Cải thiện ổn định điện áp cho lưới điện phân phối dùng thiết bị bù ngang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------------------
PHẠM THANH HƯNG
CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO LƯỚI
ĐIỆN PHÂN PHỐI DÙNG THIẾT BỊ BÙ NGANG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------------------
PHẠM THANH HƯNG
CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO LƯỚI
ĐIỆN PHÂN PHỐI DÙNG THIẾT BỊ BÙ NGANG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN HÙNG
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Nguyễn Hùng
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
TT Họ và tên Chức danh Hội đồng
1 Chủ tịch
2 Phản biện 1
3 Phản biện 2
4 Ủy viên
5 Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày......tháng........năm 20...
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phạm Thanh Hưng Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh:
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV:
I- Tên đề tài:
Cải thiện ổn định điện áp cho lưới điện phân phối dùng thiết bị bù ngang
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu lý thuyết ổn định điện áp hệ thống điện.
- Nghiên cứu lý thuyết về SVC và STATCOM và ứng dụng của nó vào hệ thống
điện để cải thiện chấ điện áp.
- Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK.
- Mô hình mô phỏng ứng dụng SVC và STATCOM vào hệ thống điện trên phần
mềm MATLAB/ SIMULINK.
- Ứng dụng vào lưới điện phân phối huyện U Minh để cải thiện chất lượng điện áp
trong chế độ xác lập.
- Nhận xét, đánh giá kết quả.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Hùng
CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng đuợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
Phạm Thanh Hưng

LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, Em xin chân thành cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP. HCM,
Viện đào tạo sau đại học, Viện Kỹ thuật HUTECH đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi
cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn.
Đặc biệt em xin chân thành cám ơn Thầy, PGS. TS. Nguyễn Hùng đã tận
tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báo và hướng dẫn em thực hiện hoàn thiện
luận văn này.
Cuối cùng, xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ12, đồng nghiệp và gia đình đã tạo
điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Phạm Thanh Hưng

Tóm tắt
Đề tài "Cải thiện ổn định điện áp cho lưới phân phối dùng thiết bị
bù ngang" đã giải quyết các vấn đề sau:
- Nghiên cứu lý thuyết về SVC và STATCOM và ứng dụng của nó vào
hệ thống điện để cải thiện ổn định điện áp.
- Mô hình mô phỏng ứng dụng SVC & STATCOM vào hệ thống điện
trên phần mềm MATLAB/ SIMULINK nhằm cải thiện ổn định điện áp.
- Ứng dụng vào lưới điện phân phối huyện U Minh để cải thiệnổn định
điện áp trong chế độ xác lập.
- Nhận xét và đánh giá kết quả.

Abstract
The thesis "Voltage stability improvement for delivery power systems
by using parallel compensators" has solved the following issues:
- Review the voltage stability of power systems.
- Review the SVC and STATCOM; and their applications for power
systems to improve voltage stability.
- Research how to use MATLAB/SIMULINK software.
- Simulations for SVC and STATCOM applications to power systems
by using MATLAB/SIMULINK software to improve voltage stability.
- Apply the proposal for the delivery power system of U Minh District
to improve voltage stability in the steady state.
- Comment and evaluate the simulation results.

i
MỤC LỤC
Mục lục....................................................................................................... i
Danh sách hình vẽ..................................................................................... iii
Danh sách bảng .........................................................................................vi
Chương 1 - Giới thiệu chung....................................................................1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................1
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ ..........................................................................2
1.3. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................2
1.4. Giới hạn đề tài .....................................................................................3
1.5. Điểm mới của luận văn .......................................................................3
1.6. Phạm vi ứng dụng ...............................................................................3
1.7. Bố cục của luận văn .............................................................................3
Chương 2 - Cơ sở lý thuyết ổn định điện áp của hệ thống điện .............4
2.1. Giới thiệu ...........................................................................................4
2.2. Các chế độ làm việc của hệ thống điện ................................................5
2.3. Tổng quan về ổn định hệ thống điện ....................................................8
2.4. Ổn định điện áp trong hệ thống điện ..................................................16
Chương 3 - Ứng dụng SVC và STATCOM để cải thiện ổn định điện
áp của hệ thống điện ..............................................................................24
3.1. Bù công suất phản kháng ...................................................................24
3.2. Thiết bị FACTS ................................................................................29
3.3. Thiết bị bù SVC ................................................................................30
3.4. Thiết bị bù STATCOM .....................................................................47
3.5. Bộ điều khiển công suất trên các thiết bị bán dẫn ..............................52
3.6. Hệ thống điều khiển STATCOM .......................................................62
3.7. Đặc tính bù của STATCOM ..............................................................64

ii
3.8. Ứng dụng của STATCOM ................................................................65
Chương 4 - Mô phỏng ứng dụng SVC và STATCOM để cải thiện ổn
định điện áp của hệ thống điện ..............................................................68
4.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink .............................68
4.2. Mạng điện phân phối Huyện U Minh - Cà Mau .................................69
4.3. Kết quả mô phỏng .............................................................................70
4.3.1. Lưới điện hiện hữu với tụ bù được lắp đặt ......................................70
4.3.2. Lưới điện với đề xuất lắp đặt thiết bị bù SVC .................................77
4.3.3. Lưới điện với đề xuất lắp đặt thiết bị bù STATCOM ......................85
Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai............................100
5.1. Kết luận ...........................................................................................100
5.2. Hướng phát triển tương lai ...............................................................100
Tài liệu tham khảo................................................................................101

iii
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Sự ổn định của hệ cơ học ............................................................9
Hình 2.2. Phân loại ổn định hệ thống điện ................................................11
Hình 2.3. Hệ thống điện 2 nguồn và 2 đường dây song song ....................13
Hình 2.4. Đường cong công suất - góc .....................................................14
Hình 2.5. Sự thay đổi góc công suất của hệ thống ổn định quá độ (a) và
hệ thống mất ổn định (b) ..........................................................................15
Hình 2.6. Sự thay đổi góc công suất của hệ thống ổn định dao động bé (a),
hệ thống ổn định dao động (b), hệ thống mất ổn định (c) .........................15
Hình 2.7. Đặc tuyến P-V điển hình ..........................................................23
Hình 2.8. Đặc tuyến Q-V điển hình ..........................................................23
Hình 3.1. Hệ thống truyền tải điện: (a) mô hình đơn giản, (b) giản đồ pha,
(c) đường công suất – góc ........................................................................25
Hình 3.2. Nguyên lý bù công suất phản kháng .........................................26
Hình 3.3. Giản đồ véc-tơ điện áp và dòng điện của bù công suất phản
kháng .......................................................................................................27
Hình 3.4. Giản đồ vec-tơ công suất của bù công suất phản kháng ............27
Hình 3.5. Sơ đồ tương đương của SVC ....................................................31
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý bộ Thyristor ...................................................31
Hình 3.7. Đồ thị dòng điện tải ..................................................................32
Hình 3.8. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCR .................................34
Hình 3.9. Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR .......................................35
Hình 3.10. Ảnh hưởng của giá trị góc cắt đến dòng điện của TCR ...........36
Hình 3.11. Dạng sóng của tín hiệu dòng điện của TCR ............................37
Hình 3.12. Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc cắt ....................40
Hình 3.13. Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR ................................41
Hình 3.14. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TSC ..................................42
Hình 3.15. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TSR ...............................43

iv
Hình 3.16. Hệ thống điều khiển các van trong SVC .................................44
Hình 3.17. Đặc tính U-I của SVC .............................................................45
Hình 3.18. Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp ................46
Hình 3.19. Mạch điện tương đương của STATCOM ................................48
Hình 3.20. Cấu trúc cơ bản của STATCOM .............................................49
Hình 3.21. Nguyên lý hoạt động cơ bản STATCOM ................................49
Hình 3.22. Nguyên lý bù của bộ bù tích cực .............................................51
Hình 3.23. Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng của bộ bù ................52
Hình 3.24. Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù .....................52
Hình 3.25. Thiết bị bán dẫn ......................................................................53
Hình 3.26. Cấu trúc liên kết của một VSC ba pha haicấp sử dụng IGBT55
Hình 3.27. Hoạt động của PWM ..............................................................57
Hình 3.28. Chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) “một chân” ........................59
Hình 3.29. Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu PWM .............................................59
Hình 3.30. Sơ đồ thay thế một pha chỉnh lưu PWM .................................60
Hình 3.31. Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM ...............................................61
Hình 3.32. Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM ...............................................61
Hình 3.33. Hoạt động của VSC ................................................................62
Hình 3.34. Hệ thống điều khiển của STATCOM ......................................64
Hình 3.35. Đặc tuyến V – I của STATCOM ............................................65
Hình 3.36. Đặc tuyến V – Q của STATCOM ...........................................66
Hình 4.1. Sơ đồ đơn tuyến lưới điện hiện hữu lắp tụ bù ............................70
Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng của lưới điện hiện hữu lắp tụ bù .....................71
Hình 4.3. Đường điện áp V (bus B1) trước và sau lắp tụ bù ......................73
Hình 4.9. Sơ đồ đơn tuyến khi lắp SVC ....................................................77

v
Hình 4.10. Sơ đồ mô phỏng khi lắp SVC ..................................................78
Hình 4.11. Hệ thống điều khiển của SVC..................................................81
Hình 4.12. Đường điện áp V (bus B1) trước và sau lắp SVC.....................81
Hình 4.18. Sơ đồ đơn tuyến khi lắp STATCOM .......................................85
Hình 4.19. Sơ đồ mô phỏng khi lắp STATCOM .......................................85
Hình 4.20. Cấu tạo D - STATCOM...........................................................88
Hình 4.21. Hệ thống điều khiển D – STATCOM ......................................89
Hình 4.22. Đường điện áp B1 trước và sau lắp đặt STATCOM.................90
Hình 4.28. Đường điện áp B1 lắp TỤ BÙ, SVC, STATCOM ...................94

1
Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất
trên thế giới do nó cóưu điểm rất quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang dạng
năng lượng khác. Hơnnữa, điện năng còn là dạng năng lượng dễ dàng trong sản
xuất, vận chuyển và sử dụng. Hệ thống điện của mỗi quốc gia ngày càng phát
triển để đáp ứng sự phát triển lớn mạnh của nền kinh tế xã hội. Cùng với xu thế
toàn cầu hoá nền kinh tế, hệ thống điện cũng đã, đang và hình thành các mối
liên kết giữa các khu vực trong mỗi quốc gia, giữa các quốc gia trong khu vực
hình thành nên hệ thống điện hợp nhất có quy mô rất lớn về công suất.
Ở Việt Nam, trong những năm qua sự hội nhập về kinh tế dẫn đến nhu
cầu điện năng là rất lớn, để đáp ứng nhu cầu về điện năng thì hệ thống điện
cũng ngày càng phát triển về quy mô lẫn công nghệ. Tuy nhiên, sự xuất hiện
nhiều nhà máy thủy điện và nhiệt điện cũng làm cho việc vận hành hệ thống
điện trở nên phức tạp hơn, đặc biệt là vấn đề về đồng bộ cũng như tính ổn định
của hệ thống.
Chúng ta biết rằng hệ thống điện là tập hợp các phần tử phát, dẫn, phân
phối có mối quan hệ tương tác lẫn nhau rất phức tạp, tồn tại vô số các nhiễu tác
động lên hệ thống.
Khi hệ thống điện mất ổn định, các máy phát làm việc ở trạng thái
không đồng bộ, cần cắt ra ảnh hưởng đến công suất của hệ thống; tần số hệ
thống thay đổi ảnh hưởng đến hộ tiêu thụ; điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện
tượng sụp đổ điện áp tại các nút phụ tải,…như vậy hậu quả có thể phải cắt hàng
loạt tổ máy, phụ tải, có thể làm tan rã hệ thống và gây thiệt hại nghiêm trọng
cho nền kinh tế.
Trong chế độ vận hành xác lập, chế độ làm việc cơ bản của hệ thống
điện, hệ thống điện có thể mất ổn định áp do tải biến động hay thay đổi cấu trúc
lưới…, hiện tượng này xảy ra là bình thường và liên tục, tuy nhiên nếu không

2
giải quyết thì các biến động nhỏ đó có thể phát triển thành lớn gây sự cố cho hệ
thống điện, vì vậy cần có biện pháp điều chỉnh, hỗ trợ tương ứng để hạn chế
gây thiệt hại và ảnh hưởng đến chất lượng hoạt động phụ tải tiêu thụ điện.
Việc nghiên cứu hệ thống điện và lý thuyết ổn định điện áp là cơ sở để
lựa chọn và ứng dụng các thiết bị điện phù hợp để ngăn ngừa các sự cố xảy ra
với hệ thống điện đồng thời nâng cao chất lượng điện năng và vận hành ổn
định lưới điện.
Đảm bảo chất lượng điện áp khi vận hành bình thường hoặc ổn định sau
khi chịu tác động nhiễu là rất cần thiết và quan trọng, đó là lý do tác giả lựa
chọn đề tài “Cải thiện ổn định điện áp cho lưới điện phân phối dùng thiết bị bù
ngang” nhằm nghiên cứu lý thuyết ổn định áp và nghiên cứu ứng dụng thiết bị
FACTS như SVC và STATCOM vào hệ thống điện để nâng cao chất lượng
điện áp mà bao gồm ổn định biên độ điện áp; và giảm các hiện tượng chập
chờn và nhấp nháy trong lưới điện.
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ
- Nghiên cứu lý thuyết về SVC và STATCOM và ứng dụng của nó vào hệ
thống điện để cải thiện ổn định điện áp.
- Mô hình mô phỏng ứng dụng SVC và STATCOM vào hệ thống điện trên
phần mềm MATLAB/SIMULINK để cải thiện ổn định điện áp.
- Ứng dụng vào lưới điện phân phối huyện U Minh để cải thiện ổn định điện áp
trong chế độ xác lập.
1.3. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu.
- Nghiên cứu lý thuyết ổn định áp hệ thống điện.
- Nghiên cứu lý thuyết về SVC và STATCOM và ứng dụng của nó vào hệ
thống điện để cải thiện ổn định điện áp.

3
- Nghiên cứu ứng dụng SVC và STATCOM trên mô hình lưới điện phân phối
huyện U Minh.
- Nhận xét và đánh giá kết quả.
1.4. Giới hạn đề tài
Xét một hệ thống điện làm việc ở chế độ xác lập.
1.5. Điểm mới của luận văn
Ứng dụng SVC và STATCOM vào mạng điện thực cho các khảo sát liên
quan đến ổn định biên độ điện áp và giảm thấp dao động (nhấp nháy) của lưới
điện tại nút đặt SVC và STATCOM. Hệ thống điện được mô phỏng trên phần
mềm MATLAB/SIMULINK.
1.6. Phạm vi ứng dụng
- Ứng dụng cho một lưới điện phân phối bất kỳ.
- Làm tài liệu tham khảo khi vận hành lưới điện.
1.7. Bố cục của luận văn
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: Cơ sở lý thuyết ổn định điện áp của hệ thống điện
Chương 3: Ứng dụng SVC và STATCOM để cải thiện ổn định điện áp của hệ
thống điện
Chương 4: Mô phỏng ứng dụng SVC và STATCOM để cải thiện ổn định điện
áp của hệ thống điện
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

4
Chương 2
Cơ sở lý thuyết ổn định điện áp của hệ thống điện
2.1. Giới thiệu
Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ
thống nằm trong một phạm vi cho phép ở điều kiện vận hành bình thường hoặc
sau các kích động. Hệ thống sẽ đi vào trạng thái không ổn định khi xuất hiện
các kích động như tăng tải đột ngột hay thay đổi các điều kiện của mạng lưới
hệ thống. Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng
nhất là có thể rơi vào tình trạng không thể điều khiển điện áp, gây ra sụp đổ
điện áp.
Nguyên nhân chính gây ra mất ổn định điện áp là hệ thống điện không
có khả năng đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng trong mạng. Các thông số
có liên quan đến sụp đổ điện áp là dòng công suất tác dụng, công suất phản
kháng cùng với điện dung, điện kháng của mạng lưới điện.
Mất ổn định điện áp hay sụp đổ điện áp là sự cố nghiêm trọng trong vận
hành hệ thống điện, làm mất điện trên một vùng hay trên cả diện rộng, gây thiệt
hại rất lớn về kinh tế, chính trị, xã hội. Trên thế giới đã ghi nhận được nhiều sự
cố mất điện lớn do sụp đổ điện áp gây ra như tại Ý ngày 28/9/2003, Nam Thụy
Điển và Đông Đan Mạch ngày 23/9/2003, phía Nam Luân Đôn ngày
28/8/2003, Phần Lan ngày 23/8/2003, Mỹ - Canada ngày 14/8/2003,... Ổn định
điện áp đã được quan tâm, nghiên cứu ởnhiều nước trên thế giới. Ở Việt Nam
cũng đã xảy ra nhiều lần sự cố mất điện trên diện rộng, chẳng hạn như vào các
ngày 17/5/2005, 27/12/2006, 20/7/2007 và 04/9/2007.
Do điện là yếu tố then chốt của sản xuất, nhiều nước trên thế giới không
còn tính toán thiệt hại do mất điện theo đơn vị giờ mà là đơn vị phút. Vì vậy,
việc phân tích ổn định điện áp ở Việt Nam cần được nghiên cứu nhiều hơn nữa
và có những biện pháp để ngăn ngừa sụp đổ điện áp.

5
2.2. Các chế độ làm việc của hệ thống điện
2.2.1. Các chế độ
Tập hợp các quá trình điện xảy ra trong một thời điểm hoặc một khoảng
thời gian vận hành gọi là chế độ của hệ thống điện. Đặc trưng của chế độ là các
thông số U, I, P, Q, f, δ,... Các thông số này luôn biến đổi theo thời gian, là
hàm số của thời gian. Tùy theo sự biến đổi của các thông số chế độ, ta có các
chế độ làm việc của hệ thống điện như sau:
+ Chế độ xác lập: Trong đó các thông số chế độ dao động rất nhỏ xung
quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem các thông số này là hằng số.
Trong chế độ xác lập còn được phân thành:
- Chế độ xác lập bình thường: chế độ làm việc bình thường của hệ thống
điện. Hệ thống điện được thiết kế để làm việc với các chế độ xác lập này. Với
chế độ xác lập bình thường yêu cầu thõa mãn các tiêu chí sau:
Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải
có chất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tần
số) phải nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn.
Đảm bảo độ tin cậy: các phụ tải được cung cấp điện liên tục với chất
lượng đảm bảo. Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các
hộdùng điện và điều kiện của hệ thống điện.
Có hiệu quả kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất
lượng điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân
phối điện năng nhỏ nhất.
Đảm bảoan toàn điện: phả đảm bảo an toàn cho người vận hành, người
dùng điện và thiết bịphân phối điện.
- Chế độ xác lập sau sự cố: chếđộ đã được tính trước vì sựcốlà không
thểtránh khỏi trong vận hành hệ thống điện, các chỉtiêu nhưchếđộ xác lập bình
thường nhưng giảm đi.
- Chếđộ sự cố xác lập: yêu cầu không được phép gây hại và duy trì quá
thời hạn cho phép.
+ Chế độ quá độ
Các thông số biến thiên mạnh theo thời gian.

6
- Chế độ quá độ bình thường: xảy ra thường xuyên khi hệ thống điện
chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác, yêu cầu kết thúc nhanh
và các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép.
- Chế độ quá độ sự cố: xảy ra khi có sự cố trong hệ thống điện yêu cầu
không gây hại cho hệ thống điện loại trừ nhanh nhất có thể.
2.2.2. Chế độ xác lập bình thường
Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng
(CSTD) và công suất phản kháng (CSPK). Công suất do các nguồn sinh ra phải
bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các
phần tử của hệ thống điện.
Pf = Ppt + ∆P = P (2.1)
Qf = Qpt + ∆Q = Q (2.2)
Sự biến đổi CSTD chỉ có ảnh hưởng đến tần số của hệ thống điện, ảnh
hưởng của nó đến điện áp không đáng kể. Như vậy, tần số của hệ thống điện có
thể xem là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSTD.
Sự biến đổi của CSPK ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp của hệ thống
điện. Như vậy có thể xem điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSPK.
Trong hệ thống điện các điều kiện cân bằng công suất được đảm bảo
một cách tự nhiên. Các thông số của chế độ luôn giữ các giá trị sao cho các
điều kiện cân bằng công suất được thõa mãn.
Khi xuất phát từ một vị trí cân bằng nào đó ta tăng CSTD của nguồn lên
lập tức tần số sẽ tăng lên làm cho công suất tiêu thụ của phụ tải cũng tăng lên
theo cho tới khi cân bằng với công suất của nguồn. Hay khi đóng thêm một phụ
tải CSPK thì lập tức điện áp toàn hệ thống sẽ giảm làm cho các phụ tải phản
kháng khác sẽ giảm đi cho tới khi đạt lại sự cân bằng CSPK. Tất nhiên sự điều
chỉnh này chỉ thực hiện được trong phạm vi cho phép.
Điều kiện đủ: CĐXL luôn bị kích động bởi các kích động lớn, nhỏ do sự
biến đổi không ngừng của phụ tải và sự cố các loại.
Các kích động nhỏ xảy ra liên tục, tác động vào cân bằng công suất tác
dụng trên máy phát điện và cân bằng công suất ở các nút phụ tải, cho nên chế

7
độ xác lập muốn tồn tại phải chịu được các kích động này. Nói cách khác, hệ
thống điện phải có ổn định tĩnh và ổn định điện áp, tức khả năng phục hồi chế
độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ.Đây chính là điều kiện đủ để chế độ xác
lập tồn tại.
Nếu muốn tồn tại lâu dài, hệ thống điện phải chịu được các kích động
lớn, nói cách khác, hệ thống điện phải có ổn định động, tức khả năng phục hồi
chế độ xác lập sau khi bị kích động lớn.
Chế độ xác lập được dùng trong thực tế phải thõa mãn điều kiện ổn định
tĩnh và ổn định động.
a. Ổn định tĩnh
Các kích động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, đó là sự biến đổi
của thiết bị điều chỉnh,…Các kích động này tác động lên roto của máy phát,
phá hoại sự cân bằng công suất ban đầu làm cho chế độ xác lập tương ứng bị
dao động. CĐXL muốn duy trì được thì phải chịu được các kích động nhỏ này,
có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được giữ vững trước các kích động nhỏ,
nói đúng hơn là sự cân bằng công suất phải được khôi phục sau các kích động
nhỏ, trong trường hợp đó ta nói rằng hệ thống có ổn định tĩnh.
Ta có, định nghĩa ổn định tĩnh: ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống
điện khôi phục lại chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ.
Như vậy ổn định tĩnh là điều kiện đủ để một chế độ xác lập tồn tại trong
thực tế.
b. Ổn định động
Các kích động lớn xảy ra ít hơn so với các kích động nhỏ, nhưng có biên
độ khá lớn. Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện,
biến đổi của phụ tải điện và các sự cố ngắn mạch,…Các kích động lớn tác động
làm cho cân bằng công suất Cơ – Điện bị phá vỡ đột ngột, CĐXL tương ứng bị
dao động rất mạnh. Khả năng của hệ thống điện chịu được các kích động này
mà CĐXL không bị phá hoại gọi là khả năng ổn định động của hệ thống điện.

8
Ta có định nghĩa ổn định động: Ổn định động là khả năng của hệ thống
điện khôi phục lại chế độ làm việc ban đầu hoặc là rất gần chế độ ban đầu sau
khi bị kích động lớn.
Như vậy ổn định động là điều kiện để cho chế độ của hệ thống điện tồn
tại lâu dài [1].
2.3. Tổng quan về ổn định hệ thống điện
2.3.1. Đặc điểm hoạt động của hệ thống điện
Điện năng là sản phẩm không thể dự trữ được mà phụ tải yêu cầu đến
đâu thì hệ thống điện sản xuất đến đó. Công suất của nguồn điện phải luôn luôn
cân bằng với công suất sử dụng của phụ tải. Công suất của phụ tải luôn biến đổi
theothời gian, do đó công suất phát cũng phải biến đổi không ngừng để đáp
ứng. Các thông số chất lượng điện năng biến đổi theo phụ tải do đó phải được
điều chỉnh liên tục.
Các quá trình xảy ra trong hệ thống điện rất nhanh, từ phần trăm giây
đến vài chục giây. Ví dụ sau khi xảy ra ngắn mạch thì trong vòng 0,01 giây
dòng điện ngắn mạch đạt tới đỉnh nguy hiểm. Do đó trong hệ thống điện phải
sử dụng các thiết bị có phản ứng rất nhanh để điều khiển chế độ.
Hệ thống điện chịu tác động của quá trình già hóa thiết bị, quá trình này
gây ra những hỏng hóc ngẫu nhiên, dẫn đến ngừng cung cấp điện. Do đó hệ
thống điện phải được tổ chức bảo dưỡng định kỳ để phục hồi khả năng làm việc
và thay thế thiết bị hết hạn sử dụng.
Hệ thống điện chịu tác động mạnh của môi trường, nhất là môi trường
địa lý có thể gây ra thiếu năng lượng sơ cấp (do khô hạn…), hỏng hóc thiết bị
dẫn đến mất điện (sấm sét, gió bão, lũ lụt, sinh vật gây ngắn mạch…), do đó hệ
thống điện phải có dự phòng khá lớn công suất nguồn và năng lượng sơ cấp,
phải có hệ thống vận hành hoàn hảo, hệ thống tự động chống sự cố để giảm
thấp nhất các thiệt hại.
Hệ thống điện là một khối thống nhất trải rộng khắp đất nước làm cho
việc điều khiển hoạt động và truyền tin rất khó khăn. Do đó để điều khiển tốt

9
hoạt động, hệ thống phải được phân cấp điều khiển và phải được trang bị các
kỹ thuật điều khiển, đo lường và thông tin hoàn hảo.
Hệ thống điện không ngừng phát triển trong không gian và theo thời
gian, do đó đòi hỏi hệ thống vận hành cũng phải phát triển không ngừng về số
lượng và chất lượng để thích ứng.
Hệ thống điện là tập hợp các phần tử phát, dẫn, phân phối có mối quan
hệ tương tác lẫn nhau rất phức tạp, chịu tác động, ảnh hưởng của nhiều yếu tố
như các đặc điểm đã nêu ở trên, chịu vô số các nhiễu tác động lên hệ thống.
Tuy nhiên hệ thống điện phải đảm bảo được tính ổn định trong quá trình làm
việc.
2.3.2. Ổn định hệ thống điện
Ổn định hệ thống điện là khảnăng hệ thống điện đang làm việc ở trạng
thái vận hành này có thể làm việc ở trạng thái vận hành mới sau khi chịu tác
động của các kích động tự nhiên.
Xét sự ổn định của hệ cơ học sau:
Hình 2.1. Sự ổn định của hệ cơ học
Ta thấy rằng hệ thống bánh lăn có hai loại điểm cân bằng hay hai trạng
thái nghỉ, các điểm cân bằng này như sau:
- Điểm cân bằng ổn định A: sau các dao động lớn hay nhỏ banh sẽtrởlại
vị trí ban đầu.
- Điểm cân bằng không ổn định B: tại đó banh sẽbịrời vị trí B nếu chỉcần
một tác động nhẹ.
A
B
A
(a) (b)

10
Sự ổn định của banh được định nghĩa nhưlà khảnăng của banh trởlại trạng
thái nghỉlâu dài A (điểm vận hành bình thường trong hệ thống kỹ thuật) sau các
dao động nhỏhoặc lớn. Hệthống là bền nếu banh trởlại điểm cân bằng ổn định
của nó sau khi bị tác động.
Ổn định hệ thống điện là khả năng trở lại vận hành bình thường hoặc ổn
định sau khi chịu tác động nhiễu.Đây là điều kiện thiết yếu để hệ thống có thể
tồn tại và vận hành. Ở chế độ xác lập để tồn tại cần phải có sự cân bằng công
suất trong hệ (khi đó các thông số của hệ mới giữ không đổi) và đồng thời phải
duy trì được độ lệch nhỏ của các thông số dưới những kích động ngẫu nhiên
nhỏ (làm các thông số này lệch khỏi các giá trị tại điểm cân bằng). Hoặc do tác
động của những thao tác đóng cắt, hệ thống điện cần phải chuyển từ trạng thái
xác lập này sang trạng thái xác lập khác.
Ổn định hệ thống điện nhằm đáp ứng chất lượng điện năng phục vụ tốt
nhất.
Chất lượng điện năng bao gồm: chất lượng tần số và chất lượng điện áp.
Trong đó, chất lượng tần số được đánh giá bằng:
- Độ lệch tần số so với tần số định mức:
(2.3)
- Độ lệch tần số phải nằm trong giới hạn cho phép:
(2.4)
Cũng có nghĩa là tần số phải luôn nằm trong giới hạn cho phép:
(2.5)
Trong đó:
- Độ dao động tần số đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của
tần số khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn hơn 0,1%. Độ dao động tần số
không được lớn hơn giá trị cho phép.

11
* Điều chỉnh tần số:
Việc điều chỉnh tần số bao gồm 3 giai đoạn như sau.
- Điều chỉnh cấp 1 hay điều chỉnh tốc độ (điều chỉnh sơ cấp), do thiết bị
tự động điều chỉnh tốc độ của máy phát tự động thực hiện, giữ tần số ở giá trị
chấp nhận được.
- Điều chỉnh cấp 2 hay điều chỉnh tần số, do điều độ viên thực hiện hoặc
tự động thực hiện nhờ thiết bị tự động điều chỉnh tần số. Đưa tần số về giá trị
định mức hoặc trong miền độ lệch cho phép tùy thuộc hệ thống điều tần sử
dụng.
- Điều chỉnh cấp 3 nhằm mục đích phân bố lại công suất giữa các nhà
máy điện theo điều kiện kinh tế.
2.3.3. Phân loại ổn định hệ thống điện
Hình 2.2. Phân loại ổn định hệ thống điện
Hệ thống điện được phân loại ổn định dựa trên các chỉ tiêu như ổn định
góc rotor, tần số và điện áp. Phân loại ổn định trong hệ thống điện được trình
bày như Hình 2.2.

12
2.3.4. Giới hạn ổn định trong hệ thống điện
Việc phát và truyền tải công suất tác dụng và công suất phản kháng bị
ràng buộc bởi các giới hạn sau.
a. Giới hạn điện áp
Các thiết bị điện của điện lực và khách hàng được thiết kế để hoạt động
ở công suất định mức hoặc điện áp định mức. Phần lớn, sự lệch áp kéo dài so
với điện áp định mức có thể gây bất lợi cho đặc tính làm việc và có thể phá hủy
thiết bị.Dòng điện chạy trong đường dây truyền tải gây ra một sụt áp lớn không
mong muốn trên đường dây của hệ thống.Điện áp rơi là nguyên nhân chính gây
nên tổn thất công suất phản kháng. Tổn thất này xảy ra ngay khi có dòng điện
chạy trong hệ thống. Nếu công suất phát ra từ các máy phát điện hoặc các
nguồn phát khác là khôngđủ để cung cấp cho nhu cầu của hệ thống, thì điện áp
sẽ bị giảm.
Giới hạn chấp nhận là +6% giá trị điện áp định mức (Phụ thuộc vào tiêu
chuẩn cho phép của từng cấp điện áp và từng quốc gia khác nhau). Hệ thống
thường yêu cầu hỗtrợ công suất phản kháng để giúp ngăn chặn vấn đề điện áp
giảm thấp. Tổng công suất phản kháng sẵn sàng hỗ trợ thường được xác định
theo giới hạn truyền tải công suất. Hệ thống có thể bị hạn chế đến mức thấp
công suất tác dụng truyền tải hơn mong muốn bởi vì hệ thống không đáp ứng
yêu cầu dự trữ công suất phản kháng đủđể hỗ trợ điện áp.
b. Giới hạn nhiệt
Các giới hạn nhiệt do khả năng chịu nhiệt của các thiết bị hệ thống điện.
Ngay khi công suất truyền tải gia tăng, biên độ dòng điện gia tăng, dẫn đến hư
hỏng quá nhiệt. Cho ví dụ, trong các nhà máy điện, việc vận hành liên tục các
thiết bị ở mức giới hạn vận hành tối đa sẽ dẫn đến hư hỏng do nhiệt, ví dụ có
thể là cuộn dây stator hoặc cuộn dây rotor của máy phát điện. Cả côngsuất tác
dụng và phản kháng đều tác động đến biên độ dòng điện.Ngoài ra trong hệ
thống điện, các đường dây truyền tải và thiết bị liên quan cũng phải vận hành
có các giới hạn nhiệt. Việc phải thường xuyên vận hành quá tải các đường dây

13
trên không làm cho cấu trúc kim loại của dây dẫn bị phá vỡ, làm giảm khả năng
dẫn điện của chúng. Quá tải liên tục sẽ làm giảm tuổi thọ của thiết bị do giảm
cách điện. Hầu hết các thiết bị điệncó thể được quá tải cho phép, chú ý giới hạn
quá tải và thời gian quá tải.
c. Giới hạn ổn định
Ổn định hệ thống điện là khả năng của hệ thống để duy trì trạng thái vận
hành cân bằng trong những điều kiện vận hành bình thường và trở lại trạng thái
cân bằng sau khi chịu tác động của các nhiễu loạn. Mất ổn định trong hệ thống
điện được thểhiện dưới nhiều dạng khác nhau phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống
và chế độ vận hành.Thông thường, ổn định là việc duy trì tất cả các máy phát
đồng bộ trong hệ thống điện làm việc đồng bộ với nhau.
Xem xét giới hạn ổn định của hệ thống gồm 2 nguồn và 2 đường dây
song song với nhau như Hình 2.3:
Hình 2.3. Hệ thống điện 2 nguồn và 2 đường dây song song
Công suất tác dụng truyền tải giữa hai thanh cái là phụ thuộc vào góc δ.
Khi xảy ra sự cố trên đường dây 1-2 thì máy cắt 1 và máy cắt 2 cắt ra, điểm
ngắn mạch được cô lập. Hệthống điện đang làm việc ổn định tại điểm góc ban
đầu δ0 thì xảy ra ngắn mạch,đường công suất của hệ thống bị sự cố giảm thấp
đột ngột do tổng trở của đườngdây tăng lên, góc δ=δ0, hệ thống bảo vệ rơle cắt
nhanh sựcốtại điểm máy cắt cắt nhanh. Tại điểm 3 do công suất P điện lớn hơn
công suất cơ PM của tua-bin nên máy phát bắt đầu hãm tốc cho đến điểm 4 và
trở về lại điểm 5 xác lập một trạng thái ổn định mới với góc δss.
Nếu tại điểm 4 máy phát không được hãm tốc và tiếp tục trượt dài nữa
thì làm cho mất ổn định đồng bộ.

14
Vậy giới hạn ổn định của hệthống điện là phần diện tích Sttphải nhỏhơn
phần diện tích hãm tốc Sht.
Phân tích góc ổn định công suất hệthống điện là nghiên cứu đặc tính
động của hệ thống điện. Đặc tính động liên quan đến sự thay đổi giá trị của
dòng công suất, điện áp, gócvà tần số sau khi hệ thống chịu tác động của những
nhiễu loạn lớn hoặc nhỏ.
Hình 2.4. Đường cong công suất - góc
Ổn định góc công suất là được chia thành hai dạng: Ổn định quá độ và
ổn định dao động bé.
+ Ổn định quá độ
Ổn định quá độ được định nghĩa là khả năng của hệ thống để duy trì
sựđồng bộ khi chịu tác động của các nhiễu loạn lớn.Nó được xác định bằng
cách hệ thống đáp ứng được các nhiễu loạn lớn. Hệ thống được gọi là ổn định
quá độ nếu nó có thể vượt qua được nhiễu loạn ban đầu và trở lại ổn định,
ngược lại hệ thống là không ổn định nếu nó không thể vượt qua được.
Đối với một hệthống ổn định, khi bất ngờxảy ramột nhiễu loạn lớn, giá
trị góc hệ thốngbắt đầu tăng đến đỉnh điểm và sau đó bắt đầu giảm,làm cho hệ
thống ổn định quá độ. Kết quả là hệ thống đáp ứng độ lệch phứctạp của góc
rotor máy phát. Ổn định phụ thuộc vào trạng thái vận hành ban đầucủa hệ
thống và độ lớn của nhiễu loạn.

15
Hình 2.5. Sự thay đổi góc công suất của hệ thống ổn định quá độ (a) và hệ
thống mất ổn định (b)
Nhiều hệ thống điện phải giới hạn truyền tải công suất của chúng để có
lợi cho ổn định quá độ. Nói chung, hệ thống điện với đường dây truyền tải dài
và nhà máy ở xa dễ bị mất ổn định quá độ. Phương pháp để phân tích giới hạn
quá độ là nghiên cứu sự thay đổi góc rotor của tất cả các máy phát điện đồng
bộ kết nối đến hệ thống sau khi hệ thống bị tác động bởi các nhiễu loạn lớn.Kỹ
thuật sử dụng phần mềm máy tính tích hợp để phân tích ổn định quá độ của hệ
thống.
+ Ổn định dao động bé
Hình 2.6. Sự thay đổi góc công suất của hệ thống ổn định dao động bé (a), hệ
thống ổn định dao động (b), hệ thống mất ổn định (c)

16
Ổn định dao động bé là khả năng của của hệthống điện trở lại ổn định
sau khi chịu tác động từ các nhiễu loạn bé. Ổn định dao động là đặc tính liên
quan đến biên độ và độ dài của các nhiễu loạn hệthống điện.Nhiễu loạn điện
áp, tần số, góc và dòng công suất có thể bị tác động từ nhiều yếu tố khác nhau.
Các nhiễu loạn bé có thể phát triển thành lớn làm hệ thống điện mất ổn định.
2.4. Ổn định điện áp trong hệ thống điện
2.4.1. Khái niệm
Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ
thống nằm trong phạm vi cho phép ở điều kiện vận hành bình thường hoặc sau
các kích động.
2.4.2. Các tiêu chuẩn ổn định điện áp
Các tiêu chuẩn ổn định điện áp được thể hiện như sau.
- Độ lệch điện áp so với điện áp định mức của lưới điện:
(2.6)
Trong đó:
U là điện áp thực tế trên cực các thiết bị dùng điện,
phải thỏa mãn điều kiện:
, là giới hạn trên và giới hạn dưới của độ lệch điện áp.
Tiêu chuẩn về độ lệch điện áp của các nước khác nhau.
Khi điện áp quá cao làm tuổi thọ thiết bị dùng điện giảm, nhất là thiết bị chiếu
sáng, còn khi điện áp thấp quá làm cho các thiết bị dùng điện giảm công suất,
nhất là đèn điện. Điện áp cao hoặc thấp quá đều gây ra phát nóng phụ cho thiết
bị dùng điện, làm giảm tuổi thọ và năng suất công tác, làm hỏng sản
phẩm,…nếu thấp quá thì nhiều thiết bị dùng điện không làm việc được.
Độ lệch điện áp là tiêu chuẩn điện áp quan trọng nhất ảnh hưởng lớn đến giá
thành hệ thống điện.

17
- Độ dao động điện áp:
Sự biến thiên nhanh của điện áp được tính theo công thức:
(2.7)
Tốc độ từ Umax đến Umin không nhỏ hơn 1%/s.
Dao động điện áp gây ra dao động ánh sáng, làm hại mắt người lao động, gây
nhiễu máy thu thanh, máy thu hình và các thiết bị điện tử…
Độ dao động điện áp được hạn chế trong miền cho phép.
Chẳng hạn:
- Tiêu chuẩn Nga quy định dao động điện áp trên cực các thiết bị chiếu sáng
như sau:
Trong đó:
n số dao động trong 1 giờ;
thời gian trung bình giữa 2 dao động (phút).
Theo tiêu chuẩn này, nếu 1 giờ có 1 dao động thì biên độ được phép là 7%. Đối
với các thiết bị có sự biến đổi đột ngột công suất trong vận hành chỉ cho phép
đến 1,5%. Còn đối với các phụ tải khác không được chuẩn hóa, nếu
>15% sẽ dẫn đến hoạt động sai của khởi động từ và các thiết bị điều khiển.
- Độ không đối xứng
Phụ tải các pha không đối xứng dẫn đến điện áp các pha không đối
xứng, sự không đối xứng này được đặc trưng bởi thành phần thứ tự nghịch U2
của điện áp.
Điện áp không đối xứng làm giảm hiệu quả công tác và tuổi thọ của thiết
bị dùng điện, giảm khả năng tải của lưới điện và tăng tổn thất điện năng.

18
- Độ không sin
Các thiết bị dùng điện có đặc tính phi tuyến như máy biến áp không tải,
bộ chỉnh lưu, thyristor…làm biến dạng đường đồ thị điện áp, khiến nó không
còn là hình sin nữa và xuất hiện các sóng hài bậc cao Uj, Ij. Các sóng hài bậc
cao này góp phần làm giảm điện áp trên đèn điện và thiết bị sinh nhiệt, làm
tăng thêm tổn thất sắt từ trong động cơ, tổn thất điện môi trong cách điện, tăng
tổn thất trong lưới điện và thiết bị dùng điện, giảm chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật
của hệ thống cung cấp điện, gây nhiễu máy thu thanh, máy thu hình và các thiết
bị điện tử khác…[1]
2.4.3. Nguyên nhân làm mất ổn định điện áp
Hệ thống có thể rớt vào trạng thái mất ổn định điện áp vì những nguyên
nhân sau:
- Những kích độngnhỏ trong hệ thống xuất hiện như do yêu cầu công
suất phụ tải thay đổi hay thay đổiđầu phân áp tại các trạm biến áp.
- Những kích động lớn như việc mất tải đột ngột vì một lý do nào đó;
tình trạng quá tải trên đường dây hoặc sự cố thay đổi cấu trúc mạng lưới.
- Yêu cầu về cung cấp công suất phản kháng của các phụ tải cũng là
một yếu tố dẫn đến dao động điện áp.
- Các điều kiện vận hành của hệ thống như: khoảng cách giữa nguồn và
phụ tải xa, đồ thị phụ tải không thuận lợi, sự phối hợp giữa các thiết bị và bảo
vệ chưa hiệu quả.
2.4.4. Phân loại ổn định điện áp
Phân loại ổn định điện áp dựa trên nguyên nhân tác động gây mất ổn
định điện áp:
+ Ổn định điện áp nhiễu loạn lớn (ổn định động): Khả năng của hệ
thống điện để duy trì ổn định điện áp ngay sau khi các nhiễu loạn lớn xảy ra
như các sự cố hệ thống, ngắt máy phát điện, hoặc ngắn mạch,… Khả năng này
được xác định bởi đặc tính của hệ thống và phụ tải, và ảnh hưởng của cả hệ

19
thống điều khiển và bảo vệ. Nghiên cứu ổn định này quan tâm trong khoảng
thời gian từ một vài giây đến 10 phút.
+ Ổn định điện áp nhiễu loạn bé (ổn định tĩnh): Khả năng của hệ thống
để duy trì ổn định điện áp khi hệ thống xảy ra các dao động bé như việc gia
tăng sự thay đổi trong hệ thống phụ tải. Đây là dạng ổn định bị ảnh hưởng bởi
đặc tính của phụ tải, việc điều khiển liên tục và điều khiển gián đoạn ở thời
gian tức thời đã cho trước.
+ Ổn định điện áp trong ngắn hạn: liên quan đến tác động của các thành
phần phụ tải thay đổi nhanh như mô-tơ cảm ứng, phụ tải có điều khiển bằng
thiết bị điện tử,... Nghiên cứu quá trình trong khoảng vài giây.
+ Ổn định điện áp trong dài hạn: liên quan đến các thiết bị hoạt động
chậm hơn như máy biến áp điều nấc, các phụtải có điều khiển theo nhiệt độ và
các máy phát điện có bộ hạn dòng. Thời gian quá độ có thể được mở rộng một
vài phút và dài hơn nữa [1].
2.4.5. Điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện
Chất lượng điện áp được đảm bảo nhờ các biện pháp điều chỉnh điện áp
trong lưới truyền tải và phân phối. Các biện pháp điều chỉnh điện áp và thiết bị
để thực hiện được chọn lựa trong quy hoạch, thiết kế lưới điện và hoàn thiện
thường xuyên trong vận hành.
Để điều chỉnh điện áp phải điều chỉnh công suất phản kháng của nguồn
điện và các nguồn công suất phản kháng khác. Vì điện áp có tính chất khu vực
nên điều chỉnh điện áp cũng phải phân cấp và phân tán. Điều chỉnh điện áp bao
gồm điều chỉnh công suất phản kháng của nhà máy điện, các bộ tụ bù có điều
khiển được đặt ở nhiều nơitrong hệ thống điện, phân bố lại dòng công suất
phản kháng trên lưới điện bằng cách điều chỉnh dưới tải các đầu phân áp của
các máy biến áp ở trạm khu vực và trung gian có đặt điều áp dưới tải. Các đầu
phân áp của các máy biến áp điều chỉnh ngoài tải phải được chọn phù hợp. Các
điều chỉnh điện áp phải được phối hợp với nhau để đạt hiệu quả chung cao
nhất.

20
Chú ý rằng điều chỉnh điện áp gồm nhiều cấp mà chỉ ở cấp lưới phân
phối trung, hạ áp mới nhằm đáp ứng trực tiếp được yêu cầu chất lượng điện áp
của phụ tải, vì chất lượng điện áp được đánh giá trên cực các thiết bị dùng điện.
Điều chỉnh điện áp ở các cấp cao hơn nhằm vào mục đích của hệ thống điện là
giảm tổn thất công suất và đảm bảo điều kiện thuận lợi cho điều chỉnh điện áp
ở cấp lưới phân phối.
Điều kiện cần để điều chỉnh điện áp là nguồn điện phải có dư thừa công
suất phản kháng và điều kiện đủ là các công suất phản kháng đó phải điều
chỉnh được.
2.4.5.1. Sự biến đổi điện áp trên lưới hệ thống
Tổn thất điện áp trên lưới hệ thống được tính như sau:
(2.8)
Trên lưới hệ thống X>>R nên có thể viết:
(2.9)
Ta thấy điện áp trên lưới hệ thống phụ thuộc chủ yếu vào dòng công
suất phản kháng Q và sơ đồ lưới điện X. Bù công suất phản kháng làm giảm
tổn thất điện áp và giảm tổn thất công suất tác dụng trên lưới điện.
Có 2 loại biến thiên điện áp trên lưới hệ thống:
+ Biến đổi chậm gây ra bởi sự biến đổi tự nhiên của phụ tải theo thời
gian.
+ Biến đổi nhanh do nhiều nguyên nhân khác nhau: Sự dao động điều
hòa hoặc ngẫu nhiên của phụ tải, sự biến đổi sơ đồ lưới điện, hoạt động của
rơle bảo vệ và các thiết bị tự động hóa, khởi động hay dừng tổ máy phát.
2.4.5.2. Mục tiêu điều chỉnh điện áp
Giữ vững điện áp trong mọi tình huống vận hành bình thường cũng như
sự cố, trong phạm vi cho phép xác định bởi giới hạn trên và dưới.

21
Giới hạn trên xác định bởi khả năng chịu áp của cách điện và hoạt động
bình thường của các thiết bị cao áp và siêu cao áp. Nếu điện áp tăng cao sẽ làm
già hóa nhanh cách điện và làm cho thiết bị hoạt động không chính xác.
Giới hạn dưới xác định bởi điều kiện an toàn hệ thống, tránh quá tải
đường dây và máy biến áp (trong lưới điện có điều áp dưới tải khi P là hằng số,
nếu U giảm I sẽ tăng gây quá tải), tránh gây mất ổn định điện áp (hiện tượng
suy áp).
Giới hạn trên đây là giới hạn kỹ thuật hay điều kiện kỹ thuật. Trong lưới
điện 220 KV trở lên, điện áp chỉ được phép dao động trong khoảng ±5% so với
Uđm. Với mức giới hạn này thì việc điều chỉnh dưới tải ở các máy biến áp khu
vực và trung gian sẽ rất thuận lợi.
- Trong giới hạn kỹ thuật cho phép, giữ mức điện áp sao cho tổn thất
công suất tác dụng nhỏ nhất.
2.4.5.3. Phương tiện điều chỉnh điện áp
+ Điều chỉnh kích từ máy phát điện.
+ Điều chỉnh dưới tải hệ số biến áp (đầu phân áp) ở máy biến áp tăng áp
và máy biến áp hạ áp theo thời gian.
+ Điều chỉnh điện áp ở các máy biến áp bổ trợ chuyên dùng có điều
chỉnh điện áp.
+ Điều chỉnh công suất phản kháng của các nguồn công suất phản kháng
đặt trên lưới: nguồn điều khiển hai chiều SVC, STATCOM,… hoặc tụ bù.
+ Điều chỉnh ngoài tải đầu phân áp ở các máy biến áp chỉ có đầu phân
áp cố định, điều chỉnh theo mùa.
2.4.5.4. Phương thức điều chỉnh điện áp
Theo hệ thống điều chỉnh của EDF
- Điều chỉnh sơ cấp là quá trình đáp ứng nhanh và tức thời các biến đổi
điện áp nhanh và ngẫu nhiên bằng tác động của các thiết bị điều chỉnh điện áp
máy phát và các máy bù tĩnh. Trong trường hợp điện áp biến đổi lớn thì các bộ
tự động điều áp dưới tải ở các máy biến áp cũng tham gia vào quá trình điều

22
chỉnh. Điều chỉnh sơ cấp thực hiện tự động trong thời gian rất nhanh. Điều
chỉnh sơ cấp nhằm mục đích giữ điện áp lưới điện ở mức an toàn, tránh nguy
cơ suy áp trong chế độ bình thường và nhất là khi sự cố,
- Điều chỉnh thứ cấp để đối phó với các biến đổi chậm và có biên độ lớn
của điện áp. Điều chỉnh thứ cấp hiệu chỉnh lại các giá trị điện áp chỉ định của
các thiết bị điều chỉnh sơ cấp của các máy phát và các bộ tụ bù có điều khiển tự
động trong miền nó đảm nhận. Quá trình này kết thúc trong vòng 3 phút.
- Điều chỉnh cấp 3 điều hòa mức điện áp giữa các miền điều chỉnh cấp 2,
tối ưu hóa mức điện áp của hệ thống điện theo tiêu chuẩn kinh tế và an toàn.
Quá trình này có thể thực hiện bằng tay hoặc tự động.
Ba cấp điều chỉnh trên được phân biệt theo thời gian và trong không
gian. Theo thời gian để tránh mất ổn định của quá trình điều chỉnh, trong không
gian để có thể chiếu cố ưu tiên các yêu cầu khu vực [1].
2.4.6. Đánh giá ổn định áp qua đường cong P-V và Q-V
Mất ổn định điện áp có ảnh hưởng mở rộng đến toàn hệ thống điện vì nó
phụ thuộc vào quan hệ giữa công suất tác dụng truyền tải P, công suất phản
kháng Q bơm vào nút và điện áp cuối đường dây V. Các quan hệ này đóng vai
trò hết sức quan trọng trong phân tích ổn định điện áp và thường được thể hiện
dưới dạng các đường đặc tuyến trên đồ thị.
Nhờ các đường đặc tuyến này ta sẽ phân tích sự ổn định của hệ thống,
trong phân tích ổn định điện áp ta thường dùng 2 loại đường cong hay còn gọi
là đặc tuyến: Đặc tuyến P-V và đặc tuyến Q-V.
2.4.6.1. Đặc tuyến P-V
Hình 2.7 biểu diễn dạng tiêu biểu của đường cong PV. Nó thể hiện sự
thay đổi điện áp tại từng nút, được xem là một hàm của tổng công suất tác dụng
truyền đến nút đó.Có thể thấy rằng tại điểm tới hạn (còn gọi là điểm “mũi”) của
đường cong PV, điện áp sẽ giảm rất nhanh khi phụ tải tăng lên.Hệ thống sẽ bị
sụp đổ điện áp nếu công suất vượt quá điểm tới hạn này.Như vậy, đường cong
này có thể được sử dụng để xác định điểm làm việc giới hạn của hệ thống để

23
không làm mất ổn định điện áp hoặc sụp đổ điện áp, từ đó xác định độ dự trữ
ổn định điện áp của hệ thống.
Hình 2.7. Đặc tuyến P-V điển hình
2.4.6.2. Đặc tuyến QV
Hình 2.8. Đặc tuyến Q-V điển hình
Ảnh hưởng của công suất phản kháng của phụ tải hay thiết bị bù được
biểu diễn rõ ràng trong quan hệ đường cong QV. Nó chỉ ra độ nhạy và biến
thiên của điện áp nút đối với lượng công suất phản kháng bơm vào hoặc tiêu
thụ.
Đặc tuyến QV xác định được độ dự trữ công suất phản kháng là khoảng
cách từ điểm vận hành đến điểm mũi của nút ứng với một chế độ vận hành.
Nếu độ dự trữ công suất phản kháng lớn thì biểu thị nút đó đạt được độ dự trữ
ổn định điện áp tốt và nếu độ dự trữ công suất phản kháng càng nhỏ thì độ dự
trữ ổn định điện áp tại nút đó càng thấp.

24
Chương 3
Ứng dụng SVC và STATCOM để cải thiện ổn định điện áp
của hệ thống điện
3.1. Bù công suất phản kháng
3.1.1. Công suất phản kháng
Trong hệ thống điện có các khái niệm: công suất tác dụng P (kW), công suất
phản kháng Q (kVAr) và công suất biểu kiến S (kVA).
Công suất tác dụng P: Tác dụng sinh công biến đổi điện năng thành các dạng
năng lượng khác như cơ năng, nhiệt- quang năng,… Vì vậy, công suất P gọi là năng
lượng hữu công.
Công suất phản kháng Q: Không sinh công mà chỉ chạy trong lưới điện. Vì vậy
còn gọi là công suất vôcông, tuy nhiên công suất phản kháng cần thiết để tạo từ trường
phục vụ thực hiện quá trình biến đổi năng lượng.
Do đó, trong vận hành người ta mong muốn sử dụng CSPK của lưới điện càng
ít càng tốt miễn sao thiết bị vẫn hoạt động bình thường. Một vấn đề khác là trong quá
trình truyền tải điện năng từ nơi sản xuất điện (các nhà máy thủy điện, nhiệt điện,...)
thì có tổn hao trên đường dây truyền tải làm điện áp tại các điểm cách xa nguồn bị suy
giảm, do đó để đảm bảo cho điện áp không bị suy giảm lớn thì cần bù CSPK. CSPK
cung cấp cho tải tiêu thụ không nhất thiết phải lấy từ nguồn vì vậy để tránh truyền tải
một lượng CSPK lớn người ta đặt gần các tải tiêu thụ các thiết bị sinh CSPK như SVC,
STATCOM,…để cung cấp trực tiếp cho tải. Việc thực hiện như vậy gọi là bù CSPK
[4].
3.1.2. Nguyên lý bù công suất phản kháng
Xét việc truyền công suất của mô hình đơn giản hệ thống truyền tải điện 2 bus
được kết nối bằng một đường dây truyền tải.
Giả định rằng: Có tổn thất và được thể hiện bằng điện kháng XL.
Điện áp của hai nút là V1∠δ1 và V2∠δ2.
Góc lệnh pha điện áp giữa 2 nút là:
δ = δ1 – δ2 (3.1)

25
Công suất tại các nút:
δ
sin
2
1
2
1
L
X
V
V
P
P =
= (3.2)
Hình 3.1. Hệ thống truyền tải điện: (a) mô hình đơn giản, (b) giản đồ pha, (c) đường
công suất – góc [4]
Biên độ của dòng điện chạy trong đường dây truyền tải:
1 1 2 2
L
L L
V V
V
I
X X
δ δ
∠ − ∠
= =
(3.3)
Thành phần tác dụng và thành phần phản kháng của dòng điện chạy trong bus 1:
1
1
sin
d
L
V
I
X
δ
=
(3.4)
Bus 1 Bus 2
XL
(a)
P
δ
π/2
Pmax
π
P1 = P2
VL
V1< δ1
V2< δ2
I
(b)
(c)

26
1 2
1
cos
q
L
V V
I
X
δ
−
=
(3.5)
Công suất tác dụng và công suất phản kháng tại bus 1:
1 2
1
sin
L
VV
P
X
δ
=
(3.6)
( )
1 1 2
1
cos
L
V V V
Q
X
δ
−
=
(3.7)
Tương tự, thành phần tác dụng và thành phần phản kháng của dòng điện chạy trong
bus 2:
2
2
sin
d
L
V
I
X
δ
=
(3.8)
2 1
2
cos
q
L
V V
I
X
δ
−
=
(3.9)
Công suất tác dụng và công suất phản kháng tại bus 2:
1 2
2
sin
L
VV
P
X
δ
=
(3.10)
Q2 = (3.11)
Từ các phường trình phân tích trên ta thấy rằng dòng điện, công suất tác dụng
và công suất phản kháng có thể được điều chỉnh bằng cách điều khiển điện áp, góc pha
và tổng trở của hệ thống truyền tải [12].
Hình 3.2. Nguyên lý bù công suất phản kháng

27
Hình 3.3. Giản đồ véc-tơ điện áp và dòng điện của bù công suất phản kháng
Hình 3.4. Giản đồ vec-tơ công suất của bù công suất phản kháng
Ta thấy khi bù công suất phản kháng thì góc φ giảm và cos φ tăng. Vì vậy, việc
bù công suất phản kháng thực chất là nâng cao hệ số công suất.
Khả năng truyền tải công suất của đường dây được cải thiện đáng kể bằng việc
tăng công suất phản kháng ở phía phụ tải, bù công suất phản kháng trong hệ thống
điện có 2 cách:
+ Bù song song (bù ngang): thông dụng nhất là bù kháng song song được sử
dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải điện để điềuchỉnh biên độ điện áp, cải thiện
chất lượng điện áp và nâng cao ổn định hệ thống. Cuộn kháng đấu nốisong song sử
dụng để giảm quá điện áp đường dây bằng cách hấp thụ công suất phản kháng. Trong
khi đó,tụ bù kết nối song song sử dụng để duy trì mức điện áp bằng cách bù công suất
phảnkhángđến đường dây truyền tải.
+ Bù nối tiếp (bù dọc): mục đích của bù nối tiếp để điều khiển trực tiếp tổng trở
nối tiếp của cả đường dây truyền tải điện. Bù nối tiếp có thể giảm được tổng trở nối
tiếp đường dây. Gia tăng điện áp chống lại sụt áp của đường dây truyền tải.
3.1.3. Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng
Giảm được tổn thất công suất trên mạng điện do giảm được CSPK truyền tải
trên đường dây.

28
Giảm được tổn hao điện áp trong mạng điện do giảm được thành phần kháng do
CSPK gây ra.
Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp. Khả năng truyền tải
của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng tức phụ thuộc vào
dòng điện cho phép của chúng. Dòng điện chạy trên dây dẫn và máy biến áp được tính
theo công thức:
2 2
3 3
P Q
S
I
U U
+
= =
(3.12)
Biểu thức này chứng tỏ rằng, cùng một trạng phát nóng nhất định của đường
dây và máy biến áp (I = const) ta có thể tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng P
bằng cách giảm công suất phản kháng Q mà chúng phải tải đi. Vì thế khi giữ nguyên
đường dây và máy biến áp nếu hệ số công suất được nâng cao tức là giảm được lượng
CSPK phải truyền tải thông qua bù CSPK thì khả năng tải của chúng được nâng cao
[4].
Thiếu công suất phản kháng để hổ trợ chohệ thống là một trong những nguyên
nhân chính dẫn đến mất ổn định điện áp của hệ thống điện. Việc cải thiện khả năng
điều khiển công suất phản kháng của hệ thống bằng thiết bị điện là các biện pháp để
ngăn chặn mất ổn định điện áp và hơn nữa là sụp đổ điện áp. Để thực hiện việc bù
công suất phản kháng sử dụng các thiết bị bù sau:
+ Tụ điện tĩnh: Khi có điện áp đặt vào tụ thì có dòng điện chạy qua tụ, dòng
này vượt trước điện áp một góc 900 do đó phát ra CSPK. Để đóng cắt tụ điện vào
đường dây người ta sử dụng các thyristor, thông qua việc điều chỉnh đóng cắt các
thyristor sẽ điều chỉnh được dung lượng CSPK cần bù.
+ Máy bù động bộ: Thực chất là động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích
thích. Máy bù đồng bộ thường chỉ được dùng ở những nơi yêu cầu khắt khe về chế độ
bù và thường được dùng ở lưới trung áp.
Các thiết bị bù trên vẫn chưa đáp ứng được các yêu cầu về phản ứng nhanh
nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công suất phản kháng.

29
Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS-Flexible AC Transmission
System) đã đáp ứng được yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy cũng như dung lượng
bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc.
3.2. Thiết bị FACTS (Flexible AC Transmission System)
FACTS được định nghĩa bởi IEEE : “Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử công
suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ thống
đường dây tải điện xoay chiều, qua đó, nâng cao khả năng điều khiển và khả năng
truyền tải công suất”.
* Ưu điểm của thiết bị FACTS
+ Tận dụng lưới truyền tải hiện hữu để lắp đặt các thiết bị FACTS.
+ Giảm chi phí đầu tư.
+ Tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải.
+ Tăng độ ổn định quá độ củalưới.
+ Tăng chất lượng cung cấp điện năng cho các ngành công nghiệp và các ngành
có yêu cầu chất lượng điện năngcao.
+ Ảnh hưởng không đáng kể đến môi trường xung quanh.
* Các thiết bị FACTS thường được sử dụng
+ SVC (Static Var Compensator): Bộ bù công suất VAR tĩnh.
+ UPFC (Unified Power Flow Controller): Bộ điều khiển dòng công suất hợp
nhất.
+ STATCOM (Static Synchronous Compensator): Bộ bù đồng bộ tĩnh.
+ TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator): Bộ bù dọc điều khiển
thyristor.
+ SSSC (Static synchronous series compensator): Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh.
+ HVDC (Hight voltage direct current): Dòng một chiều điện áp cao.
* Khả năng ứng dụng của các thiết bị FACTS
Giữ được khả năng tải của đường dây gần với giới hạn phát nóng. Nâng cao khả
năng truyền tải công suất giữa các phần tử của hệ thống, do đó giảm được dự trữ

30
chung của hệ thống. Phòng ngừa được sự cố lan truyền do hạn chế được ảnh hưởng
của sự cố và hỏng hóc các phần tử. Giảm được dao động điện áp có thể gây hại đến
các phần tử của hệthống. Giảm dao động công suất, tăng độ ổn định tĩnh và động của
hệ thống, chống sự cố nghẽn mạch hệthống.
3.3. Thiết bị bù SVC
Thiết bị bù tĩnh điều kiển được hay còn gọi là SVC (Static Var Compensator)
được phát minh từ IEEE và CIGRE, là một thiết bị bù công suất phản kháng tác động
nhanh trên lưới truyền tải điện năng. SVC là một thiết bị trong nhóm thiết bị truyền tải
điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission System). 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 tĩnh hay rõ hơn là sử dụng các thiết bị điện tử công suất
để điều chỉnh thông số hơn là sử dụng máy cắt và dao cách ly.
Trước khi phát minh ra SVC người ta sử dụng 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 nút đặt SVC và điều chỉnh công suất phản
kháng. Nếu hệ thống thừa công suất phản kháng hay điện áp nút cao hơn giá trị cho
phép SVC đóng vai trò là các kháng bù ngang, SVC sẽ tiêu thụ công suất phản kháng
từ hệ thống và hạ thấp điện áp tại nút điều chỉnh. Ngược lại nếu hệ thống thiếu công
suất phản kháng, các tụ bù ngang sẽ được tự động đóng vào phát công suất phản kháng
lên hệ thống, nâng điện áp lên.
SVC điển hình gồm có tụ bù ngang được điều khiển bằng thyristor TSC
(Thyristor Switched Capacitor) và được mắc song song với một cuộn kháng (có hoặc
không có lõi sắt) được điều khiển bằng thyristor TCR (Thyristor Controlled Reactor).
Nhờ việc thay đổi góc dẫn của thyristor mà điện kháng đẳng trị của SVC có thể thay
đổi liên tục được. Do đó công suất phản kháng của lưới điện có thể được bù vào hay
hấp thụ một cách liên tục. Theo cấu trúc này các tụ điện sẽ điều chỉnh thô, sau đó các
TCR sẽ điều chỉnh giá trị cảm kháng, kết quả giá trị điện kháng đẳng trị là một giá trị
liên tục. Các bộ tụ điện đóng ngắt bằng thyristor TSC có thể được dùng để điều chỉnh
trơn hơn và linh hoạt hơn.

31
3.3.1. Cấu trúc cơ bản
Hình 3.5. Sơ đồ tương đương của SVC
3.3.2. Nguyên lý hoạt động
3.3.2.1. Nguyên lý hoạt động của bộ thyristor mắc song song ngược
Hình 3.6 mô tả nguyên lý làm việc của bộ thyristor trong mạch.
* Trường hợp tải thuần trở
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.
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý bộ Thyristor

32
Góc mở α được tính từ điểm đi qua trị zêzo của điện áp nguồn.
θ
sin
2
U
R
it = (3.13)
Trong đó:
Dòng điện tải không 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 φ được thể hiện trên đồ thị Hình 3.7.
Hình 3.7. Đồ thị dòng 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:
Ut = = U (3.14)

33
Trị hiệu dụng của dòng điện tải:
It= (3.15)
* Trường hợp tải thuần cảm:
Khi θ = α xung cho điều khiển mở T1. Dòng điện tải tăng dần lên và đạt giá trị
cực đại, sau đó giảm xuống và đạt giá trị zêzo khi θ = β.
Khi thyristor T1 mở, ta có phương trình:
L = Usinωt (3.16)
it = - cosθ + I0 (3.17)
Hằng số tích phân Io được xác định theo sơ kiện: khi θ = α thì it = 0. Cuối cùng
nhận được biểu thức của dòng điện tải:
it = - cosα + cosθ (3.18)
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 α = , it = - 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.
Trị hiệu dụng của dòng điện tải:
It = =

34
It = (3.19)
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.
3.3.2.2. Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR (Thyristor Controlled Reactor)
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 thông 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 công suất phản kháng rất
nhanh.
* Sơ đồ nguyên lý hoạt động
a)
Hình 3.8. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCR

35
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 dòng điện hiệu dụng qua TCR sẽ thay đổi giảm dần từ giá trị cực đại đến zêzo.
Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của TCR được thể hiện trên Hình 3.8.
TCR được cấu tạo từ 4 phần tử chính sau:
+ L: cuộn điện kháng chính
+ 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 dòng 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 không có
giai đoạn quá độ nhờ bộ van thyristor. Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR thể hiện
trên Hình 3.9.
Hình 3.9. Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR

36
* 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 dòng điện chạy qua TCR được thể
hiện trên Hình 3.10 như sau:
Hình 3.10. Ảnh hưởng của giá trị góc cắt đến dòng điện của TCR
Dòng điện I chạy qua TCR thay đổi từ Idđ giảm đến 0 khi góc cắt thay đổi từ
900 đến 1800. Tín hiệu này không phải là tín hiệu hình sin mà là tín hiệu có dạng hàm
chu kỳ với tần số bằng tần số của tín hiệu đặt vào (f = 50Hz). Giá trị của dòng điện
chạy qua TCR là một hàm biến thiên phụ thuộc vào góc cắt α được biểu diễn như sau:
ITCR = I0.Iα (3.8)
Trong đó:
I0 = là dòng điện chạy qua TCR khi α = 900
.
XKmin là điện kháng của TCR khi α = 900
(thyristor dẫn hoàn toàn)
Gọi góc cắt α0 xác định tại thời điểm t0 xuất hiện tín hiệu điều khiển xung vào
cực điều khiển của thyristor.
Ta có: α0 = .t0 với chu kỳ T = 2π.
Sóng của dạng tín hiệu dòng điện được thể hiện như Hình 3.11.

37
Hình 3.11. Dạng sóng của tín hiệu dòng điện của TCR
Từ dạng tín hiệu dòng điện chạy qua TCR ta xây dựng hàm I(α) như sau:
Dựa vào công thức khai triển Fourier, khai triển hàm f(x) có chu kỳ T như sau:
Trong đó:
Hơn nữa, ta có:
Nếu f(x) là hàm số lẽ: f(-x) = -f(x), thì:
ak = 0
.
Nếu f(x) là hàm số chẵn: f(-x) = f(x), thì:
bk = 0
.

38
Áp dụng triển khai cho hàm I(α), ta có:
Với hàm I(α) là hàm số chẳn với đồ thị của chúng đối xứng qua trục tung nên
theo tính chất khai triển Furier, ta có:
k = 1, 2, 3, ….., n
k = 1, 2, 3, ….., n
+ Với k=1:

39
+ Khi k ≠ 1 ta có
Ta thấy:
+ Nếu k là số chẵn (k = 2n; n = 1, 2,…,∞), thì ta có:
+ Nếu k là số lẻ (k = 2n+1; ; n = 1, 2,…,∞), thì ta có:

40
Tiếp tục biến đổi, ta có:
Ta có:
Trong đó:
Khi đó, thành phần dòng điện cơ bản chạy qua TCR có dạng như sau:
Hàm thay đổi liên tục từ 1 đến 0 khi góc cắt thay đổi từ 900 đến 1800.
Đây cũng là thành phần quan hệ của biên độ thành phần cơ bản của dòng điện chạy
qua TCR theo góc cắt .
Đặc tính điều chỉnh dòng điện theogóc cắt được thể hiện như Hình 3.12.
Hình 3.12. Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc cắt

41
Bên cạnh thành phần cơ bản (k=1) tính hiệu dòng điện I chạy trong TCR bao
gồm cả thành phần bậc cao (sóng hài) như 3, 5, 7,… các sóng này có dạng như Hình
3.13.
Hình 3.13. Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR
Trong thực tế, sóng hài bậc cao có ảnh hưởng xấu đến hoạt động của hệ thống
điện và chúng được loại bỏ nhờ bộ lọc F mắc song song với thiết thị bù.Khi đó dòng
điện trên hệ thống chỉ có thành phần cơ bản.
Như vậy, ta có thể hiểu TCR như là một cuộn kháng có trị số Xk thay đổi được:
(3.9)
Từ đó, ta thấy XK thay đổi liên tục từ XKmin đến XKmax khi góc cắt α thay đổi
liên tục từ 900
đến 1800
.
Do vậy, công suất phản kháng Q được tính bằng công thức:
QK = (3.10)
Nên công suất phản kháng của TCR cũng thay đổi khi góc cắt α thay đổi.

42
Do các tính chất trên mà TCR là một thành phần quan trọng, đóng vai trò chính
trong thiết bị bù có điều khiển thyristor ứng dụng trong hệ thống điện.
Như ta nhận thấy rằng cường độ dòng điện của thành phần bậc cao tỷ lệ với
công suất của mạch TCR, thông thường trong SVC chỉ có một TCR còn các phần tử
khác là TSR và TSC là những phần tử đóng mở nhảy bậc nên trong quả trình làm việc
không sinh ra thành phần bậc cao, chỉ có TCR là phần tứ thay đổi liên tục của SVC
mới sinh ra các thành phần dòng điện bậc cao trong quá trình làm việc. Để giảm cường
độ dòng điện bậc cao người ta còn có biện pháp là chia nhỏ công suất của SVC ra
nhiều phần tử TSR, TSC và TCR. Việc chia nhỏ công suất của SVC ra nhiều phần tử
có lợi sau:
- Giảm dòng điện thành phần bậc cao.
- Khả năng điều chỉnh công suất phàn kháng phát ra mềm dẻo hơn.
- Công suất của thyristor sẽ được chọn nhỏ đi tương ứng.
Như vậy, việc chia ra nhiều phần tử của SVC sẽ làm cho hệ điều khiển phức tạp
nhưng ta có thể sử dụng các thiết bị vi điều khiển để giải quyết vấn đề này.
Tuy nhiên hiện nay công nghệ nước ta chưa sản xuất được SVC mà phải mua trọn bộ
của nước ngoài thì bài toàn này chưa cần đề cập đến.
3.3.2.3. Tụ đóng mở bằng thyristor TSC (thyristor switch capacitor)
Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của tụ đóng mở bằng thyristor được thể hiện
trên Hình 3.14.
Hình 3.14. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TSC

43
Tụ đóng mở bằng thyristor TSC được cấu tạo từ 3 phần chính sau:
+ Tụ điện C là tụ chính trong mạch.
+ LH là cuộn kháng hãm. Có chức năng giới hạn dòng đi qua thyristor và chống
lại sự cộng hưởng với hệ thống điện.
+ Van thyristor là cửa đóng mở, nó có thể đóng, mở phụ thuộc vào tín hiệu
xung điều khiển vào cực G của thyristor.
Qua đó, ta thấy TSC thực chất là bộ tụ điện được đóng mở bằng 2 thyristor
song song nối ngược chiều nhau. Việc tác động tín hiệu xung sẽ làm thay đổi giá trị
điện dung C.
3.3.2.4. Kháng đóng mở bằng thyristor TSR (thyristor switch reactor)
Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của tụ đóng mở bằng thyristor được thể hiện
trên Hình 3.15.
Kháng đóng mở bằng thyristor TSR được cấu tạo từ 3 phần chính sau:
+ L là điện kháng chính trong mạch.
+ LH là cuộn kháng hãm. Có chức năng giới hạn dòng đi qua thyristor và chống
lại sự cộng hưởng với hệ thống điện.
+ Van thyristor là cửa đóng mở, nó có thể đóng, mở phụ thuộc vào tín hiệu
xung điều khiển vào cực G của thyristor.
Hình 3.15. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TSR

44
Qua đó, ta thấy TSR thực chất là bộ kháng điện được đóng mở bằng 2 thyristor
song song nối ngược chiều nhau. Việc tác động tín hiệu xung sẽ làm thay đổi giá trị
điện kháng L.
3.3.2.5. Hệ thống điều khiển các van trong SVC
Định dạng điện áp hệ thống có chức năng lấy tín hiệu điện áp thực tế từ lưới
điện (tín hiệu dạng liên tục).
So sánh tín hiệu có chức năng so sánh tín hiệu đặt (tín hiệu ngưỡng) và tín hiệu
định dạng.
Điều khiển trung tâm có chức năng điều khiển tín hiệu từ tượng tự ra tín hiệu số
và số ra tượng tự phù hợp với điều kiện tăng hay giảm góc mở α. Thiết bị điều khiển
trung tâm ta sử dụng bộ vi điều khiển.
Đưa tín hiệu điều khiển góc mở α cho TCR, TSR, TSC có chức năng khuếch
đại tín hiệu từ vi điều khiển đến các van của SVC.
Hình 3.16. Hệ thống điều khiển các van trong SVC
3.3.3. Các đặc tính của SVC
3.3.3.1. Đặc tính điều khiển của SVC
Nguyên lý làm việc của SVC được đặt trưng bởi nguyên lý làm việc của phần
tử TCR. Theo sơ đồ nguyên lý của TCR, TSC, TSR ta thấy khi thay đổi góc cắt dẫn
đến thay đổi công suất phản kháng phát ra hay thu vào của SVC. Do SVC kết hợp từ

45
TCR, TSC, TSR mặc dù TSC, TSR được điều chỉnh nhảy bậc vẫn điều chỉnh liên tục
trong quá trình điều khiển. Các phần tử của SVC được nối vào mạng điện thông qua
các van thyristor điều khiển bằng góc cắt.Nhờ vậy mà các SVC có tốc độ điều chỉnh
rất cao (≤ 40ms), gần như không có thời gian quá độ.Đặc tính hoạt động được thể hiện
trên Hình 3.17.
Hình 3.17. Đặc tính U-I của SVC
3.3.3.2. Đặc tính làm việc của SVC
Ở chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, SVC làm nhiệm vụ tự động
điều chỉnh để giữ nguyên điện áp nút. Tín hiệu điều khiển là độ lệch giữa điện áp nút
đặt SVC đo được từ biến điện áp BU với điện áp đặt. Tín hiệu này điều khiển góc mở
của các thyristor làm thay đổi trị số hiệu dụng thành phần cơ bản của dòng điện đi qua
TCR nhờ đó điều chỉnh được dòng công suất phản kháng của SVC. Khi điện áp tăng,
tác dụng của hệ thống điều chỉnh làm dòng điện qua SVC tăng, công suất phản kháng
tiêu thụ tăng, điện áp nút được giảm xuống. Ngược lại khi điện áp bị giảm thấp, dòng
điện qua SVC giảm, công suất phản kháng tiêu thụ giảm hoặc một lượng công suất
phản kháng nhất định được phát lên hệ thống, điện áp nút được nâng cao.
Đặc tính làm việc của SVC là mối quan hệ giữa điện kháng hay công suất phản
kháng của SVC với điện áp của nút đặt thiết bị này. Trong phạm vi điều chỉnh được
công suất (phạm vi của TCR) tức Xmin ≤ XSVC ≤ Xmax hay Qmin ≤ QSVC ≤ Qmax, điện áp
nút được giữ ở trị số đặt U0. Tuy nhiên trên thực tế, các SVC thường được chế tạo với
đặc tính làm việc mềm.

46
a) SVC chỉ có tính cảm b) SVC có cả tính dung và tính cảm
Hình 3.18. Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp
Khi đó, trong phạm vi điều chỉnh được của công suất, điện áp nút được phép
dao động với độ lệch ∆U. Nhờ độ nghiêng của đặc tính trong vùng điều chỉnh được
công suất, có thể phân bố công suất cho các SVC làm việc song song hoặc làm việc
cùng với các thiết bị điều chỉnh công suất phản kháng khác.
3.3.4. Ứng dụng của SVC
SVC (Static Var Compensator) là thiết bị bù điện tĩnh, thời gian phản ứng cực
kỳ nhanh chóng và hiệu quả.
SVC khi lắp đặt vào hệ thống điện nó có thể giải quyết các vấn đề sau :
- Tăng khả năng truyền tải công suất.
- Giảm thiểu tổn thất đường dây
- Bù công suất phản kháng
- Ngăn chặn chập chờn của lưới điện
- Điều chỉnh điện áp
- Cân bằng điện áp pha
- Nâng cao ổn định quá độ.
- Nâng cao sự ổn định trạng thái ổn định
- Giảm dao động công suất.

47
3.4. Thiết bị bù STATCOM
STATCOM (Static Synchronous Compensator) là thiết bị bù đồng bộ tĩnh.
Trong đó, có bộ chuyển đổi nguồn áp (VSC-Voltage Source Converter), nó là một bộ
tự biến đổi công suất cung cấp từ một nguồn điện thích hợp và hoạt động tạo ra một bộ
điều chỉnh điện áp nhiều pha.Thiết bị này được dùng trong lưới điện xoay chiều 3 pha
để thực hiện điều chỉnh, điều khiển một cách độc lập công suất tác dụng và công suất
phản kháng. Để điều khiển bù công suất phản kháng trong hệ thống điện thường sử
dụng cấu hình STATCOM biến đổi. STATCOM đã được định nghĩa với ba chức năng
hoạt động. Chức năng đầu tiên là bộ chuyển đổi tĩnh:nguyên lý dựa trên các thiết bị
chuyển đổi không có thành phần quay, chức năng thứ hai là thiết bị đồng bộ: tương tự
như một máy đồng bộ lý tưởng với điện áp ba pha hình sin tại tần số cơ bản, chức
năng thứ ba là khả năng bù: cung cấp bù công suất phản kháng [9],[10]. Cơ sở của
công nghệ STATCOM là sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất ở dạng một bộ
biến đổi điện tạo nguồn điện áp để tổng hợp điện áp đầu ra Vc từ nguồn điện áp một
chiều. Điện áp xoay chiều Vc của bộ biến đổi điện được đấu nối với hệ thống điện
(được thể hiện bằng điện áp hệ thống Vs và điện kháng hệ thống Xs), thông qua điện
kháng đệm Xc.
Bằng cách khống chế điện áp Vc của STATCOM, cùng pha với điện áp hệ
thống Vs, nhưng có biên độ lớn hơn, dòng điện và công suất phản kháng chạy từ
STATCOM vào hệ thống, để nâng điện áp lên. Ngược lại, nếu điều khiển điện áp Vc
thấp hơn điện áp hệ thống Vs, thì dòng điện và dòng công suất chạy từ lưới vào
STATCOM, do vậy hạn chế quá điện áp trên lưới điện.
Điện áp xoay chiều được tạo ra từ nguồn điện áp một chiều nhờ các bộ biến đổi
công suất sử dụng điện tử tác động nhanh VSC. Đặc điểm khác biệt của STATCOM là
nó sử dụng các công tắc hai chế độ, ví dụ như các thyristor cắt (GTO)hoặc transistor
lưỡng cực cửa cách điện (IGBT) có khả năng điều khiển dẫn dòng cũng như cắt mạch.
Dạng sóng đầu ra đơn giản nhất từ bộ biến đổi điện nguồn điện áp là điện áp có dạng
sóng vuông. Tuy nhiên, dạng sóng mong muốn và tối ưu nhất là dạng hình sin,
STATCOM thực hiện được dạng sóng với chất lượng yêu cầu bằng cách tổng hợp
dạng sóng hình sin theo một chuỗi các bậc, với việc sử dụng kỹ thuật nhân xung được
áp dụng từ nhiều năm nay để giảm sóng hài trong điện áp xoay chiều của các bộ chỉnh

48
lưu và biến đổi điện. Bằng cách tăng số bậc, có thể giảm thành phần sóng hài và nhờ
đó điện áp tạo ra gần đúng hơn với sóng hình sin tần số cơ bản.
Chức năng của STATCOM thì tương tự như của một tụ bù đồng bộ nhưng thời
gian phản ứng cực kỳ nhanh chóng và hiệu quả. Tóm lại, STATCOM cung cấp bù
công suất phản kháng để giải quyết một loạt những yêu cầu chất lượng cho hệ thống
điện như điện áp, tần số của hệ lưới điện thống công nghiệp khi bản thân nó có biến
động và nguy cơ mất ổn định. Một hệ thống STATCOM hoàn thiện cơ bản bao gồm
một nguồn điện áp DC, bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC), và một máy biến áp ghép
nối với lưới điện.
a)
b)
Hình 3.19. Mạch điện tương đương của STATCOM
a) Mạch tương đương một pha
b) Mạch tương đương ba pha
3.4.1. Cấu trúc cơ bản của STATCOM
STATCOM là một thiết bị chuyển đổi nguồn điện áp, nó chuyển đổi nguồn điện
áp một chiều thành điện áp xoay chiều để bù công suất phản kháng cho HTĐ. Cấu trúc
cơ bản bao gồm: một bộ biến đổi nguồn điện áp ba pha (VSC) được nối về phía thứ
cấp của máy biến áp ghép; nguồn điện áp DC.

49
Hình 3.20. Cấu trúc cơ bản của STATCOM
3.4.2. Nguyên lý hoạt động
Việc thay đổi CSPK được thực hiện bằng bộ VSC nối bên thứ cấp của máy biến
áp. VSC sử dụng các linh kiện điện tử công suất (GTO, IGBT hoặc IGCT) để điều chế
điện áp xoay chiều ba pha V2 từ nguồn một chiều. Nguồn một chiều này được lấy từ
tụ điện. Nguyên lý hoạt động của STATCOM được thể hiện trong Hình 3.21, công
suất tác dụng và phản kháng truyền giữa điện áp hệ thống để điều khiển là V1và điện
áp được tạo ra bởi VSC là V2.
Hình 3.21. Nguyên lý hoạt động cơ bản STATCOM

Cải thiện ổn định điện áp cho lưới điện phân phối dùng thiết bị bù ngang

Cải thiện ổn định điện áp cho lưới điện phân phối dùng thiết bị bù ngang

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Cải thiện ổn định điện áp cho lưới điện phân phối dùng thiết bị bù ngang

Similar to Cải thiện ổn định điện áp cho lưới điện phân phối dùng thiết bị bù ngang (20)

More from Man_Ebook

More from Man_Ebook (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (19)

Cải thiện ổn định điện áp cho lưới điện phân phối dùng thiết bị bù ngang