Nghiên cứu bộ lọc tích cực để cải thiện chất lượng điện năng cho luới điện phân phối

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LƯƠNG TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU BỘ LỌC TÍCH CỰC
ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

THÁI NGUYÊN - 2019


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LƯƠNG TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU BỘ LỌC TÍCH CỰC
ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Ngành: Kỹ thuật điện
Mã ngành: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. TRẦN XUÂN MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN - 2019


i
LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên: Lương Trung Hiếu
Học viên: Lớp cao học K20, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Đại học Thái Nguyên.
Nơi công tác: Công ty Điện lực Thái Nguyên
Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu bộ lọc tích cực để cải thiện
chất lượng điện năng cho luới điện phân phối”.
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn
này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS. Trần Xuân Minh và sự giúp đỡ của các cán bộ Khoa Điện, Trường
Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Mọi thơng tin trích
dẫn trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này.
Thái Nguyên, ngày

tháng 5 năm 2019

Học viên thực hiện

Lương Trung Hiếu


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này tôi luôn nhận
được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS.TS. Trần Xuân Minh, người
trực tiếp hướng dẫn luận văn cho tôi. Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành
và sâu sắc tới thầy.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên
trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều
kiện giúp đỡ tốt nhất để tơi có thể hồn thành đề tài nghiên cứu này. Tơi
cũng xin chân thành cảm ơn những đóng góp quý báu của các bạn cung lớp
động viên và giúp đỡ tơi trong q trình thực hiện đề tài. Xin gửi lời chân
thành cảm ơn đến các cơ quan xí nghiệp đã giúp tơi khảo sát tìm hiểu thực tế
và lấy số liệu phục vụ cho luận văn.
Cuối cùng, tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới gia đình,
đồng nghiệp và bạn bè đã ln động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn cùng
tơi trong suốt q trình học tập và nghiên cứu hồn thiện luận văn này.
Thái Nguyên, ngày

tháng 5 năm 2019
Học viên

Lương Trung Hiếu


iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. ii
MỤC LỤC ...................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT ...................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................ vii

DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, BIỂU ĐỒ ............................................ viii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................... 1
2. Nội dung nghiên cứu của đề tài................................................................... 1
3. Kết quả dự kiến ........................................................................................... 1
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................... 2
5. Công cụ, thiết bị nghiên cứu ....................................................................... 2
6. Bố cục đề tài ................................................................................................ 2
7. Kế hoạch thực hiện...................................................................................... 2
Chương 1. TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI - LƯỚI ĐIỆN
TRUNG ÁP .................................................................................................... 3
1.1. Tổng quan chung ...................................................................................... 3
1.1.1. Định nghĩa lưới điện trung áp ............................................................... 3
1.1.2. Phân loại lưới điện trung áp .................................................................. 3
1.1.3. Vai trò của lưới điện trung áp ............................................................... 4
1.1.4. Các phần tử chính của lưới điện trung áp ............................................. 4
1.1.5. Cấu trúc của lưới điện trung áp ............................................................. 6
1.1.6. Đặc điểm của lưới điện trung áp ......................................................... 10
1.2. Hiện trạng lưới điện trung áp tại Việt Nam ........................................... 11
1.2.1. Tình hình phát triển lưới điện trung áp ............................................... 11
1.2.2. Tình hình phát triển phụ tải điện ......................................................... 11
1.3. Kết luận chương 1 .................................................................................. 12


iv
Chương 2. SÓNG HÀI BẬC CAO VÀ PHƯƠNG PHÁP KHỬ SÓNG HÀI.... 14
2.1. Đặt vấn đề............................................................................................... 14
2.2. Tổng quan về sóng điều hịa bậc cao ..................................................... 14
2.2.1. Ảnh hưởng của sóng điều hịa bậc cao và quy định giới hạn thành
phần sóng điều hịa bậc cao trên lưới điện .................................................... 19

2.2.2. Một số nguồn tạo sóng điều hịa bậc cao trong cơng nghiệp .............. 21
2.3. Phương pháp khử sóng hài bậc cao........................................................ 26
2.3.1. Bộ lọc sóng điều hịa bậc cao .............................................................. 26
2.3.2. Phân loại và nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực ..............................
2.3.3. Bộ lọc hỗn hợp .................................................................................... 38
2.3.4. Các thiết bị bù công suất phản kháng ................................................. 39
2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................. 47
Chương 3. THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC TRONG LƯỚI ĐIỆN
PHÂN PHỐI CHO PHỤ TẢI PHI TUYẾN ............................................. 48
3.1. Đặt vấn đề............................................................................................... 48
3.2. Lý thuyết về phương pháp lọc tích cực .................................................. 48
3.2.1. Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền tần số ........................... 49
3.2.2. Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền thời gian ...................... 50
3.3. Mơ hình bể điện phân ............................................................................. 55
3.4. Cấu trúc của bộ lọc tích cực ................................................................... 59
3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................. 71
Chương 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ... 72
4.1. Xây dựng mơ hình bộ lọc trên phần mềm Matlab/Simulink [4] ............ 72
4.1.1. Nguồn xoay chiều 3 pha...................................................................... 72
4.1.2. Khối mạch lực ..................................................................................... 72
4.1.3. Khối điều khiển dòng .......................................................................... 74
4.1.6. Khâu lấy tín hiệu đo dịng điện và điện áp ba pha .............................. 79
4.1.7. Khâu đo dòng điện, điện áp ................................................................ 80


v
4.2. Sơ đồ và kết quả mô phỏng .................................................................... 80
4.2.1. Mơ phỏng trường hợp chưa có bộ lọc tích cực ................................... 81
4.2.2. Mơ phỏng trường hợp có bộ lọc tích cực ............................................ 85
4.4. Kết luận chương 4 .................................................................................. 91

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 93


vi
DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT

Thuật ngữ đầy đủ

Chữ viết tắt
CSPK

Công suất phản kháng

CSTD

Công suất tác dụng

DSVC

Dynamic - Static Var Compensation

FACTS

Flexible alternating current transmission systems

FC

Fixed Capacitor

FC-TCR

Fixed Capacitor - Thyristor controller Reactor

PF

Power factor

SSSC

Static Synchronous Series Controllers

SVC

Static Var Compensation

STATCOM

Static Synchronous Compensator

TCR

Thyristor controller Reactor

TCSC

Thyristor Controlled Series Compensation

TSC

Thyristor Switched Capacitor

Chú thích

Hệ số
cơng suất

Bù cơng suất
kiểu tĩnh

Đơn vị
Var

Volt-ampere reactive

công suất
phản kháng


vii
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1:

Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp ................. 20

Bảng 2.2.

Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện ............. 20

Bảng 2.3:

IEC 1000-3-4 ............................................................................ 21

Bảng 3.1:

Modul vector biên trái, biên phải bằng các thành phần
điện áp us, us ............................................................................ 69

Bảng 3.2:

Thuật tốn điều chế vector khơng gian ..................................... 70

Bảng 4.1.

Tỷ lệ các thành phần dòng điều hòa trong dòng điện nguồn .......... 83

Bảng 4.2:

Giá trị các thành phần sóng điều hịa trong dòng điện nguồn......... 88


viii
DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1:

Sơ đồ lưới phân phối hình tia ................................................... 7

Hình 1.2:

Sơ đồ lưới phân phối hình tia có phân đoạn ............................. 8

Hình 1.3:

Sơ đồ lưới kín vận hành hở do một nguồn cung cấp ................ 8

Hình 1.4:

Sơ đồ lưới kín vận hành hở do 2 nguồn cung cấp độc lập ....... 8

Hình 1.5.

Sơ đồ lưới điện kiểu đường trục ............................................... 9

Hình 1.6:

Sơ đồ lưới điện có đường dây dự phịng chung........................ 9

Hình 1.7:

Sơ đồ hệ thống phân phối điện ............................................... 10

Hình 2.1:

a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ
khơng sin) ............................................................................... 15

Hình 2.2:

Các thành phần sóng điều hịa ................................................ 16

Hình 2.3:

Phân tích Fn thành an và bn ...................................................... 17

Hình 2.4:

Phổ của các thành phần điều hịa ............................................ 18

Hình 2.5:

Mơ hình chỉnh lưu cầu Đi ốt 1 pha ......................................... 22

Hình 2.6:

Dịng điện nguồn sinh ra bởi chỉnh lưu cầu Đi ốt 1 pha......... 22

Hình 2.7:

Chỉnh lưu cầu Đi ốt 1 pha, dạng dịng điện và phổ ................ 22

Hình 2.8:

Mơ hình chỉnh lưu cầu Đi ốt 3 pha ......................................... 23

Hình 2.9:

Dòng điện nguồn sinh ra bởi chỉnh lưu cầu Đi ốt 3 pha......... 23

Hình 2.10:

Chỉnh lưu cầu Đi ốt 3 pha, dạng dịng điện và phổ ................ 24

Hình 2.11:

Chỉnh lưu Thyristor cầu 3 pha ................................................ 24

Hình 2.12:

Dịng điện pha A ..................................................................... 25

Hình 2.13:

Dạng dịng điện iA và phổ ....................................................... 25

Hình 2.14:

Bộ lọc RC ............................................................................... 27

Hình 2.15:

Bộ lọc LC ................................................................................ 28

Hình 2.16:

Sơ đồ mơ phỏng hệ thống khi chưa có bộ lọc thụ động ......... 28


ix

Hình 2.17:

Đáp ứng dịng, áp tại vị trí B1 và B2 khi chưa có bộ
lọc thụ động ............................................................................ 29

Hình 2.18:

Phổ điện áp tại B1 và B2 ........................................................ 29

Hình 2.19:

Sơ đồ mơ phỏng hệ thống khi có bộ lọc thụ động .................. 30

Hình 2.20:

Phổ điện áp tại B1 ................................................................... 30

Hình 2.21:

Bộ lọc tích cực song song ....................................................... 33

Hình 2.22:

Cấu trúc bộ lọc song song....................................................... 34

Hình 2.23:

Bộ lọc tích cực nối tiếp .......................................................... 35

Hình 2.24:

Sơ đồ nguyên lý AFS............................................................... 35

Hình 2.25:

Bộ lọc tích cực 3 dây .............................................................. 36

Hình 2.26:

Bộ lọc tích cực 4 dây có điểm giữa ........................................ 36

Hình 2.27:

Bộ lọc tích cực 4 dây .............................................................. 37

Hình 2.28:

Cấu trúc VSI ........................................................................... 37

Hình 2.30:

Cấu trúc bộ lọc hỗn hợp với bộ lọc tích cực có 2 loại: a)
song song và b) nối tiếp .......................................................... 38

Hình 2.31:

Cấu trúc UPQC ....................................................................... 39

Hình 2.32:

Cấu trúc SSSC ........................................................................ 41

Hình 2.33:

Cấu trúc TCSC ........................................................................ 42

Hình 2.34:

Cấu trúc SVC .......................................................................... 43

Hình 2.35:

Cấu trúc Stacom ...................................................................... 44

Hình 2.36:

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của Statcom ................................ 44

Hình 2.37:

Nguyên lý bù của bộ bù tích cực ............................................ 45

Hình 2.38:

Trạng thái hấp thụ cơng suất của bộ bù .................................. 46

Hình 2.39:

Trạng thái phát cơng suất phản kháng của bộ bù ................... 47

Hình 3.1:

Phương pháp FFT ................................................................... 50

Hình 3.2:

Thuật tốn xác định dịng bù trong hệ dq ............................... 51

Hình 3.3:

Thuật tốn lựa chọn sóng điều hịa cần bù trong hệ dq .......... 52

Hình 3.4:

Mơ hình bộ lọc tích cực theo lý thuyết pq. ............................. 52


x
Hình 3.5:

Sơ đồ hệ thống bể mạ ............................................................. 56

Hình 3.6:

Giải pháp lọc sử dụng bộ bù tổng ........................................... 57

Hình 3.7:

Giải pháp bù sát nút phụ tải .................................................... 58

Hình 3.8:

Mơ hình bể mạ ........................................................................ 58

Hình 3.9:

Đặc tính biến thiên của sức điện động bể mạ ......................... 59

Hình 3.10:

Sơ đồ nguyên lý mạch lực sử dụng bộ lọc tích cực ................ 59

Hình 3.11:

Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bộ lọc ................................... 60

Hình 3.12:

Sơ đồ mạch lực của bộ lọc ...................................................... 60

Hình 3.13:

Sơ đồ thay thế mạch lực của bộ lọc ........................................ 60

Hình 3.14:

Lưu đồ thuật tốn tính dịng bù theo lý thuyết p-q ............... 64

Hình 3.15:

Thực hiện véc tơ us bất kỳ bằng 2 vector điện áp chuẩn ........ 65

Hình 3.16:

Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S1.........67

Hình 3.17:

Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S2.........67

Hình 3.18:

Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S3.........67

Hình 3.19:

Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S4.........68

Hình 3.20:

Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S5.........68

Hình 3.21:

Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S6.........68

Hình 4.1:

Khối nguồn ba pha .................................................................. 72

Hình 4.2:

Khối mạch lực của bể mạ ....................................................... 72

Hình 4.3:

Khối điều áp xoay chiều 3 pha ............................................... 73

Hình 4.4:

Khối chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Đi ốt...................................... 73

Hình 4.5:

Khối điều chỉnh dịng điện tải................................................. 74

Hình 4.6:

Bộ biến đổi và tham số ........................................................... 74

Hình 4.7:

Mạch điều khiển của bộ lọc .................................................... 75

Hình 4.8:

Chuyển hệ toạ độ từ abc -> αβ ............................................... 75

Hình 4.9:

Khâu tính cơng suất pq ........................................................... 76

Hình 4.10:

Khối tính tốn cơng suất ổn định điện áp trên tụ.................... 76

Hình 4.11:

Khối tính tốn cơng suất bù .................................................... 77


xi
Hình 4.12:

Khâu tính tốn dịng bù pq .................................................... 77

Hình 4.13:

Khâu chuyển tọa độ αβ sang abc ............................................ 78

Hình 4.14:

Khâu tính tốn độ méo dạng .................................................. 79

Hình 4.15:

Khâu lấy tín hiệu..................................................................... 79

Hình 4.16:

Khâu đo dịng điện, điện áp .................................................... 80

Hình 4.17:

Sơ đồ mơ hình mơ phỏng hệ thống cho tải bể điện phân
chưa có bộ lọc tích cực ........................................................... 81

Hình 4.18:

Dạng dịng điện nguồn ............................................................ 81

Hình 4.19:

Dạng dịng điện nguồn pha A ................................................. 82

Hình 4.20.

Phân tích sóng điều hịa dịng điện nguồn pha A tại E = 8 (V) ........ 82

Hình 4.21.

Phân tích sóng điều hịa dịng điện nguồn pha A tại E = 16 (V) ..... 82

Hình 4.22.

Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A tại E = 22 (V) ...... 83

Hình 4.23.

Hệ số cơng suất khi chưa có bộ lọc ........................................ 84

Hình 4.24:

Sơ đồ mơ hình mơ phỏng hệ thống cho tải bể mạ có sự
tham gia của bộ lọc tích cực ................................................... 85

Hình 4.25:

Điện áp nguồn cấp cho bể mạ ................................................. 85

Hình 4.26:

Dịng điện nguồn sau khi bộ lọc tác động .............................. 86

Hình 4.27:

Dịng điện nguồn pha A sau khi bộ lọc tác động.................... 86

Hình 4.28:

Phổ sóng điều hịa dịng điện pha A tại E=8 (V) khi bộ
lọc tác động ............................................................................. 87

Hình 4.29:

Phổ sóng điều hịa dòng điện pha A tại E=16 (V) khi bộ
lọc tác động ............................................................................. 87

Hình 4.30:

Phổ sóng điều hịa dịng điện pha A tại E=22 (V) khi bộ
lọc tác động ............................................................................. 87

Hình 4.31:

Cơng suất Q của nguồn và tải sau khi có bộ lọc tác động ...... 89

Hình 4.32:

Hệ số cơng suất sau khi bộ lọc tác động ................................. 90


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Với sự phát triển không ngừng của đất nước. Điện năng cung cấp cho
các phụ tải không chỉ phải đảm bảo yêu cầu về số lượng mà chất lượng điện
năng cũng phải được đảm bảo. Trong điều kiện vận hành, truyền tải điện
năng, do trên các phụ tải có nhiều phần tử phi tuyến dẫn tới làm xuất hiện các
thành phần sóng điều hịa bậc cao. Các thành phần sóng điều hịa bậc cao này
gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng như làm tăng tổn hao, làm giảm hệ số công
suất, ảnh hưởng tới các thiết bị tiêu dùng điện, làm giảm chất lượng điện
năng... Do đó, các thành phần dịng điều hịa bậc cao trên lưới phải đảm bảo
một số tiêu chuẩn giới hạn các thành phần điều hòa bậc cao.
Giải pháp để hạn chế sóng điều hịa bậc cao trên lưới có nhiều giải pháp
khác nhau, một trong số đó là sử dụng bộ lọc tích cực dựa trên thiết bị điện tử
công suất và điều khiển để thực hiện nhiều chức năng khác nhau.
Từ những đánh giá quan trọng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên
cứu phương pháp sử dụng bộ lọc tích cực để cải thiện chất lượng lưới điện

cung cấp cho các phụ tải. Vì vậy tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu bộ lọc tích cực
để cải thiện chất lượng điện năng cho luới điện phân phối”.
2. Nội dung nghiên cứu của đề tài
- Tổng quan về lưới điện phân phối (lưới điện trung áp).
- Phân tích sóng hài bậc cao.
- Thiết kế bộ lọc tích cực để khử sóng hài bậc cao cho lưới điện
phân phối.
- Mơ phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lượng hệ thống.
3. Kết quả dự kiến
- Bộ lọc tích cực.
- Mơ phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lượng hệ thống.


2

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Lưới điện phân phối (lưới điện trung áp);
- Bộ lọc tích cực;
- Mô phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lượng hệ thống trên nền
Matlab/Simulink.
5. Công cụ, thiết bị nghiên cứu
Xây dựng mô phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lượng hệ thống
trên nền Matlab/Simulink.
6. Bố cục đề tài
Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận và hướng phát triển, Tài liệu tham
khảo, Phụ lục, luận văn bao gồm 4 chương sau:
Chương 1: Tổng quan về lưới điện phân phối
Chương 2: Sóng hài bậc cao và phương pháp lọc sóng hài bậc cao.
Chương 3: Thiết kế bộ lọc tích cực cho lưới điện phân phối cung cấp
cho phụ tải phi tuyến.

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống.
7. Kế hoạch thực hiện
Toàn bộ nội dung của luận văn được thực hiện trong 6 tháng kể từ ngày
có quyết định. Kế hoạch thực hiện được cụ thể như sau:
STT

Nội dung nghiêncứu

Thời gian Ghi
thực hiện chú

1

Nghiên cứu tổng quan về lưới điện phân phối

1 tháng

2

Nghiên cứu về sóng hài bậc cao

1 tháng

3

Phương pháp khử sóng hài bậc cao

1 tháng

4

Xây dựng mơ hình tốn của đối tượng điều khiển;

1 tháng

5
6

Thiết kế điều khiển bằng bộ lọc tích cực, mơ phỏng,
hiệu chỉnh thơng số, đánh giá chất lượng hệ thống;
Hồn thiện luận văn

1 tháng
1 tháng


3

Chương 1
TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI - LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
1.1. Tổng quan chung
1.1.1. Định nghĩa lưới điện trung áp
Lưới điện trung áp (LĐTA) là một phần của hệ thống điện, làm nhiệm
vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh
cái của nhà máy điện cấp điện cho phụ tải. LĐTA là khâu cuối cùng của hệ
thống điện đưa điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng [1]. Tính đến nay lưới
điện trung áp đã trải khắp các xã trên đất nước, tuy nhiên cịn một số thơn,
bản vẫn chưa được dùng điện lưới quốc gia mà họ vẫn phải dùng điện từ các
thuỷ điện nhỏ hoặc máy phát điện diesel.
1.1.2. Phân loại lưới điện trung áp

Lưới điện trung áp chủ yếu ở các cấp điện áp 6kV, 10kV, 22kV, 35kV
phân phối điện cho các trạm biến áp trung áp/hạ áp và các phụ tải cấp điện áp
trung áp [1] [[11]].
Phân loại LĐTA trung áp theo 3 dạng:
- Theo đối tượng và địa bàn phục vụ, có 3 loại:
+ Lưới phân phối thành phố;
+ Lưới phân phối nông thôn;
+ Lưới phân phối xí nghiệp.
- Theo thiết bị dẫn điện:
+ Lưới phân phối trên không;
+ Lưới phân phối cáp ngầm.
- Theo cấu trúc hình dáng:
+ Lưới hở (hình tia) có phân đoạn và khơng phân đoạn.
+ Lưới kín vận hành hở;
+ Sơ đồ hình lưới;


4

1.1.3. Vai trò của lưới điện trung áp
Lưới điện trung áp làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung
gian, trạm khu vực hay thanh cái của các nhà máy điện cho các phụ tải điện.
Lưới điện trung áp được xây dựng, lắp đặt phải đảm bảo nhận điện
năng từ một hay nhiều nguồn cung cấp và phân phối đến các hộ tiêu thụ điện.
Đảm bảo cung cấp điện tiêu thụ sao cho ít gây ra mất điện nhất, đảm
bảo cho nhu cầu phát triển của phụ tải. Đảm bảo chất lượng điện năng cao
nhất về ổn định tần số và ổn định điện áp trong giới hạn cho phép.
Lưới điện trung áp trung áp có tầm quan trọng đặc biệt đối với hệ
thống điện:
- Trực tiếp đảm bảo chất lượng điện áp cho phụ tải.

- Giữ vai trò rất quan trọng trong đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho
phụ tải. Có đến 98% điện năng bị mất là do sự cố và ngừng điện kế hoạch
lưới phân phối. Mỗi sự cố trên lưới điện trung áp đều có ảnh hưởng rất lớn
đến sinh hoạt của nhân dân và các hoạt động kinh tế, xã hội.
- Sử dụng tỷ lệ vốn rất lớn: khoảng 50% vốn cho hệ thống điện (35%
cho nguồn điện, 15% cho lưới hệ thống và lưới truyền tải).
- Tỷ lệ tổn thất điện năng rất lớn: khoảng 40-50% tổn thất điện năng
xảy ra trên lưới điện trung áp. Và tổn thất kinh doanh cũng chỉ xảy ra này.
- Lưới điện trung áp gần với người dùng điện, do đó vấn đề an tồn
điện cũng là rất quan trọng.
1.1.4. Các phần tử chính của lưới điện trung áp
Các phần tử chủ yếu trong LĐTA bao gồm [11],
- Máy biến áp trung gian và máy biến áp phân phối.
- Thiết bị dẫn điện: Đường dây tải điện.
- Thiết bị đóng cắt và bảo vệ: Máy cắt, dao cách ly, cầu chì, chống sét
van, áp tơ mát, hệ thống bảo vệ rơ le, giảm dịng ngắn mạch.


5

- Thiết bị điều chỉnh điện áp: Thiết bị điều áp dưới tải, thiết bị thay đổi
đầu phân áp ngoài tải, tụ bù ngang, tụ bù dọc, thiết bị đối xứng hóa, thiết bị
lọc sóng hài bậc cao.
- Thiết bị đo lường: Công tơ đo điện năng tác dụng, điện năng phản
kháng, đồng hồ đo điện áp và dòng điện, thiết bị truyền thông tin đo lường...
- Thiết bị giảm tổn thất điện năng: Tụ bù.
- Thiết bị nâng cao độ tin cậy: Thiết bị tự động đóng lại, thiết bị tự
đóng nguồn dự trữ, máy cắt hoặc dao cách ly phân đoạn, các khớp nối dễ tháo
trên đường dây, kháng điện hạn chế ngắn mạch,...
- Thiết bị điều khiển từ xa hoặc tự động: Máy tính điện tử, thiết bị đo

xa, thiết bị truyền, thu và xử lý thông tin, thiết bị điều khiển xa, thiết bị
thực hiện,...
Mỗi phần tử trên lưới điện đều có các thơng số đặc trưng (công
suất, điện áp định mức, tiết diện dây dẫn, điện kháng, điện dung, dòng
điện cho phép, tần số định mức, khả năng đóng cắt...) được chọn trên cơ
sở tính tốn kỹ thuật.
Những phần tử có dịng cơng suất đi qua (máy biến áp, dây dẫn, thiết bị
đóng cắt, máy biến dịng, tụ bù...) thì thơng số của chúng ảnh hưởng trực tiếp
đến thơng số chế độ (điện áp, dịng điện, cơng suất) nên được dùng để tính
tốn chế độ làm việc của lưới điện trung áp.
Nói chung, các phần tử chỉ có 2 trạng thái: Làm việc và khơng làm
việc. Một số ít phần tử có nhiều trạng thái như: Hệ thống điều áp, tụ bù có
điều khiển, mỗi trạng thái ứng với một khả năng làm việc.
Một số phần tử có thể thay đổi trạng thái trong khi mang điện (dưới tải)
như: Máy cắt, áp tô mát, các thiết bị điều chỉnh dưới tải. Một số khác có thể
thay đổi khi cắt điện như: Dao cách ly, đầu phân áp cố định. Máy biến áp và
đường dây nhờ các máy cắt có thể thay đổi trạng thái dưới tải.


6

Nhờ các thiết bị phân đoạn, đường dây tải điện được chia thành nhiều
phần tử của hệ thống điện.
Không phải lúc nào các phần tử của lưới phân phối cũng tham gia vận
hành, một số phần tử có thể nghỉ vì lý do sự cố hoặc lý do kỹ thuật, kinh tế
khác. Ví dụ tụ bù có thể bị cắt lúc phụ tải thấp để giữ điện áp, một số phần tử
của lưới không làm việc để lưới điện trung áp vận hành hở theo điều kiện tổn
thất công suất nhỏ nhất.
1.1.5. Cấu trúc của lưới điện trung áp
Cấu trúc của LĐTA bao gồm cấu trúc tổng thể và cấu trúc vận hành [11],

- Cấu trúc tổng thể: Là cấu trúc bao gồm tất cả các phần tử và sơ đồ lưới
đầy đủ. Muốn lưới điện có độ tin cậy cung cấp điện cao thì cấu trúc tổng thể phải
là cấu trúc thừa. Thừa về số phần tử, về khả năng tải của các phần tử, thừa về
khả năng lập sơ đồ. Ngồi ra trong vận hành cịn phải dự trữ các thiết bị thay thế
và vật liệu để sửa chữa. Trong một chế độ vận hành nhất định chỉ cần một phần
của cấu trúc tổng thể là đủ đáp ứng nhu cầu, đa phần đó là cấu trúc vận hành.
- Cấu trúc vận hành: Là một phần của cấu trúc tổng thể, có thể là một hay
một vài phần tử của cấu trúc tổng thể và gọi đó là một trạng thái của lưới điện.
Cấu trúc vận hành bình thường gồm các phần tử và các sơ đồ vận hành
do người vận hành lựa chọn. Có thể có nhiều cấu trúc vận hành thỏa mãn điều
kiện kỹ thuật, người ta phải chọn cấu trúc vận hành tối ưu theo điều kiện kinh
tế nhất (tổn thất nhỏ nhất). Khi xảy ra sự cố, một phần tử đang tham gia vận
hành bị hỏng thì cấu trúc vận hành bị rối loạn, người ta phải nhanh chóng
chuyển qua cấu trúc vận hành sự cố bằng cách thay đổi các trạng thái phần tử
cần thiết. Cấu trúc vận hành sự cố có chất lượng vận hành thấp hơn so với cấu
trúc vận hành bình thường. Trong chế độ vận hành sau sự cố có thể xảy ra mất
điện phụ tải. Cấu trúc vận hành sự cố chọn theo độ an toàn cao và khả năng
thao tác thuận lợi.


7

Ngồi ra, cấu trúc LĐTA cịn có thể có các dạng như:
- Cấu trúc tĩnh: Với cấu trúc này LĐTA không thể thay đổi sơ đồ vận
hành. Khi cần bảo dưỡng hay sự cố thì tồn bộ hoặc một phần LĐTA phải
ngừng cung cấp điện. Cấu trúc dạng này chính là LĐTA hình tia khơng phân
đoạn và hình tia phân đoạn bằng dao cách ly hoặc máy cắt.
- Cấu trúc động khơng hồn tồn: Trong cấu trúc này, LĐTA có thể
thay đổi sơ đồ vận hành ngoài tải, tức là khi đó LĐTA được cắt điện để thao
tác. Đó là lưới điện trung áp có cấu trúc kín vận hành hở.

- Cấu trúc động hoàn toàn: Đối với cấu trúc dạng này, LĐTA có thể
thay đổi sơ đồ vận hành ngay cả khi lưới đang trong trạng thái làm việc. Cấu
trúc động được áp dụng là do nhu cầu ngày càng cao về độ tin cậy cung cấp
điện. Ngoài ra cấu trúc động cho phép vận hành kinh tế LĐTA, trong đó cấu
trúc động khơng hồn tồn và cấu trúc động hoàn toàn mức thấp cho phép vận
hành kinh tế lưới điện theo mùa, khi đồ thị phụ tải thay đổi đáng kể. Cấu trúc
động ở mức cao cho phép vận hành lưới điện trong thời gian thực. LĐTA
trong cấu trúc này phải được thiết kế sao cho có thể vận hành kín trong thời
gian ngắn để thao tác sơ đồ.
Một số dạng sơ đồ cấu trúc LĐTA:
- Lưới hình tia (Hình 1.1): Lưới này có ưu điểm là rẻ tiền nhưng độ tin
cậy rất thấp.
MC

ĐD

Nguồn

P1

P2

P3

P4

Hình 1.1: Sơ đồ lưới phân phối hình tia

P…

Pn


8

- Lưới hình tia phân đoạn (Hình 1.2): Độ tin cậy cao hơn. Phân đoạn
lưới phía nguồn có độ tin cậy cao do sự cố hay dừng điện công tác các đoạn
lưới phía sau, vì nó ảnh hưởng ít đến các phân đoạn trước.
ĐD

MC

Nguồn

P1

P2

TBP
Đ

P3

P4

P…

Pn

Hình 1.2: Sơ đồ lưới phân phối hình tia có phân đoạn

- Lưới kín vận hành hở do một nguồn cung cấp (Hình 1.3): Có độ tin cậy
cao hơn nữa do mỗi phân đoạn được cấp điện từ hai phía. Lưới điện này có thể
vận hành kín cho độ tin cậy cao hơn nhưng phải trang bị máy cắt và thiết bị bảo vệ
có hướng nên đắt tiền. Vận hành hở độ tin cậy thấp hơn một chút do phải thao tác
khi sự cố nhưng rẻ tiền, có thể dùng dao cách ly tự động hay điều khiển từ xa.
MC
Nguồn

ĐD

TBPĐ

ĐD
TBPĐ

MC
MC

ĐD

TBPĐ

ĐD

Hình 1.3: Sơ đồ lưới kín vận hành hở do một nguồn cung cấp
- Lưới kín vận hành hở cấp điện từ 2 nguồn độc lập (hình 1.4): Lưới
điện này phải vận hành hở vì khơng đảm bảo điều kiện vận hành song song
lưới điện ở các điểm phân đoạn, khi thao tác có thể gây ngắn mạch.
Nguồn 1

MC

ĐD

TBPĐ

ĐD
TBPĐ

MC
Nguồn 2

ĐD

TBPĐ

ĐD

Hình 1.4: Sơ đồ lưới kín vận hành hở do 2 nguồn cung cấp độc lập


9

- Lưới điện kiểu đường trục (Hình 1.5): Cấp điện cho một trạm cắt hay
một trạm biến áp, từ đó có các đường dây cấp điện cho các trạm biến áp phụ
tải. Trên các đường dây cấp điện khơng có nhánh rẽ, loại này có độ tin cậy
cao. Thường dùng để cấp điện cho các xí nghiệp hay các nhóm phụ tải xa
trạm nguồn và có u cầu cơng suất lớn.
MC
Nguồn

MC

ĐD1

MC

ĐD2

MC

MC
MC

Hình 1.5. Sơ đồ lưới điện kiểu đường trục
- Lưới điện có đường dây dự phịng chung (Hình 1.6): Có nhiều
đường dây phân phối được dự phòng chung bởi một đường dây dự phịng.
Lưới điện này có độ tin cậy cao và rẻ hơn kiểu một đường dây dự phòng
cho một đường dây như ở trên (Hình 1.5). Loại này được dùng tiện lợi
cho lưới điện cáp ngầm.

Nguồn

Đường dây dự phịng

Hình 1.6: Sơ đồ lưới điện có đường dây dự phòng chung
Lưới điện trong thực tế là tổ hợp của 6 loại lưới điện trên. Áp dụng cụ
thể cho lưới điện trên không hay lưới điện cáp ngầm khác nhau và ở mỗi hệ
thống điện có kiểu sơ đồ riêng.

10

Lưới điện có thể điều khiển từ xa nhờ hệ thống SCADA và cũng có thể
được điều khiển bằng tay. Các thiết bị phân đoạn phải là loại khơng địi hỏi bảo
dưỡng định kỳ và xác suất sự cố rất nhỏ đến mức coi như tin cậy tuyệt đối.
- Sơ đồ hình lưới (Hình 1.7): Đây là dạng cao cấp nhất và hoàn hảo
nhất của lưới phân phối trung áp. Lưới điện có nhiều nguồn, nhiều đường dây
tạo thành các mạch kín có nhiều điểm đặt thiết bị phân đoạn. Lưới điện bắt
buộc phải điều khiển từ xa với sự trợ giúp của máy tính và hệ thống SCADA.
Hiện đang nghiên cứu loại điều khiển hoàn toàn tự động.
Nguồn 2

Nguồn 1

Nguồn 3
TBPĐ
Nguồn 4

Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống phân phối điện
Trong sơ đồ, các vị trí cắt được chọn theo điều kiện tổn thất điện năng
nhỏ nhất cho chế độ bình thường, chọn loại theo mùa trong năm và chọn theo
điều kiện an toàn cao nhất khi sự cố.
1.1.6. Đặc điểm của lưới điện trung áp
Lưới điện trung áp được phân bố trên diện rộng, thường vận hành
không đối xứng và có tổn thất lớn. Qua nghiên cứu cho thấy tổn thất thấp nhất
trên lưới điện trung áp vào khoảng 4% [11]
Vấn đề tổn thất trên lưới điện trung áp có liên quan chặt chẽ đến các
vấn đề kỹ thuật của lưới điện từ giai đoạn thiết kế đến vận hành. Do đó, trên
cơ sở các số liệu về tổn thất có thể đánh giá sơ bộ chất lượng vận hành của
lưới điện trung áp.

11

Trong những năm gần đây, lưới điện trung áp của nước ta phát triển
mạnh, các Công ty Điện lực cũng được phân cấp mạnh mẽ về quản lý. Vì vậy,
chất lượng vận hành của lưới điện trung áp được câng cao rõ rệt, tỷ lệ tổn thất
điện năng giảm mạnh song vẫn còn rất khiêm tốn.
1.2. Hiện trạng lưới điện trung áp tại Việt Nam
1.2.1. Tình hình phát triển lưới điện trung áp
Do điều kiện lịch sử để lại, hiện nay hệ thống lưới điện trung áp của
Việt Nam bao gồm nhiều cấp điện áp khác nhau, cả ở thành thị và nông
thôn. Nhằm nâng cao độ tin cậy trong việc cung cấp điện, đơn giản trong
quản lý vận hành, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng điện năng
của khách hàng và giảm tổn thất điện năng của toàn hệ thống đạt khoảng
10% vào năm 2010, Tập đoàn Điện lực Việt Nam thường xuyên đầu tư mở
rộng, nâng cấp và cải tạo lưới điện trung áp trên phạm vi cả nước. Theo kế
hoạch phát triển đến năm 2010, LĐTA của tập đoàn đã được xây dựng
thêm 282.714 km đường dây trung áp, hạ áp và 19.010 MVA công suất
máy biến áp phân phối [13], [14]
Cùng với sự đổi mới và phát triển kinh tế, quá trình phát triển và điện
khí hố của nước ta đã có những thay đổi quan trọng, góp phần thúc đẩy sự
phát triển của các ngành kinh tế, cải thiện mức sống về vật chất và tinh thần
cho nhân dân, đặc biệt là nông dân. Hiện nay 100% số huyện trong cả nước
đã có điện lưới quốc gia và hầu hết các xã đã có điện.
1.2.2. Tình hình phát triển phụ tải điện
Theo kết quả nghiên cứu của đề tài KHCN - 0907, “Dự báo nhu cầu
phụ tải trong giai đoạn 2000 - 2020” do Viện Chiến lược phát triển, Bộ Kế
hoạch và Đầu tư xây dựng với 2 phương án: phương án cao và phương án cơ
sở. Trong đó lấy nhịp độ phát triển dân số trong 25 năm (1996 - 2020) được

dự báo bình quân là 1,72%/năm.


12

Nhu cầu điện năng theo phương án cao được dự báo theo phương án
phát triển kinh tế cao. Để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế này, tốc độ tăng
trưởng trung bình điện năng sẽ là 10,2%/năm và 8,9%/năm tương ứng với
từng giai đoạn là 2000 - 2010 và 2010 - 2020. Đến năm 2020, nhu cầu điện
năng là 204 tỷ kWh. Tốc độ tăng trưởng điện năng của cả giai đoạn 1996 2020 là 11%/năm.
Nhu cầu điện năng phương án cơ sở được dự báo theo phương án phát
triển kinh tế cơ sở. Để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế này, tốc độ tăng
trưởng trung bình điện năng sẽ là 10,5%/năm và 8,2%/năm tương ứng với
từng giai đoạn. Đến năm 2020, nhu cầu điện năng là 173 tỷ kWh. Tốc độ tăng
trưởng điện năng của giai đoạn 2000 - 2020 là 10,4%/năm.
Với dự báo này thì ngành điện nói chung và lưới điện trung áp địa
phương nói riêng trong thời gian tới địi hỏi phải có sự phát triển, cải tạo và
mở rộng rất lớn. Đây là một thực tế cần phải được quan tâm.
1.3. Kết luận chương 1
Chương này đã giới thiệu tổng quan một số vấn đề cơ bản về LĐTA,
bao gồm định nghĩa, cấu trúc, đặc điểm và vai trò của LĐTA, đồng thời giới
thiệu về tình hình phát triển LĐTA ở nước ta và sự phát triển của phụ tải điện
đến năm 2020. Từ đó cho thấy LĐTA có vai trị hết sức quan trọng trong việc
cung cấp điện, đáp ứng nhu cầu trực tiếp cho phụ tải.
Nền kinh tế ngày càng phát triển, đời sống con người ngày càng cao
dẫn đến nhu cầu về điện năng cũng rất lớn. Bên cạnh đó, các nguồn nhiên liệu
truyền thống cung cấp cho các nhà máy điện lớn ngày một cạn kiệt và đã gây
ảnh hưởng rất lớn đến vấn đề ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu; mặt khác,
việc phải xây dựng quá nhiều các hệ thống đường dây cao áp truyền tải điện
năng đi xa rất tốn kém về kinh tế và cũng gây tổn thất rất lớn.