Ứng dụng hệ điều khiển dead beat nâng cao động học cho bộ nguồn trong mạng điện nguồn năng lượng mới và tái tạo

..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THÀNH TRUNG

ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DEAD-BEAT
NÂNG CAO ĐỘNG HỌC CHO BỘ NGUỒN TRONG
MẠNG ĐIỆN NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN, NĂM 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THÀNH TRUNG

ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DEAD-BEAT
NÂNG CAO ĐỘNG HỌC CHO BỘ NGUỒN TRONG
MẠNG ĐIỆN NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. Ngơ Đức Minh

THÁI NGUN, NĂM 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Nguyễn Thành Trung, học viên lớp cao học Tự động hoá niên khoá
2011-2013, sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô
giáo và đặc biệt là Thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, Thầy giáo TS. Ngô
Đức Minh. Tơi đã hồn thành chương trình học tập và đề tài tốt nghiệp là “ Ứng
dụng hệ điều khiển Dead – Beat nâng cao động học cho bộ nguồn trong mạng
điện nguồn năng lượng mới và tái tạo”.
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự
hướng dẫn của Thầy giáo TS. Ngô Đức Minh và chỉ sử dụng các tài liệu đã được
ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài
liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngày tháng 5 năm 2014
Học viên

Nguyễn Thành Trung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ii

MỤC LỤC
.......................................................................................................... i
............................................................................................................. ii
Mục lục ................................................................................................................. iii
.............................................................................................. vi
ẽ, đồ thị ............................................................................... vi
LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG ......................... 3
1.1. Khái niệm về chất lượng điện năng. ............................................................ 3
1.1.1. Chất lượng tần số. ................................................................................. 3
1.1.2. Chất lượng điện áp. ................................................................................ 4
1.2. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng. ................................................ 5
1.2.1. Chỉ tiêu tần số ........................................................................................ 5
1.2.2. Chỉ tiêu điện áp. ..................................................................................... 5
1.2.3. Chỉ tiêu độ tin cậy của lưới điện. ......................................................... 12
1.3. Các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng và nguồn dự phòng. .......... 15
1.3.1. Giải pháp ổn định tần số. ..................................................................... 15
1.3.2. Giải pháp ổn định điện áp. ................................................................... 16
1.3.3. Giải pháp tăng độ tin cậy của lưới điện. .............................................. 16
1.4. Kết luận chương 1. ..................................................................................... 18
Chương 2: BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT VÀ CHỨC NĂNG CẢI THIỆN
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG .......................................................................... 20
2.1. Tổng quan về năng lượng tái tạo. .............................................................. 20
2.1.1. Năng lượng Mặt trời. ........................................................................... 21
2.1.2. Năng lượng gió. ................................................................................... 22
2.1.3. Thủy điện nhỏ. ..................................................................................... 23
2.1.4. Các dạng năng lượng tái tạo khác. ....................................................... 24

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

iii

2.2. Mơ hình Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN). ........................ 24
2.2.1. Giới thiệu chung. ................................................................................. 24
2.2.2. Phân tích hoạt động của MĐCBTĐN. ................................................. 26
2.2.3. Mơ hình BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ. ...................... 33
2.3. Hệ thống tích trữ năng lượng dùng acquy (BESS). ................................... 33
2.3.1. Giới thiệu chung................................................................................... 33
2.3.2. Bộ biến đổi công suất. .......................................................................... 34
2.3.3. Điện cảm đầu ra của bộ biến đổi công suất. ........................................ 38
2.3.4. Kho tích trữ năng lượng một chiều. .................................................... 39
2.3.5. Mơ hình bộ biến đổi BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ .... 47
2.3.6. Phương pháp điều khiển BESS. ........................................................... 51
2.4. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ BESS. ........................................................ 61
2.4.1. Các phương án thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho hệ BESS. ......... 61
2.4.2. Cấu trúc bộ điều chỉnh kiểu PI............................................................. 62
2.4.3. Bộ điều chỉnh kiểu Dead-Beat. ............................................................ 64
2.4.4. Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối chung PCC. .............. 69
2.4.5. Bộ điều khiển công suất tác dụng. ....................................................... 71
2.5. Kết luận chương 2. ..................................................................................... 72
Chương 3: MƠ HÌNH HĨA PHỎNG TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ
THỦY ĐIỆN NHỎ ............................................................................................. 74
3.1. Xây dựng mơ hình mơ phỏng .................................................................... 74
3.2. Các khối chính. .......................................................................................... 74
3.2.1. Khối nguồn: ......................................................................................... 74
3.2.2. Khối đường dây và tải:......................................................................... 76

3.2.3. Khối BESS. .......................................................................................... 77
3.3. Kết quả mô phỏng. ..................................................................................... 81
3.3.1. So sánh động học của bộ điều khiển dịng kiểu PI và kiểu D-B. ........ 81
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

iv

3.3.2. So sánh chất lượng điều khiển khi hệ thống bị kích động. .................. 82
3.4. Kết luận chương 3. ..................................................................................... 87
Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ BESS TRONG
MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ .................................................... 88
4.1. Thực nghiệm hệ BESS trong phịng thí nghiệm. ....................................... 88
4.1.1. Cấu trúc thí nghiệm hệ BESS. ............................................................. 88
4.1.2. Thơng số kỹ thuật của bộ biến đổi: ...................................................... 91
4.2. Xây dựng chương trình phần mềm. ........................................................... 92
4.3. Kết quả thí nghiệm hệ BESS. .................................................................... 95
4.4. Kết luận chương 4. ..................................................................................... 97
KẾT LUẬN CHUNG ......................................................................................... 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 99

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Viết đầy đủ (tiếng Anh)

Nghĩa tiếng Việt

BESS

Battery Energy Storage System

Hệ thống lưu trữ năng lượng dùng
ăcquy

FACTS

Flexible Alternating Current
Transmission System

hệ thống truyền tải điện xoay chiều
linh hoạt

IGBT

Insulated Gate Bipolar
Transistor

Transistor có cực điều khiển cách ly

PCS

Power Conditioning System

Hệ thống điều khiển công suất

PCC

Point of Common Coupling

Điểm kết nối

IGBT

Insulated Gate Bipolar
Transistor

trasistor có cực điều khiển cách ly

MOSFET

Metal-Oxide Semiconductor
Field-Effect Transistor

transistor hiệu ứng trường Oxit Kim
loại - Bán dẫn

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

Bộ điểu khiển kiểu Dead - Beat

Dead - Beat

PI

Proportional–Integral controller

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Bộ điểu khiển kiểu PI

/>

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang

Bảng 1.1: Độ biến dạng sóng hài điện áp.............................................................. 11
Bảng 2.1. Các số liệu và kết quả tính tốn mạng điện trong trường hợp máy
phát vận hành đầy tải. .......................................................................... 30
Bảng 2.2. Các số liệu và kết quả tính tốn mạng điện trong trường hợp hạ
thấp cơng suất vận hành của máy phát. ............................................... 32
Bảng 2.3. Bảng thời gian đóng/cắt cho các van bán dẫn trong mỗi sector ........... 60
Bảng 3.1. Thông số mạch điều khiển turbine thủy điện ....................................... 75
Bảng 3.2. Thông số mạch điều khiển dịng kích từ máy phát ............................... 76
Bảng 3.3. Thơng số đường dây ............................................................................. 76
Bảng 3.4. Thông số của IGBT............................................................................... 78

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
(Hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị)
Trang

Hình 1.1. Đồ thị phân bố điện áp dọc theo đường dây cung cấp điện. ................... 7
Hình 2.5. Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ có BESS. .......................................... 33
Hình 2.6. Cấu trúc mạch lực của BESS. ............................................................... 34
Hình 2.7. Cấu trúc và ký hiệu IGBT. .................................................................... 35
Hình 2.8. Sơ đồ thử nghiệm IGBT. ....................................................................... 36
Hình 2.9. Đặc tính đóng mở van IGBT................................................................. 36
Hình 2.10. Cấu tạo của ắcquy axít điện cực chì................................................... 41
Hình 2.11.mạch điện nối với mạch ngồi và ........................................................ 42
Hình 2.12. Sơ đồ tương đương của ắcquy. ........................................................... 44
Hình 2.13. Q trình phóng điện ắcquy phụ thuộc vào dịng phóng. ................... 45
Hình 2.14. Sự phụ thuộc của cơng suất vào dịng điện phóng. ............................. 46
Hình 2.15. a) Thay thế BESS như một nguồn áp tại PCCi; b) Cấu trúc bộ biến
đổi BESS. ............................................................................................ 47
Hình 2.16 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi BESS ........................................................ 48
Hình 2.18. Mơ hình bộ biến đổi BESS trong hệ tọa độ quay dq tựa điện áp lưới ..... 50
Hình 2.19. Mơ hình bộ biến đổi BESS trong miền tốn tử Laplace ..................... 51
Hình 2.20. Cấu trúc điều khiển hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ. ..... 52
Hình 2.21. Biểu diễn các đại lượng vector trên tọa độ dq tựa điện áp. ................ 53
Hình 2.22. Cấu trúc khối đồng bộ tựa điện áp lưới PLL. ..................................... 55
Hình 2.23. Dạng tín hiệu tựa đồng bộ điện áp lưới có được bằng kết quả mơ phỏng.. 55

Hình 2.24. Tám khả năng chuyển mạch trong bộ biến biến đổi van ................... 58
Hình 2.25. Vị trí các vector chuẩn trên hệ toạ độ αβ ............................................ 58
Hình 2.26. Tổng hợp vector chuẩn trong sector 1 ................................................ 59
Hình 2.27. Thời gian đóng/cắt mỗi van trong sector 1. ........................................ 60
Hình 2.28. Dạng sóng biến điệu vector SVM có được bằng kết quả mơ phỏng. ...... 61
Hình 2.30.Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu PI cho bộ biến đổi BESS. .............. 63
Hình 2.31. Cấu trúc mạch vịng điều khiển dịng điện kiểu Dead-Beat. .............. 66
Hình 2.32. Đáp ứng động học giữa tín hiệu đặt và thực đối với bộ điều chỉnh
Dead-Beat............................................................................................ 67
Hình 2.33. Cấu trúc bộ điều chỉnh dịng kiểu Dead-Beat. .................................... 68
Hình 2.34. Cấu trúc điều khiển cơng suất tác dụng .............................................. 72
Hình 3.1 Mơ hình mơ phỏng hệ BESS trong MĐCBTĐN cơng suất 85 kVA ..... 74
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

viii

Hình 3.2. Cấu trúc nguồn thủy điện 85 kVA-0,4kV ............................................. 75
Hình 3.3. Cấu trúc mạch lực của BESS ................................................................ 77
Hình 3.4. Khối đo lường ....................................................................................... 79
Hình 3.5a. Cấu trúc bộ điều khiển vịng ngồi cho bộ điều dịng điện kiểu PI .... 79
Hình 3.5b. Cấu trúc bộ điều khiển dịng điện kiểu PI ........................................... 80
Hình 3.6a. Cấu trúc bộ điều khiển vịng ngồi cho bộ điều dịng điện kiểu D-B ...... 80
Hình 3.6b. Cấu trúc bộ điều khiển dịng điện kiểu D-B ....................................... 81
Hình 3.7 So sánh đáp ứng động học của bộ điều chỉnh PI và D-B ..................... 81
Hình 3.8a. Trị hiệu dụng điện áp trên tải trong các chế độ khác nhau, trường
hợp dùng bộ điều khiển D-B .............................................................. 83
Hình 3.9a. Trị hiệu dụng điện áp trên tải trong các chế độ khác nhau, trường
hợp dùng bộ điều khiển PI .................................................................. 83

Hình 3.9b. Biên dạng điện áp trên tải trong các chế độ khác nhau, trường hợp
dùng bộ điều khiển PI ......................................................................... 84
Hình 3.10a. Biên dạng dịng điện 3 pha trên tải, trường hợp dùng bộ điều khiển D-B... 84
Hình 3.10b. Kiểm tra THD cho dịng điện tải do BESS cấp tại thời điểm 0,6s,
trường hợp dùng bộ điều khiển D-B................................................... 85
Hình 3.10c. Biên dạng dịng điện 3 pha trên tải, trường hợp dùng bộ điều
khiển PI ............................................................................................... 85
Hình 3.10d. Kiểm tra THD cho dịng điện tải do BESS cấp tại thời điểm 0,8s,
trường hợp dùng bộ điều khiển PI ...................................................... 86
Hình 3.11. Bess với BĐKD kiểu PI khi bù cơng suất đỉnh .................................. 87
Hình 3.11. Bess với BĐKD kiểu Dead-Beat khi bù cơng suất đỉnh ..................... 87
Hình 4.1 Cấu trúc thí nghiệm hệ BESS. .............................................................. 88
Hình 4.2 Bàn thí nghiệm hệ BESS........................................................................ 89
Hình 4.3. Cấu trúc R&D DS1104. ........................................................................ 90
Hình 4.4. Giao diện điển hình dùng DS1104. ....................................................... 90
Hình 4.5. Động cơ thí nghiệm. .............................................................................. 91
Hình 4.6. Hệ thống ăcquy thí nghiệm. .................................................................. 92
Hình 4.7. Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển. ......................................... 93
Hình 4.8. Cấu trúc chương trình phần mềm. ........................................................ 94
Hình 4.9. Thuật tốn điều khiển hệ BESS. ........................................................... 94
Hình 4.10 Khối đo lường ADC. ............................................................................ 95
Hình 4.11. BESS huy động thành phần công suất tác dụng cho động cơ khởi động .... 96
Hình 4.11. Biên độ dịng điện đỉnh nhọn khi động cơ khởi động và BESS ......... 96
Hình 4.12. Điện áp ăcquy khi BESS khi động cơ khởi động. .............................. 97
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ix

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

1

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình hình
năng lượng đang thay đổi - có một số lượng lớn các nguồn cung cấp năng
lượng không phải là dạng truyền thống đang được thúc đẩy phát triển mạch
mẽ không những riêng ở nước ta, mà trên phạm vi toàn cầu. Đó là các dạng
nguồn phát điện theo cơng nghệ sạch. Ví dụ như: phong điện, thủy điện nhỏ,
điện mặt trời, V.V... Chúng có thể được khai thác dưới các loại hình mạng
điện khác nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng phân tán có kết nối với lưới
quốc gia, mạng điện thơng minh...Trước đây, những loại hình mạng điện này
chưa được quan tâm khai thác và phát triển, lý do chính là đặc tính của các
dạng nguồn này có tính chất mềm (siêu mềm), khơng ổn định. Tính kinh tế
của hệ thống còn thấp, chất lượng điện năng cung cấp chưa đảm bảo. Ngày
nay, đứng trước sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất
ngày càng phong phú, đời sống văn hóa tinh thần của con người ngày một
nâng cao dẫn đến đòi hỏi các lưới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu
chất lượng điện năng quy định (mang lại lợi ích cho phía người tiêu dùng),
giảm nhỏ tối thiểu các tổn thất năng lượng trong mạng và nâng cao hiệu quả
khai thác hệ thống (mạng lại lợi ích cho phía sản xuất và phân phối điện
năng). Đặc biệt, trong bối cảnh thế giới đang khuyến khích phát triển các
nguồn năng lượng sạch, các hệ nguồn phân tán, công suất nhỏ… luôn cần
thiết sự kết hợp với các bộ biến đổi, kho lưu trữ năng lượng và kỹ thuật điều
khiển hiện đại nhằm phát huy hết công năng của hệ nguồn.
Xuất phát từ những phân tích trên tác giả mong muốn đóng góp một
phần nghiên cứu của mình nhằm đảm bảo chất lượng hệ nguồn đối với chế độ

làm việc bình thường đồng thời có thể nâng cao động học một cách cần thiết.
Ví dụ: Chế độ đóng nguồn dự phịng.
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu bộ chỉnh lưu tích cực và
khả năng cải thiện chất lượng điện năng khi kết hợp với các mạng điện nguồn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

2

năng lượng mới và tái tạo, phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu bộ biến đổi với
hệ điều khiển kiểu Dead - Beat so sánh động học với các bộ biến đổi và hệ
điều khiển khác, ý nghĩa khoa học là đề xuất thêm giải pháp sử dụng Bộ biến
đổi với hệ điều khiển Dead-Beat áp dụng trong mạng điện nguồn năng lượng
mới và tái tạo có thể nâng cao được động học hơn so với việc sử dụng những
bộ biến đổi khác qua đó sẽ đem lại nhiều lợi ích thực tế trong việc nâng cao
chất lượng điện năng.
Bố cục của luận văn này gồm có 3 chương.
Chương 1: Tổng quan về chất lượng điện năng cung cấp.
Chương 2: Các Bộ biến đổi công suất và chức năng cải thiện chất lượng
điện năng.
Chương 3: Mơ hình hóa mơ phỏng trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ.
Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm hệ BESS trong mạng điện cục bộ
Thủy điện nhỏ.
Trong quá trình nghiên cứu để thực hiện bài luận văn, mặc dù gặp rất
nhiều khó khăn về vấn đề chuyên môn. Nhờ sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình
của thầy giáo TS. Ngơ Đức Minh đã giúp tơi hồn hồn thành luận văn với
kết quả mong muốn đạt được. Tuy nhiên bản luận văn này cũng không thể
tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót, tác giả kính mong nhận được sự góp ý và
nhận xét của các thầy cơ giáo và các bạn để được hồn thiện hơn.

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới thầy giáo TS. Ngô Đức Minh
cùng tập thể các thầy cô giáo Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp – Đại
học Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho tơi hồn thành
luận văn này.
Thái Ngun, ngày

tháng 5 năm 2014

Học viên

Nguyễn Thành Trung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

3

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
1.1. Khái niệm về chất lượng điện năng.
Nền kinh tế quốc dân ngày càng phát triển, do đó địi hỏi ngày càng
nhiều năng lượng điện. Điều đó đặt ra cho hệ thống cung cấp điện một nhiệm
vụ khó khăn là vừa phải thoả mãn lượng điện năng tiêu thụ, vừa phải đảm bảo
chất lượng của nó. Vì vậy chất lượng điện năng ảnh hưởng rất lớn đến chế độ
làm việc của các phụ tải, điều này sẽ làm ảnh hưởng tới các chỉ tiêu kinh tế kĩ
thuật của các phụ tải đó. Các thiết bị dùng điện chỉ có thể làm việc với hiệu
quả tốt trong trường hợp điện năng có chất lượng cao.
Chất lượng điện năng được đánh giá dựa trên hai chỉ tiêu chính là chất
lượng Tần số và chất lượng Điện áp. Như vậy chất lượng điện năng là mức độ

trùng hợp của Tần số và Điện áp so với giá trị chuẩn đã quy định. Ngoài ra,
chất lượng điện năng còn được đánh giá bằng chỉ tiêu là độ tin cậy của hệ
thống, tức là tính liên tục cung cấp điện.
1.1.1. Chất lượng tần số.
Được đánh giá theo 2 đại lượng:
1. Độ lệch tần số (lấy trong khoảng thời gian là 10 phút)
qf

f

f dm
f dm

.100%

2. Độ dao động tần số (khi tốc độ biến đổi của tần số nhỏ hơn 0.2 HZ trong
thời gian một giây)
pf

f max f min
.100%
f dm

Giữ cho độ lệch và dao động của tần số nằm trong phạm vi cho phép là
nhiệm vụ của các nhà máy phát điện, các phụ tải dùng điện ít ảnh hưởng tới

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

4

tần số, vì vậy về sau này chúng ta sẽ không đề cập đến các biện pháp đảm bảo
chất lượng tần số.
1.1.2. Chất lượng điện áp.
Được đánh giá theo 5 đại lượng. (Đối với lưới điện ba pha xoay chiều):
1. Độ lệch điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp nhỏ hơn 1% trong 1 giây)
so với giá trị định mức :
qU =

U

U dm
U dm

.100%

2. Độ dao động điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp không nhỏ hơn 1%
trong 1 giây)
U

U max U min
.100%
U
dm

3. Độ khơng hình sin của dạng đường cong điện áp :
U
K K .Sin

U1

.100%

trong đó U

U2
2

U 1 - Điện áp thành phần cơ bản
Khi K K .Sin 5% thì dạng của đường cong điện áp thường chỉ cần tính đến
bậc 13 là đủ.
4. Độ không đối xứng của điện áp :
0

K2

U2
U phadinhmuc

.100%

0

0

U A a 2 U B aU C
3U dm

.100%

0
Trong đó U 2 - điện áp thứ tự nghịch a = e j120 ; a 2

0
e j 240

Nếu điện áp có K 2 1% thì có thể xem thực tế như là đối xứng.
5. Độ lệch trung tính.
0

K0

U0
U phadinhmuc

.100%

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

0

0

I (U A U B U C ) I
3U dm

.100%

/>

5

Trong đó U 0 - điện áp thứ tự khơng
1.2. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng.
1.2.1. Chỉ tiêu tần số
1.2.1.1. Độ lệch tần số
Độ lệch tần số so với tần số định mức:
f

f

f
f dm

dm

.100

Độ lệch tần số phải nằm trong giới hạn cho phép:
fmax
Cũng có nghĩa là tần số phải luôn nằm trong giới hạn cho phép:
f

min

fmin

Trong đó:

f

f

fmax

fmin = fđm - f min
fmax = fđm + fmax

1.2.1.2. Độ dao động tần số
Độ dao động tần số đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ
nhất của tần số khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn hơn 0,1%. Độ dao
động tần số không được lớn hơn giá trị cho phép.
* Tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30 tháng 7
năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân phối (Điều
4) thì Tần số định mức trong hệ thống điện quốc gia là 50Hz. Trong điều kiện
bình thường, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi 0,2Hz so
với tần số định mức. Trường hợp hệ thống điện chưa ổn định, tần số hệ thống
điện được dao động trong phạm vi 0,5Hz so với tần số định mức.
1.2.2. Chỉ tiêu điện áp.
1.2.2.1. Độ lệch điện áp
Độ lệch điện áp tại một điểm trong hệ thống cung cấp điện là độ chênh
lệch giữa điện áp thực tế U và điện áp định mức Uđm với điều kiện là tốc độ
biến thiên của điện áp nhỏ hơn 1% Uđm/giây.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

6

Vậy U U U dm (V )
qU= U % =

U

U dm
U dm

.100% (1)

Độ lệch điện áp U có dấu âm khi điện áp thực tế nhỏ hơn điện áp định
mức và có dấu dương trong trường hợp ngược lại. Thơng thường có nhiều
nguyên nhân gây ra độ lệch điện áp. Vì vậy độ lệch điện áp tại một điểm nào
đó trong hệ thống cung cấp điện có thể được coi như là tổng đại số các độ
lệch điện áp thành phần :
U

n
i 1

U i (2)

Trong đó U i - độ lệch điện áp do nguyên nhân thứ i gây ra được tính
theo biểu thức (1). Chú ý khi tính U i phải được tính cùng một pha và cùng
một thời điểm.
Độ lệch điện áp cho phép U cp % ở mỗi nước khác nhau thì được quy
định khác nhau.
Ví dụ :
* Tiêu chuẩn tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30

tháng 7 năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân phối
(Điều 5):
- Trong chế độ vận hành bình thường, điện áp vận hành cho phép được
sai lệch so với điện áp danh định như sau:Tại điểm đấu nối với Khách hàng sử
dụng điện là 5%; Tại điểm đấu nối với nhà máy điện là +10% và -5%.
- Trong chế độ sự cố đơn lẻ hoặc trong q trình khơi phục vận hành ổn
định sau sự cố, cho phép mức dao động điện áp tại điểm đấu nối với Khách
hàng sử dụng điện bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự cố trong khoảng +5% và –
10% so với điện áp danh định.
- Trong chế độ sự cố nghiêm trọng hệ thống điện truyền tải hoặc khôi
phục sự cố, cho phép mức dao động điện áp trong khoảng

10% so với điện

áp danh định.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

7

Những quy định trên cần phải được đảm bảo chặt chẽ, bởi vì độ lệch điện
áp có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc bình thường của các thiết bị điện. Ví dụ
khi điện áp giảm 10%, thì mơmen quay của động cơ không đồng bộ giảm 19%,
độ trượt tăng 27,5%, dịng trong rơto tăng 14%, trong stato tăng 10%.
Các thiết bị chiếu sáng rất nhạy cảm đối với điện áp. Khi điện áp giảm
25% thì quang thơng của đèn dây tóc giảm 9%, cịn khi điện áp tăng 10% thì
tuổi thọ của nó giảm 30 - 35%. Chình vì vậy độ lệch điện áp cho phép đối với
các thiết bị chiếu sáng được quy định nhỏ hơn so với các thiết bị điện khác.
Để xác định độ lệch điện áp tại một điểm nào đó trong hệ thống cung cấp

điện ta phải xác định tổn thất điện áp trên các phần tử từ nguồn đến điểm đó
(chủ yêú là trên đường dây và máy biến áp), đồng thời phải kể đến việc nâng
cao điện áp do chọn đầu phân áp của máy biến áp và các biện pháp điều chỉnh
điện áp khác.
Vậy

U%=

U1 5%
U1 8%

U%

U dd %

U B %;

U 2 5%

U 2 5%

U B 4%

10
5
0

5

Hình

Đồáp
thịdọc
phân
điện dây
áp dọc
Hình 1.1. Đồ thị phân
bố1.điện
theobốđường
cungtheo
cấp điện.
đường dây cung cấp điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>
(3)


8

Trong đó U % - độ tăng điện áp do điều chỉnh đầu phân áp và các biện
pháp điều chỉnh điện áp khác, U dd % - tổn thất điện áp trên máy biến áp. Chú ý
rằng các điện áp trong công thức (3) phải được quy về cấp điện áp tại điểm xét.
Hình 1.1. trình bày một ví dụ về phân bố điện áp dọc theo đường dây
cung cấp điện và các độ lệch điện ápdo các phần tử trong hệ thống cung cấp
điện gây ra. Trong đó:
U1=

5% - độ lệch điện áp trên thanh cái trạm biến áp khu vực;

UB

5% -

U1=

6% - tổn thất điện áp trên đường dây điện áp cao;

UB

4% - tổn

thất điện áp trên máy biến áp;

U2

5% - tổn

thất điện áp trên đường dây điện áp thấp.

độ lệch điện áp do đầu phân áp của máy biến áp gây ra.

Từ hình 1 ta thấy rằng để duy trì điện áp trên cực của phụ tải nằm trong
phạm vi cho phép chúng ta phải áp dụng các biện pháp điều chỉnh điện áp để bù
vào các tổn thất điện áp do các phần tử trong hệ thống cung cấp điện gâp ra.
Độ lệch điện áp là tiêu chuẩn điện áp quan trọng nhất ảnh hưởng lớn đến
giá thành hệ thống điện.
1.2.2.2. Độ dao động điện áp
Dao động điện áp là sự biến thiên của điện áp xảy ra trong khoảng thời
gian tương đối ngắn. Phụ tải chịu ảnh hưởng của dao động điện áp không

những về biên độ dao động mà cả về tần số xuất hiện các dao động đó.
Sự biến thiên nhanh của điện áp được tính theo cơng thức :
U

U max U min
.100%
U dm

Tốc độ biến thiên từ U min đến U max không nhỏ hơn 1%/s.
Nguyên nhân chủ yếu gây ra dao động điện áp là do các phụ tải lớn làm
việc địi hỏi sự đột biến về tiêu thụ cơng suất tác dụng và phản kháng. Các lị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

9

điện hồ quang, các máy hàn, các máy cán thép cỡ lớn v.v… là các thiết bị
thường gây ra dao động điện áp.
Tuỳ theo biên độ và tần số dao động, người ta quy định những giá trị cho
phép sau đây :
- Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/giờ, U (3 5)%U dm
- Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/phút, U

(1 1,5)%U

- Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/giây, U

0,5%U

dm

dm

Mức độ dao động điện áp phụ thuộc vào tỷ số giữa công suất nguồn và
công suất của những phụ tải biến thiên. Nói chung khi tỷ số nói trên từ 10 trở
lên thì biến thiên của phụ tải thực tế chỉ gây ra dao động điện áp cục bộ tại
điểm phụ tải làm việc mà thơi.
Tính tốn giá trị của biên độ dao động điện áp khá phức tạp vì nó phụ
thuộc vào nhiều yếu tố bất định. Có thể sử dụng các cơng thức gần đúng nhằm
đánh giá sơ bộ dao động điện áp lúc thiết kế cung cấp điện sau đây:
Dao động điện áp khi các dao động cơ làm việc có sự biến đổi phụ tải
lớn được tính theo cơng thức:
U%

Q
SN

.100;

Dao động điện áp khi lị điện hồ quang làm việc
U%

Trong các cơng thức trên

SB
.100;
SN

Q - lượng phụ tải phản kháng biến đổi của

động cơ; S B - công suất của máy biến áp lị điện hồ quang: S N - cơng suất ngắn
mạch tại điểm có phụ tải làm việc.
Dao động điện áp gây ra dao động ánh sáng làm hại mắt người lao động,
làm nhiễu máy thu thanh, máy thu hình và các thiết bị điện tử…
Độ dao động điện áp cùng cần được hạn chế trong miền cho phép.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

10

1.2.2.3. Độ khơng hình sin của đường cong điện áp và sóng điều hồ bậc cao.
Sóng điều hồ bậc cao của dòng điện và điện áp sẽ gây tổn hao phụ về
năng lượng điện, làm phát nóng thiết bị điện, tăng nhanh q trình già hố của
vật liệu cách điện, gây ảnh hưởng xấu đối với chế độ làm việc của các bộ biến
đổi van (đổi chiều khơng hồn tồn), làm cho các thiết bị đo lường, bảo vệ,
điều khiển trong hệ thống cung cấp điện tác động khơng chính xác.
Nguyên nhân sinh ra những sóng hài bậc cao chủ yếu nằm ở phía tải.
Các tải phi tuyến (VD thường thấy ở các nhà máy dùng các bộ biến đổi điện
tử công suất như chỉnh lưu để mạ, sơn tĩnh điện, nghịch lưu tần số cao luyện
thép, máy hàn .v.v.) khi hoạt động sẽ phát những sóng hài bậc cao vào lưới,
làm méo dạng sóng của lưới.
Khi thiết kế cung cấp điện cũng như lúc vận hành phải xét tới các biện
pháp hạn chế sóng điều hồ bậc cao.
Khi trong hệ thống cung cấp điện có các bộ biến đổi van thì biện pháp
hữu hiệu để chống sóng điều hồ bậc cao là dùng các sơ đồ chỉnh lưu nhiều
pha (12,24,36,48 pha).
Các bộ lọc cộng hưởng động lực cũng có tác dụng rất tốt để lọc các sóng

điều hồ bậc cao. Bộ lọc được tạo thành từ điện kháng L và tụ điện C và được
chỉnh để cộng hưởng với sóng điều hồ bậc cao muốn lọc. Ngồi nhiệm vụ
hạn chế sóng điều hồ bậc cao, các tụ điện trong bộ lọc cộng hưởng cịn có
tác dụng bù cơng suất phản kháng.
* Tiêu chuẩn tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30
tháng 7 năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân phối
(Điều 7). Tổng độ biến dạng sóng hài (THD) là tỷ lệ của giá trị điện áp hiệu
dụng của sóng hài với giá trị hiệu dụng của điện áp cơ bản, biểu diễn bằng
đơn vị phần trăm (%), theo công thức sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

11

THD

Vi 2
V12

100%

Trong đó:
THD:

Tổng độ biến dạng sóng hài của điện áp;

Vi:

Thành phần điện áp tại sóng hài bậc i;

V1:

Thành phần điện áp tại tần số cơ bản (50Hz).

Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp tại mọi điểm đấu nối không được
vượt quá giới hạn quy định trong Bảng 1 như sau:
Bảng 1.1: Độ biến dạng sóng hài điện áp
Cấp điện áp

Tổng biến dạng sóng hài

110kV
Trung và hạ áp

Biến dạng riêng lẻ

3,0%
6,5%

1,5%
3,0%

Tần số được đảm bảo bằng cách điều khiển cân bằng cơng suất tác dụng
chung trong tồn hệ thống điện và được thực hiện trong các nhà máy điện.
1.2.2.4. Độ khơng đối xứng.
Nếu trong mạng điện có các phụ tải một pha cơng suất lớn như: máy hàn,
lị điện …thì chúng thường gây ra hiện tượng phụ tải khơng đối xứng do đó
kéo theo điện áp khơng cân bằng làm lệch điểm trung tính của mạng điện.

Để đánh giá mức độ phụ tải khơng cân bằng có thể dùng biểu thức sau:
độ không cân bằng sẽ nằm trong phạm vi cho phép nếu có tỉ số:
SN
S1 fa

50 trong đó: SN –Cơng suất ngắn mạch tại điểm có các phụ tải một

pha; S1fa là phụ tải một pha.
Điện áp không đối xứng làm giảm hiệu quả công tác và tuổi thọ của thiết
bị dùng điện, giảm khả năng tải của lưới điện và tăng tổn thất điện năng.
* Tiêu chuẩn tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30
tháng 7 năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

12

phối(Điều 6). Trong chế độ làm việc bình thường, thành phần thứ tự nghịch
của điện áp pha không vượt quá 3% điện áp danh định đối với cấp điện áp
110kV hoặc 5% điện áp danh định đối với cấp điện áp trung áp và hạ áp.
Vì vậy để giảm độ không cân bằng chúng ta phải cố gắng phân đều phụ
tải một pha lên ba pha của mạng điện, đồng thời phân định lịch vận hành của
các phụ tải một pha sao cho chúng làm việc rải đều trong các ca sản xuất của
xí nghiệp.
1.2.3. Chỉ tiêu độ tin cậy của lưới điện.
Độ tin cậy của lưới điện là khả năng hệ thống có thể đảm bảo cung cấp
điện liên tục và chất lượng cho các hộ dùng điện. Độ tin cậy là một chỉ tiêu
quan trọng của hệ thống điện, nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khách quan
và chủ quan. Việc tính tốn Độ tin cậy cung cấp điện phải được thực hiện

ngay từ khi thiết kế hệ thống điện, ngồi ra trong q trình vận hành mạng
điện cũng cần phải thường xuyên khôi phục độ tin cậy của từng phần tử và
của cả hệ thống.
Tiêu chuẩn tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30
tháng 7 năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân phối
(Điều 12) thì:
Các chỉ số về độ tin cậy của lưới điện phân phối bao gồm:
- Chỉ số về thời gian mất điện trung bình của lưới điện phân phối
(System Average Interruption Duration Index - SAIDI);
- Chỉ số về số lần mất điện trung bình của lưới điện phân phối (System
Average Interruption Frequency Index - SAIFI);
- Chỉ số về số lần mất điện thoáng qua trung bình của lưới điện phân
phối (Momentary Average Interruption Frequency Index - MAIFI).
Các chỉ số về độ tin cậy của lưới điện phân phối được tính tốn như sau:
- SAIDI được tính bằng tổng thời gian mất điện của các Khách hàng sử
dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

13

phối điện trong một quý chia cho tổng số Khách hàng sử dụng điện và các
Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong
q đó, theo cơng thức sau:
n

Ti K i
SAIDI j

i 1

K
4

SAIDI

SAIDI j
j 1

Trong đó:
Ti: Thời gian mất điện lần thứ i kéo dài trên 5 phút trong quý j;
Ki: Số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện
mua điện của Đơn vị phân phối điện bị ảnh hưởng bởi lần mất điện thứ i trong
quý j;
n: số lần mất điện kéo dài trên 5 phút trong quý j;
K: Tổng số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ
điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong quý j.
- SAIFI được tính bằng tổng số lần mất điện của Khách hàng sử dụng
điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối
điện trong quý chia cho tổng số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân
phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong q đó, theo
cơng thức sau:
SAIFI j

n
K
4

SAIFI

SAIFI j
j 1

Trong đó:
n: số lần mất điện kéo dài trên 5 phút trong quý j;
K: Tổng số khách hàng trong quý j của Đơn vị phân phối điện.
- MAIFI được tính bằng tổng số lần mất điện thoáng qua của Khách
hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

14

vị phân phối điện trong quý chia cho tổng số Khách hàng sử dụng điện và các
Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong
q đó, theo cơng thức sau:
MAIFI j

m
K
4

MAIFI

MAIFI j
j 1

Trong đó:

m: số lần mất điện thống qua trong q j;
K: Tổng số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ
điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong quý j.
Căn cứ vào tiêu chuẩn này Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đã có
các quy định về chỉ tiêu suất sự cố (đường dây và trạm biến áp) trong quản lý,
vận hành hệ thống điện, làm cơ sở cho việc đánh giá chất lượng quản lý vận
hành nguồn lưới đáp ứng yêu cầu cung ứng điện liên tục cho khách hàng. Cụ
thể như sau:
- Suất sự cố thoáng qua đường dây trung thế : 12 vụ / 100 km/ năm.
- Suất sự cố vĩnh cửu đường dây trung thế : 3,6 vụ / 100 km/ năm.
- Suất sự cố vĩnh cửu TBA : 1,8 vụ / 100 MBA/ năm.
Ngoài ra chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện cũng dựa trên yêu cầu của
từng loại phụ tải, tùy theo tính chất quan trọng của phụ tải người ta chia phụ
tải thành 3 loại: Phụ tài loại 1, phụ tải loại 2 và phụ tải loại 3.
- Phụ tải loại 1 là những phụ tải quan trọng nhất, nếu mất điện ở các phụ
tải này có thể xảy ra chết người hoặc thiệt hại lớn về kinh tế, chính trị (Phụ tải
loại 1 là những phụ tải như: Các cơ quan quan trọng của Chính phủ, đài phát
thanh, truyền hình; Nhà quốc hội; Phòng giải phẫu ở các bệnh viện; các nhà
máy lớn hoặc là các thiết bị quan trọng như các dụng cụ cứu hỏa, các đèn
chiếu sáng sự cố…). Các phụ tải loại 1 tuyệt đối không được mất điện, để

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>