1
Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. TÍNH CẤP THIẾT VÀ LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Để giải quyết vấn đề ổn định điện áp và nâng cao khả năng truyền tải của các đường dây cao áp, trên thế giới từ thập
niên 70 của thế kỷ 20 và ngành điện Việt Nam hiện nay đã thực hiện lắp đặt hệ thống tụ bù dọc không điều khiển phối
hợp kháng bù ngang trên đường dây 500 kV Bắc Nam với mức bù điện tích công suất trung bình ở mỗi đường dây [2] là
β và mức tụ bù dọc là η
C

0,55 0,60
C
c
d
X
X
η
= ≈ ÷
0,65 0,70
k
tn
Q
P
β
λ
= ≈ ÷
.
Hiện nay, trên thế giới phương án sử dụng kháng bù ngang có điều khiển đang được nhiều nước ứng dụng, bởi vì so
với các phương án dùng STATCOM và SVC [20] [21], thì phương án dùng kháng điều khiển (hình 1.4) giá đầu tư thấp
hơn nhiều.
Hình 1.4: Sơ đồ đường dây truyền tải khi sử dụng kháng bù ngang có điều khiển

Từ nguyên lý của bộ điều khiển như đã được ứng dụng trên hình 1.7 cho việc điều khiển kháng bù ngang kiểu biến
áp đã được sử dụng, luận văn sẽ nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển đảm bảo các yêu cầu điều khiển đặt ra, với chức năng
và độ tin cậy như mong muốn.
1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trên nguyên lý làm việc, yêu cầu điều khiển và các thông số của kháng bù ngang có điều khiển kiểu biến áp đã được
sản xuất và đang vận hành ở một số nước Ấn Độ, Trung Quốc, Nga… kết hợp với lý thuyết truyền tải và điều khiển
hiện đại. Tôi thiết kế bộ điều khiển dựa trên yêu cầu tác dụng của kháng điều khiển và sử dụng phần mềm Matlab –
Simulink để khảo sát các tham số của bộ điều khiển trên đáp ứng miền thời gian của đối tượng để cho ra bộ điều khiển
có chức năng và độ tin cậy đạt được mong muốn.
Sử dụng phần mềm mô phỏng hiệu quả điều chỉnh bù 100% mức tiêu thụ công suất phản kháng dư trên đường dây
của kháng điều khiển với bộ điều khiển được thiết kế.
1.5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN
- Luận văn đưa ra khảo sát đánh giá đầy đủ về lý thuyết đối với bộ điều khiển cho kháng bù ngang kiểu biến áp.
- Bằng kết quả mô phỏng chứng minh hiệu quả và tính linh hoạt điều chỉnh mức tiêu thụ công suất phản kháng dư
trên đường dây của kháng điều khiển kiểu biến áp.
- Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở để tiến tới ứng dụng kháng điều khiển nhằm giải quyết vấn đề cấp bách hiện nay là
nâng cao độ tin cậy và tính kinh tế - kỹ thuật của hệ thống truyền tải điện Việt Nam.
1.6. TÊN LUẬN VĂN
“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO KHÁNG BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN KIỂU MÁY BIẾN
ÁP”
3
Chương 2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN ĐƯỜNG
DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN
2.1. CƠ SỞ TÍNH TOÁN CHO ĐƯỜNG DÂY DÀI TRUYỀN TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU CAO ÁP VÀ SIÊU
CAO ÁP
2.1.1. Mô hình đường dây dài
2.1.2. Tính toán điện áp
2.1.3. Tính công suất tác dụng và phản kháng của đường dây
2.2. NGUYÊN LÝ VÀ HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CÓ ĐIỀU

Chương 3
KHÁNG BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN KIỂU BIẾN ÁP
3.1. GIỚI THIỆU KHÁNG BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN KIỂU BIẾN ÁP
3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của kháng bù ngang kiểu biến áp
3.1.1.1. Cấu tạo kháng bù ngang kiểu biến áp
3.1.1.2. Nguyên lý làm việc của kháng bù ngang kiểu biến áp
Để dễ hiểu nguyên lý hoạt động của kháng bù ngang kiểu biến áp, ta xét sơ đồ nguyên lý 1 pha của kháng điều khiển
kiểu biến áp trên hình 3.4.
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý một pha của kháng bù ngang kiểu biến áp
3.1.2. Các quan hệ điện từ trong kháng điều khiển kiểu máy biến áp
Trong phạm vi của đề tài tôi chỉ giới thiệu một số thông số có liên quan đến quá trình tính toán còn lại các tham số
khác như số vòng dây, đường kính, mạch từ xem đã có, ở đây không nhắc đến (chúng ta tham khảo trong tài liệu chế tạo
kháng của Nga, hoặc trang web: www.cpk-energo.ru)
* Quan hệ các thành phần điện kháng trong kháng điện
* Các quan hệ dòng điện chạy trong các cuộn dây của kháng điện
* Chế độ làm việc của các cuộn dây nhánh lọc tần số bậc cao ở chế độ lọc
3.2. PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH ĐIỆN ÁP TRÊN CUỘN DÂY ĐIỀU KHIỂN CỦA KHÁNG
3.2.1. Nguyên tắc điều khiển thyristor
3.2.2. Dạng sóng của cuộn điều khiển theo góc mở α
Nếu xem thành phần cơ bản của dòng điện là thành phần làm việc thì biên độ của thành phần này thay đổi theo góc
mở α của thyristor. Khi thyristor mở hoàn toàn α = 0 biên độ thành phần cơ bản sẽ lớn nhất, khi α = π dòng qua mạch
bằng 0. Vì đây là kháng nên khi điều khiển cuộn điều khiển có điện cảm quan hệ giữa điện áp ngoài và dòng điện trong
mạch có phức tạp hơn nhưng nguyên lý làm việc của Thyristor không có gì thay đổi.
Ta có phương trình điện áp
tUiR
dt
di
L
mDKDK
DK

ppU
tpdtUf
m
m
sin)()cos(
2
1
0
==
∫
−
(3.61)
5






+
+−+
−
−
=
+
)1(2
)1(2sin)1(2sin
2
2sin2sin
2

b
thythy
m
k
2
2cos2cos
)1(2
)1(2sin)1(2cos
2
12
βαβα
π
(3.63)
Trong đó: β = α
thy
+λ là góc tắt dòng điện.
Để hạn chế tác động của chúng, một trong các biện pháp là người ta dùng các bộ lọc cộng hưởng gồm tụ và kháng
được chỉnh định cho từng sóng hài.
Thành phần dòng điện chảy trong kháng lần lượt I
k
, I
ĐK
, I
bù
khi sử dụng lọc cộng hưởng ứng với góc mở α=120
0
được biểu diễn trên hình 3.16 và 3.17.
Hình 3.17: Dạng sóng của dòng điện chảy trong kháng lần lượt I
k
, I

Trong đó: Q
dt
- là công suất điện trường của đường dây;
Q
tt
- là công suất từ trường của đường dây.
Để thỏa mãn Q
tt
= Q
dt
+ Q
k
với Q
2
= P
2
.tanφ = 0 khi đó hàm điều khiển của kháng bù ngang là:
2 2
tn dm
β 1- 1-
P I
P I
   
= =
 ÷  ÷
   
(3.84)
3.3.2. Ứng dụng để tính toán công suất của kháng bù trên đường dây 500 kV.
3.3.3. Quan hệ của dòng điều khiển kháng điện với phụ tải đường dây.
Ta thấy hàm phụ thuộc của dòng kháng I

ϕλ
+−
−
= sin
cos
22
(3.87)
Gần đúng cho quan hệ α
thy
theo dòng tải khi cuộn dây điều khiển làm việc ở chế độ ngắn mạch (thành phần cuộn
điều khiển chỉ có R-L , Z
L
>> Z
R
)

như sau:
2
2
2
2
2
2
22
2
2
2
sin
cos
sinsin

λ
λα
Như vậy, với một giá trị dòng điện tải I và góc lệch pha tải φ ta có được giá trị góc mở α
thy
tương ứng.
3.3.4. Ứng dụng tính toán góc mở α thyristor cho kháng điều khiển lắp đặt trên phân đoạn Đà Nẵng – Pleiku
3.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN GÓC MỞ THYRISTOR
3.4.1. Sơ đồ điều khiển bằng IC thuật toán
3.4.2. Sơ đồ điều khiển IC số
6
Chương 4
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
CHO KHÁNG BÙ NGANG KIỂU BIẾN ÁP
4.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
4.1.1. Khối cảm biến đo lường
1+
=
sT
K
G
U
U
TU
với
vao
ra
U
U
U
K =

φ
4.1.2. Khối điều khiển thyristor
đ
DK
thy
U
U
K ≈

fp
T
thy
2
2
π
=
1
+
=
sT
K
G
thy
thy
thy
(4.4)
4.1.3. Khối đối tượng là kháng bù ngang kiểu biến áp
Đối tượng kháng được mô tả toán học như sau:
( )
( )

+++
+−++−
=
bubububu
bubububububu
CsRsCLCL
sCRCRsCLCLCL
Tổng dẫn của kháng bù
( )
( )
.
)(
)(
)(
)(
)(
33
3322
2
. k
bu
bu
k
k
Uk
Z
sZsLR
sLsZRsLR
Z
C

của hệ thống và tín hiệu phản
hồi cho bộ điều khiển là dòng điện kháng I
k
cần điều khiển để bù. Hai tín hiệu phản hồi dòng và
áp tải này ta có thể phân tích thành phần lệch pha của chúng để tìm dòng điện cảm I
L
sinh ra
do phụ tải, từ đó điều khiển dòng I
k
sao cho bù vừa đủ điện kháng do đường dây gây ra tức thỏa
mãn phương trình sau:
i
c
= i
k
+ i
L
(4.27)
Theo nguyên lý tối ưu modul (xem phụ lục E) thì:
T
1A
= T
1
; T
1B
= T
2
; T
1R
=2K

( )
( )
sT
TsK
sLsT
TsK
sT
sTsT
sG
ikthyR
BA
h
2
1
11
111
)(
1
3
1
1
11
1
+
=
++
+++
=
(4.33)
( )( )

Sau khi thiết kế xong bộ điều chỉnh R
1
(s) ở trên, ta thiết kế điều chỉnh R
2
(s) với kết quả từ bộ
điều chỉnh R
1
(s) và sơ đồ hệ thống tương đương như sau:
Theo nguyên lý tối ưu đối xứng (xem phụ lục E):
T
2A
= T
22
; T
2B
= aT
∑
; T
2I
=T
2A
+T
2B
;
BA
BA
TT
TT
22
22

Như đã trình bày mục 3.3, ta đã xây dựng được quan hệ của góc mở thyristor theo dòng tải với các tham số đã có
của đường dây và kháng. Chương trình thiết kế bộ điều khiển được xây dựng trên m-file của Matlab (tham khảo ở phụ
lục E). Kết quả sau khi chạy mô phỏng ta có đáp ứng miền thời gian vòng trong trên hình 4.17, vòng ngoài hình 4.18
kết quả sau khi mô phỏng:
Hình 4.17: Đáp ứng dòng kháng theo miền thời gian sau khi xây dựng bộ điều khiển PID
1
8
Hình 4.18: Đáp ứng lệch pha theo miền thời gian sau khi xây dựng bộ điều khiển PID
2
4.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO KHÁNG BÙ NGANG
4.3.1. Xây dựng luật điều khiển số
- Gián đoạn hóa các luật điều chỉnh liên tục
Có thể tổng hợp mạch điều chỉnh gián đoạn bằng các phương pháp đã áp dụng cho mạch liên tục đã nêu trên, nếu
như quá trình quá độ của mạch vòng kín kéo dài hơn vài lần chu kỳ lấy mẫu τ > 2T (nếu điều kiện này thỏa mãn thì quá
trình quá độ sẽ kết thúc sau 6 đến 10 chu kỹ lấy mẫu).
Khi tổng hợp luật điều chỉnh ta thay phần tử lấy mẫu và tạo tín hiệu nhảy bậc từ tín hiệu liên tục bằng phần từ liên
tục có trễ hoặc bằng phần tử quán tính [5].
( )
1
2
1
2/exp
)(
)(
+
≈−≈
s
T
sT
se






−−+−+=
∑
=
)1()()1()()(
0
keke
T
T
ie
T
T
keKku
D
k
i
I
(4.40)
4.3.2. Xây dựng bộ điều khiển PID số cho kháng bù ngang trên Matlab
Ta có sơ đồ khối của hệ thống điều khiển sau khi chuyển đổi z:
Hình 4.21: Sơ đồ biến đổi tương đương hệ thống điều khiển số
Biến đổi sơ đồ khối của hệ điều khiển hình 4.21:
Ta có:
21
2
21

( ) ( )






−
−−−
=
−−
)(
11
11
1
ab
eKaKeKbK
A
bT
ik
aT
ik
;
( ) ( )
)(
11
11
2
ab
eeKbKeeKaK

−−−
=
−−
)(
11
2121
3
ac
eKaKeKcK
A
cTaT
;
( ) ( )
)(
11
2121
4
ac
eeKcKeeKaK
A
cTaTaTcT
−
−−−
=
−−−−
;
)(
3
cTaT
eeB

)2()1()2()1()(
2121
−+−+−−−= kuAkuAkyBkyBky
; (4.56)
)2()1()2()1()(
4343
−+−+−−−=
kuAkuAkiBkiBki
kphkphkph
; (4.57)
)()( kyky
ph
=
; (4.59)
)1()1()()1()(
121111101
−+−++−=
keAkeAkeAkuku
; (4.60)
)1()1()()1()(
22221220211
−+−++−=
keAkeAkeAkxkx
. (4.61)
Trong đó:
A
0
= K
P
+K

4.3.3. Mô phỏng quá trình tác động của bộ điều khiển đã thiết kế lên các thông số kháng bù ngang và thông số
trên đường dây truyền tải
Từ các phương trình sai phân trên ta tính giá trị đầu ra góc lệch pha của hệ thống điều khiển theo hàm truyền số.
Với các hệ số K
1P
, K
1I
, K
1D
, của bộ điều khiển thứ nhất PID
1
và K
2P
, K
2I
,K
2D
của bộ điều khiển số thứ hai PID
2
, được xác
định bằng thực nghiệm và xây dựng chương trình thực nghiệm trên M-file của Matlab.
10
Hình 4.24: Kết quả chương trình xây dựng bộ điều khiển trên matlab đáp ứng đầu ra và sai lệch giữa tín hiệu đầu ra (phản hồi) so với tín
hiệu đặt đầu vào
Ta sẽ xây dựng chương trình trên M-file sau đó thực hiện online với thiết bị phần cứng của kháng điều khiển qua
card điều khiển trên máy tính. Khi đó, mô hình đối tượng hay các tham số của bộ điều chỉnh ta có thể thay đổi cho phù
hợp với mong muốn của đáp ứng hệ thống (chương trình tham khảo trong phần phụ lục F) và kết quả sau khi mô phỏng
trên Matlab thể hiện với kháng điều khiển và các tham số của phân đoạn đường dây Đà Nẵng - Pleiku đã xét ở chương
3.
Sau khi thiết kế xong bộ điều khiển số ở trên, ta thực hiện mô tả hoạt động của hệ thống trên sơ đồ lắp ráp bằng

k
lúc này cực đại và sau
2 chu kỳ lưới thì dòng điện truyền tải đồng pha với điện áp. Tương tự thời gian 0.2s – 0.3s, 0.3s – 0.4s, 0.4s – 0.5s công
suất truyền tải tăng dần các mức 20%, 50% và 100% công suất truyền tải tự nhiên tương ứng với dòng kháng i
k
giảm
dần từ max đến min.
Trường hợp khi đường dây làm việc ở các chế độ giảm dần công suất truyền tải từ tự nhiên đến không tải
(mô phỏng các mức tải giảm là từ: 100%, 50%, 20%, và 0%)
- Trên hình 4.39 biểu dòng điện, điện áp và dòng kháng khi thực hiện quá trình thay đổi công suất truyền tải:
Hình4.39: Biểu diễn dòng điện I, áp u trên đường dây truyền tải và dòng điện kháng i
k
, 0.1s giảm tải còn 50%, 0.2s giảm tải còn 20%, 0.3s
giảm còn 0% (không tải)
 Từ những kết quả mô phỏng tương ứng với các trường hợp công suất truyền tải trên đường dây thay đổi từ 0
cho đến công suất tự nhiên cho thấy bộ điều khiển được thiết kế đã đáp ứng được yêu cầu thay đổi mức bù của kháng
12
bù ngang kiểu máy biến áp để bù 100% công suất phản kháng dư của đường dây truyền tải. Việc bù hoàn toàn công suất
phản kháng dư của đường dây là do kháng bù ngang kiểu biến áp được điều khiển theo hàm (3.84) để loại bỏ hoàn toàn
thành phần dòng phản kháng trên đường dây nhằm tối ưu tổn thất công suất trên đường dây truyền tải 500 kV.
13
KẾT LUẬN
Các kết quả đã đạt được
Với đề tài “nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho Kháng bù ngang có điều khiển kiểu biến áp” luận văn đã giải
quyết được các nội dung cơ bản sau:
- Dựa trên các mô tả toán học, biểu diễn quan hệ điện từ giữa tín hiệu điều khiển của các van bán dẫn với các
tham số kháng cũng như quan hệ khi điều khiển Kháng bù ngang kiểu máy biến áp với các thông số trên đường dây
truyền tải. Thiết lập luật điều khiển cho Kháng bù ngang có điều khiển kiểu biến áp nhằm tối ưu tổn thất công suất trên
đường dây khi công suất tuyền tải trên đường dây thay đổi từ không tải đến công suất tự nhiên.
- Thiết kế bộ điều khiến cho kháng bù ngang kiểu biến áp với tham số bộ điều khiển tương tự và số, tính toán