Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật: Nâng cao chất lượng hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng bằng phương pháp điều khiển hiện đại

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN THỊ LOAN

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BÙ COS PHI VÔ
CẤP CHO PHỤ TẢI 3 PHA KHÔNG ĐỐI XỨNG BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên - Năm 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN THỊ LOAN

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BÙ COS PHI VÔ
CẤP CHO PHỤ TẢI 3 PHA KHÔNG ĐỐI XỨNG BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 8.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Nguyễn Thị Thanh Nga

Thái Nguyên – Năm 2020


LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên: Trần Thị Loan
Học viên: Lớp cao học K21, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên.
Nơi công tác: Trường Cao đẳng Công nghệ và Nông Lâm Đông Bắc.
Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nâng cao chất lượng hệ thống bù cosphi vô
cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng bằng phương pháp điều khiển hiện đại “
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Tơi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong các cơng trình
nào khác!
Tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này.
Thái Nguyên, tháng năm 2020
Học viên

Trần Thị Loan

1


LỜI CẢM ƠN
Với tư cách là tác giả của bản luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc
đến TS. Nguyễn Thị Thanh Nga, người đã hướng dẫn tơi hết sức tận tình và chu đáo
về mặt chun mơn để tơi hồn thành bản luận văn này.
Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ mơn Tự
động hóa, Khoa Điện đã giúp đỡ tạo điều kiện về cơ sở vật chất trong suốt thời gian
tôi học tập và làm luận văn.

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy và các bạn đồng nghiệp đã tạo
điều kiện cả về thời gian, vật chất lẫn tinh thần để tơi có thể hồn thành bản luận
văn này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong suốt thời gian tôi tham gia học
tập và làm luận văn.
Học viên

Trần Thị Loan

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2
MỤC LỤC ...................................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................6
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................8
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................9
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙ COSPHI TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN
TẢI ĐIỆN ..................................................................................................................13
1.1. Đặc điểm tiêu thụ điện của phụ tải công nghiệp công suất lớn ......................13
1.1.1. Các thiết bị động lực công nghiệp. ...........................................................13
1.1.2. Các thiết bị chiếu sáng..............................................................................13
1.1.3. Các thiết bị biến đổi..................................................................................13
1.1.4. Các động cơ truyền động máy gia cơng ...................................................13
1.1.5. Các lị điện và thiết bị nhiệt ......................................................................14
1.1.6. Các thiết bị hàn .........................................................................................14

1.2. Bù công suất phản kháng cho phụ tải trong lưới điện công nghiệp ...............14
1.2.1. Khái quát về công suất phản kháng ..........................................................14
1.2.2. Nguồn phát sóng cơng suất phản kháng ...................................................14
1.2.3. Ý nghĩa của việc bù công suất phản kháng ..............................................15
1.3. Thiết bị bù công suất phản kháng SVC ..........................................................16
1.3.1. Cấu trúc chung của SVC ..........................................................................16
1.3.2. Cấu tạo từng phần tử trong SVC ..............................................................19
1.3.3. Các đặc tính của SVC ...............................................................................31
1.4. Một số nghiên cứu về điều khiển SVC bù công suất phản kháng trong hệ
thống điện ..............................................................................................................33
1.4.1. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị bù cosφ kết hợp lọc sóng hài.........33
1.4.2. Nghiên cứu điều khiển thiết bị bù tĩnh (SVC) và ứng dụng trong việc
nâng cao ổn định chất lượng hệ thống điện ........................................................33
3


1.4.3. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lắp đặt hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ
tải 3 pha không đối xứng ....................................................................................34
1.4.4. Nghiên cứu bộ điều khiển PI Mờ từ thiết kế đến ứng dụng .....................35
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ......................................................................................36
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÙ COSPHI VÔ CẤP CHO PHỤ TẢI BA
PHA KHƠNG ĐỐI XỨNG ......................................................................................37
2.1. Mơ hình SVC trong tính tốn chế độ xác lập của hệ thống điện ....................37
2.1.1. Mơ hình hóa SVC như một điện kháng có trị số thay đổi ........................37
2.1.2. Mơ hình SVC theo tổ hợp nguồn và phụ tải phản kháng .........................38
2.2. Sơ đồ SVC ứng dụng điều khiển bù công suất phản kháng ...........................42
2.2.1. Sơ đồ .........................................................................................................42
2.2.2. Chức năng hệ điều khiển ..........................................................................43
2.2.3. Nguyên tắc điều khiển ..............................................................................44
2.3. Bộ điều khiển PID ..........................................................................................45

2.3.1. Giới thiệu chung về bộ điều khiển PID ....................................................45
2.3.2. Bộ điều khiển PID ....................................................................................52
2.3.3. Thiết kế bộ điều khiển PID trong hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải
ba pha không đối xứng .......................................................................................59
2.4. Mô phỏng trên Matlab – Simulink..................................................................59
2.4.1. Khái quát phần mềm mô phỏng Matlab – Simulink ................................59
2.4.2. Xây dựng mơ hình mơ phỏng ...................................................................62
2.4.3. Kết quả mô phỏng ....................................................................................67
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ......................................................................................68
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG
CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BÙ COSPHI VÔ CẤP CHO PHỤ TẢI BA
PHA KHÔNG ĐỐI XỨNG ......................................................................................69
3.1. Logic mờ .........................................................................................................69
3.1.1. Tập mờ......................................................................................................69
3.1.2. Luật hợp thành ..........................................................................................72
3.1.3. Giải mờ .....................................................................................................73
4


3.2. Bộ điều khiển mờ ............................................................................................75
3.2.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản ..........................................................................75
3.2.2. Các nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ .............................................77
3.2.3. Cấu trúc bộ điều khiển mờ .......................................................................78
3.3. Mô phỏng hệ thống điều khiển SVC trên Simulink .......................................79
3.3.1. Xây dựng bộ điều khiển mờ .....................................................................79
3.3.2. Kết quả mô phỏng ....................................................................................83
3.4. So sánh giữa bộ điều khiển PID và mờ ..........................................................84
3.4.1. Các ưu nhược điểm của bộ điều khiển PID ..............................................84
3.4.2. Các ưu nhược điểm của bộ điều khiển mờ ...............................................84
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ......................................................................................85

KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................86
KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...............................................................87
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................88

5


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Mạch điện đơn giản (mang tính cảm) RL .................................................14
Hình 1.2: Cấu trúc và nguyên lý làm việc của SVC .................................................17
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý bộ thyristor .....................................................................19
Hình 1.4: Đồ thị dịng điện tải ...................................................................................20
Hình 1.5: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCR ................................................22
Hình 1.6: Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR .......................................................23
Hình 1.7: Ảnh hưởng của giá trị góc cắt đến dịng điện của TCR ............................24
Hình 1.8: Dạng sóng tín hiệu dịng điện của TCR ....................................................24
Hình 1.9: Đặc tính điều chỉnh dịng điện TCR theo góc cắt .....................................26
Hình 1.10: Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR ...............................................27
Hình 1.11: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TSC ..................................................29
Hình 1.12: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TSR ..................................................30
Hình 1.13: Đặc tính U – I của SVC ..........................................................................31
Hình 1.14: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp ..............................32
Hình 2.1: Đặc tính làm việc của nguồn cơng suất phản kháng .................................39
Hình 2.2: Đặc tính của phụ tải cơng suất phản kháng qua máy biến áp điều áp dưới
tải ...............................................................................................................................39
Hình 2.3: Đặc tính làm việc của SVC .......................................................................40
Hình 2.4: Phối hợp đặc tính của một nguồn và hai phụ tải phản kháng ...................41
Hình 2.5: Sơ đồ khối của hệ điều khiển các van SVC ..............................................43
Hình 2.6: Đồ thị biên thiên điều chỉnh xung trong nửa chu kỳ đầu trên thyristor ....44
Hình 2.7: Cấu trúc bộ điều khiển PID .......................................................................45

Hình 2.8: Biến đổi tương đương của ba bộ điều khiển I, P, D..................................45
Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID .............................................................46
Hình 2.10: Hệ thống điều khiển với bộ điều khiển tỉ lệ ............................................46
Hình 2.11: a, Hệ thống điều khiển với bộ điều khiển I: b, Đặc tính quá độ .............48
Hình 2.12: Sai số điều khiển và tích phân của sai số ................................................48
Hình 2.13: a, Hệ thống điều khiển với bộ điều khiển PI; b, Đặc tính quá độ ...........49
Hình 2.14: a, Hệ thống điều khiển với bộ điều khiểnPD; b, Đặc tính quá độ ..........51
6


Hình 2.15: a, Hệ thống điều khiển với bộ điều khiển PID; b, Đặc tính q độ ........51
Hình 2.16:a. Thuật tốn PID, b. Hàm q độ............................................................52
Hình 2.17: Nhiệm vụ của bộ điều khiển PID ............................................................53
Hình 2.18: Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ.....................................................54
Hình 2.19: Tổng hợp bộ điều khiển bằng phương pháp tối ưu đối xứng..................56
Hình 2.20: Đề xuất thuật toán điều khiển bù cosphi trong hệ thống SVC ................59
Hình 2.21: Thư viện khối các phần tử Elemtent .......................................................61
Hình 2.22: Thư viện Sim Power Systems .................................................................61
Hình 2.23: Thư viện khối nguồn Electrical Source ..................................................62
Hình 2.24: Thơng số khối nguồn điện áp ..................................................................64
Hình 2.25: Thơng số đường dây truyền tải ...............................................................64
Hình 2.26: Thơng số khối tải.....................................................................................65
Hình 2.27: Khối nguồn nối tam giác 3 pha của TCR ................................................66
Hình 2.28: Bộ điều chỉnh công suất phản kháng trong hệ thống bù cosphi .............66
Hình 2.29: Mơ hình mơ phỏng SVC trong Simulink ................................................67
Hình 2.30: Đặc tính điều chỉnh và bám cos theo giá trị đặt khi sử dụng bộ điều
khiển mờ có các thời điểm thay đổi thơng số tải ......................................................67
Hình 3.1: Hàm liên thuộc kinh điển (a) và trong logic mờ (b) và (c) .......................70
Hình 3.2: Hàm liên thuộc hình thang ........................................................................70
Hình 3.3: Giao của hai tập mờ ..................................................................................71

Hình 3.4: Đồ thị biểu thị quan hệ x và y ...................................................................72
Hình 3.5: Phương pháp giải mờ cực đại ...................................................................74
Hình 3.6: Phương pháp trọng tâm .............................................................................74
Hình 3.7: Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản ............................................................78
Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển cosphi với bộ điều khiển mờ ......................80
Hình 3.9: Đặc tính điều chỉnh và bám cos theo giá trị đặt khi sử dụng bộ điều
khiển mờ có các thời điểm thay đổi thơng số tải tại thời điểm 6s ............................83
Hình 3.10: Đặc tính điều chỉnh và bám cos theo giá trị đặt khi sử dụng bộ điều
khiển mờ có các thời điểm thay đổi thông số tải ......................................................83

7


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT

Chữ viết
tắt

Ý nghĩa

1.

SVC

Static Var Compensator

2.

FACTS

Flexible Alternating Current
Transmission Systems

3.

MBA

Máy biến áp

4.

TCR

Thyristor Controlled Reactor

5.

TSR

Thyristor Switched Reactor

6.

TSC

Thyristor Switched Capacitor

7.

TCSC

Thyristor Controlled Series
Capacitor

8.

TCCS

Thyristor Controlled Capacitor
Witching

9.

STATCOM

Static Synchronous Compensator

10.

CSPK

Công suất phản kháng

11.

BĐKM

Bộ điều khiển mờ

12.

ĐB

Đồng bộ

13.

KĐ

Khuếch đại

14.

ĐK

Điều khiển

15.

ĐTĐK

Đối tượng điều khiển

16.

SS-TX

Khâu so sánh và tạo xung

17.

KTCN

Kỹ thuật cơng nghiệp

8

Chú thích


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Giá trị dòng điện I3 ...................................................................................28
Bảng 2-1: Tổng hợp bộ điều khiển theo Ziegler – Nichols.......................................55
Bảng 2-2: Chỉnh định thông số bộ điều chỉnh theo phương pháp thủ công .............57
Bảng 2-3: Chỉnh định thông số bộ điều chỉnh t heo phương pháp Ziegler–Nichols 58

9


MỞ ĐẦU
Ngày nay các hệ thống điện, trong đó nổi bật là điện ba pha đóng một vai trị
quan trọng trong việc phát triển kinh tế xã hội của mỗi quốc gia. Tuy nhiên, trong
quá trình truyền tải điện thường gặp phải các vấn đề nghiêm trọng như là công suất
phản kháng không ổn định, tăng tổn hao trên các phụ tải, giảm hệ số công suất,
giảm chất lượng điện năng. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử,
công nghiệp chế tạo các linh kiện công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển
trong hệ thống điện, các thiết bị bù dọc và bù ngang có điều khiển bằng thyristor
hay triắc (SVC) đã được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao ổn

định chất lượng điện áp, giảm tổn thất điện năng qua đó giảm chi phí sản xuất. Tuy
nhiên, hiện nay nhiều hệ thống bù đã được nghiên cứu xảy ra hiện tượng bù thừa,
điều này ảnh hưởng đến chất lượng điện trên hệ thống. Việc nghiên cứu ” Nâng cao
chất lượng hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng bằng
phương pháp điều khiển hiện đại” là rất cần thiết. Nhằm mở rộng một hướng mới
trong việc áp dụng các phương pháp điều chỉnh, điều khiển của hệ thống điện. Bản
luận văn sẽ đưa ra những đánh giá hiệu quả của thiết bị bù vô cấp đối với công suất
phản kháng trong chế độ vận hành hệ thống điện ba pha không đối xứng. Bản luận
văn trình bày ứng dụng phương pháp điều khiển mờ vào việc thiết kế hệ điều khiển
bù công suất phản kháng SVC(Static VAR Compensator).
Cùng với xu hướng phát triển mạnh mẽ của ngành Điện ở các nước trên thế
giới, Bộ mơn Tự động hóa – Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên quan tâm đến vấn đề đào tạo thạc sỹ tự động hóa và cơng tác nghiên
cứu ngành điện.
Chính vì lý do đó mà phịng thí nghiệm tự động hóa Bộ mơn Tự động hóa đã
được xây dựng. Với việc được trang bị những thiết bị hiện đại, cho phép có thể đi
sâu nghiên cứu tự động hóa và thực hiện các thí nghiệm nhằm chứng minh cho lý
thuyết.
Được sự đồng ý của Bộ môn và của Cố giáo hướng dẫn mà em đã chọn đề tài
“Nâng cao chất lượng hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối
10


xứng bằng phương pháp điều khiển hiện đại” (Improve the quality of stepless
cosphi compensation system for asymmetric three-phase loads by modern control
methods) với việc xây dựng được một bài thí nghiệm cụ thể dựa trên những thiết bị
sẵn có của phịng thí nghiệm và xây dựng mơ hình hệ thống bù cosphi vô cấp cho
phụ tải ba pha bằng phương pháp điều khiển hiện đại. Mục đích của mơ hình này
giúp học viên có được những kiến thức thực tế để chứng minh cho lý thuyết về hệ
thống bù cosphi vô cấp trong hệ thống điện 3 pha, trong môn học lý thuyết về hệ

thống điện 3 pha từ đó có những biện pháp thiết kế, khắc phục các hạn chế ở các hệ
thống bù công suất trước nhằm làm giảm tối đa những tổn thất đồng thời tăng công
suất làm việc của hệ thống điện 3 pha, tăng hiệu quả kinh tế của hệ thống.
Tuy nhiên do thời gian và trình độ cịn hạn chế nên trong luận văn mới chỉ ở
dạng tìm hiểu xây dựng về mặt lý thuyết chưa có thời gian chế tạo và các số liệu có
được thì cũng chủ yếu tham khảo các số liệu ở phịng thí nghiệm Tự động hóa.
Trong thời gian làm luận văn này không thể tránh khỏi những thiết sót. Em mong
rằng sau này đề tài sẽ tiếp tục được phát triển sâu hơn.
Qua đây em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn
Thị Thanh Nga cùng các thầy cô trong trong Bộ môn Điện trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
i. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu đề tài nhằm nghiên cứu thiết kế hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ
tải ba pha không đối xứng bằng phương pháp điều khiển hiện đại. Để thực hiện
được mục tiêu tổng quát của đề tài, luận văn hướng đến giải quyết các mục tiêu
chính sau đây:
- Phương pháp bù cosphi trong các hệ thống truyền tải điện.
- Thiết kế hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng.
- Nâng cao chất lượng hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha bằng
phương pháp điều khiển mờ
ii. Kết quả dự kiến
Tài liệu báo cáo thiết kế hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không
đối xứng với các tham số và chỉ tiêu kỹ thuật.
11


iii. Phương pháp và phương pháp luận
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các
cơng trình nghiên cứu được cơng bố thuộc lĩnh vực liên quan: các bài báo đăng trên
các tạp chí và hội thảo uy tín, sách chun ngành có liên quan...

- Giải pháp đề xuất dựa trên kiến thức cơ bản, cơ sở, chuyên ngành;
- Kiểm nghiệm, đánh giá giải pháp dựa trên kết quả mô phỏng, thực nghiệm.
iv. Cấu trúc của luận văn
Luận văn nghiên cứu được chia thành 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về bù cosphi trong các hệ thống truyền tải điện
Chương 2: Thiết kế hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối
xứng
Chương 3: Ứng dụng phương pháp điều khiển mờ để nâng cao chất lượng hệ
thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng
v. Các công cụ và thiết bị nghiên cứu
- Máy tính cá nhân cài sẵn phần mềm mô phỏng thiết kế
- Các thiết bị và dụng cụ phục vụ cho thí nghiệm
iv. Dự kiến kế hoạch thực hiện
STT Thời gian

Nội dung nghiên cứu

nghiên cứu
1
2
3

Kết quả đạt
được

20/12/2019 đến

Nghiên cứu về bù cosphi trong các

20/02/2020

hệ thống truyền tải điện

20/02/2020 đến

Thiết kế hệ thống bù cosphi vô cấp

Tài liệu về thiết

05/6/2020

cho phụ tải ba pha không đối xứng

kế mô phỏng

05/6/2020 đến

Thiết kế bộ điều khiển mờ để nâng

Tài liệu về thiết

21/8/2020

cao chất lượng hệ thống bù cosphi

kế mô phỏng

vô cấp cho phụ tải ba pha

12

Tài liệu báo cáo


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙ COSPHI TRONG HỆ THỐNG
TRUYỀN TẢI ĐIỆN
1.1. Đặc điểm tiêu thụ điện của phụ tải công nghiệp công suất lớn
1.1.1. Các thiết bị động lực cơng nghiệp.
Bao gồm các động cơ quạt máy, khí nén, máy bơm làm việc ở chế độ dài
hạn. Công suất từ một đến hàng nghìn KW, sử dụng điện áp (0,25 đến 10 KV) có
phụ tải tương đối bằng phẳng đặc biệt là những động cơ có cơng suất lớn. Phụ tải
này thường đối xứng ba pha có hệ số công suất từ (0,80 đến 0,85). Các thiết bị nâng
hạ vận chuyển làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại có hệ số cơng suất từ (0,3 đến 0,8)
có thể sử dụng điện áp xoay chiều, một chiều.
1.1.2. Các thiết bị chiếu sáng
Thường là thiết bị một pha có cơng suất nhỏ. Phụ tải này ít biến đổi nhưng
phụ thuộc vào thời gian và các mùa trong năm. Nói chung phụ tải chiếu sáng có thể
ngừng cung cấp để sửa chữa, tuy nhiên trong những trường hợp không cho phép
mất điện lâu, như những khu vực sản xuất, khu vực thành phố.
1.1.3. Các thiết bị biến đổi
Là các thiết bị có nhiệm vụ biến đổi dịng điện xoay chiều thành dòng một
chiều, hoặc biến đổi thành dòng ba pha tần số khác 50Hz. Các thiết bị biến đổi
gồm các loại: Máy phát, động cơ, bán dẫn, bộ biến tần…
Dùng trong ngành công nghệ luyện kim, các thiết bị này dùng điện áp một
chiều, làm việc chế độ dài hạn có hệ số cơng suất từ (0,85 đến 0,9).
Dùng cho giao thơng vận tải trong các xí nghiệp như cần trục, cầu trục có
phụ tải đỉnh nhọn.
1.1.4. Các động cơ truyền động máy gia cơng
Là thiết bị thơng dụng, có dải công xuất thông dụng từ vài đến hàng trăm
KW, gồm nhiều kiểu khác nhau nhưng đa số là động cơ KĐB 3 pha với điện áp

định mức là 220V, 380V, 660V. Hệ số công suất dao động trong phạm vi rộng phụ
thuộc vào quy trình cơng nghệ. Ở một số máy yêu cầu tốc độ quay lớn, điều chỉnh
thường xuyên, phụ tải bằng phẳng nên dùng động cơ điện một chiều lấy điện từ các
13


bộ biến đổi. Nói chung các thiết bị này xếp vào hộ loại 2, một số ít là loại 1.
1.1.5. Các lò điện và thiết bị nhiệt
Lò điện trở: Hệ số công suất gần bằng 1 bao gồm các loại: Lò phản ứng, lò
hồ quang, lò hỗn hợp.
Thiết bị nhiệt: Thiết bị ra nhiệt điện từ, thiết bị ra nhiệt điện trở, các bộ gia
nhiệt.
1.1.6. Các thiết bị hàn
Là các thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại có hệ số cơng suất thấp. Ví
dụ máy hàn hồ quang (0,3 đến 0,35), máy hàn tiếp xúc (0,4 đến 0,7).
1.2. Bù công suất phản kháng cho phụ tải trong lưới điện công nghiệp
1.2.1. Khái quát về công suất phản kháng
Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện đơn giản có tải là điện trở và
điện kháng sau (hình 1-1):

Hình 1.1: Mạch điện đơn giản (mang tính cảm) RL
CSPK là thành phần công suất tiêu thụ trên điện cảm hay phát ra trên điện
dung của mạch điện.
1.2.2. Nguồn phát sóng cơng suất phản kháng
1.2.2.1. Các nguồn phát công suất phản kháng
Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện rất hạn chế, do
cosφ của nhà máy thường là 0,8 - 0,9 hoặc cao hơn. Vì lý do kinh tế nên người ta
khơng chế tạo các máy phát có khả năng phát nhiều cơng suất phản kháng cho phụ
tải mà chỉ phụ trách một phần cơng suất phản kháng của phụ tải. Phần cịn lại do các
thiết bị bù. Nguồn phát CSPK chính trong lưới phân phối vẫn là tụ điện, động cơ

đồng bộ và máy bù đồng bộ.
1.2.2.2. Ưu điểm, nhược điểm của các nguồn công suất phản kháng
- Ưu điểm:
+ Giảm tổn thất công suất trên phần tử của hệ thống cung cấp điện (máy biến
14


áp, đường dây…).
+ Giảm tổn thất điện áp trên đường truyền tải.
+ Tăng khả năng truyền tải điện của đường dây và máy biến áp.
Vì vậy, ta cần có biện pháp bù cos φ để hạn chế ảnh hưởng của nó. Cũng tức
là ta nâng cao hệ số cơng suất phản kháng cosφ.
- Nhược điểm:
Trong thực tế công suất phản kháng Q không sinh công nhưng lại gây ra
những ảnh hưởng xấu về kinh tế và kỹ thuật:
- Về kinh tế: Chúng ta phải trả chi phí tiền điện cho lượng công suất phản
kháng tiêu thụ trong khi thực tế nó khơng đem lại lợi ích gì.
- Về kỹ thuật: Công suất phản kháng là nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt áp
và tiêu hao năng lượng trong quá trình truyền tải điện năng.
1.2.3. Ý nghĩa của việc bù công suất phản kháng
1.2.3.1. Giảm tổn thất công suất và điện năng trên tất cả các phần tử (đường dây và
máy biến áp)
Từ công suất tổn thất công suất trên đường dây truyền tải:
Ta biết :
𝜑 = 𝑎𝑐𝑡𝑎𝑔

𝑄

(1.1)

𝑃

Năng cosφ thì φ giảm với P khơng đổi thì Q giảm:
∆𝑃 =

𝑃2 +𝑄2
𝑈2

𝑅=

𝑃2

𝑄2

𝑈

𝑈2

𝑅+
2

𝑅 = ∆𝑃(𝑃) + ∆𝑃(𝑄)

(1.2)

D phần tổn hao công suất do 2 thành phần tạo ra. Thành phần do công suất
tác dụng thì ta khơng thể giảm, nhưng thành phần do cơng suất phản kháng thì có
thể giảm được. Nếu Q giảm thì ∆P(Q) sẽ giảm dẫn đến ∆P giảm thì ∆A cũng giảm.
Hệ quả là giảm tổn hao công suất dẫn đến giảm tổn thất điện năng hay nói cách
khác là giảm tiền điện

1.2.3.2. Giảm tổn thấy điện áp trong mạng điện
Từ công suất tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải:
∆𝑈 =

𝑃𝑅+𝑄𝑋
𝑈

=

𝑃𝑅
𝑈

+

𝑄𝑋
𝑈

= ∆𝑈(𝑃) + ∆𝑈(𝑄)

(1.3)

Do phần tổn hao điện áp do 2 thành phần tạo ra, thành phần do công suất tác
15


dụng thì khơng thể giảm nhưng thành phần do cơng suất phản kháng thì có thể giảm
được, đường dây q xa các thiết bị tiêu thụ điện, điện áp cuối đường dây thường
sụt giảm nhiều làm động cơ, các thiết bị sử dụng điện khó hoạt động, phát nóng
nhiều, dễ cháy. Do đó phải bù lại hệ số cơng suất cosphi.
1.2.3.3. Tăng khả năng truyền tải điện của đường dây và máy biến áp

𝐼=

√𝑃2 +𝑄2

(1.4)

√3.𝑈

Biểu thức này chứng tỏ rằng với cùng một tình trạng phát nóng nhất định của
đường dây và máy biến áp (I là hằng số) chúng ta có thể tăng khả năng truyền tải
cơng suất tác dụng bằng cách giảm cơng suất phản kháng.
Ngồi ra khi tăng cosφ cịn giảm chi phí kim loại màu góp phần làm ổn định
điện áp, tăng khả năng phát điện của máy phát điện, giảm giá thành tiền điện, tăng
độ dự trữ ổn định của hệ thống, giảm tổn thất hệ thống, tối ưu hóa các thành phần
cung cấp điện…
1.3. Thiết bị bù công suất phản kháng SVC
1.3.1. Cấu trúc chung của SVC
1.3.1.1. Khái quát về bù công suất phản kháng SVC
Tụ bù tĩnh có dung lượng thay đổi hay còn gọi là SVC (Static VAR
Compensator) là một thiết bị bù công suất phản kháng tác động nhanh trên lưới điện
truyền tải điện áp cao.
SVC là một thiết bị trong nhóm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt
(FACTS). Nó được dùng để điều chỉnh điện áp và tăng khả năng ổn định của hệ
thống điện. Yếu tố static cho thấy SVC sử dụng các thiết bị không chuyển động hay
rõ hơn là sử dụng các thiết bị điện tử công suất để điều chỉnh thông số thiết bị hơn
là sử dụng máy cắt và dao cách ly.
Trước khi phát minh ra SVC, người ta phải sử dụng các máy phát điện cỡ lớn
hay tụ đồng bộ để bù công suất phản kháng.
SVC là thiết bị tự động điều chỉnh điện kháng, được chế tạo để điều chỉnh
điện áp tại các nút đặt SVC và điều chỉnh công suất phản kháng. Nếu hệ thống thừa

công suất phản kháng hay điện áp tại nút cao hơn giá trị cho phép, SVC sẽ đóng vai
trị là các kháng bù ngang. Khi đó, SVC sẽ tiêu thụ cơng suất phản kháng từ hệ
16


thống và hạ thấp điện áp tại nút điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của
thyristor, được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản:
- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể
phát hay tiêu thụ cơng suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành).
- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor hoặc triắc
có cực điều khiển, hệ thống điều khiển góc mở dùng các bộ vi điều khiển như 8051,
PIC 16f877, VAR.
Ngược lại, nếu hệ thống thiếu công suất phản kháng, các tụ bù ngang sẽ được
tự động đóng vào. Do đó, cơng suất phản kháng được bơm thêm vào hệ thống, điện
áp của nút được cải thiện.
SVC cũng thường được đặt tại các vị trí có tải thay đổi nhiều với tốc độ cao,
như lò điện. SVC dùng để làm trơn dao động điện áp.
1.3.1.2. Cấu trúc của SVC
Sơ đồ cấu trúc SVC được thể hiện trên hình 1.2

Hình 1.2: Cấu trúc và nguyên lý làm việc của SVC
SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm:
+ Kháng điều chỉnh bằng thyristor - TCR (Thyristor Controlled Reactor): có
chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ.
+ Kháng đóng mở bằng thyristor - TSR (Thyristor Switched Reactor): có
chức năng tiêu thụ cơng suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor.
+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor – TSC (Thyristor Switched Capacitor): có
chức năng phát cơng suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor.
Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng
17

kể mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong
vận hành. Các chức năng chính của SVC bao gồm:
- Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp.
- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù.
- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn
mạch...) trong hệ thống điện.
- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện.
- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn
mạch, mất tải đột ngột...
- Ngoài ra, SVC cịn có các chức năng phụ mang lại hiệu quả khá tốt cho quá
trình vận hành hệ thống điện như:
+ Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh.
+ Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây.
+ Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây.
+ Giảm tổn thất công suất và điện năng.
b. Nguyên tắc hoạt động
Một SVC bao gồm: Các tụ bù ngang được đóng cắt riêng biệt, được kết nối
với cuộn dây điện cảm (có hoặc khơng có lõi sắt) được điều chỉnh bằng thyristor.
Nhờ việc thay đổi góc dẫn của thyristor mà điện kháng đẳng trị của SVC có thể thay
đổi liên tục được. Do đó, cơng suất phản kháng của lưới điện có thể được bơm vào
hay hút đi một cách liên tục. Theo cấu trúc này, các tụ điện sẽ điều chỉnh thơ, sau
đó, các TCR sẽ điều chỉnh giá trị cảm kháng, kết quả là giá trị điện kháng đẳng trị là
một giá trị liên tục. Điều chỉnh trơn hơn và linh hoạt hơn có thể thực hiện được
bằng cách sử dụng bộ tụ điện được đóng cắt bằng thyristor hay TCCS (Thyristor
Controlled Capacitor Witching).
Thyristor là các thiết bị điều chỉnh tĩnh bằng điện. Thyristor cũng như các
thiết bị bán dẫn khác, luôn phát nhiệt, nước đã khử ion được dùng để làm mát.
Các tải cảm kháng thay đổi nhanh trong mạch điện có thể làm biến đổi dạng

sóng điều hịa của điện áp và do đó, các bộ lọc sóng điện tử cơng suất lớn được sử
dụng để làm trơn sóng điện áp. Bản thân các bộ lọc sóng điều hịa này lại có tính
18


dung, do đó chúng cung cấp cơng suất phản kháng cho lưới điện.
Các thiết bị SVC thường được đặt ở những nơi có u cầu điều chỉnh điện áp
chính xác. Việc điều chỉnh điện áp thường dùng các bộ điều khiển có phản hồi
(Closed - Loop). Việc điều chỉnh điện áp được tiến hành từ xa bằng hệ thống
SCADA hoặc bằng tay theo giá trị đặt.
c. Kết nối
SVC không làm việc ở điện áp của đường dây, nó thường được nối qua máy
biến áp tăng áp, với điện áp đường dây phía cao (ví dụ 230 KV) xuống điện áp thấp
hơn (ví dụ 9,5 KV) Việc giảm điện áp làm việc của SVC nhằm kích thước và số
lượng thiết bị của SVC (chủ yếu do các bộ tụ bù ngang có điện áp làm việc thấp)
mặc dù việc làm này làm cho các cuộn dây điện cảm có kích thước lớn hơn để chịu
được dòng điện lớn.
Các van thyristor của SVC có dạng hình đĩa, với đường kính hàng inch, do
đó, chúng thường được đặt trong nhà.
d. Lợi ích
Lợi ích chính của việc sử dụng SVC so với các tụ bù được đóng cắt cơ khí là
chúng phản ứng gần như tức thời với sự thay đổi điện áp của hệ thống. Vì lý do này,
chúng thường hoạt động ở gần sát nút điều chỉnh để đạt hiệu quả điều chỉnh cao
nhất khi có nhu cầu, về kinh tế thì SVC nói chung rẻ hơn, có dung lượng cao hơn,
điều chỉnh nhanh hơn và tin cậy hơn so với các thiết bị bù khác như máy bù đồng
bộ
1.3.2. Cấu tạo từng phần tử trong SVC
1.3.2.1. Nguyên lý hoạt động của bộ Thyristor mắc song song ngược
a. Nguyên lý hoạt động của bộ Thyristor mắc song song ngược
* Trường hợp tải thuần trở:

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý bộ thyristor
19


Khi T1 mở thì một phần nửa chu kì dương điện áp nguồn điện đặt lên mạch
tải, còn khi T2 mở thì một phần của nửa chu kì âm của điện áp nguồn được đặt lên
mạch tải.
Góc mở 𝜃 được tính từ điểm đi qua trị zêzo của điện áp nguồn.
it =
Trong đó: {

√2U
R

sinθ

(1.5)

𝛼≤𝜃≤𝜋
𝜋 + 𝛼 ≤ 𝜃 ≤ 2𝜋

Dịng điện tải khơng có dạng của một hình sin. Ta phải khai triển Fuorier của
nó gồm thành phần sóng cơ bản và các sóng hài bậc cao. Thành phần sóng cơ bản
của dòng điện tải i(1) lệch chậm sau điện áp nguồn một góc  được thể hiện trên đồ
thị hình 1.4.

Hình 1.4: Đồ thị dịng điện tải
Điều đó nói lên rằng, ngay cả trường hợp tải thuần trở lưới điện xoay chiều
vẫn cung cấp một lượng công suất phản kháng.

Trị hiệu dụng của điện áp trên tải:
1

𝜋

2𝜋−2𝛼+𝑠𝑖𝑛2𝛼

𝑈𝑡 = √ ∫0 (√2𝑈𝑠𝑖𝑛𝜃)2 𝑑𝜃 − 𝑈√
𝜋

2𝜋

(1.6)

Trị hiệu dụng của dòng điện tải:
𝑈

2𝜋−2𝛼+𝑠𝑖𝑛2𝛼

𝑅

2𝜋

𝐼𝑡 = √

(1.7)

* Trường hợp tải thuần cảm:
Khi θ = α xung cho điều khiển mở Tl. Dòng điện tải tăng dần lên và đạt giá
trị cực đại, sau đó giảm xuống và đạt giá trị 0 khi θ = β.

20


Khi thyristor Tl mở, ta có phương trình: 𝐿
𝑖𝑡 = −

√2𝑈
𝜔𝐿

𝑑𝑖
𝑑𝑡

= √2𝑈𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡

𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝐼0

(1.8)

Hằng số tích phân I0 được xác định theo sơ kiện: khi θ = α thì it = 0. Cuối
cùng nhận được biểu thức của dòng điện tải:
it = −

√2U
ωL

cosα + cosθ

(1.9)

Góc β được xác định bằng cách thay θ = β và đặt it = 0:
β = 2π - α
Khi θ = π + α cho xung mở T2
Để cho sơ đồ làm việc được hoàn chỉnh khi tải thuần cảm, phải thỏa mãn
điều kiện β ≤ π + α. Do đó góc α buộc phải nằm trong các giới hạn:
𝜋
2

≤ 𝛼 ≤ 𝜋, khi =

𝜋
2

, it = −

√2U
ωL

cosθ

Dòng điện tải là dòng gián đoạn, do i1 và i2 tạo nên. Khai triển Fourier của nó
bao gồm thành phần sóng cơ bản i(1) và các sóng hài bậc cao. Thành phần sóng cơ
bản lệch chậm sau điện áp nguồn một góc π/2 độc lập với góc mở α.
1

2𝜋−𝛼 2
𝑖 𝑑𝜃

𝐼𝑡 = √ ∫𝛼
𝜋

𝐼𝑡 =

𝑈
𝜔𝐿

√

−

√2𝑈
𝜔𝐿

1

2𝜋−𝛼

√ ∫𝛼
𝜋

(𝑐𝑜𝑠𝛼 − 𝑐𝑜𝑠𝜃)2 𝑑𝜃

2(𝜋−𝛼)(2+𝑐𝑜𝑠2𝛼)+3𝑠𝑖𝑛2𝛼
𝜋

(1.10)

Công suất mạch tải tiêu thụ là công suất phản kháng.
Nếu ta thay đổi đột ngột giá trị góc điều khiển từ α = 00 sang α = 1800 thì
tương ứng với trạng thái đóng hoặc mở mạch.

21


1.3.2.3. Kháng điều chỉnh bằng Thyristor TCR
TCR là một phần tử của SCV với khả năng điều khiển một cách liên tục
dòng điện qua cuộn cảm mắc song song với điện áp lưới bằng việc điều khiển dịng
điện mở thơng qua van thyristor. Dịng điện cảm (thuần cảm) có thể được điều
khiển để khi α = 900 độ lớn của dịng bằng khơng (khơng có dịng chạy qua).
Phần tử cơ bản của TCR là cuộn cảm nối tiếp với một cặp thyristor mắc đối
song như hình 1.5.

Hình 1.5: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCR
Kháng điều chỉnh nhanh bằng thyristor (TCR) được cấu tạo dựa trên nguyên
lý hoạt động và khả năng điều khiển của cặp thyristor mắc song song và ngược
chiều nhau. Nhờ có khả năng khống chế được trị số hiệu dụng của dòng điện đi qua
thyristor liên tục thơng qua việc thay đổi góc mở α bằng thời điểm phát xung điều
khiển vào cực G mà TCR có khả năng điều chỉnh phát hay tiêu thụ cơng suất phản
kháng rất nhanh.
Qua đó, ta thấy TCR thực chất là cuộn kháng được điều khiển bằng 2
thyristor nối ngược chiều nhau. Góc mở thay đổi liên tục từ 00 đến 1800 thì TCR sẽ
thay đổi liên tục giá trị điện kháng L nhờ các tín hiệu điều khiển. Khi góc mở α thay
đổi từ 900 đến 1800 thì dịng điện hiệu dụng qua TCR sẽ thay đổi giảm dần từ giá trị
cực đại đến 0. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của TCR được thể hiện trên hình 1.6.
TCR được cấu tạo từ 4 phần tử chính sau:
- L: cuộn điện kháng chính

22

- LH: cuộn điện kháng hãm, có chức năng giới hạn dòng đi qua thyristor và
chống lại sự cộng hưởng với hệ thống điện
- Thyristor: có chức năng điều chỉnh dịng điện đi qua TCR
Hệ thống điều khiển: Có chức năng điều khiển tín hiệu xung đến cực điều
khiển của thyristor hệ thống này là một khâu quan trọng để điều chỉnh liên tục dòng
điện hay giá trị XL hay thay đổi trị số công suất phản kháng phát ra hay tiêu thụ.
TCR có nhiều ưu điểm khi tham gia vào các thiết bị bù trong hệ thống điện:
Có khả năng làm cân bằng lại phụ tải, vì TCR có thể điều khiển độc lập trên
từng pha.
Khả năng điều khiển, điều chỉnh các thông số rất nhanh, hầu như khồn có
giai đoạn q độ nhờ bộ van thyristor. Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR thể
hiện trên hình 1.6.

Hình 1.6: Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR
* Đặc tính làm việc của TCR:
TCR có khả năng điều khiển, điều chỉnh các thông số rất nhanh nhờ việc
thay đổi góc cắt (góc mở) α bằng các tín hiệu xung điều khiển tác động vào bộ van
thyristor. Việc thay đổi góc cắt này sẽ làm thay đổi giá trị dịng điện chạy qua TCR
được thể hiện trên hình 1.7 sau:

23