Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm http://www.lrc-tnu.edu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LÊ HOÀNH SẤM

Khảo sát và thiết kế thiết bị bù công suất
phản kháng tĩnh cho trạm truyền tải điện
220kV

Chuyên ngành:
Mã số:
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: TS. VÕ QUANG VINH
THÁI NGUYÊN, 2010


Tôi xin cam đoan luận văn này là do tôi nghiên cứu dưới sự hướng dẫn
của thầy giáo.TS. Võ Quang Vinh. Các nội dung, thông số và số liệu trong đề
tài là hoàn toàn trung thực và chưa từng công bố trong bất kì công trình nào
khác. Tác giả luận văn

Lê Hoành Sấm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm http://www.lrc-tnu.edu
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT TRONG
LƯỚI ĐIỆN 1
1.1. Đặt vấn đề 1
1.2. Khái niệm hệ thống điện và phụ tải điện
1.2.1. Hệ thống điện
1.2.2. Phụ tải điện
1.3. Chế độ làm việc và cân bằng công suất trong hệ thống điện
1.3.1. Chế độ làm việc
1.3.2. Cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng
1.4. Tổn thất điên áp trên đường dây truyền tải điện
1.4.1. Tổn thất điện áp tính theo dòng điện, vectơ điện áp
1.4.2. Tính toán tổn thất điện áp theo công suất
1.5. Khái niệm chung về điều chỉnh điện áp
1.5.1. Ảnh hưởng của điện áp đến hoạt động của hệ thống điện
1.5.2. Nhiệm vụ của điều chỉnh điện áp

3.2. Tính toán thông số của SVC
3.2.1. Tính toán thông số cuộn kháng L của TCR
3.2.2. Tính toán thông số bộ lọc
3.2.3. Tính toán giá trị bộ tụ điện C
3.2.4. Tính toán thông số của thyristor
3.2.5. Tính toan bảo vệ thyristor
3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển
3.3.1. Khối lượng đo
3.3.2. Khối điều khiển điện áp
3.3.3. Khối tính toán góc mở Thyristor
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm http://www.lrc-tnu.edu
3.3.4 Khối phát xung điều khiển
3.3.5. Tín hiệu điều khiển bổ sung
CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VỚI CÔNG CỤ
MATLAB SIMULINK
4.1.Mô hình bài toán cần mô phỏng
4.2. Sơ đồ mô phỏng trong simulin k
4.2.1. Sơ đồ mạch công suất
4.2.2. Sơ đồ mạch điều khiển
4.3. Kết quả mô phỏng khi dùng bộ PI thông thường
4.3.1. Kết quả mô phỏng trường hợp 1
4.3.2. Kết quả mô phỏng trường hợp 2
4.3.3. Kết quả mô phỏng trường hợp 3
4.4. Sử dụng luật mờ để nâng cao chất lượng điều khiển SVC
4.4.1. Đặt vấn đề
4.4.2. Cơ sở thuật toán điều khiển
4.4.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ và luật mờ
4.4.4. Kết quả mô phỏng so sánh bộ PI thường và điều khiển mờ

Hình 2.7. Đồ thị điện áp và dòng điện TCR
Hình 2.8. Quan hệ giữa điện dẫn B
L
và góc dẫn 
Hình 2.9. Đặc tính bù V- I của TCR
Hình 2.10. Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo FC - TCR
Hình 2.12. Đặc tính làm việc
Hình 2.13. Sơ đồ cấu tạo của TSC
Hình 2.14. Nguyên lý hoạt động của TSC
Hình 2.15. Sơ đồ kết nối của TSC
Hình 2.16. Mối quan hệ giữa B
TSC
và số lượng các TSC dẫn
Hình 2.17. Điều chỉnh điện áp tại nút phụ tải bằng SVC
Hình 2.18. Sự thay đổi điện áp tại thanh cái phụ tải khi có và không có SVC
Hình 3.1. Sơ đồ mắc FC- TCR kiểu hình sao
Hình 3.2. Sơ đồ mắc FC - TCR kiểu tam giác
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm http://www.lrc-tnu.edu
Hình 3.3. Sơ đồ bảo vệ quá điện áp
Hình 3.4. Sơ đồ mắc điện trở phân áp
Hình 3.5. Sơ đồ mạch lực TCR
Hình 3.6. Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển thiết bị bù tĩnh SVC
Hình 3.7. Khối đo lường
Hình 3.8. Sơ đồ khối mạch điều chỉnh điện áp
Hình 3.9. Quan hệ giữa điện dẫn và góc mở 
Hình 3.10. Sơ đồ tín hiệu bổ sung
Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống điện
Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống trên Matlab simulink

Hình 4.26. Công suất phản kháng tại thanh cái đặt SVC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm http://www.lrc-tnu.edu
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

FACTS: (Flexible AC Transmission System) Hệ thống truyền tải điện xoay
chiều linh hoạt
SVC (Static Var Compensator) : Máy bù tĩnh
TCR (Thyristor Controlled Reactor) : Kháng điều khiển bằng thyristor
TSC (Thyristor Switched Capacotpor) : Tụ đóng cắt bằng thyristor
TSR (Thyristor Switched Reactor) : Kháng đóng cắt bằng thyristor
FC (Fixed Capacitor) : Tụ điện cố định
 : Góc mở của thyristor
 : Góc dẫn của thyristor
I
L
: Dòng điện qua cuộn kháng
I
Lft
: Biên độ của dòng điện cơ bản qua cuộn kháng TCR
B
L()
: Điện dẫn tương đương của TCR theo góc dẫn 
X

cầu phát triển kinh tế xã hội của cả nước, hệ thống điện Việt Nam đã có
những bước phát triển mạnh mẽ.
Từ giữa năm 1994, với việc đưa vào vận hành đường dây siêu cao áp
500 kV Bắc - Trung - Nam và có chiều dài gần 1500 km, hệ thống điện Việt
Nam đã trở thành hệ thống điện hợp nhất với đầy đủ các đặc trưng của hệ
thống lớn. Một mặt, hệ thống điện hợp nhất cho phép khai thác tối đa các ưu
điểm vận hành kinh tế (phối hợp các nguồn thủy điện, nhiệt điện, tối ưu hoá
công suất nguồn …), mặt khác cho phép nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.
Việc hợp nhất hệ thống còn là tiền đề thuận lợi cho việc phát triển các loại
nguồn điện công suất lớn và đấu nối vào hệ thống.
Tuy nhiên, với hệ thống điện hợp nhất có các đường dây siêu cao áp, một
trong những vấn đề quan trọng là tính ổn định trong quá trình vận hành.
Trong các hệ thống điện này, những sự cố do mất tính ổn định gây ra sẽ làm
ngừng cung cấp điện hoặc phân chia hệ thống thành từ phần riêng lẻ.
Với việc áp dụng các thành tựu đã đạt được của công nghệ bán dẫn vào
lĩnh vực truyền tải điện, các linh kiện điện tử công suất lớn, điện áp cao như
Thyristor, GTO có thể sử dụng vào các hệ thống truyền tải điện xoay chiều
linh hạot (FACTS: Flexible AC Transmission Systems). FACTS đã góp phần
vào việc giải quyết những hạn chế trên đường truyền tải, nâng cao tính ổn
định và tận dụng triệt để các thiết bị cho hệ thống hiện có.
Trên thế giới, nhiều hãng lớp như American Supper Conductor của Mỹ,
Rongxin Power Electric Co.Ltd của Trung Quốc, Misubisi, SIEMEN…. đã có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm http://www.lrc-tnu.edu
nhiều sản phẩm về thiết bị bù tĩnh có điều khiển SVC, STATCOM, thiết bị bù
dọc có điều khiển TSCS đã được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong
việc nâng cao tính ổn định và chất lượng điện áp của hệ thống điện. Việc
nghiên cứu các thiết bị bù này đối với việc nâng cao ổn định và chất lượng
điện áp của hệ thống điện Việt Nam trong tương lai là nhiệm vụ rất cần thiết.
Nhằm mở ra một hướng mới trong việc nghiên cứu, chế tạo thiết bị bù
ngang có điều khiển, em được giao đề tài "Khảo sát và thiết kế thiết bị bù

[3] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất,
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2004.
[4] Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất: Lý
thuyết - Thiết kế - Ứng dụng¸ Lý thuyết điều khiển mở, NXB KHKT, 2002.
[5] P.X. Minh, N.D. Phước, Lý thuyết điều khiển mờ, NXB KHKT, 2002.
Tiếng Anh
[6] G.Hingorani, L.Gyugyi, Understanding FACTS: Concept and Technology
of Flexible AC Transmission Systems, The Institute of Electrical and
Electronics Engineeres Inc., New York, 2000.
[7] E.Acha V.G. Agelidis, O.Anaya - Lara, T.J.E.Miller, Power Electronic
Control in Electrical Systems, Newnes Publisher, 2002.
[8] R.Mohan Mathur, Rajiv K.Varma Thyristor - Based Facts Controllers for
electrical Tranmission Systems, copyright@ 2002 John Wiley & Sons
from www.knovel.com.
[9] Genetic algorithm based opimal self - tuning fuzzy logic controller for
power system static VAR stabiliser.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm http://www.lrc-tnu.edu
TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay, nhu cầu điện năng tiếp tục tăng mạnh đòi hỏi chất lượng phân
phối điện và độ tin cậy cao hơn rất nhiều. Việc đưa thiết bị FACTS vào khai
thác đã giải quyết đúng đắn và có giá trị rất cao cho các vấn đề của lưới khi
truyền tải.
Từ nhu cầu đó, luận văn này phân tích được cơ sở ổn định điện áp lưới
bằng việc bù công suất phản kháng và nghiên cứu nguyên lý làm việc của các
thiết bị bù tĩnh SVC. Đánh giá ưu nhược điểm của các loại cấu hình SVC phổ
biến, từ đó chọn thiết kế mạch lực tối ưu FC - TCR, tính toán mạch lạc. Thiết
kế bộ lọc sóng hài LC và thiết kế nguyên lý điều khiển cho hệ thống bù có
công suất  100 MVAr.
Từ các kết quả thiết kế, xây dựng mô hình mô phỏng thiết bị bù có điều

From the reslts of designing and building equipment simulations
compensate controlled SVC pair with the electrical system in the Malab -
Simulink. Model using pI control law has been proven ability to maintain and
improve the quality of the grid voltage of the device were offset static design.
For compensation system designed FC - TCR has the capacity of the
convergent protests are fixed so the adjustment capacity of protesting
dependency on anti - TCR adjusted. Thesis also makes the algorithm used
fuzzy reles to impove the quality control system. Simulation results
demonstrate that quality control is improved: faster and more accurately
placed than sticking value.
Keyword: Compensation capacity protests, FACTS, TCR control, adiust
voltage, SVC, Fuzzy.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm http://www.lrc-tnu.edu

1
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT TRONG LƢỚI ĐIỆN

1.1. Đặt vấn đề
Để thiết bù công suất phản kháng, trứơc hết ta cần biết về vai trò tác
dụng quan trọng của nó trong một hệ thống điện. Bù công suất phản kháng có
tác dụng:
Điều chỉnh hệ số công suất thường là thực hiện việc cấp công suất phản
kháng càng gần tải càng tốt. Hầu hết các phụ tải công nghiệp, nông nghiệp
tiêu thụ nhiều công suất phản kháng. Vì thế dòng tải có khuynh hướng lớn
hơn dòng điện cần thiết để cung cấp riêng cho công suất sinh công vì vậy lãng
phí do phải tăng tiết diện dây, gây tổn thất điện áp cũng như điện năng lớn
hơn yêu cầu thực tế.
Điều áp là một vấn đề quan trọng và đặc biệt cần thiết nếu trong lưới

1.2. Khái niệm hệ thống điện và phụ tải điện
1.2.1. Hệ thống điện
Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây
tải điện và các thiết bị khác (thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ…) được
nối liền với nhau thành hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân
phối điện năng.
Tập hợp các bộ phân của hệ thống điện (HTĐ) gồm các đường dây tải
điện và các trạm biến áp được gọi là lưới điện.
Điện năng truyền tải đến hộ tiêu thụ phải thoả mãn các tiêu chuẩn phục
vụ (bao gồm chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện) và có chi phí
sản xuất, truyền tải và phân phối nhỏ nhất.
Các thiết bị dùng điện được gọi chung là phụ tải điện.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm http://www.lrc-tnu.edu

3
1.2.2. Phụ tải điện
Phụ tải điện gồm công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q yêu
cầu tại một điểm nào đó của lưới điện. Công suất tác dụng là P là công suất
sinh ra công, tiêu hao năng lượng của nguồn điện. Công suất phản kháng Q
thường là công suất sinh ra từ trường, mang cảm tính, không tiêu thụ năng
lượng của nguồn, nhưng dòng điện do nó sinh ra khi chạy trong dây dẫn gây
ra tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng . Công suất P và Q có
tương quan với nhau , được đặc trưng chung bằng công suấ t biểu kiến S và
cos.
22
QPS 
và


T
dttiRTIRA
0
22
)(
(1.3)
Trị số dòng không đổi I tương đương về mặt tiêu tán với dòng chu kỳ i(t)
được gọi là giá trị hiệu dụng của chu kỳ. Như vậy có thể viết:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm http://www.lrc-tnu.edu

4
)sin( 2)(

 tIti
(1.4)
Xét mạch gồm các phần tử nối tiếp R-L-C với kích thích điều hoà
)sin( 2)(

 tUtu
(1.5)
=
)
2
sin( 2)sin( 2


 tILtIR


U
CL

2222
)()/1(

(1.6)
Hay:
22
XR
I
U
Z 

Ở đây ta thấy R và X đặc trưng cho hai quá trình năng lượng khác nhau
hẳn về bản chất (tiêu tán và dao động).

Hình 1.1. Mạch R L C nối tiếp và đồ thị véctơ điện áp
Từ đồ thị véctơ (hình 1.1) ta tìm được góc lệch pha giữa u và i.
R
X
R
XX
U
UU
tg
CL
R
CL


 

 tIi
m
sin.
(1.9)
=
)cos.sincos.(sin ttI
m

'' ii 

Với
tIi
m

sin.cos.'
(1.10)

tIi
m

cos.sin.'' 
2cos.sin.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm http://www.lrc-tnu.edu

6

Hình 1.2. Đồ thị quan hệ giữa P và Q

1.3. Chế độ làm việc và cân bằng công suất trong hệ thống điện
1.3.1. Chế độ làm việc
Khi hệ thống điện hoạt động, tập hợp các dạng quá trình xảy ra trong hệ
thống điện hoặc một phần hệ thống điện và trạng thái của nó trong một thời
điểm hoặc trong một khoảng thời gian nhất định gọi là chế độ của hệ thống điện.
Chế độ của hệ thống điện đặc trưng bởi các thông số chế độ đó là công
suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, điện áp U, góc pha của điện áp,
dòng điện I tại mọi điểm của hệ thống điện. Các thống số này biến thiên liên
tục trong thời gian do nhu cầu điện năng của phụ tải luôn biến đổi theo quy
luật của sản xuất, đời sống và do sự kiện bất thường khác được gọi chung là
sự cố như: ngắn mạch, hỏng hóc ngẫu nhiên các tổ máy hoặc các đường dây
điện
Chế độ xác lập là chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, trong
đó các thông số chế độ được coi không đổi.
Chế độ quá độ là chế độ trong đó các thông số chế độ biến đổi rất nhanh,
mạnh.
Chế độ quá độ bình thường là chế độ xảy ra khi yêu cầu công suất phụ
tải biến đổi rất nhanh, còn chế độ quá độ sự cố là chế độ xảy ra khi xảy ra sự
cố trong hệ thống điện.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Nông lâm http://www.lrc-tnu.edu

7
1.3.2. Cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng

cầu phụ tải một lượng công suất dự trữ sự cố P
dtsc
.
Ngoài công suất dự trữ sự cố còn phải đặt thêm công suất dự trữ bảo
quản P
dtbq
để có thể bảo quản các tổ máy mà không ảnh hưởng đến phụ tải.
Công suất dự trữ sự cố đựơc xác định ở thời điểm phụ tải cực đại năm, ở
chế độ này cân bằng công suất được xác định như sau:


tddtbqdtcsptFdm
PPPPPP
(1.14)
Trong đó:


Fdm
P
: Tổng công suất định mức của nguồn điện


pt
P
: Tổng công suất yêu cầu của phụ tải


P
: Tổng tổn thất công suất trên lưới điện và trong máy
biến áp

chất hệ thống vừa có tính chất địa phương. Có nghĩa là chỗ này của hệ thống
điện có thể đủ công suất phản kháng nhưng chỗ khác lại thiếu.
Công suất phản kháng được đáp ứng một phần bởi các nhà máy điện,
phần còn lại được hệ thống cấp nhờ các tụ bù, kháng điện được đặt một cách
hợp lý trong hệ thống điện. Hệ thống điện cần một lượng công suất phản
kháng dự trữ chung để điều chỉnh mức điện áp hệ thống khi nhu cầu biến đổi
hoặc sự cố nhà máy điện. Cân bằng công suất phản kháng được điều chỉnh
nhờ hệ thống điều chỉnh điện áp.
Công suất bù Q
b
xác định từ điều kiện cân bằng công suất phản kháng
trong chế độ cực đại năm của hệ thống điện:


FcdttdBtpt
QQQQQQQQ
(1.15)
Trong đó:

 

ptiptipt
tgPQ

.
là công suất yêu cầu của phụ tải



dmdmiF

là tổn thất công suất phản kháng do đường dây sinh ra
Q
dt
là công suất phản kháng dự trữ khoảng
 


lBpt
QQQ%87

1.4. Tổn thất điện áp trên đƣờng dây truyền tải điện
Xét đường dây có điện trở R, điện trở kháng X cấp điện cho phụ tải có
công suất S
2
= P
2
+ jQ
2
. Điện áp cuối đường dây là U
2
điện áp nguồn là U
1
và
công suất của nguồn cần cung cấp là S
1
= P
1
+ jQ
1
.

Với Z = R + jX là tổng trở của đường dây
Theo định luật Ohm ta có tổn thất điện áp pha trên đường dây tính cho 1
pha

 
jXRIjIjXRIjIZIU
qpf


sin cos

  
RIXIjXIRI .sin cos sin cos.


(1.17)
ff
UjU



U
1
Z.L
U
2
1
2
S
1