác phần mềm Conus tính tốn phân tích ổn định HTĐ
Chương 4: Tính tốn phân tích hiệu quả của SVC đối với HTĐ 2015.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Hệ thống điện Việt Nam năm 2015 đã được thiết kế theo “Quy hoạch phát
triển Điện Lực Việt Nam giai đoạn 2006 -2015 có xét triển vọng đến năm 2025” đã
được thủ tướng chính phủ phê duyệt, đồng thời hiệu chỉnh theo tiến độ hiện trạng của
các cơng trình nguồn.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu của bản luận văn góp phần đánh giá sự ổn định tĩnh
của HTĐ Việt Nam, hiệu quả của thiết bị SVC nâng cao ổn định đối với sơ đồ HTĐ,
trên kết quả đó lập phương thức vận hành để đảm bảo vận hành HTĐ ổn định, an tồn
và kinh tế, đồng thời có định hướng để quy hoạch và xây dựng các nhà máy điện phù
hợp với sự phát triển của HTĐ Việt Nam trong tương lai gần.

10


CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
1.1.Tổng quan về ổn định điện áp, ổn định hệ thống điện
1.1.1.Khái quát về ổn định điện áp
1.1.1.1. Ổn định điện áp

Ổn định điện áp (OĐĐA) không phải là vấn đề mới của ngành công nghiệp
điện năng nhưng vẫn nhận được rất nhiều sự quan tâm, nghiên cứu trong nhiều năm
qua. Các vấn đề liên quan đến điện áp thường xảy ra trong các hệ thống điện yếu và
những đường dây dài do sự tăng cao của nhu cầu phụ tải.
Đối với hệ thống điện Việt Nam cũng đã xảy ra sự cố dẫn đến mất điện trên
diện rộng vào các ngày 17/5/2005, 27/12/2006, 20/7/2007 và 04/09/2007. Qua phân
tích cho thấy tất cả các sự cố trên đều liên quan đến mất ổn định điện áp. Như vậy
sụp đổ điện áp là một dạng sự cố mà hậu quả do nó gây ra là rất lớn. Sụp đổ điện áp
có thể xảy ra vì các lý do khác nhau, do đó rất nhiều các nghiên cứu về sụp đổ điện
áp đã được thực hiện. Thuật ngữ “mất ổn định điện áp” và “sụp đổ điện áp” xuất hiện
ngày càng nhiều trong các tài liệu giảng dạy và các cuộc thảo luận về vận hành hệ
thống.
Mặc dù hiện tượng điện áp thấp có thể liên quan đến ổn định góc lệch của
rotor, nhưng cũng có những trường hợp sụp đổ điện áp do mất ổn định điện áp không
phải nguyên nhân là ổn định góc lệch. Góc lệch giữa hai nhóm máy phát bị kéo dần
dần tiệm cận hoặc vượt quá 1800, kết quả dẫn đến điện áp rất thấp tại những điểm
trung gian trong hệ thống. Tuy nhiên, trong những trường hợp này, điện áp giảm thấp
là do rotor rơi ra khỏi điểm ổn định chứ không phải là do hệ thống.

11


Dưới đây là một số khái niệm liên quan đến ổn định điện áp:
- OĐĐA (Voltage Stability): là khả năng của một Hệ thống điện khôi phục lại
điện áp ban đầu hay rất gần với điện áp ban đầu khi bị các kích thích nhỏ ở nút phụ
tải. Khi có sự thay đổi phụ tải (tăng hoặc giảm) thì cả cơng suất và điện áp đều có thể
điều khiển được.
- Sụp đổ điện áp (Voltage Collapse): là hậu quả do mất ổn định điện áp dẫn
đến điện áp giảm thấp không thể chấp nhận được trong một phần quan trọng của
HTĐ.

- Độ dự trữ ổn định: đây là đại lượng phản ánh sự so sánh giữa chế độ được
xét ổn định và chế độ giới hạn ổn định, tức là chế độ mà bắt đầu từ đó hệ thống mất
ổn định. Độ dự trữ ổn định của hệ thống điện là độ dự trữ của chế độ có độ dự trữ bé
nhất trong tất cả các chế độ có thể xảy ra của hệ thống điện.
OĐĐA được chia thành hai dạng như sau:
- Ổn định tĩnh (ổn định điện áp sau những kích động nhỏ) là khả năng hệ thống
điều khiển được điện áp trong hệ thống sau những kích động nhỏ như thay đổi phụ
tải. Dạng ổn định này được quyết định bởi các đặc tính của tải, các thiết bị điều khiển
liên tục, điều khiển rời rạc trong một thời gian cho trước;
- Ổn định động (ổn định điện áp sau những kích động lớn) là khả năng hệ
thống điều khiển được các điện áp trong mạng sau những kích động lớn như sự cố
mất máy phát, ngắn mạch. Dạng ổn định này được quyết định bởi đặc tính tải và sự
tác động qua lại giữa các thiết bị bảo vệ và điều khiển liên tục cũng như rời rạc trong
hệ thống.
Một hệ thống có thể mất ổn định khi có kích động dẫn đến điện áp giảm mạch
mà người vận hành và các hệ thống điều khiển tự động khơng cải thiện được điện áp.
Ngun nhân chính gây mất OĐĐA thường là do HTĐ không đáp ứng đủ nhu cầu
CSPK. Tuy hệ thống OĐĐA là hiện tượng mang tính cục bộ nhưng hậu quả của nó
lại có thể nghiêm trọng như sự cố SĐĐA. Sự sụt giảm điện áp có thể diễn ra trong
vài giây cho tới vài phút.

12


1.1.1.2. Sụp đổ điện áp
1.1.1.2.1.Diễn biến của quá trình sụp đổ điện áp:
Khi một hệ thống điện đột ngột tăng nhu cầu công suất phản kháng, nhu cầu
bổ sung công suất phản kháng sẽ được cung cấp đủ bởi các máy phát và thiết bị bù.
Thông thường lượng dự trữ này đủ và hệ thống sẽ ổn định điện áp. Tuy nhiên, trong
một số trường hợp do những nguyên nhân và điều kiện của hệ thống, sự bổ sung công

suất phản kháng có thể dẫn đến sụp đổ điện áp, kết quả là một phần hoặc toàn bộ hệ
thống tan rã.
Một dạng diễn biến của quá trình sụp đổ điện áp có thể diễn ra như sau:
- Hệ thống điện đang vận hành trong điều kiện bất thường với những máy phát
lớn ở gần trung tâm phụ tải bị tách ra. Hậu quả một vài đường dây siêu cao áp bị nặng
tải và các nguồn công suất phản kháng là cực tiểu.
- Sự kiện khởi đầu là đường dây mang tải lớn bị cắt ra làm cho các đường dây
còn lại ở bên cạnh phải mang thêm tải. Điều này làm gia tăng công suất phản kháng
thiếu hụt trên đường dây (Q hút bởi đường dây tăng nhanh hơn trở kháng nạp vào),
do đó làm tăng nhu cầu cơng suất phản kháng trên hệ thống.
- Ngay lập tức đường dây siêu cao áp bị ngắt ra, có thể nguyên nhân do điện
thế bị giảm ở lân cận trung tâm phụ tải vì nhu cầu cơng suất phản kháng tăng thêm.
Điều này làm cho phụ tải giảm xuống, và kết quả của sự giảm xuống này là làm cho
luồng công suất truyền tải trên đường dây siêu cao có hiệu ứng ổn định. Các máy phát
tự động điều chỉnh điện áp nhanh chóng khơi phục điện áp bằng cách tăng kích từ.
Kết quả bổ sung dịng cơng suất phản kháng thơng qua điện cảm tương hỗ với máy
phát, máy biến áp và đường dây, có thể là nguyên nhân làm tăng sự giảm điện áp tại
một phần tử nào đó. Ở thời điểm này, các máy phát phát P-Q trong khả năng, phần
ứng và dòng điện trường trong giới hạn nhiệt. Tốc độ của bộ điều khiển phụ thuộc
tần suất điều chỉnh bằng cách giảm công suất tác dụng phát ra.
- Sự sụp đổ điện áp ở cấp siêu cao áp tại trung tâm phụ tải sẽ ảnh hưởng đến
hệ thống phân phối. Các bộ điều áp dưới tải của máy biến áp phân phối sẽ khôi phục
lại điện áp lưới phân phối và tải về trước khi sự cố trong khoảng từ 2 đến 4’. Với thao

13


tác thay đổi đầu phân áp, kết quả làm tăng tải trên đường dây siên cao, thành phần
XI2 trên đường dây tăng lên và RI2 giảm xuống, đó là nguyên nhân gây ra một sự sụp
giảm lớn trong cấp siêu cao áp. Nếu đường dây siêu cao áp truyền tải vượt quá ngưỡng

đảm bảo điện áp, mỗi đơn vị công suất tác dụng truyền tải trên đường dây tương ứng
mất một vài đơn vị công suất phản kháng.
- Kết quả là, với mỗi thao tác điều chỉnh đầu phân áp, công suất phản kháng
của máy phát phát lên hệ thống tăng lên. Dần dần, máy phát đạt đến giới hạn phát
cơng suất phản kháng (bão hịa dịng điện từ trường). Khi máy phát đầu tiên đạt đến
ngưỡng bão hòa dòng điện từ trường, điện áp đầu cực của nó giảm xuống, dịng điện
cảm ứng tăng lên. Dẫn đến có thể vượt quá giới hạn phát công suất phản kháng để
giữ dòng điện cảm ứng nằm trong giới hạn cho phép. Các máy phát khác sẽ phải san
sẻ yêu cầu phát công suất phản kháng, dẫn đến quá tải cho các máy phát khác.Với
một số ít các máy phát khác có thiết bị tự động điều chỉnh kích từ, hệ thống càng dễ
dàng bị mất ổn định điện áp. Điều này giống như trường hợp giảm hiệu quả của tụ bù
ngang khi điện áp thấp.
Quá trình cuối cùng sẽ dẫn đến sụp đổ điện áp, có thể dẫn đến các máy phát bị
mất đồng bộ và mất điện trên diện rộng.
1.1.1.2.2. Những đặc điểm cơ bản của sự cố sụp đổ điện áp trong thực tế
Trên thực tế, những sự cố sụp đổ điện áp trên thế giới có những đặc điểm cơ
bản sau:
- Giả sử một hệ thống điện đang ở trạng thái ổn định. Thơng thường khi có
kích động trong hệ thống điện, hệ thống sẽ có q trình quá độ để thiết lập lại trạng
thái ổn định 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 là mục tiêu mong muốn khi vận hành hệ thống
điện.
Tuy nhiên, hệ thống điện có thể mất ổn định khi sự thay đổi trong hệ thống
điện 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 đặc trưng bởi sự

14

sụp đổ điện áp. Sự sụp đổ điện áp này bắt đầu bằng việc điện áp sụt giảm chậm và
sau đó giảm nhanh do có các thay đổi khác xảy ra theo trong hệ thống (Đơi khi, một
vài kích động ban đầu khơng nghiêm trọng có thể dẫn đến những sự cố liên tiếp và
cuối cùng làm hệ thống sụp đổ). Điều này dẫn đến sự sụt giảm điện áp liên tục và hệ
thống điện bị tan rã.
- Nguyên nhân chính của vấn đề là hệ thống khơng đáp ứng được nhu cầu công
suất phản kháng. Thông thường sụp đổ điện áp liên quan đến các đường dây bị quá
tải. Khi công suất phản kháng truyền tải từ khu vực lân cận gặp khó khăn, bất cứ lý
do nào làm tăng nhu cầu cơng suất phản kháng đều có thể dẫn đến sụp đổ điện áp.
- Hiện tượng sụp đổ điện áp thường bắt đầu bằng việc điện áp bị giảm thấp.
Nó là kết quả của q trình tích tụ liên quan đến các hoạt động và tác động qua lại
của rất nhiều thiết bị điện, thiết bị điều khiển và hệ thống bảo vệ. Quá trình sụp đổ
điện áp có thể diễn ra trong vài phút.
Khoảng thời gian diễn ra sụp đổ điện áp trong một vài tình huống có thể rất
ngắn, trong khoảng vài giây. Sự cố dạng này thường do các tải bất lợi gây ra như các
động cơ cảm ứng hay các bộ biến đổi nguồn một chiều. Thời gian diễn ra sự cố mất
ổn định điện áp dạng này cũng giống như là mất ổn định góc lệch rotor. Trong nhiều
tình huống, mất ổn định điện áp và mất ổn định góc lệch khơng được phân biệt rõ
ràng và có thể có một vài đặc điểm chung. Dạng mất ổn định này có thể được phân
tích bằng các mơ phỏng ổn định nhất thời, với mơ hình phần tử đặc trưng như: các
thiết bị điện, đặc biệt là phụ tải động cơ cảm ứng, các phần tử điều khiển và bảo vệ
trong hệ thống điện.
- Bản chất vật lý của hiện tượng sụp đổ điện áp chính là u cầu cơng suất
phản kháng của phụ tải không được đáp ứng đủ do giới hạn về phát và truyền tải công
suất phản kháng. Các giới hạn về phát công suất phản kháng bao gồm giới hạn của
các máy phát, giới hạn công suất của SVC và sự sụt giảm công suất phản kháng của
các tụ ở điện áp thấp. Các giới hạn về truyền tải công suất phản kháng do tổn thất
công suất phản kháng lớn trên các đường dây nặng tải, hoặc có sự cố trên đường dây
dẫn đến giảm công suất truyền tải. Dễ nhận thấy rằng tuy hiện tượng này thường liên

15


quan đến một khu vực nào đó trong hệ thống nhưng hậu quả của nó lại ảnh hưởng
đến cả hệ thống.
Một số nguyên nhân có thể dẫn tới mất ổn định / sụp đổ điện áp:
• Cơng suất phát của máy phát không đáp ứng được nhu cầu của phụ tải
• Thao tác với MBA điều áp dưới tải trong điều kiện điện áp nút giảm
thấp
• Đặc tính làm việc của các tải bất lợi: động cơ cảm ứng, bộ biến đổi
nguồn một chiều
• Sự phối hợp khơng hiệu quả giữa các thiết bị tự động và thiết bị bảo vệ
trong hệ thống.
Các nguyên nhân này có ảnh hưởng rất lớn tới việc phát, truyền tải và tiêu thụ
công suất phản kháng. Sử dụng quá thừa các bộ tụ bù ngang có thể làm trầm trọng
thêm sự cố sụp đổ điện áp. Do đó, việc ngắt bớt các bộ tụ bù ngang, khóa các MBA
điều áp dưới tải, phân bố lại công suất phát, điều chỉnh điện áp, sa thải phụ tải, và quá
tải tạm thời công suất phản kháng của các máy phát là một số phương pháp điều khiển
được sử dụng như là các biện pháp ngăn ngừa sụp đổ điện áp.
- Quá trình SĐĐA được chi thành 3 giai đoạn diễn ra từ vài giây cho tới vài
phút như sau:
(1) Các quá trình quá độ điện cơ (ví dụ như các máy phát điện, các bộ điều
chỉnh, các động cơ cảm ứng và các thiết bị điện tử công suất - như SVC, HVDC)
trong vài giây.
(2) Các thiết bị đóng cắt rời rạc, như các đầu phân áp của các máy biến áp điều
áp dưới tải và các bộ giới hạn kích từ tác động trong vài chục giây.
(3) Q trình khơi phục phụ tải diễn ra trong vài phút.
Khi phân tích 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 tải hiện tượng SĐĐA theo các giai đoạn vừa
đề cập.

16


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

Tự khôi phục tải, AGC, đầu
phân áp, các bộ giới hạn kích
từ

Các thay
đổi
nhanh
thời gian
ngắn
Các thay
đổi chậm
thời gian
dài

Khơi phục
tải

Hình 1.1: Các giai đoạn SĐĐA theo thời gian
SĐĐA thường xảy ra với các HTĐ nặng tải hoặc HTĐ có sự cố, hoặc HTĐ
thiếu hụt CSPK. Hiện tượng này liên quan tới nhiều phần tử trong hệ thống và thông
số của các phần tử đó. Dễ nhận thấy rằng tuy hiện tượng này thường liên quan đến
một khu vực nào đó trong hệ thống nhưng hậu quả của nó lại ảnh hưởng đến cả hệ
thống.

Như đã nói ở trên, SĐĐA được phân loại theo giai đoạn quá độ hoặc trong giai
đoạn dài hạn. Tuy nhiên, SĐĐA trong giai đoạn dài hạn có thể bao gồm các hậu quả
từ giai đoạn quá độ. Ví dụ SĐĐA diễn ra chậm trong vài phút có thể kết thúc nếu có
sự SĐĐA nhanh xảy ra trong giai đoạn gian quá độ.
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 hạn về phát
CSPK bao gồm giới hạn của các máy phát, giới hạn công suất của SVC và sự sụt
giảm CSPK của các tụ ở điện áp thấp. Các giới hạn về truyền tải CSPK là tổn thất

17


CSPK lớn trên các đường dây nặng tải, hoặc có sự cố đường dây dẫn đến giảm công
suất truyền tải.
Một số thay đổi trong hệ thống có thể dẫn tới SĐĐA là:
• Phụ tải tăng
• CSPK giới hạn của máy phát, máy bù đồng bộ hoặc SVC
• Thao tác với MBA điều áp dưới tải
• Q trình khơi phục phụ tải
• Sự cố đường dây hoặc máy phát
Hầu hết các thay đổi này có ảnh hưởng rất lớn tới việc phát, truyền tải và tiêu
thụ CSPK. Do đó, SĐĐA là vấn đề thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và
công ty điện trong suốt hơn hai mươi năm qua nhằm đề xuất các phương pháp để bảo
vệ HTĐ khơng bị SĐĐA.
Việc ngắt các bộ tụ shunt, khố các MBA điều áp dưới tải, phân bố lại công
suất phát, điều chỉnh điện áp, sa thải phụ tải, và quá tải tạm thời CSPK của các máy
phát là một số phương thức điều khiển được sử dụng như là các biện pháp ngăn ngừa
SĐĐA.
1.1.2. Một số biện pháp ngăn ngừa sự sụp đổ điện áp
1.1.2.1.Các biện pháp vận hành

a. Giới hạn ổn định
Hệ thống nên vận hành với một giới hạn OĐĐA cho phép bằng cách xây dựng
kế hoạch sử dụng các nguồn CSPK phù hợp. Nếu sự cố SĐĐA không thể ngăn chặn
được bằng các nguồn CSPK và các thiết bị điều chỉnh điện áp hiện có trong hệ thống
thì cơng suất truyền tải phải được giới hạn và các máy phát dự phòng phải được khởi
động.
b. Dự trữ quay
Dự trữ CSPK phải được đảm bảo bởi các máy phát đang vận hành để duy trì
điện áp trong phạm vi cho phép. Cần chú ý rằng, công suất dự trữ quay phải được
phân bố tại các khu vực có nhu cầu lớn về điều chỉnh điện áp.

18


c. Người vận hành
Yêu cầu đối với 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.
1.1.2.2.Các biện pháp thiết kế
a. Điều khiển điện áp máy phát
Hiệu quả tác động của bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát AVR (automatic
voltage regulator) là điện áp phía cao của MBA tăng áp sẽ được điều chỉnh. Trong
nhiều trường hợp, biện pháp này rất hiệu quả để đảm bảo OĐĐA.
b. Phối hợp các thiết bị bảo vệ và điều khiển
Một trong các nguyên nhân dẫn đến SĐĐA là thiếu sự phối hợp giữa các thiết
bị bảo vệ, điều khiển. Do vậy, các nghiên cứu mô phỏng về sự phối hợp của các thiết
bị bảo vệ trong các tình huống khác nhau của hệ thống là rất cần thiết.
c. Điều khiển đầu phân áp của MBA.
Người ta có thể thay đổi đầu phân áp của MBA để giảm nguy cơ SĐĐA. Tuy
nhiên, nếu khơng có ảnh hưởng tích cực tại nơi thay đổi đầu phân áp của MBA thì

biện pháp này phải khơng được dùng nữa khi điện áp phía nguồn giảm. Đầu phân áp
chỉ được tiếp tục thay đổi khi điện áp phía nguồn hồi phục .
d. Sa thải phụ tải
Trong một số trường hợp nguy hiểm, người ta phải tiến hành sa thải phụ tải.
Đây là biện pháp rẻ tiền để ngăn chặn hiện tượng SĐĐA lan rộng. Điều này đúng nếu
xác suất các điều kiện và các tình huống khẩn cấp trong hệ thống gây mất OĐĐA
thấp. Tuy nhiên, biện pháp này có thể đem lại những hậu quả nghiêm trọng. Đặc điểm
và vị trí của phụ tải 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 khơng nên sử dụng nếu có thể.
e. Sử dụng các thiết bị FACTS

19


Flexible Alternative Current Transmission Systems (FACTS) là khái niệm hệ
thống điện truyền tải xoay chiều linh hoạt được phát triển dựa trên công nghệ tiên
tiến trong lĩnh vực điện tử công suất.
Thực chất, các thiết bị FACTS là sự kết hợp giữa khả năng đóng/ cắt nhanh
của các thiết bị bán dẫn với các mạch điện phức tạp. Ưu điểm của các thiết bị này là
khả năng điều chỉnh nhanh và hiệu quả các thông số ảnh hưởng đến vận hành của các
hệ thống truyền tải như điện kháng đường dây, điện áp, dịng điện, góc pha nhằm
nâng cao sự an toàn (ổn định) khi vận hành các HTĐ.
Các thiết bị FACTS chính bao gồm:
- Static Var Compensator (SVC): thiết bị bù ngang điều khiển bằng Thyristor.
- Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC): Thiết bị bù dọc được điều
khiển thyristor.
- Static Sysnchronous Compensator (STATCOM): Bộ tụ bù tĩnh.
- Unified Power Flow Control (UPEC): Thiết bị điều khiển dịng cơng suất.

Lợi ích của việc áp dụng các thiết bị FACTS vào HTĐ là nâng cao độ tin cậy
và khả năng phản ứng động của hệ thống. Ngoài ra, nếu các thiết bị FACTS được lắp
đặt tại vị trí phù hợp, thì giới hạn công suất truyền tải của hệ thống tăng lên đáng kể.
Hơn nữa, các thiết bị FACTS còn tỏ ra có hiệu quả trong việc ngăn ngừa SĐĐA.
Tuy nhiên, giá thành của các thiết bị FACTS là một trở ngại lớn khi áp dụng
trong thực tế.
1.1.3. Hiện tượng điện áp thấp
Một vấn đề liên quan tới SĐĐA là điện áp cho phép. Điện áp cho phép là một
giá trị nằm trong một khoảng lân cận giá trị định mức. Ví dụ điện áp hệ thống truyền
tải thường được điều chỉnh 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
dây dài thường không hiệu quả. Để khắc phục vấn đề này thì phần lớn CSPK phụ tải

20


yêu cầu sẽ được cung cấp ngay tại đó. Bên cạnh đó, các máy phát điện đều có giới
hạn phát CSPK nên đây cũng là nguyên nhân ảnh hưởng tới điện áp trong hệ thống
cũng như hiện tượng SĐĐA.
Các thiết bị thực hiện điều chỉnh điện áp bao gồm:
- Các thiết bị bù tĩnh và có thể đóng/ cắt được;
- Các thiết bị bù được điều khiển bằng thyristor;
- Các MBA điều áp dưới tải;
- Các máy phát điện.
Hiện tượng điện áp thấp xảy ra khi điện áp các thanh cái trong hệ thống ở dưới
giá trị cho phép nhưng hệ thống điện vẫn có thể vận hành. Do điểm vận hành ổn định
là bền vững và khơng có sự SĐĐA động nên về bản chất hiện tượng điện áp thấp
khác với hiện tượng SĐĐA.

Tăng điện áp bằng cách phát thêm CSPK có thể nâng cao giới hạn xảy ra
SĐĐA. Đặc biệt các bộ tụ shunt tỏ ra hiệu quả hơn khi cung cấp CSPK tại các thanh
cái có điện áp cao. Tuy nhiên, tăng điện áp bằng cách điều chỉnh đầu phân áp của các
MBA điều áp dưới tải lại có thể làm giảm giới hạn SĐĐA do nhu cầu CSPK tăng lên.
1.1.4. Khái niêm
̣ về ổ n đinh
̣ tinh
̃ hê ̣ thố ng điêṇ (HTĐ)
Hệ thống điện có hai chế đô ̣ làm viê ̣c chính là chế đô ̣ xác lâ ̣p (CĐXL) và chế
đô ̣ quá đô ̣ (CĐQĐ). CĐXL là chế đô ̣ trong đó các thông số của hê ̣ thố ng không thay
đổ i, hoă ̣c trong khoảng thời gian tương đố i ngắ n chỉ biế n thiên nhỏ xung quanh giá
tri đi
̣ nh
̣ mức. CĐQĐ là các chế đô ̣ trung gian chuyể n từ CĐXL này sang CĐXL khác.
Chế đô ̣ làm viê ̣c bình thường và lâu dài của hê ̣ thố ng điê ̣n thuô ̣c về CĐXL.
Điề u kiê ̣n cầ n để tồ n ta ̣i CĐXL là tra ̣ng thái cân bằ ng công suấ t. Khi đó thông
số của hê ̣ thố ng đươ ̣c giữ không đổ i. Tuy nhiên thực tế luôn tồ n ta ̣i những kić h đô ̣ng
ngẫu nhiên làm lê ̣ch thông số khỏi điể m cân bằ ng. Trong điề u kiê ̣n đó, hê ̣ thố ng cầ n
phải duy trì đươ ̣c các thông số trong giới ha ̣n cho phép để đảm bảo tồ n ta ̣i trong
CĐXL. Khả năng giữ đươ ̣c các thông số bình thường ta ̣i các nút của hê ̣ thố ng sau

21


những kić h đô ̣ng bé (chẳ ng ha ̣n như sự thay đổ i thường xuyên của công suấ t phu ̣ tải)
go ̣i là khả năng đảm bảo ổ n đinh
̣ tiñ h của hê ̣ thố ng điê ̣n.
Để có khái niê ̣m rõ hơn về ổ n đinh
̣ tiñ h, ta hãy xem xét tra ̣ng thái cân bằ ng
công suấ t của máy phát. Hiǹ h 1.1b vẽ đă ̣c tin

́ h công suấ t điê ̣n từ của máy phát và đă ̣c
tính công suấ t cơ của tuabin đố i với HTĐ đơn giản trên hình 1.1a. Công suấ t tuabin
đươ ̣c coi là không đổ i, còn công suấ t máy phát có da ̣ng:
P(δ ) =

EU
Sinδ = Pm Sinα
XH

Trong đó XH = XF + XB + XD/2
Tồ n ta ̣i hai điể m cân bằ ng a và b ứng với các tri ̣số góc lê ̣ch δ01, δ02.
δ01 = arcSin (PT/Pm)
δ02 = 180º - Sin (PT/Pm);
Tuy nhiên chỉ có điể m cân bằ ng a là ổ n đinh
̣ và ta ̣o nên CĐXL. Thâ ̣t vâ ̣y, giả
thiế t xuấ t hiê ̣n mô ̣t kích đô ̣ng ngẫu nhiên làm lê ̣ch góc δ ra khỏi giá tri δ̣ 01 mô ̣t lươ ̣ng
Δδ > 0 (sau đó kić h đô ̣ng triê ̣t tiêu). Khi đó theo các đă ̣c tin
́ h công suấ t ở vi ̣ trí mới
công suấ t điê ̣n từ (hãm) P(δ) lớn hơn công suấ t cơ (phát đô ̣ng) PT, do đó máy phát
quay châ ̣m la ̣i, góc lê ̣ch δ giảm đi, trở về giá tri ̣ δ01. Khi Δδ<0 hiê ̣n tươ ̣ng diễn ra
theo tương quan ngươ ̣c la ̣i PT > P(δ), máy phát quay nhanh lên, tri số
̣ góc lê ̣ch δ cũng
tăng, cũng trở về δ01. Điể m a như vâ ̣y đươ ̣c coi là có tính chấ t cân bằ ng bề n, hay nói
khác đi có tiń h ổ n đinh
̣ tiñ h.
Xét điể m cân bằ ng b với giả thiế t Δδ > 0, tương quan công suấ t sau kić h đô ̣ng
sẽ là PT > P(δ), làm góc δ tiế p tu ̣c tăng lên, xa dầ n tri ̣số δ02. Nế u Δδ < 0, tương quan
công suấ t ngươ ̣c la ̣i làm giảm góc δ, nhưng cũng làm lê ̣ch xa hơn tra ̣ng thái cân bằ ng.
Như vâ ̣y ta ̣i điể m cân bằ ng b, dù chỉ tồ n ta ̣i mô ̣t kích đô ̣ng nhỏ (sau đó kić h đô ̣ng triê ̣t
tiêu) thông số hê ̣ thố ng cũng thay đổ i liên tu ̣c lê ̣ch xa khỏi vi tri

̣ ́ ban đầ u. Vì thế điể m
cân bằ ng b bi ̣coi là không ổ n đinh.
̣ Với ý nghiã trên, ổ n đinh
̣ tiñ h còn đươ ̣c go ̣i là ổ n
đinh
̣ với kić h đô ̣ng bé hay ổ n đinh
̣ điể m cân bằ ng.

22


F

B

U

XD

Hin
̀ h 1.2a: Hê ̣ thố ng điê ̣n đơn giản

P

P(δ)

Pm
P0

PT

a

b

δ
0

δ01

δ02

Hình 1.2b: Đă ̣c tính công suấ t điê ̣n từ của máy phát và đă ̣c tính công suấ t cơ của
tuabin
Nế u xét nút phu ̣ tải và tương quan cân bằ ng công suấ t phản kháng ta cũng có
tính chấ t tương tự. Chẳ ng hạn xét HTĐ hình 1.2a. Nút tải đươ ̣c cung cấ p từ những
nguồ n phát xa. Đă ̣c tiń h công suấ t nhâ ̣n đươ ̣c từ các đường dây về nút U có da ̣ng:
Qi(U) = -U2/XDi + (UEi/XDi)Cosδi
Điê ̣n áp U phu ̣ thuô ̣c tương quan cân bằ ng công suấ t phản kháng.
Tổ ng công suấ t phát QF(U) = ΣQi(U) cân bằ ng với công suấ t Qt ta ̣i các điể m c
và d như trên hình 1.2b, ứng với các điê ̣n áp U01 và U02. Nế u giữ đươ ̣c cân bằ ng công
suấ t, điê ̣n áp nút U sẽ không đổ i, còn nế u QF > Qt điê ̣n áp nút tăng lên, khi QF < Qt
điê ̣n áp nút U giảm xuố ng ( thể hiê ̣n đă ̣c tiń h vâ ̣t lý của nút tải chứa đô ̣ng cơ). Phân
tích tương tự như trường hơ ̣p công suấ t tác du ̣ng của máy phát dễ nhâ ̣n thấ y đươ ̣c chỉ

23