ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BÙ TĨNH (SVC) VÀ ỨNG DỤNG
TRONG VIỆC NÂNG CAO CHO ỔN ĐỊNH CHẤT LƯỢNG
ĐIỆN NĂNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN Học viên: Nguyễn Thế Vĩnh
Người HD Khoa học: T.S Nguyễn Thanh Liêm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2
MUC LỤC
Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt 6
Danh mục các báng biểu 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị 9
Lời nói đầu 11

2.1.2. Một số ứng dụng của SVC 30
2.1.2.1. Điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất 30
2.1.2.2. Giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố 32
2.1.2.3. Ôn hòa dao động công suất hữu công 33
2.1.2.4. Giảm cường độ dòng điện vô công 33
2.1.2.5. Tăng khả năng tải của đường dây 33
2.1.2.6. Cân bằng các phụ tải không đối xứng 36
2.1.2.7. Cải thiện ổn định sau sự cố 36
2.2. Thiết bị bù ngang có điều khiển SVC 37
2.2.1. Cấu tạo từng phần tử của SVC 37
2.2.1.1. Nguyên lý hoạt động của bộ thyristor mắc song song ngược 37
2.2.1.2. Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR
(thyristor controlled reactor) 40
2.2.1.3. Tụ đóng mở bằng thyristor TSC ( thyristor switch capacitor) 49
2.2.1.4. Kháng đóng mở bằng thyristor TSR ( thyristor switch reactor) 49
2.2.1.5. Hệ thống điều khiển các van trong SVC 50
2.2.2. Các đặc tính của SVC 51
2.2.2.1. Đặc tính điều chỉnh của SVC 51
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4
2.2.2.2. Đặc tính làm việc của SVC 52
2.3. Mô hình SVC trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện 53
2.3.1. Mô hình hóa SVC như một điện kháng có trị số thay đổi 53
2.3.2. Mô hình SVC theo tổ hợp nguồn và phụ tải phản kháng 55
Kết luận 58

Chương 3: Bộ điều khiển bù công suất phản kháng SVC 59
3.1. Sơ đồ SVC ứng dụng điều khiển bù công suất phản kháng 59
3.1.1. Chức năng hệ điều khiển 60
3.1.2. Nguyên tắc điều khiển 60
3.1.3. Các khâu trong hệ thống điều khiển các van của SVC 61

Kết luận chung và hướng phát triển 93

Tài liệu tham khảo
Phụ lục 1
Phụ lục 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT
Chữ viết
tắt
Ý nghĩa
Chú thích
1
HTĐ
Hệ thống điện

2
SVC
Static Var Compensator

3

Printed Circuit Board

10
VĐK
Bộ vi điều khiển

11
SS-TX
Khâu so sánh và tạo xung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1: So sánh chức năng của các thiết bị bù có điều khiển 27
Bảng 2-1: Giá trị của I
3
khi thay đổi góc điều khiển  47
Bảng 3-1: Các phần tử sử dụng trong bộ đo 72
Bảng 3-2: Các phần tử sử dụng trong bộ phản hồi 73
Bảng 3-3: Các phần tử sử dụng trong bộ tạo xung đồng bộ 74
Bảng 3-4: Các phần tử sử dụng trong bộ khuếch đại xung 75

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9
Hình 2.19: Đặc tính làm việc của nguồn công suất phản 55
Hình 2.20: Đặc tính của phụ tải công suất phản kháng qua máy biến áp điều áp
dưới tải 55
Hình 2.21: Đặc tính làm việc của SVC 56
Hình 2.22: Phối hợp đặc tính của một nguồn và hai phụ tải phản kháng 57
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ điều khiển các van SVC 59
Hình 3.2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng 61
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của khâu tạo xung đồng bộ 62
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của khâu phản hồi 63
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của khâu khuếch đại xung 64
Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc của PIC 16f877 66
Hình 3.7:Sơ đồ mô phỏng bộ phản hồi 73
Hình 3.8: Đồ thị tín hiệu ra của bộ phản hồi 73
Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng bộ tạo xung đồng bộ 74
Hình 3.10: Đồ thị tín hiệu ra của bộ tạo xung đồng bộ 74
Hình 3.11:Sơ đồ mô phỏng bộ khuếch đại xung 75
Hình 3.12: Đồ thị tín hiệu ra của bộ khuếch đại xung 75
Hình 3.13: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển xung 76
Hình 3.14: Đồ thị tín hiệu ra của bộ điều khiển xung 76
Hình 3.15: Cửa sổ thay đổi dạng nguồn 77
Hình 3.16: Sơ đồ mô phỏng bộ TCR 78
Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng tổng thể hệ điều khiển các van của TCR 79
Hình 4.2: Xung điều khiển ra với góc mở 10
0
80
Hình 4.3: Xung điều khiển ra với góc mở 30
0
80
Hình 4.4: Xung điều khiển ra với góc mở 45

0
85

Hình 4.13: Dòng điện qua van với góc mở 160
0
86

Hình 4.14: Dòng điện qua van với góc mở 165
0
86

Hình 4.15: Dòng điện qua van với góc mở 170
0
87

Hình 4.16: Dòng điện qua van với góc mở 175
0
87

Hình 4.17: Dòng điện qua van với góc mở 180
0
88

Hình 4.18: Đồ thị các sóng hài bậc cao của bộ TCR 88
Hình 4.19: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút tăng 89
Hình 4.20: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút giảm 90
Hình 4.21: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút tăng 91
Hình 4.22: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút giảm 91
thyristor hay triắc đối với việc nâng cao ổn định và chất lượng điện áp của hệ thống
điện Việt Nam trong tương lai và nhiệm vụ rất cần thiết. Nhằm mở ra một hướng
mới trong việc áp dụng các phương pháp điều chỉnh, điều khiển hoạt động của hệ
thống điện. Bản luận văn sẽ đưa ra những đánh giá bước đầu hiệu quả của thiết bị
bù nhanh đối với công suất phản kháng trong chế độ vận hành hệ thống điện. Bản
luận văn trình bày ứng dụng phần mềm mô phỏng vào việc thiết kế, phân tích hệ
điều khiển bù công suất phản kháng SVC. Tuy nhiên, còn giới hạn về nhiều mặt nên
bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót, nên rất mong các Thầy, Cô chỉ
bảo để nội dung của đề tài được hoàn thiện hơn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo T.S Nguyễn
Thanh Liêm cùng toàn thể các Thầy, Cô trong bộ môn. Kính chúc các Thầy, Cô mạnh
khoẻ và Hạnh phúc!

Tác giả
Nguyễn Thế Vĩnh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
13

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
14
Ngoài các lợi ích đã nêu ở trên, việc hợp nhất các hệ thống điện còn cho
phép dễ dàng trao đổi năng lượng thương mại giữa các khu vực, quốc gia thành viên
góp phần thúc đẩy nền kinh tế phát triển. Việc hợp nhất hệ thống điện là cơ sở cho
việc hình thành các “thị trường điện” (Power pool), một xu hướng phát triển tất yếu
của các hệ thống điện hiện đại được hình thành từ những năm cuối thế kỷ 20 và sẽ
phát triển mạnh mẽ trong thế kỷ 21.
1.1.2. CÁC BIỆN PHÁP ÁP DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN.
Khi tính toán các chế độ vận hành của hệ thống điện hợp nhất có đường dây
siêu cao áp, do cấp điện áp cao nên lượng công suất phản kháng mà đường dây sinh
ra là rất lớn. Đặc biệt là khi đường dây không mang tải thì lượng công suất phản
kháng phát ra rất lớn gây nên hiện tượng quá áp ở cuối đường dây. Để hạn chế hiện
tượng nay, ta phải dùng các biện pháp kỹ thuật khác nhau như:
+ Tăng số lượng dây phân nhỏ trong một pha (phân pha) của đường dây để
giảm điện kháng và tổng trở sóng, tăng khả năng tải của đường dây.
+ Bù thông số đường dây bằng các thiết bị bù dọc và bù ngang (bù công suất
phản kháng) để giảm bớt cảm kháng và dung dẫn của đường dây làm cho chiều dài
tính toán rút ngắn lại.
+ Phân đoạn đường dây bằng các kháng điện bù ngang có điều khiển đặt ở
các trạm trung gian trên đường dây. Đối với đường dây siêu cao áp 500kV, khoảng
cách giữa các trạm đặt kháng bù ngang thường không quá 600km.
+ Đặt các thiết bị bù ngang hoặc bù dọc ở các trạm nút công suất trung gian
và trạm cuối để nâng cao ổn định điện áp tại các trạm này.
1.1.3. BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG.
Khác với các đường dây cao áp (điện áp nhỏ hơn 330kV), quá trình truyền
tải điện xoay chiều trên đường dây siêu cao áp liên quan đến quá trình truyền sóng
điện từ dọc theo đường dây. Điện trường của đường dây ít thay đổi trong quá trình
vận hành vì điện áp trên đường dây được khống chế trong giới hạn cho phép
(thường là 10%), song từ trường lại thay đổi trong dải khá rộng theo sự thay đổi

M
.l = 3.L.I
2
.l
+ Công suất phản kháng do đường dây sinh ra được xác định như là hiệu
giữa công suất điện trường và từ trường:
Q = Q
E
- Q
M
= 3..C.U
f
2
.l - 3.L.I
2
.l









2
2
2
.
.


TN
C
f
f
I
Z
U
L
C
UI 

Trong đó:
C
L
Z
C

là tổng trở sóng của đường dây.
Khi đó, đường dây tải dòng điện tự nhiên I
TN
. Đối với đường dây dài hữu
hạn, hiện tượng này xảy ra khi điện trở phụ tải tác dụng bằng tổng trở sóng X
C
của
đường dây. Đây là chế độ tải công suất tự nhiên. Trong trường hợp này, đường dây
siêu cao áp không tiêu thụ hay phát thêm công suất phản kháng.
C
f
TN

C
của tụ điện. Giải pháp này được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện
vào đường dây. Qua đó giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định
tĩnh được nâng lên. Hơn nữa, giới hạn ổn định động cũng tăng lên một cách gián
tiếp do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ.
Khi mắc thêm tụ nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng của mạch tải
điện sẽ giảm xuống còn (X
L
- X
C
). Giả sử góc lệch  giữa dòng điện phụ tải I và
điện áp cuối đường dây U
2
không đổi thì độ lệch điện áp U
1
ở đầu đường dây và góc
lệch pha  giữa vectơ điện áp giữa hai đầu đường dây giảm xuống khá nhiều. Qua
đó, ta thấy được hiệu quả của bù dọc:
* Ổn định điện áp:
+ Giảm lượng sụt áp với cùng một công suất truyền tải. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
17
+ Điểm sụp đổ điện áp được dịch chuyển xa hơn.
* Ổn định về góc lệch

:
+ Làm giảm góc lệch  trong chế độ vận hành bình thường, qua đó nâng cao
độ ổn định tĩnh của hệ thống điện.

P



Ta có giới hạn công suất truyền tải là:
CL
gh
XX
UU
P


21
.

Ta thấy sau khi bù, giới hạn truyền tải công suất của đường dây tăng lên:
k = (X
L
- X
C
)/X
C
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
18

Hình 1.1: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây siêu cao áp
* Giảm tổn thất công suất và điện năng:


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
19
dây phát ra sẽ bị tiêu hao một lượng đáng kể và qua đó có thể hạn chế được hiện
tượng quá áp ở cuối đường dây.
Việc lựa chọn dung lượng và vị trí đặt của kháng bù ngang có ý nghĩa rất
quan trọng đối với một số chế độ vận hành của đường dây siêu cao áp trong hệ
thống điện như chế độ vận hành non tải, không tải của đường dây.
+ Trong chế độ không tải, phía nguồn khép mạch, phía tải hở mạch thì
các nguồn phát vẫn phải phát công suất tác dụng rất lớn để bù vào tổn thất
điện trở của đường dây và máy biến áp. Để khắc phục sự quá áp và quá tải
máy phát ta phải đặt kháng bù ngang tại một số điểm trên đường dây.
+ Trong chế độ non tải (P
Tải
< P
TN
), thì công suất phản kháng trên
đường dây thừa và đi về hai phía của đường dây. Để đảm bảo được trị số
cos cho phép của máy phát, ta phải đặt kháng bù ngang ở đầu đường dây để
tiêu thụ công suất phản kháng.
+ Trong chế độ tải cực tiểu, công suất phản kháng do đường dây sinh
ra rất lớn (đối với đường dây siêu cao áp 500kV với Q
o
1MVAR/km) nên ta
phải đặt các kháng bù ngang phân bố dọc theo đường dây để tiêu thụ lượng
công suất phản kháng này. Thông thường, khoảng cách giữa các kháng bù
ngang từ 200 - 500km.
+ Công suất phản kháng của đường dây phát ra trong chế độ không tải
được tính gần đúng như sau:
lbUQ

Nên ta có:
C
o
Z
b
3
10.07,1



Như vậy công suất phản kháng của đường dây siêu cao áp 500kV phát ra là:
TN
C
dd
C
Pll
Z
U
Q 10.07,1.10.07,1
33 


Đặc trưng cho mức độ bù ngang trên đường dây là hệ số K
L
:
%100%100
C
L
C
L

1.2.1. THIẾT BỊ BÙ TĨNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR (SVC - STATIC
VAR COMPENSATOR). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
21
SVC là thiết bị bù ngang dùng để tiêu thụ công suất phản kháng có thể điều
chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, được tổ hợp từ hai thành phần
cơ bản:
- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể
phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành).
- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor hoặc triắc
có cực điều khiển, hệ thống điều khiển góc mở dùng các bộ vi điều khiển như
8051, PIC 16f877, VAR
SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm:
+ Kháng điều chỉnh bằng thyristor - TCR (Thyristor Controlled Reactor): có
chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ.
+ Kháng đóng mở bằng thyristor - TSR (Thyristor Switched Reactor): có
chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor.
+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor - TSC (Thyristor Switched Capacitor): có
chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC như trên hình 1.2
Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng
kể mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong
vận hành. Các chức năng chính của SVC bao gồm: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
22


Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCSC như hình 1.3 sau:

Hình 1.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC
Các chức năng chính của TCSC bao gồm:
- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh.
- Giảm sự thay đổi điện áp.
- Tăng cường khả năng truyền tải của đờng dây.
- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện.
- Giảm góc làm việc  làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây.
- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện.
Tuy nhiên, TCSC còn có nhiều chức năng khác có thể tăng tính linh hoạt
trong vận hành các đường dây siêu cao áp nói riêng và HTĐ nói chung. Tuỳ theo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
24
yêu cầu của từng đường dây siêu cao áp cụ thể và chức năng của chúng trong từng
HTĐ cụ thể mà ta có thể áp dụng các phương pháp, mạch điều khiển TCSC cho phù
hợp với các chế độ vận hành trong HTĐ.
1.2.3. THIẾT BỊ BÙ TĨNH (STATCOM - STATIC SYNCHRONOUS
COMPENSATOR).
STATCOM là sự hoàn thiện của SVC, bao gồm các bộ tụ điện được điều
chỉnh bằng các thiết bị điện tử như thyistor có cửa đóng mở GTO. So với SVC, nó
có ưu điểm là kết cấu gọn nhẹ hơn, không đòi hỏi diện tích lớn như SVC và đặc biệt
là nó điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn.
Cấu tạo của STATCOM và đặc tính hoạt động của nó như sau:

Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM
Các tính năng của STATCOM cũng giống như của SVC nhưng khả năng
điều chỉnh, điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao gồm: