Tài liệu Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù cos tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN TRƯỜNG DU

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BÙ COSφ TĨNH SỬ DỤNG
BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN CÔNG SUẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

THÁI NGUYÊN - 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN TRƯỜNG DU

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BÙ COSφ TĨNH SỬ DỤNG
BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN CÔNG SUẤT
Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã ngành: 8 52 02 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN XUÂN MINH

THÁI NGUYÊN - 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên: Nguyễn Trường Du
Học viên: Lớp cao học K20, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại
học Thái Nguyên.
Nơi công tác: Điện lực Ngân Sơn - Công ty Điện lực Bắc Kạn.
Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển
thiết bị bù cos tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất”.
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 15 tháng 4 năm 2019
Học viên thực hiện

Nguyễn Trường Du

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

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, Công ty Điện lực Bắc Kạn đã giúp tôi khảo sát tìm hiểu thực
tế và lấy số liệu phục vụ cho luận văn.
Cuối cùng, tôi 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 hoàn thiện luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 15tháng 4 năm 2019
Học viên

Nguyễn Trường Du

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỤC LỤC

Lời cam đoan ...................................................................................................... i
Lời cảm ơn ........................................................................................................ ii
Mục lục ............................................................................................................. iii
Danh mục viết tắt .............................................................................................. v
Danh mục các bảng .......................................................................................... vi
Danh mục các hình .......................................................................................... vii
MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT COS ............ 3
1.1. Công suất & hệ số công suất cos ....................................................... 3
1.1.1. Các loại công suất trong hệ thống điện ............................................. 3
1.1.2. Hệ số công suất cosφ ......................................................................... 4
1.2. Ý nghĩa của hệ số công suất cosφ ........................................................ 4
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số công suất............................................ 5
1.4. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất cosφ ................................. 7
1.4.1. Giảm tổn thất công suất trong hệ thống cung cấp điện ..................... 7
1.4.2. Giảm tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải điện ...................... 7
1.4.3. Tăng năng lực truyền tải của đường dây và máy biến áp ................. 8
1.5. Kết luận chương 1 ............................................................................... 8
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN
KHÁNG ĐỂ NÂNG CAOHỆ SỐ CƠNG SUẤT ................................... 9
2.1. Các phương pháp bù cơng suất phản khángđể nâng cao hệ số công suất
truyền thống................................................................................................. 9
2.1.1. Phương pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên ...................................... 9
2.1.2.Phương pháp nâng cao hệ số cos nhân tạo .................................... 12
2.1.3. Vị trí đặt thiết bị bù ......................................................................... 20
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN

2.1.4. Xác định dung lượng bù .................................................................. 20
2.2.Đề xuất phương pháp bù CSPK nâng cao hệ số công suất ................. 23
2.3. Kết luận chương 2 .............................................................................. 25
CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG KIỂU
BÙ TỤ ĐIỆN TĨNH ................................................................................ 26
3.1. Bù công suất phản kháng sử dụng cấu trúc FC-TCR......................... 26
3.2. Bù công suất phản kháng sử dụng cấu trúc đề xuất DSVC ............... 28
3.2.1. Phương pháp bù CSPK sử dụng các chuyển mạch cơ khí (DVC) .. 28
3.2.2. Phương pháp bù CSPK sử dụng Thyristors (SVC)......................... 30
3.2.3. Phương pháp bù lai DSVC .............................................................. 30
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
BÙ COS TĨNH ...................................................................................... 33
4.1. Thiết kế hệ thống điều khiển bù công suất phản kháng kiểu tĩnh FCTCR............................................................................................................ 33
4.1.1.Mơ hình hóa hệ thống bù cơng suất phản kháng FC-TCR .............. 33
4.1.2. Tính tốn giá trị tụ bù cố định FC ................................................... 34
4.1.3. Tính tốn giá trị điện cảm (L) tại nhánh TCR ................................ 35
4.1.4 Mối liên hệ giữa điện cảm (L) ở nhánh TCR, góc kích mở thyristor
(α), và việc bù CSPK................................................................................. 36
4.1.5. Thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols ..... 37
4.2.Kết quả mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink ........... 40
4.2.1. Sơ đồ mô phỏng .............................................................................. 40
4.2.2. Kết quả mô phỏng ........................................................................... 44
4.3. Kết luận chương 4 .............................................................................. 47
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ..................................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 48

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN

DANH MỤC VIẾT TẮT

Thuật ngữ đầy đủ

Chữ viết tắt
CSPK

Công suất phản kháng

CSTD

Cơng suất tác dụng

DSVC

Dynamic - Static Var Compensation

FACTS

Chú thích

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

VAr

Volt-ampere reactive

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Hệ số công suất

Bù công suất
kiểu tĩnh

Đơn vị công
suất phản kháng




DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất ...... 38
Bảng 4.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 ........... 39

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Tam giác cơng suất...................................................................... 4
Hình 2.1. Bộ bù tĩnh sử dụng các tụ điện mắc song song với nhauvà các bộ
đóng ngắt contactor, rơ le ........................................................ 13
Hình 2.2. Tủ tụ bù tĩnhtrong thực tế 1....................................................... 15
Hình 2.3. Hệ thống tủ tụ bù tĩnh thực tế 2 ................................................ 15
Hình 2.4. Cấu trúc SSSC ........................................................................... 16
Hình 2.5. Cấu trúc TCSC .......................................................................... 17
Hình 2.6. Cấu trúc STATCOM ................................................................. 18
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của STATCOM ............................. 19
Hình 2.8. Sơ đồ mạng lưới bù cơng suất phản kháng ............................... 20
Hình 2.9. Dung lượng bù CSPK ............................................................... 21
Hình 2.10. Sơ đồ bù CSPK ....................................................................... 22
Hình 2.11. Đặc tính V-I của SVC ............................................................. 24
Hình 3.1. Cấu trúc FC-TCR ...................................................................... 27
Hình 3.2. Cấu trúc bù CSPK sử dụng các chuyển mạch cơ khí ............... 28
Hình 3.3. Ngun lý hoạt động của bù CSPK sử dụng thiết bị chuyển mạch
cơ khí ....................................................................................... 29
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc bù lai DSV......................................................... 31
Hình 4.1. Mơ hình hóa của hệ thống bù CSPK FC-TCR.......................... 33
Hình 4.2. Sơ đồ mạch FC-TCR ................................................................. 34
Hình 4.3.Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S .............................................. 38
Hình 4.4. Xác định hằng số khuếch đại tới hạn ........................................ 38
Hình 4.5. Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth .......................................... 39
Hình 4.6. Cấu trúc điều khiển hệ thống bù CSPK FC-TCR ..................... 40
Hình 4.7. Khối nguồn một pha cung cấp cho phụ tải ............................... 41
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Hình 4.8. Khối Thyristor và thơng số ....................................................... 41
Hình 4.9. Khối mơ hình đối tượng điều khiển .......................................... 42
Hình 4.10. Khối phát sung điều khiển ...................................................... 42
Hình 1.11. Khối tính tốn cơng suất tác dụng, phản kháng P, Q .............. 43
Hình 4.12. Sơ đồ mơ phỏng tồn hệ thống ............................................... 43
Hình 4.13. Đáp ứng cos của hệ thống..................................................... 44
Hình 4.14. Đáp ứng điện áp điều khiển .................................................... 45
Hình 4.15. Đáp ứng cos của hệ thống (khi tải thay đổi) ......................... 45
Hình 4.16. Xung kích mở thyristors và điện áp trên điện cảm L thuộc nhánh
TCR ......................................................................................... 46
Hình 4.17. Xung kích mở thyristors và điện áp trên điện cảm L thuộc nhánh
TCR(Khi thay đổi tải) ............................................................. 46

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỞ ĐẦU
Hiện nay, với sự phát triển ngày càng nhanh về cơng nghiệp và đời sống
dân sinh thì nhu cầu năng lượng điện để phục vụ sản xuất và đời sống càng
tăng, nên vấn đề nâng cao chất lượng điện năng là yêu cầu cấp thiết. Trong các
yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điện năng, thì cos là một trong những yếu
tố quan trọng nhất có ảnh hưởng lớn đến tổn hao công suất và tổn thất điện áp
khi truyền tải điện năng.
Hệ số công suất coslà tỉ số giữa cơng suất tác dụng và cơng suất tồn
phần (hay còn được gọi là công suất biểu kiến) trong quá trình truyền tải điện
năng. Cơng suất tác dụng đặc trưng cho khả năng sinh ra cơng hữu ích của thiết
bị, đơn vị W hoặc kW. Cơng suất tồn phần là tích số của điện áp và dòng điện

trên đường dây truyền tải điện năng và bằng căn bậc 2 của công suất tác dụng
và công suất phản kháng. Công suất phản kháng khơng sinh ra cơng hữu ích
nhưng nó lại cần thiết cho quá trình biển đổi năng lượng, đơn vị VAR hoặc
kVAR.Thơng thường cos nhỏ hơn 1, do có sự xuất hiện của thành phần công
suất phản kháng. Về lý thuyết cos phi bằng 1 là tốt nhất, khi đó, cơng suất tác
dụng sẽ bằng với cơng suất tồn phần. Khi thành phần công suất phản kháng
xuất hiện, sẽ làm cho cơng suất tồn phần tăng dẫn đến hệ số công suất
cosgiảm khi cùng truyền 1 công suất tác dụng từ nguồn đến tải thì dòng điện
trên đường dây tăng. Khi dòng điện trên đường dây tăng sẽ làm cho cơng
suất tồn phần tăng, mà cơng suất tác dụng khơng đổi, có nghĩa cơng suất
phản kháng tăng làm tăng tổn hao công suất trên điện trở đường dây và sụt
điện áp trên tổng trở đường dây, giảm chất lượng điện năng. Để giảm tổn
hao công suất và tổn thất điện áp trong quá trình truyền tải điện năng thì việc
nâng cao hệ số công suất costrở nên cấp thiết. Để nâng cao hệ số cơng suất
cos, thì phải giảm công suất phản kháng bằng cách đưa thêm vào hệ thống điện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




một lượng công suất phản kháng ngược với lượng công suất phản kháng mà tải
tiêu thụ. Phương pháp nàygọi là bù hệ số công suất (bù công suất phản kháng)
Trong thực tế, có nhiều phương pháp bù cơng suất phản kháng đã và đang
được áp dụng. Trong đó, phương phápsử dụng các bộ biến đổi bằng thyristor
có nhiều ưu thế vượt trội: thiết bị bù tĩnh có khả năng điều chỉnh trơn dung
lượng bù, thời gian đáp ứng nhanh. Tuy nhiên, việc điều khiển thiết bị bù
bằng sử dụng thyristors là tương đối phức tạp và chất lượng bù phụ thuộc
nhiều vào thuật toán điều khiển. Luận văn đặt mục tiêu nghiên cứu xây dựng
thuật toán điều khiển thiết bị bù cos tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn cơng
suất.

Với những phân tích đã nêu, tơi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, thiết
kế hệ thống điều khiển thiết bị bù cos tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn
công suất”

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT COS
1.1. Công suất & hệ số công suất cos
1.1.1. Các loại công suất trong hệ thống điện
Công suất tác dụng P
Đây là đại lượng đặc trưng cho khả năng biến đổi năng lượng điện thành
các dạng năng lượng khác, còn gọi là cơng hữu ích của thiết bị. Cơng suất tác
dụng P là phần thực của công suất biểu kiến S, có đơn vị là W hoặc kW và xét
trong hệ thống điện 1 pha được xác định theo biểu thức (1.1):
P = R.I2 = U.I.cos = S.cos

(1.1)

Công suất phản kháng Q
Đây là đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng trong hệ thống
cung cấp điện và thiết bị điện. Mặc dù khơng sinh ra cơng hữu ích (cơng suất
vô công), nhưng là thành phần cần thiết cho quá trình biến đổi năng lượng.
Cơng suất phản kháng Q sinh ra do sự tích lũy năng lượng trong các thành phần
cảm kháng và dung kháng, có đơn vị: VAR hoặc kVAR. Xét trong hệ thống
điện 1 pha công suất phản kháng Q là phần ảo của công suất biểu kiến S và
được xác định theo biểu thức (1.2):
Q = X.I2 = U.I.sin = S.sin

(1.2)

Cơng suất biểu kiến S
Cịn gọi là cơng suất tồn phần, là cơng suất truyền tải trên đường dây
điện đến thiết bị sử dụng và bằng tích số của giá trị hiệu dụng của điện áp và
dòng điện. Công suất biểu kiến S gồm phần thực công suất tác dụng và phần ảo
công suất phản kháng trong mạng điện xoay chiều, có đơn vị là VA hoặc kVA
và xét trong hệ thống điện 1 pha được xác định theo biểu thức (1.3):
S = U.I = P2 + Q2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN

(1.3)



Ba loại cơng suất được trình bày ở trên có mối quan hệ mật thiết với nhau
thông qua mối quan hệ trong tam giác vuông gọi là tam giác công suất như hình
1.1:

Hình 1.1. Tam giác cơng suất
P = S.cosφ

(1.4)

Q = S.sinφ

(1.5)

S2 = P2 + Q2

(1.6)

1.1.2. Hệ số công suất cosφ
Hệ số cơng suất cosφ hay cịn gọi là cosφ (PF), là hàm số lượng giác
cos của góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện trong mạch. Hoặc hệ số công
suất cosφ là tỷ số giữa công suất tác dụng P (W)và công suất biểu kiến S
(VA).
PF = cosφ =

P
S

(1.7)

1.2. Ý nghĩa của hệ số công suất cosφ
Nếu xét trên phương diện nguồn cung cấp (máy phát điện hoặc máy biến
áp). Rõ ràng cùng một dung lượng máy biến áp hoặc cơng suất của máy phát
điện (tính bằng KVA). Hệ số cơng suất càng cao thì thành phần cơng suất tác
dụng P càng cao và máy sẽ sinh ra được nhiều cơng hữu ích. Có thể thấy rằng,
việc duy trì cosφ ~1 sẽ giúp máy phát hoặc máy biến áp hoạt động hiệu quả.
Trên thực tế, hệ số công suất có giá trị bằng bao nhiêu phụ thuộc vào tải (thiết
bị sử dụng điện). Nhu cầu của tải về cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




cần phản đáp ứng đủ thì tải mới hoạt động tốt. Giải pháp trung hòa hơn là nguồn
sẽ chỉ cung cấp cho tải 1 phần công suất phản kháng, phần còn thiếu khi sử

dụng, khách hàng tự trang bị thêm bằng cách gắn thêm thiết bị bù công suất
phản kháng (thơng thường tải có tính chất cảm nên thường sử dụng tụ bù).
Nếu xét ở phương diện đường dây truyền tải, ta lại phải quan tâm đến
dòng điện truyền tải trên đường dây.Dòng điện này sẽ làm tổn hao công suất
tác dụng trên đường dây (nóng dây) và tạo ra một lượng sụt áp trên đường dây
truyền tải.
Nếu xét trong hệ thống 1 pha, cơng suất biểu kiến được tính bằng công
thức: S= U.I
Nếu xét trong hệ thống 3 pha, cơng suất biểu kiến được tính bằng cơng
thức: S = √3. 𝑈. 𝐼 , với U là điện áp dây, I là dòng điện dây.
Cả trong hệ thống lưới điện 1 pha và 3 pha đều cho thấy dòng điện tỉ lệ với
công suất biểu kiến S. Vấn đề là công suất biểu kiến là do 2 thành phần công suất
tác dụng và công suất phản kháng gộp lại tạo nên. Từ đó ta có nhận xét:
Nếu như cùng 1 tải, ta trang bị tụ bù để phát công suất phản kháng ngay
tại tải, đường dây chỉ truyền tải dòng điện của cơng suất tác dụng thì chắc chắn
sẽ giảm được tổn thất công suất trên đường dây (đường dây sẽ mát hơn).
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số cơng suất
Theo biểu thức (1.6) và (1.7), ta có thể thấy hệ số công suất cosφ chịu sự
ảnh hưởng bởi cả ba loại cơng suất. Trong đó:
Cơng suất biểu kiến S cịn gọi cơng suất tồn phần, được các nhà máy
điện sản xuất và cấp phát, là đại lượng phụ thuộc vào nơi cấp và nguồn cấp
phát.
Công suất tác dụng P cịn gọi là cơng suất tác dụng là công suất thực phụ
tải sử dụng và thay đổi theo yêu cầu của phụ tải.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Công suất phản kháng Q còn được gọi là công suất vơ ích (vơ cơng) gây
ra do các thành phần có tính cảm và dung của các loại phụ tải trong mạng điện
như: Động cơ điện, máy biến áp, các bộ biến đổi điện áp, cuộn dây, các bộ tụ
điện, ...Khi thành phần công suất vô công lớn làm cho cơng suất tồn phần tăng,
dẫn đến dòng điện trên đường dây truyền tải tăng, làm tăng tổn hao năng lượng
trên đường dây.Mặc dù thành phần công suất vô công gây ra tổn thất điện năng
khơng đáng có thành nhiệt trên dây dẫn và phụ tải trong truyền tải và tiêu thụ,
nhưng nó là thành phần cần thiết trong q trình biến đổi điện năng thành các
dạng năng lượng khác. Tuy nhiên, thành phần công suất vô công mà nguồn cấp
cho tải có thể điều chỉnh bằng cách thêm hoặc bớt các thành phần cảm kháng
hoặc dung kháng trong mạng điện hoặc nơi tiêu thụ.
Thành phần vô công bao gồm 2 loại: là thành phần vơ cơng mang tính
cảm: Đối với các máy phát, thiết bị mang tính cảm (các loại động cơ điện, cuộn
dây, ...) và thành phần vô công mang tính dung:Đối với các máy phát, thiết bị
mang tính dung (các loại tụ, ...).
Thành phần công suất vô công mang tính cảm tạo ra dòng điện vơ cơng
mang tính cảm làm cho dòng điện chậm pha so với điện áp (góc φ dương).
Ngược lại thành phần cơng suất vơ cơng mang tính dung tạo dòng điện vơ cơng
mang tính dung làm cho dòng điện vượt pha so vói điện áp (góc φ âm). Trong
mạng điện, cơng suất phản kháng bằng trị số của cơng suất phản kháng mang
tính cảm trừ đi trị số của công suất phản kháng mang tính dung.
Trên thực tế, phụ tải của mạng điện thường u cầu các thành phần vơ
cơng mang tính cảm (các động cơ điện, các cuộn dây, ... trong mạng điện cơng
nghiệp và sinh hoạt), do đó dòng điện trên đường dây truyền tải điện năng
thường chậm pha so với điện áp. Nếu sử dụng nhiều thiết bị yêu cầu công suất
phản kháng lớn thì góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp tăng (góc φ tăng),
dẫn đến giảm hệ số công suất làm tăng tổn hao khi truyền tải điện năng. Để
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

giảm tổn hao điện năng khi truyền tải, phân phối và tiêu thụ thì buộc phải giảm
cơng suất phản kháng truyền từ nguồn đến tải để tăng hệ số công suất cosφ từ
đó tăng được hiệu suất sử dụng năng lượng.
1.4. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất cosφ
Hầu hết các thiết bị sử dụng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng (P) và
công suất phản kháng (Q). Sự tiêu thụ công suất phản kháng này sẽ được truyền
tải trên lưới điện về phía nguồn cung cấp công suất phản kháng, sự truyền tải
trên lưới điện về phía nguồn cung cấp cơng suất phản kháng, sự truyền tải
công suất này trên đường dây sẽ làm tổn hao một lượng công suất và làm
cho hao tổn điện áp tăng lên, đồng thời cũng làm cho lượng công suất biểu
kiến (S) tăng, dẫn đến chi phí để xây dựng đường dây tăng lên. Vì vậy việc
bù cơng suất phản kháng cho lưới điện sẽ có những ý nghĩa quan trọng sau:
- Giảm tổn thất công suất trong hệ thống cung cấp điện.
- Giảm tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải điện.
- Tăng năng lực truyền tải của đường dây và máy biến áp.
1.4.1. Giảm tổn thất cơng suất trong hệ thống cung cấp điện
Ta có tổn thất công suất trên đường dây được xác định theo công thức:

P2  Q2
P2
Q2
 
R  2 R  2 R  ( P )  (Q )
U2
U
U

(1.8)

Khi giảm Q truyền tải trên đường dây, ta giảm được thành phần P(Q)do
Q gây ra.
1.4.2. Giảm tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải điện
Tổn thất điện áp được xác định theo biểu thức (1.9):

U 

PR  QX
P
Q
 R  X  U ( P )  U (Q )
U
U
U

(1.9)

Khi ta giảm Q trên đường dây, ta giảm được thành phần U(Q) do Q gây
ra. Từ đó nâng cao chất lượng điện áp cho lưới điện.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




1.4.3. Tăng năng lực truyền tải của đường dây và máy biến áp
Dòng điện chạy trên dây dẫn và máy biến áp được tính như sau:
(1.10)
Từ cơng thức (1.10) cho thấy với cùng một tình trạng phát nóng nhất
định của đường dây và máy biến áp (tức I = const) chúng ta có thể tăng khả

năng truyền tải cơng suất tác dụng (P) của chúng bằng cách giảm công suất
phản kháng(Q) phải tải đi. Vì thế khi vẫn giữ nguyên đường dây và máy biến
áp, nếu lượng công suất phản kháng(Q) phải truyền tải giảm thì khả năng truyền
tải cơng suất tác dụng(P) sẽ tăng lên, góp phần làm ổn định điện áp, tăng khả
năng phát điện của máy phát điện...
Việc bù cơng suất phản kháng (Q) ngồi việc nâng cao được hệ số công
suất cosφ còn đưa đến hiệu quả là giảm được chi phí kim loại màu sử dụng làm
dây dẫn,tiết kiệm được chi phải đầu tư xây dựng, lắp đặt lưới điện.
1.5. Kết luận chương 1
Chương 1 của luận văn giới thiệu những khái niệm cơ bản về các loại
công suất, mối quan hệ giữa các loại công suất, khái niệm về hệ số công suất
cos trong mạch điện. Luận văn cũng nêu ảnh hưởng của hệ số công suất
cos đến chất lượng điện năng mà cụ thể là tổn thất điện áp và tổn thất công
suất khi truyền tải điện năng; ý nghĩa của việc bù công suất phản kháng để
nâng cao hệ số công suất khi truyền tải điện năng: Giảm tổn thất điện áp;
giảm tổn thất công suất; tăng năng lực truyền tải của đường dây và máy biến
áp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT
PHẢN KHÁNG ĐỂ NÂNG CAOHỆ SỐ CƠNG SUẤT
Việc nâng cao hệ số cơng suất coslà nhằm giảm lượng công suất phản
kháng phải truyền tải trên đường dây của hệ thống cung cấp điện đến tải.Để
làm được điều này, trong thực tế có 2 biện pháp:
- Nâng cao hệ số cosφ tự nhiên(biện pháp tự nhiên): Đây là thực chất là
nhóm các phương pháp bằng cách vận hành hợp lý các thiết bị dùng điện để tự

bù công suất phản kháng cho nhau nhằm giảm lượng Q đòi hỏi từ nguồn.
- Nâng cao hệ số công suất bằng cách đặt thiết bị bù: Không yêu cầu
giảm lượng Q đòi hỏi từ thiết bị dùng điện mà thực hiện việc bù công suất Q
ngay tại đầu nguồn cung cấp cho các phụ tải nhằm giảm lượng Q phải truyền
tải trên đường dây. Phương pháp này được thực hiện sau khi đã thực hiện biện
pháp thứ nhất mà chưa đạt được kết quả thì mới thực hiện việc bù.
2.1. Các phương pháp bù công suất phản khángđể nâng cao hệ số công
suất truyền thống
2.1.1. Phương pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên
Nâng cao cosφ tự nhiên có nghĩa là tìm các biện pháp để phụ tải tiêu thụ
điện giảm bớt được lượng công suất phản kháng mà chúng cần có ở nguồn cung
cấp. Các phương pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên:
- Thay những động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng những động
cơ có cơng suất nhỏ hơn: Khi làm việc bình thường động cơ tiêu thụ cơng suất
phản kháng:
2
𝑄 = 𝑄𝑘𝑡 + ∆𝑄đ𝑚 𝑘𝑝𝑡

(2.1)

Với công suất phản kháng khi không tải (chiểm tỷ lệ 60 ÷ 70 % so với
Qđm) và có thể xác định theobiểu thức:
𝑄𝑘𝑡 ≈ √3𝑈đ𝑚 𝐼𝑘𝑡
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN

(2.2)



𝐼𝑘𝑡 –làdòng điện không tải của động cơ.

𝐾𝑝𝑡 –làhệ số mang tải của động cơ. 𝐾𝑝𝑡 =

𝑃
𝑃đ𝑚

.

∆𝑄đ𝑚 - làlượng gia tăng công suất phản kháng khi động cơ mang tải định
mức so với khi không tải, được xác định theo biểu thức (2.3):
∆𝑄đ𝑚 = 𝑄đ𝑚 − 𝑄𝑘𝑡 ≈

𝑃đ𝑚

đ𝑚

𝑡𝑔𝜑đ𝑚 − √3𝑈đ𝑚 𝐼𝑘𝑡

(2.3)

trong đó 𝜂đ𝑚 - hiệu suất của động cơ khi mang tải định mức.
Từ đây ta có hệ số cơng suất được xác định theo biểu thức (2.4):
cos 𝜑 =

𝑃
𝑃
1
=
=
2
𝑆 √𝑃2 + 𝑄2

𝑄𝑘𝑡 +∆𝑄đ𝑚 𝑘𝑝𝑡
√1 + (
)

(2.4)

𝑘𝑝𝑡 𝑃đ𝑚

Do đó ta thấy rằng𝑘𝑝𝑡 giảm → cosφcũng giảm.
Ví dụ: Một động cơcosφ = 0.85khi 𝑘𝑝𝑡 = 1; cosφ = 0,6 khi 𝑘𝑝𝑡 = 0.6; cosφ
= 0,5 khi 𝑘𝑝𝑡 = 0.3
Khi có động cơ không đồng bộ làm việc ở trạng thái non tải, ta cần phải
dựa vào mức độ tải để quyết định việc thay thế. Kinh nghiệm vận hành cho thấy
rằng:
𝑘𝑝𝑡 <0.45 việc thay thế động cơ có cơng suất nhỏ hơn bao giờ cũng có lợi.
𝑘𝑝𝑡 >0.7việc thay thế động cơ có cơng suất nhỏ hơn sẽ khơng có lợi.
0.45 < 𝑘𝑝𝑡 < 0.7việc có tiến hành thay thế động cơ có cơng suất nhỏ hơn
phải dựa trên việc so sánh kinh tế.
- Giảm điện áp đặt vào động cơ thường xuyên làm việc non tải: Thực
hiện giảm áp khi khơng có điều kiện thay thế động cơ cơng suất nhỏ hơn.
Khi đó cơng suất phản kháng cho động cơ khơng đồng bộ được xác định
theo biểu thức:
𝑄=𝑘

𝑈2
𝑓. 𝑉
𝜇

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

(2.5)



Trong đó:
k - hằng số;
U - điện áp đặt vào động cơ;
μ - hệ số dẫn từ của mạch từ;
f - tần số dòng điện;
V - thể tích mạch từ.
Các phương pháp giảm điện áp đặt vào động cơ không đồng bộ 3
phatrong thực tế:
- Đổi nối dây quấn stato từ đấu ∆ → Y.
- Thay đổi cách phân nhóm dây quấn stato.
- Thay đổi đầu phân áp của máy biến áp hạ áp.
Chú ý: Các biện pháp này thực hiện tốt đối với các động cơ có điện áp
U< 0,3÷ 0,4 kV. Bên cạnh đó khi đổi nối ∆ → Y, điện áp giảm
điện tăng

3 lần, dòng

3 lần nhưng mơmen sẽ giảm đi 3 lần, do đó phải kiểm tra điều kiện

quá tải và khởi động sau đó.
Các động cơ không đồng bộ chạy không tải hoặc non tải trong thực tế có
thể gặp như các động cơ của máy cơng cụ khi làm việc có thời gian chạy không
tải xen lẫn thời gian mang tải (chiếm tới 50 - 60 %). Do vậy, nếu giảm thời gian
chạy không tải hoặc non tải sẽ tránh được tổn thất công suất (nâng cao hệ số
cos).Q trình đóng cắt động cơ cũng sinh ra tổn hao mở máy.Thực tế vận
hành cho thấy nếu t0 (thời gian chạy không tải) của động cơ lớn hơn 10 giây thì

việc cắt động cơ ra khỏi nguồn điện là có lợi.Vì vậy trong thực tế người ta có
thể sử dụng các biện pháp sau để giảm tổn thất công suất (nâng cao hệ số cos):
Thao tác hợp lý, hạn chế thời gian chạy không tải hoặc đặt bộ hạn chế chạy
không tải.
- Dùng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ: Đối với máy
có cơng suất lớn, khơng u cầu điều chỉnh tốc độ. Hệ số cơng suất cao, có thể
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




làm việc ở chế độ quá kích từ → máy bù cơng suất phản kháng, góp phần sự
ổn định của hệ thống.Mômen quay tỷ lệ với bậc nhất của điện áp, dẫn tới ít ảnh
hưởng đến dao động điện áp.Khi tần số nguồn thay đổi, tốc độ quay không phụ
thuộc vào phụ tải nên năng suất làm việc cao.Tuy nhiên thực tế có nhược điểm
là cấu tạo phức tạp, giá thành cao, số lượng mới chỉ chiếm 20% tổng số động
cơ.
2.1.2.Phương pháp nâng cao hệ số cos nhân tạo
Bù công suất phản kháng Q chỉ được tiến hành sau khi thực hiện các biện
pháp tự nhiên không đạt được yêu cầu.Thiết bị bù sử dụng hai loại thiết bị bù
chính là tụ điện tĩnh (vì trong thực tế hầu hết tổng các phụ tải tiêu thụ điện đều
có tính chất cảm kháng) và máy bù đồng bộ.Hai loại thiết bị này có những ưu
nhược điểm gần như trái ngược nhau. Tùy theo yêu cầu của phụ tải và mạng
điện cung cấp có thể lựa chọn thiết bị bù phù hợp. Phương pháp này được thực
hiện bằng cách đặt các thiết bị bù công suất phản kháng ởcác hộ tiêu thụ điện.
Các thiết bị bù công suất phản kháng bao gồm:
- Máy bù đồng bộ.
- Tụ bù tĩnh.
2.1.2.1. Máy bù đồng bộ
Máy bù đồng bộ chính là động cơ đồng bộ làm việc trong chế độ khơng

tải, hoặc non tải.
- Có khả năng phát và tiêu thụ được công suất phản kháng.
- Công suất phản kháng phát ra không phụ thuộc vào điện áp đặt, chủ
yếu là phụ thuộc vào dòng kích từ (điều chỉnh được dễ dàng).
- Lắp đặt vận hành phức tạp, dễ gây sự cố (vì có bộ phần quay).
- Máy bù đồng bộ tiêu thụ công suất tác dụng khá lớn khoảng 0,015÷0,02
kW/kVAr.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




- Giá tiền đơn vị CSPK thay đổi theo dung lượng. Nếu dung lượng nhỏ
thì sẽ đắt. Vì vậy chỉ được sản xuất ra với dung lượng lớn 5 MVAr trở lên.
* Ưu điểm: máy bù đồng bộ vừa có khả năng sản xuất ra CSPK, đồng
thời cũng có khả năng tiêu thụ CSPK của mạng điện.
*Nhược điểm: máy bù đồng bộ có phần quay nên lắp ráp, bảo dưỡng và vận
hành phức tạp. Máy bù đồng bộ thường để bù tập trung với dung lượng lớn.
2.1.2.2.Tụ bù tĩnh
Giá tiền cho một đơn vị công suất phản kháng phát ra hầu như khơng
thay đổi theo dung lượng, do đó thuận tiện cho chia nhỏ ra nhiều nhóm nhỏ đặt
sâu về phía phụ tải. Tiêu thụ rất ít cơng suất tác dụng khoảng 0,003 – 0,005
kW/kVAr. Vận hành lắp đặt đơn giản, ít gây ra sự cố. Cơng suất phản kháng
phát ra phụ thuộc vào điện áp đặt vào tụ.Chỉ phát cơng suất phản kháng và
khơng có khả năng điều chỉnh.Mạng điện xí nghiệp chỉ nên sử dụng tụ điện
tĩnh, còn máy bù đồng bộ chỉ được dùng ở phía hạ áp (6–10 kV) của các trạm
trung gian.
a) Phương pháp bù tĩnh sử dụng các tụ điện mắc song song với nhau và các bộ
đóng ngắt contactor, rơ le

Hình 2.1. Bộ bù tĩnh sử dụng các tụ điện mắc song song với nhauvà các bộ
đóng ngắt contactor, rơ le
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Phân tích hệ thống:
Ta có tải thơng thường mang tính chất điện cảm nên:
Ztải = R + j.L

(2.6)

Khi đó ta có: Ztổng = R + jXL – jXC = R + j(XL – XC)

(2.7)

Mà ta luôn mong muốn cosφ = 1 => yêu cầu Ztổng = R => XL – XC = 0.
Với hệ thống bù trên khi tải thay đổi tức L thay đổi (giả sử L tăng)
Công tắc tơ đóng => XC tăng => Ztổng≈ R => cosφ ≈ 1.
Thông thường dùng 6 cấp tụ bù (hoặc 12 cấp) tùy theo số lượng tải.
Trên thực tế, điện cảm L của tải luôn thay đổi, tức là XL thay đổi. Vậy
mong muốn cosφ ≈ 1 thì đại lượng XC cũng cần thay đổi theo.
Ưu điểm: Gọn nhẹ, làm việc êm dịu, tiêu thụ cơng suất tác dụng ít, có
thể thay đổi dung lượng bù theo một số cấp.
Nhược điểm: Không linh hoạt; độ tin cậy thấp; không thể điều chỉnh trơn
dung lượng bù nên thường gây ra hiện tượng bù thừa hoặc thiếu khi làm việc;
bị ảnh hưởng lớn bởi sóng hài bậc cao; thường xuyên phải kiểm tra chế độ làm
việc của bộ đóng cắt; tuổi thọ thiết bị khơng cao.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Một số hình ảnh về tủ bù cosbằng các bộ tụ điện thực tế:

Hình 2.2. Tủ tụ bù tĩnhtrong thực tế 1

Hình 2.3. Hệ thống tủ tụ bù tĩnh thực tế 2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN