Ứng dụng lý thuyết mờ điều chỉnh đầu phân áp máy biến áp lò và góc mở alpha của thyristor nhằm ổn định điệp áp nhà máy luyện thép theo đồ thị phụ tải

..

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

GIANG QUỐC CHÍ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MỜ ĐIỀU CHỈNH ĐẦU PHÂN
ÁP MÁY BIẾN ÁP LỊ VÀ GĨC MỞ ALPHA CỦA
THYRISTOR NHẰM ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP NHÀ MÁY
LUYỆN THÉP THEO ĐỒ THỊ PHỤ TẢI
NGÀNH : MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

HÀ NỘI – 2009


GÁY LUẬN VĂN
HÀ NỘI
GIANG QUỐC CHÍ

NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

2007-2009
2009


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

---------------------------------

GIANG QUỐC CHÍ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MỜ ĐIỀU CHỈNH ĐẦU
PHÂN ÁP MÁY BIẾN ÁP LỊ VÀ GĨC MỞ ALPHA
CỦA THYRISTOR NHẰM ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP NHÀ
MÁY LUYỆN THÉP THEO ĐỒ THỊ PHỤ TẢI
NGÀNH : MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHAN ĐĂNG KHẢI

HÀ NỘI - 2009

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.


Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được ai
công bố.
Tác giả luận văn

Giang Quốc Chí


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
CSPK

Công suất phản kháng.

DeltaU

Độ lệch điện áp.

KĐB

Không đồng bộ.

OLTC

On load tap changer ( bộ điều chỉnh dưới
tải)

MBA

Máy biến áp.

MPL

Mạng nhiều lớp.
Thyristor switched capacitor (tụ đóng cắt

TSC

bằng

TCR

Thyristor controller reactor (cuộn kháng
được điều khiển bằng Thyristor)

∆

Hình tam giác.

∆P

Tổn thất cơng suất tác dụng.

∆Q

Tổn thất cơng suất phản kháng.

Y

Hình sao.

thyristor)


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Chương 1.
Hình 1.1: Điện áp và dịng điện hồ quang xoay chiều
Chương 2.
Hình 2.1: Cấu tạo và đặc tính ra TCR.
Hình 2.2: Tụ đóng ngắt bằng thyrristor
Hình 2.3: Mạch tương đương

Hình 2.4: TCR trong SVC.
Hình 2.5: Dạng sóng dịng điện I theo góc mở α.
Hình 2.6: Dạng sóng của dịng điện đi qua TCR
Hình 2.7: Đặc tính điều chỉnh của TCR
Chương3.
Hình 3.1: Hàm phụ thuộc của tập mờ F.
Hình 3.2: Mơ tả các giá trị ngơn ngữ bằng tập mờ
Hình 3.3: Quy tắc hợp thành min
Hình 3.4: Quy tắc hợp thành Prod
Hình 3.5: Luật hợp thành MISO với hai mệnh đề điều kiện
Hình 3.6: Hàm thuộc của các giá trị
Hình 3.7: Hàm thuộc đầu ra của mệnh đề thứ nhất
Hình 3.8: Hàm thuộc đầu ra của mệnh đề thứ hai
Hình 3.9: Hàm thuộc đầu ra của luật hợp thành


Hình 3.10: iải mờ bằng phương pháp cực đại
Hình 3.11: Giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm
Hình 3.12:Hàm thuộc đầu ra có dạng hình thang
Hình 3.13: Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ cơ bản
Hình 3.14: Cấu trúc của nơ ron sinh học
Hình3.15: Mơ hình nơ ron có m đầu vào và một đầu ra
Hình 3.16: Cấu trúc mạng nơ ron
Hình 3.17: Mạng nơ ron truyền thẳng một lớp
Hình 3.18. Mạng MLP truyền thẳng
Hình 3.19. Mạng nơ ron hai lớp truyền thẳng
Hình 3.20. Các bước thiết kế mạng nơ ron ứng dụng
Chương 4.
Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống
Hình 4.2. Sơ đồ mơ tả hệ thống

Hình 4.3. Các khối trong SimPowerSystems trong thư viện sumilink
Hình 4.4. Các nguồn trong khối nguồn
Hình 4.5. Thư viện Elements
Hình 4.6. Sơ đồ mơ phỏng trên matlab
Hình 4.7. Cấu tạo pha A trong mơ hình EAF
Hình 4.8. Cấu tạo pha A,B,C trong mơ hình EAF
Hình 4.9. Cấu tạo khối A trong SVC
Hình 4.10. Mơ hình bộ phát xung
Hình 4.11. cửa sổ khai báo mơ phỏng
Hình 4.12. Hàm thuộc của tập mờ PT MW


Hình 4.13. Hàm thuộc của tập mờ QT MVAr
Hình 4.14. Hàm thuộc của tập mờ α rad
Hình 4.15. Sơ đồ thuật tốn tìm α theo lý thuyết mờ
Hình 4.16. Cấu trúc mơ hình anfis đơn giản
Hình 4.17. q trình huấn luyện trong mạng
Hình 4.18. Q trình tính tốn cơ bản trong ANFIS
Hình 4.19. Cấu trúc mạng nơ ron mờ của bài tốn
Hình 4.20. Cấu trúc mạng nơ ron mờ của bài tốn
Hình 4.21. Các luật điều khiển
Hình 4.22. Hiển thị các tập mờ đầu ra
Hình 4.23. mơ phỏng khả năng làm việc của ANFIS
Hình 4.24. Mơ phỏng hệ thống có SVC có bộ điều khiển bằng mạng nơ ron –
mờ


ABSTRACT

As presented in the thesis, the application of fuzzy logic control in the SVC

(static var compensator) control for voltage stability results in good efficency as
follows:
- Reducing the impact of interference at frequencies 3, 5, 7. Additionally, that
control progress is adjusted smoothly with high accuracy.
- From the results obtained from running simulations, we found that, the
applicaton of Fuzzy logic can be applied in control SVC voltage stability for
one industrial load node with voltage regulation requirements.
However, this thesis mentions voltage stability issue with flicker at frequency 3,
5, 7. And other flicker frequencies 9, 11, 13… used in EAF (electric arc furnace)
are considered.
The application of Fuzzy logic in the SVC control for voltage stability is limited
to EAF, which has rapid and strong changes in load characteristic with large
flicker voltage.
Based on this thesis, we can develop to other sides for futher study as follows:
- “ Studying the application of Fuzzy logic to control the open angle of SVC
with interference filter in oder to apply for industrial load nodes.”
- “ Studying the voltage stability for EAF with quick responde, using DSTAT
(distribution static synchronous compensator).


1

MỤC MỞ ĐẦU
Để sử dụng điện năng hiệu quả trong các lò luyện thép hồ quang, các vấn
đề phải được giải quyết tổng hợp thống nhất, đặc biệt là vấn đề ổn định điện áp,
vấn đề hiệu chỉnh hệ số cơng suất và lọc sóng điều hồ cũng cần phải quan tâm.
Ổn định điện áp có thể cải thiện đáng kể vấn đề vận hành lị luyện: hoặc
gia tăng cơng suất cực đại do vậy tăng tốc độ sản suất, hoặc cho phép lị làm
việc cùng một mức cơng suất cực đại nhưng với hồ quang ngắn hơn, nó làm
giảm tính khó chảy vỏ bọc bên ngồi và giúp hạn chế nhiễu loạn trong điện áp.

Trong khi sự ổn định điện áp ln ln mang lại lợi ích cho người sản
suất thép, cũng như người bán điện là xí nghiệp điện lực. Bởi vì vấn đề đền bù
cần phải đặt ra khi các nhiễu loạn điện áp (nhấp nháy) gây ra bởi những dao
động thất thường, lớn và nhanh của dòng điện trong lò. Các nhiễu loạn như thế
gây ảnh hưởng cho các khách hàng gần đấy.
Các phương pháp được sử dụng để ổn định điện áp bao gồm việc đấu nối
lò ở điện áp cao, máy bù đồng bộ với điện kháng đệm và bộ điều khiển dùng
thyistor tốc độ cao hiện đại và điện kháng bão hoà đáp ứng nhanh của các thiết
bị bù giúp giải quyết vấn đề đối nghịch giữa điện áp lò nung và cảm ứng nhấp
nháy của bộ máy bù đồng bộ/ điện kháng đệm.
Đấu nối lò ở lưới điện áp cao thường rất đắt và đôi khi là không thực tế,
một trong một số trường hợp như thế điều khiển điện kháng bù bằng thyristor
thay bù bằng điện kháng bão hoà cải thiện về mặt kinh tế và có những lợi ích kỹ
thuật.
Mục tiêu nghiên cứu là để phân tích và đề cập tới tính chất quan trọng của
việc ổn định điện áp đối với quá trình sản xuất thép cũng như việc ứng dụng
fuzzy logic trong điều khiển đầu phân áp máy biến áp lò và thiết bị bù .


2

Chương 1
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI
PHÂN PHỐI KHI CÓ PHỤ TẢI CƠNG NGHIỆP
LÀ CÁC LỊ HỒ QUANG ĐIỆN
1.1. Mở đầu.
Chất lượng điện áp là một chỉ tiêu trong tiêu chuẩn chất lượng điện năng,
nó được đánh giá bởi các chỉ tiêu sau:
1- Độ lệch điện áp trên cực của thiết bị dùng điện so với điện áp định
mức.

2- Độ dao động điện áp.
3- Độ không đối xứng.
4- Độ không sin (sự biến dạng của đường cong điện áp, các thành phần
sóng hài bậc cao,…)
Ngày nay trong lưới phân phối, các loại sóng điều hồ dịng điện, điện áp
có xu hướng gia tăng kể cả cường độ và số lượng song điều hoà tham gia vào hệ
thống. Một lý do quan trọng là sự tăng nhanh của các thiết bị, mà các thiết bị
này lại sinh ra sóng hài, chẳng hạn như các thiết bị biến đổi điện, các lò hồ
quang điện, các bộ biến đổi công suất xoay chiều dung thysistor, các máy hàn
điện…Bộ điện kháng điều khiển dùng thysistor(TCR) là một ví dụ khác về
thành phần hệ thống có phát ra sóng hài. Ở chương này sẽ nói riêng về ảnh
hưởng của lò hồ quang điện trong lưới phân phối
1.2. Đặc điểm của dòng điện hồ quang lò nung.
Các dao động của điện áp sinh ra do các biến thiên thất thường với biên độ lớn
của dòng điện chạy qua tổng trở phía trước điểm đo. Dịng điện có khuynh hướng là
bất quy tắc do duy trì đốt nóng trên điện trở phi tuyến của hồ quang và bởi vì đơi lúc
hồ quang chuyển động thất thường, dưới ảnh hưởng tổ hợp của các lực điện từ, các
dòng đối lưu, sự chuyển động của các điện cực (lên, xuống), chuyển động của phôi
thép bị đốt chảy (chủ yếu là các mảnh vụn kim loại). Các dịng điện khơng cân bằng,


3
méo và dao động lớn ngay cả giữa hai nửa chu kỳ kế tiếp nhau. Sự biến đổi và méo có
khuynh hướng mạnh hơn trong suốt vài phút đầu tiên của chu kỳ nấu chảy, khi các
điện cực graphite dịch chuyển xuống và đi vào phôi thép. Như các bể nấu chảy kim
loại, hồ quang trở nên ngắn hơn và ổn định hơn và chu kỳ “luyện tinh” theo sau có
dịng điện với đặc tính đều đặn hơn và tương đối ít méo, cơng suất lị có thể giảm
xuống trong giai đoạn này do ma sát nhỏ, giá trị khoảng dịch chuyển điện cực lên
xuống điều bằng động cơ theo điện áp của biến áp lò nung.
Việc đo lường được thực hiện đối với điện áp lò hồ quang điện cho thấy

sóng hài đầu ra biến thiên rất lớn, ví dụ như sóng hài bậc 5 là 8% khi bắt đầu
nóng chảy, 6% ở cuối mỗi giai đoạn nóng chảy và 2,5% của giai đoạn cơ bản
trong suốt thời gian tôi luyện. Với điều kiện không đối xứng của cực hồ quang
điện, điều hoà bậc 3 và bộ số của nó có thể xảy ra với số lượng thấy rõ. Thêm
vào đó các sóng hài bậc 5 và bậc 7 xảy ra trong điều kiện đối xứng có thể gia
tăng đáng kể trong điều kiện hồ quang không đối xứng

H 1.1 Điện áp và dịng điện hồ quang xoay chiều
Hình 1.1: Mơ tả điện áp và dịng điện đo được ở một lị hồ quang cho thấy cả
sóng điện áp và dòng điện đều bị méo


4
1.3 Các biện pháp giảm sóng hài bậc cao:
1.3.1: Máy biến áp:
- Dùng máy biến áp đấu Y/Y0
- Dùng máy biến áp đấu Y/∆. Việc sử dụng cuộn đấu ∆ của máy biến áp
sẽ khử sóng hài bậc cao xuất hiện trong các cuộn dây máy biến áp truyền từ sơ
cấp sang thứ cấp, và ngược lại.
- Sử dụng các thiết bị đóng cắt tốt hơn sử dụng cầu chì.
- Chỉ dùng các thiết bị đóng cắt một cực tại vị trí máy biến áp và các thiết
bị ba pha đóng cắt từ xa.
- Giữ tỉ lệ XC/XL cao ((lớn hơn 10) để tránh trường hợp cộng hưởng có thể
xảy ra.
- Lắp điện trở ở trung tính máy biến áp.
- Dùng tải giả để hạn chế quá điện áp do cộng hưởng sắt từ.
- Đảm bảo phải có tải trên lưới khi thao tác.
- Dùng các máy biến áp có công suất lớn hơn thay cho các máy biến áp có
hiện tượng quá tải lâu dài.
- Hạn chế độ dài cáp trong việc lắp đặt các thiết bị ba pha, vì dây cáp dài

dễ hỏng hóc và phát sinh sự cố ngắn mạch hai pha.
- Chỉ dùng thiết bị đóng cắt và phân đoạn ba pha tại gần các đầu cực của
máy biến áp.
- Nối đất tạm thời điểm trung tính của phía sơ cấp đấu Y trong q trình
thao tác đóng cắt.
1.3.2 Máy điện quay:
Khi thiết kế cần lắp đặt các cuộn dây cản dịu, chúng sẽ khử được các sóng
hài dịng điện xốy.
Giảm khe hở khơng khí giữa roto và stato đến giới hạn cho phép để giảm
từ thông tản sinh ra.
Điều chỉnh việc phân bố dây quấn có thể làm tăng hay giảm mức độ sóng
hài trong máy điện đồng bộ.


5
1.3.3 Bộ biến đổi van:
Sử dụng cầu chì của bộ chuyển đổi van lớn hơn, và giảm số pha của bộ
biến đổi van để giảm sóng hài
1.3.4 Sử dụng các bộ lọc:
Việc sử dụng các bộ lọc sóng hài bậc cao ngày nay là phương thức có
triển vọng. Khi lắp đặt các bộ lọc phải giải quyết từng phần hay tồn bộ bài tốn
bù cơng suất phản kháng.
Trong hệ thống cung cấp điện cho các xí nghiệp cơng nghiệp ở Tây Âu,
Mỹ và Nhật các bộ lọc sóng hài bậc cao đã trở nên thơng dụng. Ở nước ngồi
phổ biến ý kiến cho rằng lắp đặt các bộ lọc (có tên là bộ lọc “hấp thụ”, hoặc bộ
lọc có “hiệu ứng hấp thụ sóng hài”) là cách giải quyết tiết kiệm hơn so với việc
tăng số lượng pha của các bộ biến đổi chỉnh lưu.
Nhiều hãng nước ngoài như Siemens, AEG… đã sản xuất các bộ lọc hài
bậc cao. Đó là các bộ lọc sóng hài bậc 5,7,11,13 Hãng AEG đang sản xuất bộ
lọc sóng hài 12. Trong các hệ thống cung cấp điện xí nghiệp, người ta đang sử

dụng các bộ lọc đóng cắt hết sức đơn giản, bao gồm các tụ điện mở tuần tự và
các điện kháng. Những bộ lọc phức tạp hơn cũng như các bộ lọc liên hợp dùng
để lọc một vài sóng hài (bộ lọc giải) không được sử dụng cho các mạng điện ở
các nhà máy.
Một dãy bộ lọc đóng mở đấu sao (Y) có trung tính cách ly, việc sử dụng
đấu tam giác (∆) khơng được sử dụng vì nguy hiểm, do việc đứt 1 pha cách ly
của các tụ sẽ dẫn đến chập giữa các pha, điều đó có thể gây ra những hỏng hóc
lớn cho các bộ lọc. Phần lớn trong các trường hợp người ta nối với các điểm 0
các bộ điện kháng, khi đó sự cách điện ở vỏ các thiết bị của các tụ điện có điện
áp đối với đất ít hơn vài phần trăm so với khi người ta nối các tụ điện với các
điểm 0. Vì vậy, việc nối nối tiếp có cơng suất lớn được ghép thành bộ từ 2 nhóm
3 pha. Các nhóm này nối với nhau bằng đấu Y, nối với biến dòng (hoặc biến áp)
bằng dây dẫn cân bằng giữa các điểm 0.


6

Chương 2
MÁY BIẾN ÁP LÒ VÀ THIẾT BỊ BÙ TRONG NHÀ
MÁY LUYỆN THÉP LƯU XÁ
2.1. Đặc điểm của bộ điều chỉnh dưới tải
Các bộ OLTC thường được thiết kế theo nguyên tắc sau:
*Ban đầu tiếp điểm chính nối vào vị trí ban đầu. 2 tiếp điểm phụ hở,
khơng nối vào đâu cả.

*Khi chuyển mạch, đầu tiên tiếp điểm chính mở ra, tiếp điểm phụ thứ
nhất sẽ nối vào chỗ cũ của tiếp điểm chính. Điện trở giữa tiếp điểm phụ thứ nhất
và tiếp điểm chính sẽ xen vào mạch. Điện áp không bị gián đoạn.

*Tiếp tục, tiếp điểm phụ thứ hai sẽ nối vào chỗ mới, chỗ của tiếp điểm

chính sẽ đóng vào. Tiếp điểm phụ thứ nhất vẫn cịn ở chỗ cũ. Điện trở giữa tiếp
điểm phụ thứ 2 và tiếp diểm chính lại xen vào mạch. 2 điện trở sẽ nhận áp của
bối dây giữa 2 nấc. mạch điện sẽ đi vào điểm nối giữa 2 điện trở.


7

*Tiếp điểm phụ thứ nhất tách ra. Mạch điện đi vào nấc mới qua điện trở
giữa tiếp điểm phụ thứ 2 và tiếp điểm chính.
*Tiếp điểm chính đóng vào vị trí mới`, tiếp điểm phụ thứ 2 mở ra.

Tuy nhiên đó chỉ là nguyên tắc. Thực tế, hệ thống OLTC phức tạp hơn nhiều.
2.2. Các phương pháp bù hạn chế nhiễu của dịng điện
Nếu tính tốn SVC của việc lắp đặt lò nung trong thiết kế rơi đúng vào
vùng ranh giới hay vùng khơng ưa thích. Vùng ranh giới đó phải thực hiện giữa
việc giảm phụ tải lò nung củng cố việc cung cấp, hoặc là lắp đặt thiết bị bù.
Việc cung cấp điện có thể được củng cố bằng cách đấu nối lò ở mức điện
áp cao hơn hay bằng cách xây dựng thêm đường dây, hoặc cả hai. Áp dụng cả
hai phương án này có thể là đắt nhưng thường được chấp nhận khi việc mở rộng
trong tương lai cả hai nhà máy thép hay các phụ tải kế cận chúng đã được lường
trước.
Khi việc lắp đặt bù được tiến hành, có thể lựa chọn một trong các thiết bị
bù khác nhau. Một số thiết bị bù khác nhau được tóm tắt ở bảng 1 dưới đây:


8
Bảng 1: Một số lợi ích và bất lợi thực tế của các thiết bị bù nhấp nháy
khác nhau.
Thiết bị bù nhấp Các ưu điểm

Các nhược điểm

nháy
Điện kháng điều - Đáp ứng nhanh

- Yêu cầu bù ngang cho việc hiệu

khiển

chỉnh hệ số công suất

bằng - Các pha vận hành độc lập

thyristor

- Sinh ra các sóng điều hồ

Tụ điện đóng cắt - Khơng sinh ra sóng điện -Hạn chế tốc độ đáp ứng
bằng thyris

điều hồ
- Khơng u cầu các điện
kháng.
- Các pha vận hành độc lập

Điện kháng có
nấc điều

- Đáp ứng nhanh cho việc - Yêu cầu bộ tụ điện bù ngang cho
gìm giữ nhấp nháy lớn

chỉnh/điện kháng - Các pha vận hành độc lập
bão hòa

- Xây dựng kiểu biến áp

Điện kháng bão - Đáp ứng nhanh

việc điều chỉnh hệ số
- Sinh ra các sóng điều hồ. sử
dụng cho chỉ 1 lò nung
- Yêu cầu tụ bù ngang cho việc

hòa bù sóng điều - Tránh được việc sinh ra hiệu chỉnh hệ số cơng suất.
hồ

sóng điều hồ.

- Các q độ trong lúc đóng điện

- Xây dựng kiểu biến áp

các pha khơng độc lập trong điều
khiển.

Bù máy đồng bộ

Yêu cầu bảo dưỡng khả năng lảm
giảm nhấp nháy hạn chế ngay cả
với điện kháng đệm.

2.3 Vai trò của thiết bị bù ngang và khả năng ứng dụng svc trong việc
nâng cao ổn định điện áp
Công suất phản kháng cũng như công suất tác dụng trong hệ thống điện
đều cần luôn phải điều chỉnh để giữ ở trạng thái cân bằng. Sự mất cân bằng công
suất phản kháng dẫn đến chất lượng điện áp không đảm bảo, tăng tổn thất, hệ
thống mất ổn định. Mặt khác về yêu cầu giữ cân bằng công suất phản kháng có


9
tính phân bố theo khu vực, bởi vậy điện áp tại các nút trong hệ thống điện rất
khác nhau. Vì vậy ngồi cơng suất phản kháng được cấp từ máy phát điện cần
phải có thêm các nguồn cơng suất phản kháng phân bố khác như máy bù đồng
bộ, tụ điện bù và kháng điện.
2.3.1 Vai trò của thiết bị bù ngang
Các thiết bị bù có vai trị quan trọng trong việc giữ điện áp các nút trong
giới hạn cho phép. Điều chỉnh điện áp được thực hiện thông qua điều chỉnh công
suất phản kháng. Công suất phản kháng mất cân bằng là nguyên nhân chính gây
ra điện áp nút thay đổi. Để giữ cho điện áp nút không thay đổi có thể tiến hành
theo hai cách sau:
- Điều chỉnh dịng cơng suất phản kháng từ nguồn cung cấp có thể giữ điện
áp nút U theo mong muốn bằng cách thay đổi dịng điện kích từ máy phát điện.
- Điều chỉnh công suất phản kháng bằng cách tại nút phụ tải ta cấp trực
tiếp một phần cơng suất phản kháng thì cũng có thể tăng điện áp U tại nút đó.
Do điện áp nút trong hệ thống điện là không giống nhau nên biện pháp bù
công suất phản kháng tại các nút phụ tải sẽ rất hiệu quả. Đối với đường dây tải
điện cao áp và siêu cao áp, trong khi làm việc nó tạo ra lượng cơng suất phản
kháng đáng kể là do điện dung bản thân các đường dây này đóng vai trị là các tụ
điện, phát cơng suất phản kháng theo công thức: Qc = bc.U2, với bc = b0.l trong
đó b0 dung dẫn trên một đơn vị chiều dài. Công suất phản kháng này truyền vào

hệ thống gây mất cân bằng công suất phản kháng dẫn đến q điện áp hệ thống
nếu khơng có biện pháp cân bằng. Sử dụng kháng bù ngang rất hiệu quả để cân
bằng công suất phản kháng dẫn tới giữ ổn định điện áp.
Thiết bị bù có tác dụng giảm tổn thất công suất, tổn thất điện năng. Phần
lớn phụ tải của mạng điện là các động cơ không đồng bộ và các máy biến áp nêu
trên các đường dây của mạng điện phải chuyên chở một lượng công suất phản
kháng lớn làm tăng tổn thất và tổn thất điện năng. Như vậy muốn giảm tổn thất


10
công suất ta cần giảm lượng công suất phản kháng truyền trên đường dây, lượng
công suất phản kháng này giảm khi ta đặt các thiết bị bù ngay tại phụ tải.
Thiết bị bù cịn có tác dụng làm tăng lượng cơng suất hữu dụng truyền tải
trên đường dây.
Ngồi ra thiết bị bù cịn các tác dụng cải thiện q trình ổn định của hệ
thống. Do các thiết bị bù có thể tăng khả năng truyền tải tối đa. Vì vậy người ta
rất quan tâm đến việc điều chỉnh nhanh và thích hợp việc bù ngang để có thể
thay đổi được dịng năng lượng trong hệ thống suốt q trình biến động nhằm
tăng q trình ổn định và cung cấp cơng suất tác dụng để dập tắt dao động.
2.3.2. Thiết bị bù ngang tĩnh có điều khiển – SVC
SVC là thiết bị có khả năng điều chỉnh nhanh cơng suất phản kháng bằng
cách thay đổi giá trị điện kháng. Để hiệu chỉnh tổng trở phản kháng theo đặc
tính đã định một cách thích hợp người ta dùng các thyristor.
SVC cung cấp hai giải pháp cho bài toán bù:
- Bù phụ tải tại những nơi có yêu cầu giảm bớt sự cung cấp công suất
phản kháng từ hệ thống của các phụ tải lớn có tính giao động trong cơng nghiệp
như lị hồ quang, máy cán ... và để cân bằng công suất phụ tải trên cả ba pha của
đường dây cung cấp.
- Điều chỉnh điện áp của đường dây truyền tải nhằm đáp ứng của hai đầu
phát và nhận. Việc điều chỉnh điện áp được thực hiện qua việc điều chỉnh nhanh

cơng suất phản kháng của SVC và do đó điều khiển nhanh công suất phản kháng
ở đầu ra của SVC.
SVC được xây dựng trên nhiều mơ hình thiết kế khác nhau. Tuy nhiên cấu
tạo chung của thiết bị bù ngang tĩnh SVC đều từ hai loại phần tử cơ bản sau:
- TCR: Thyristor controller reactor (cuộn kháng được điều khiển bằng Thyristor)
- TSC: Thyristor switched capacitor (tụ đóng cắt bằng thyristor)


11
2.3.3. Cuộn cảm được điều khiển bằng Thyristor
Phần tử cơ bản của TCR là cuộn cảm nối tiếp với cặp thyristor mắc đối
song song như hình 2.1. Cuộn kháng cố định có lõi bằng khơng khí.
Thyristor dẫn ln phiên mỗi nửa chu kỳ của tần số nguồn tùy thuộc vào
góc kích α. Khi α = π/2 thyristor dẫn hồn tồn, lúc này dịng điện có được như
khi nối tắt thyristor. Dịng điện i hình sin chậm pha hơn điện áp u là π/2, khi α =
π/2 ÷ π thyristor dẫn một phần, góc kích α từ 0 ÷ π/2 khơng được phép vì sẽ tạo
ra dịng điện khơng đối xứng với thành phần một chiều. Tăng góc α sẽ làm giảm
biên độ thành phần cơ bản I1 của dòng điện, dẫn đến XL tăng. Đặc tính U – I
được mơ tả bởi phương trình:
U = Uref + XSL.I
i

(2.1)

U
XL

U

Giới hạn dịng

Uref
α=π

i
Hình 2.1. Cấu tạo và đặc tính ra TCR

Do dẫn điện trễ, TCR tạo ra dòng điện điều hòa bậc lẻ khi α = π/2 ÷π,
trong đó thành phần 6n+1 là thành phần thứ tự thuận, thành phần 6n – 1 là thành
phần thứ tự nghịch, thành phần 6n – 3 là thành phần thứ tự không. TCR hoạt
động như nguồn dịng và khơng phải biên độ cực đại của tất cả các dịng điều
hịa được xuất hiện cùng một góc kích.


12
Trong hệ thống ba pha cân bằng TCR được đấu ∆ (TCR 6 xung) và chỉ có
sóng hài bậc 6n ±1. Cuộn cảm được tách ra thành hai phần mắc hai bên thyristor
ở mỗi nhánh ∆ để hạn chế dòng sự cố thyristor.
Có thể khử sóng hài bằng cách dùng TCR 6 xung mắc vào hai cuộn thứ
cấp của máy biến áp giảm áp, một cuộn thứ cấp nối Y và một cuộn thứ cấp khác
nối ∆ để tạo ra TCR 12 xung. Cả hai TCR được được điều khiển bởi cùng một
góc kích. Vì điện áp lệch pha π/6 nên thành phần 6(2n -1) ± 1 của dòng điện sẽ
bị khử trong MBA, thành phần 12n ± 1 của dòng điện sẽ đi vào hệ thống điện.
Các bọ tụ có thể mắc song song với TCR để vừa nới rộng đặc tính làm việc của
nó, vừa có thể lọc các sóng hài khơng mong muốn. Khi đó vùng làm việc được
xác định bởi công suất định mức của các phần tử và định mức quá tải của TCR.
Như đặc tính làm việc trên hình vẽ, để duy trì cân bằng giữa các cực của
khóa thyristor, tránh các dịng điều hòa bậc và một chiều, các xung mở được hạn
chế từ α = π/2 ÷ π. Xung gửi đến khóa thyristor ở góc mở α làm cho điện kháng
tương ứng dẫn điện cho đến điểm khơng kế tiếp của dịng điện, do đó việc cấp
cơng suất bù phản kháng được xác định.

Như vậy dễ nhận thấy TCR có những đặc điểm sau:
- Đáp ứng động của TCR rất nhanh, nhưng trễ do mạch đo lường và điều
khiển cũng như tổng trở hệ thống, cho nên có thể chỉnh định để cho thời gian
đáp ứng chậm hơn khoảng từ 3 đên 10 chu kỳ vì lý do ổn đinh mạch điều khiển.
- Phát sinh sóng hài của sơ đồ tùy thuộc loại TCR, cấu trúc bộ lọc và tình
trạng vận hành của hệ thống điện. Điện áp không cân bằng, dung sai ở góc kích
và phần tử chính của TCR có thể tạo ra nhiều sóng hài bậc 2, 3, 9 ... Những sóng
hài này thường dưới 2% định mức của TCR. Bộ lọc ở mạch đo lường và điều
khiển có thể làm giảm những sóng điều hịa này.
- Tổn hao của TCR tùy thuộc và kết cấu và điểm làm việc. Tổn hao của
TCR với tụ cố định từ 0,5 ÷ 0,7% công suất định mức.


13
- Khả năng quá tải của TCR được xác định bởi thyristor.
Vì những đặc điểm này mà TCR có thể được ứng dụng:
- Ổn định điện áp và giảm quá điện áp tạm thời trong hệ thống điện
- Cải thiện ổn định trong hệ thống điện
- Giảm dao động công suất
- Cân bằng tải trong hệ thống điện
- Bù cho tuyến HVDC
2.3.4. Bộ tụ đóng ngắt bằng thyristor (TSC)
i

U

C

Hình 2.2. Tụ đóng ngắt bằng thyrristor

Phần tử cơ bản của TSC là các tụ điện mắc song song, mỗi tụ được mắc
nối tiếp với một cặp thyristor, cặp thyristor mắc song song ngược chiều nhau
như hình 2.2.
Bộ tụ được chia thành nhiều nấc nhỏ, đóng cắt các nấc này bằng thyristor.
TSC cung cấp điều khiển on/off chứ không phải là điều khiển pha. Nhu cầu công
suất phản kháng được đáp ứng bằng cách đóng hay mở một lượng xấp xỉ các tụ
điện. Ở trạng thái cắt của tụ điện có một điện áp nạp trước bằng với đỉnh âm hay
dương của điện áp xoay chiều được duy trì từ thời điểm khơng của dịng điện khi


14
nó đã bị cắt lần sau cùng. Để làm cực tiểu dịng q độ của tụ điện, tụ được đóng
chỉ khi điện áp xoay chiều bằng với điện áp nạp trước. Điều này chỉ xảy ra một lần
trong mỗi chu kỳ, do vậy, mạch điều khiển ln có ít nhất một chu kỳ đầy đủ mà
trong khoảng đó để quyết định cắt hay khơng cắt một tụ nào đó. Do đó điều khiển
tạo xung kích cho thyristor sẽ quyết định quá độ đóng ngắt như sau:
- Quá độ nhỏ về dịng điện i sẽ diễn ra nếu thyristor được kích lúc điện áp
trên tụ uc bằng điện áp của hệ thống.
- Quá độ lớn về dòng điện sẽ xảy ra nếu thyristor được kích lúc điện áp
trên tụ uc và điện áp hệ thống ngược nhau.
Ngồi ra có thể mắc một cuộn cảm nhỏ nối tiếp tụ sao cho biến thiên di/dt
vẫn nằm trong giới hạn cho phép khi tình trạng đóng cắt quá độ xấu nhất xảy ra.
Như vậy có thể nhận thấy một số đặc điểm sau của TSC:
- Chọn cấp điện áp để mắc TSC có thể ảnh hưởng đáng kể đến giá thành
tồn bộ TSC. Nó cũng quyết định đến mức chịu điện áp và dòng điện của
thyristor.
- Đặc tính U – I của TSC gián đoạn và được xác định bởi công suất và số
phần tử mắc song song. Đáp ứng động của TSC nhanh (khoảng 0,5 – 1 chu kỳ),
nhưng do trễ của mạch điều khiển và đo lường cho nên có thể chỉnh định để đáp
ứng chậm hơn vì lý do ổn định điều khiển.

- TSC khơng phát sinh sóng hài nhưng nguy hiểm do cộng hưởng nối tiếp
với hệ thống điện và tổng trở của cuộn cảm nối tiếp.
- Khả năng quá tải của TSC được quyết định bởi thyristor và tụ.
Do những đặc điểm trên mà TSC có thể được dùng:
- Duy trì điện áp khi có tác dụng của nhiễu lớn.
- Giảm giao động công suất


15
- Điều chỉnh điện áp
- Cân bằng tải.
Hiện nay người ta rất quan tâm đến sự kết hợp giữa bộ TCR và TSC để
tạo ra các bộ bù tĩnh có công suất ngõ ra biến thiên liên tục (SVC). Các bộ SVC
hoạt động với đáp ứng nhanh và người ta có thể đạt được các chức năng của bộ
tụ bù tĩnh như: điều khiển điện áp, giảm tổn thất công suất và điện năng trong
lưới điện, nâng cao giới hạn truyền tải công suất cho các đường dây theo điều
kiện ổn định tĩnh, điều khiển quá trình quá độ nâng cao tính ổn định động cho hệ
thống. Các ứng dụng này có thể đạt được là do hệ điều khiển đi cùng của SVC.
Tuy nhiên để SVC đáp ứng được tất cả các chức năng trên thì hệ điều khiển phải
được xây dựng hết sức phức tạp, do vậy trong phạm vi luận văn chỉ đề cập đến
việc xây dựng hệ điều khiển bộ SVC để dùng mục đích điều khiển điện áp khi
phụ tải thay đổi liên tục.
2.4. Nguyên tắc chung điều khiển điện áp của SVC
Để xem xét khả năng điều chỉnh của SVC ta xét hệ thống cung cấp điện
được biểu diễn bằng mạch tương đương thevenin một pha ở hình 2.3.
E

E
IS

∆U

φT

U

IT =IS

U

∆UR = RS.IS
b)

IT
YT = GT + jBT

a)

∆Ux = jIS.XS

IC
IS

E
jIS.XS

IT φT

U
c)

RS.IS

Hình 2.3. a) mạch tương đương; b) đồ thị vec tơ lúc chưa bù;
c) đồ thị véc tơ lúc có bù


16
Khi khơng có bù, sự thay đổi điện áp cung cấp do dòng điện phụ tải IT
gây ra được biểu biễn như hình 2.3 – b là ∆U.

&= E&− U
&= Z .I&
∆U
S T

(2.2)

P − jQT
&= U∠00 )
IT = T
(chọn U
với ZS = RS + jXS và &
U
Do vậy:
&= (R + jX )
∆U
S
S

PT − jQT R SPT + XS .QT
X P − R SQ T
=
+j S T
(2.3)
U
U
U

∆U = ∆UR + j∆UX

(2.4)

Sự thay đổi điện áp có thành phần ∆UR cùng pha với IT và thành phần
∆UX vng góc với IT, được biểu diễn như trên hình 2.3 – b. Điều này có nghĩa
là biên độ và pha của U có liên quan đến điện áp cung cấp E, là các hàm số của
biên độ và pha của dòng điện phụ tải. Hay nói cách khác là sự thay đổi điện áp
phụ thuộc vào cả công suất tác dụng và công suất phản kháng của phụ tải.
&|=| E&|, tức là
Khi thêm thiết bị bù nối song song với tải, có thể làm cho | U
làm cho sự thay đổi điện áp bằng không hay giữ cho biên độ điện áp cung cấp
không đổi ở giá trị E khi có tải. Điều này được minh họa như hình 2.3 – c.
Cơng suất phản kháng QT ở phương trình (2.3) được thay bằng QS = QC +
QT và QC được chỉnh định sao cho làm quay đồ thị véc tơ pha ∆U cho đến khi
&|=| E&|.
|U
Từ phương trình (2.2) và (2.3) ta có:
R P + XS .QS 2 XSPT − R SQS 2
| E&|2 =| U + S T
| +|

|
U
U

(2.5)

Giá trị yêu cầu của QC sẽ được xác định bằng cách giải phương trình trên
theo QS với U = E. Khi đó QC = QS – QT.