BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
*****************
ðÀO THỊ THUỶ
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ STATCOM
ðỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT VÀ ỔN ðỊNH CHO HỆ LAI
DIESEL – GIÓ,
ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ THỐNG ðIỆN
ðỘC LẬP CÓ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ðỘC LẬP CÓ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật ñiện
Mã số: 60.52.02.02 Người hướng dẫn khoa học: TS. Bùi ðăng Thảnh

Hà Nội - 2013

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

i

LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan luận văn: : “Nghiên cứu, thiết kế hệ STATCOM ñể
nâng cao hiệu suất và ổn ñịnh cho hệ lai Diesel – Gió, ứng dụng cho các hệ
thống ñiện ñộc lập có nguồn năng lượng tái tạo’’ là do tôi thực hiện dưới sự

luận văn của tôi ñã hoàn thành với sự cố gắng tìm tòi, nghiên cứu của bản thân
và sự giúp ñỡ của các thầy, cô giáo cùng các bạn học viên Trường ðH Bách
khoa Hà Nội và Trường ðH Nông nghiệp Hà Nội.
Xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS. Bùi ðăng Thảnh - Trường
ðH Bách khoa Hà Nội, cùng toàn thể các thầy, cô giáo trong bộ môn Trường
ðH Nông nghiệp Hà Nội ñã nhiệt tình chỉ bảo ñể luận văn của em có ñược kết
quả ñáp ứng ñược yêu cầu ñề ra.
Xin chân thành cảm ơn nhóm các bạn : Trần Vũ Trung, Nguyễn ðức Huy
lớp KSTN ðKTð và ðỗ Thế Bảo, ðặng Trung ðức - Trường ðH Bách khoa Hà
Nội ñã tham gia giúp ñỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn!

Ngày 07 tháng 9 năm 2013
Người thực hiện luận văn
ðào Thị Thủy

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

2.2.1.2. Bù ngang 22
2.2.2. Một số thiết bị ñiều khiển công suất phản kháng trong hệ thống ñiện 24
2.2.2.1. Thiết bị bù tĩnh ñiều khiển bằng Thuyristor (SVC – Static Var Compensator)24
2.2.2.2. Thiết bị bù tĩnh STATCOM (STATCOM – Sitatic Synchronuos
Compensator)
24
2.3. Kết luận 27
CHƯƠNG 3: 28
ỨNG DỤNG STATCOM VÀO HỆ THỐNG ðIỆN ðỘC LẬP DIESEL –
GIÓ ðỂ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ NÂNG CAO ỔN ðỊNH
ðIỆN ÁP
28
3.1. Khái quát chung 28
3.2. Bộ ñiều khiển ñiện tử công suất dựa trên các thiết bị bán dẫn 28
3.2.1. Cấu trúc cơ bản của STATCOM 28
3.2.2. Bộ chuyển ñổi nguồn áp (VSC) 29
3.2.3. ðiều khiển ñiều chế ñộ rộng xung (PWM) 30
3.2.4. Nguyên tắc hoạt ñộng của VSC 35
3.3. Hệ thống ñiều khiển của STATCOM 37
3.4. Mô hình hóa STATCOM 38
3.4.1. Mô hình mạch 38
3.4.2. Mô hình toán STATCOM 39
CHƯƠNG 4: 44
SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK ðỂ MÔ PHỎNG ðÁP ỨNG ðỘNG
CỦA STATCOM VÀO HỆ THỐNG ðIỆN ðỘC LẬP DIESEL – GIÓ
44
4.1. Mô hình STATCOM 44
4.1.1. Mô hình hóa lý thuyết 44
4.1.1.1. Mô hình mạch ñộng lực của STATCOM và D-STATCOM 44
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TT Chữ viết tắt Ý nghĩa
1 HTð
Hệ thống ñiện2 SVC
Static Var Compensator (Bộ bù công suất phản
kháng

3 STATCOM
Static Synchronous Compensator (Bộ bù ñồng bộ tĩnh)4 TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor
5 UPFC
Unified Power Flow Controller (Bộ ñiều khiển dòng
chảy công suất phản kháng)

6 FACTS
Flexible Alternating Current
Transmission Systems (Hệ thống truyền tải ñiện

Bảng 1.1. Các thông số ñiều khiển ñộng cơ Diesel 12
Bảng 1.2. Thông số mô hình ñộng cơ Diesel phù hợp nhất 14
Bảng 4.1 Các tham số của hệ ñiều khiển D-STATCOM 62
Bảng 4.2 Bảng tổng kết các chỉ tiêu chất lượng với các bộ số ñiều khiển V
ac

khác nhau :
72DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ðỒ THỊ

Hình 1.1. Sơ ñồ một tua bin gió sử dụng nam châm vĩnh cửu 2
Hình 1.2. Mối quan hệ giữa 3
Hình 1.3. Mối quan hệ giữa vận tốc gió và công suất của tua bin 4
Hình 1.4. Mô hình máy phát ñiện Diesel [9] 7
Hình 1.5. Sơ ñồ nguyên lý phát ñiện. [2] 8
a- Sơ ñồ nguyên lý; b- Dòng ñiện xoay chiều 1 pha trong một chu kỳ 8
Hình 1.6. Sơ ñồ nguyên lý dòng ñiện xoay chiều 3 pha 8
Hình 1.7. Sơ ñồ mô phỏng ñộng cơ Diesel 10
Hình 1.8. Hệ thống ñộng cơ Diesel và hàm truyền [18] 10
Hình 1.9. Dạng ñồ thị tốc ñộ của bộ Diesel khi K = 20 12
Hình 1.10. Dạng ñồ thị tốc ñộ của bộ Diesel khi K =40 13
Hình 1.11. Lược ñồ minh họa hệ lai Diesel – gió ñộc lập 15
Hình 1.12. Sơ ñồ hàm truyền hệ thống năng lượng Diesel – Gió (A: SVC; B:
STACOM)
16
Hình 2.1 Mạch ñiện tương ñương của STATCOM 19
Hình 2.2 Hệ thống truyền tải có bù dọc: 21
Hình 2.3 Hệ thống truyền tải có bù ngang: 23

Hình 4.13 Biên ñộ ñiện áp pha V
a
và dòng phản kháng I
a
63
Hình 4.14 ðiện áp DC trên tụ 63
Hình 4.15 Dòng thành phần I
q
và lượng ñặt dòng I
qref
64
Hình 4.16 Thành phần công suất tác dụng và công suất phản kháng 64
Hình 4.17 Chỉ số ñiều chế PWM 65
Hình 4.18 So sánh chất lượng ñiện áp lưới khi có STATCOM và không có
STATCOM
66
Hình 4.19 Biên ñộ ñiện áp pha V
a
và dòng phản kháng I
a
66
Hình 4.20 Tốc ñộ quay máy không ñồng bộ 67
Hình 4.21 So sánh chất lượng ñiện áp lưới khi có STATCOM và không có
STATCOM
68
Hình 4.22 Biên ñộ ñiện áp pha V
a
69
Hình 4.23 Biên ñộ ñiện áp pha V
a

ñối với các hệ thống ñiện quy mô nhỏ có sử dụng các tuabin gió là một thách
thức về mặt kỹ thuật, do ñặc ñiểm bất ñịnh của nguồn phát, và do quán tính nhỏ
của các máy phát ñiện trong các hệ thống ñiện nhỏ.
Trong số các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu suất và ñộ ổn ñịnh
của hệ thống ñộc lập có sự tham gia của ñiện gió, việc sử dụng bộ bù tĩnh
STATCOM (Static Synchronous Compensator) là hướng giải pháp có tính hiệu
quả cao. Nhờ vào khả năng ñáp ứng nhanh của STATCOM, chúng cho phép bù
ñắp nhanh chóng những thiếu hụt tạm thời về công suất phản kháng ñồng thời
nâng cao hiệu suất và ñộ ổn ñịnh của nhà máy ñiện gió khi có các sự cố.
Việc nghiên cứu thành công hệ bù công suất phản kháng cho hệ thống lai
giữa Diesel và gió sẽ mang lại lợi ích lớn về kinh tế nhằm sử dụng triệt ñể nguồn
năng lượng tái tạo này, cũng như có hiệu quả về mặt kỹ thuật trong việc nâng
cao ñộ tin cậy cung cấp ñiện cho các lưới ñiện vùng sâu, vùng hải ñảo… nơi
không có kết nối với lưới ñiện quốc gia.
Từ những phân tích trên, tôi tiến hành nghiên cứu ñề tài: “Nghiên cứu,
thiết kế hệ STATCOM ñể nâng cao hiệu suất và ổn ñịnh cho hệ lai Diesel –
Gió, ứng dụng cho các hệ thống ñiện ñộc lập có nguồn năng lượng tái tạo’’.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

x

1. Mục tiêu nghiên cứu
Trên cơ sở lý luận, thực tiễn và khảo sát thực tế. Việc nâng cao hiệu quả
cung cấp ñiện cho các lưới ñiện ñộc lập là ñiều cần thiết. Do ñó ñề tài nghiên
cứu, thiết kế hệ STATCOM nhằm nâng cao hiệu suất và ổn ñịnh cho hệ lai
Diesel-gió (Hybrid Diesel-Wind) ứng dụng cho lưới ñiện ñộc lập. ðây là hướng
nghiên cứu ñang rất ñược quan tâm trên thế giới ñặc biệt thích hợp với các quốc
gia có nhiều các nguồn năng lượng tái tạo- năng lượng gió như Việt Nam.
2. Khách thể và ñối tượng nghiên cứu

Bên cạnh phần mở ñầu và kết luận thì luận văn ñược chia làm 4 chương
như sau:
- Chương 1
: Tổng quan chung về hệ lai Diesel – Gió ở lưới ñiện ñộc lập
- Chương 2: Khái quát về hệ STATCOM và bù công suất
- Chương 3: Ứng dụng STATCOM vào hệ thống ñiện ñộc lập Diesel – Gió ñể bù
công suất phản kháng và nâng cao ổn ñịnh ñiện áp
- Chương 4
: Sử dụng Matlab/Simulink ñể mô phỏng ñáp ứng ñộng của
STATCOM vào hệ thống ñiện ñộc lập Diesel - Gió
8. Những ñóng góp mới của luận văn
- Thiết kế hệ STATCOM cho lưới ñiện ñộc lập phù hợp với các ñiều kiện
của Việt Nam hiện nay
- Xây dựng các giải thuật bù cho hệ thống
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

1

CHƯƠNG 1
T
ỔNG QUAN CHUNG HỆ LAI DIESEL – GIÓ Ở LƯỚI ðIỆN
ðỘC LẬP

1.1. Hệ năng lượng ñiện Gió
1.1.1. Sự hình thành năng lượng gió
Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái ñất không ñồng ñều làm cho bầu
khí quyển, nước và không khí nóng không ñều nhau. Một nửa bề mặt của Trái
ðất, mặt ban ñêm, bị che khuất không nhận ñược bức xạ của Mặt Trời, thêm vào
ñó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích ñạo nhiều hơn là ở các cực, do ñó có
sự khác nhau về nhiệt ñộ, dẫn ñến khác nhau về áp suất, làm cho không khí giữa

dựa trên mô hình (Hình 1.1) sau:
Giả sử không khí chuyển ñộng với vận tốc v, thời gian t ñể ñi ñược quãng
ñường D, diện tích bề mặt A (tương ứng với diện tích do cánh quạt quét trong
không gian), tỉ trọng không khí ρ, khối không khí chuyển ñộng m sẽ ñược tính
như sau:
tvADAm
ρ
ρ
=
=
(1-1)
Cơ năng E của một khối lượng không khí m chuyển ñộng với vận tốc v là:2
1
2
E mv
=

(1-2)
Công suất P thu ñược của tua bin sẽ phụ thuộc vào mật ñộ không khí ρ,
vận tốc v và tiết diện của vòng cánh quạt A:

3
1
2
P Av
ρ
=

).
sẽ ñược tính theo công thức (1-5). [5]
1
21
116
( , ) 0.5176( 0.4 5) 0.0068
p
i
C e
λ
λ β β λ
λ
−
= − − +

(1-5)

3
1 0.035
0.08 1
i
λ β β
λ
= −
+ +
(1-6)Hình 1.2. Mối quan hệ giữa
Nhìn vào Hình 1.2 ta có thể nhận thấy khi , thì ñạt giá trị

P
πρ
δ
=

(1-8)
Mặt khác ta có công thức tính mô men của tua bine gió:

5 3
3
2
p
m
m
C R
P
T
πρ ω
ω λ
= =

(1-9)

Theo (1-8) vận tốc gió là yếu tố quan trọng nhất trong quá trình phát ñiện
của tua bin gió. Công suất ñiện sẽ tỷ lệ với lũy thừa bậc 3 của vận tốc.

Hình 1.3. Mối quan hệ giữa vận tốc gió và công suất của tua bin
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

5

6

với tổng mức ñầu tư cho hai nhà máy khoảng 200.000 tỷ ñồng. Với các con số
trên có thể dễ dàng nhận thấy số tiền ñầu tư cho thủy ñiện và nhiệt ñiện là rẻ
nhất. Tuy nhiên với nguồn tài nguyên thủy ñiện, và gió chưa ñược khai thác hiện
nay thì hướng ñầu tư cho gió vẫn là có tính khả thi hơn cả. [7]
1.1.4. Hạn chế của năng lượng gió
- Phụ thuộc hoàn toàn vào thiên nhiên
- Có thể làm thay ñổi dòng không khí
- Thay ñổi hoặc làm phá vỡ cảnh quan của vùng lắp ñặt ñiện gió
- Tiếng ồn có thể ảnh hưởng ñến các loài ñộng vật hoặc con người sống
gần nơi ñặt các trạm năng lượng gió.
- Có thể ảnh hưởng ñến các trạm thu phát sóng ñiện thoại, truyền hình,…
ðó là một số mặt hạn chế của năng lượng gió, nhưng cơ bản thì các hạn
chế này rất nhỏ so với các hạn chế của các nguồn năng lượng hóa thạch.
1.2. Hệ năng lượng ñiện Diesel
1.2.1. Nhiên liệu Diesel
Nhiên liệu Diesel (DO – Diesel Oil) là một loại nhiên liệu lỏng, nặng hơn
dầu lửa và xăng, sử dụng chủ yếu cho ñộng cơ Diesel (ñường bộ, ñường sắt,
ñường thủy) và một phần ñược sử dụng cho các tuốc bin khí (trong công nghiệp
phát ñiện, xây dựng…).
Nhiên liệu Diesel ñược sản xuất chủ yếu từ phân ñoạn gazoil và là sản
phẩm của quá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ, có ñầy ñủ những tính chất lý hóa
phù hợp cho ñộng cơ Diesel mà không cần phải áp dụng những quá trình biến
ñổi hóa học phức tạp.
Ngoài việc sử dụng nhiên liệu diesel nhiều trong các ngành công nghiệp,
máy phát ñiện Diesel ñược thiết kế ñể ñáp ứng nhu cầu của các doanh nghiệp
vừa và nhỏ, làm nguồn dự phòng cho các hệ lưới ñiện ñộc lập, giảm chi phí
nguồn ñiện dự phòng và làm cho máy phát ñiện dễ dàng cài ñặt ñang trở thành
tiêu chí hiện nay.

tuabin nước, ñộng cơ ñốt trong, tuabin gió hoặc các nguồn cơ năng khác.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

8

Nguyên lý làm việc:
MFð xoay chiều tạo ra ñiện theo nguyên lý tương tự như MFð một chiều,
cụ thể là, khi từ trường xung quanh một dây dẫn thay ñổi, một dòng ñiện cảm
ứng ñược tạo ra trong dây dẫn. Thông thường thì phần nam châm quay gọi là
rotor còn phần cuộn dây ñặt cố ñịnh trong lõi sắt gọi là stator. Từ trường của
rotor sẽ quét qua các thanh dẫn của stator và cảm ứng ra một suất ñiện ñộng
xoay chiều, nó như một ñầu vào cơ học làm cho rotor quay
.

Hình 1.5. Sơ ñồ nguyên lý phát ñiện. [2]
a- Sơ ñồ nguyên lý; b- Dòng ñiện xoay chiều 1 pha trong một chu kỳ
Mối liên hệ giữa cảm ứng ñược tạo ra trong dây dẫn và vị trí của nam
châm ñược chỉ ra trong Hình1.5. Dòng ñiện lớn nhất ñược sinh ra khi cực N và
cực S của nam châm gần với cuộn dây nhất. Tuy nhiên, chiều dòng ñiện ở mỗi
nửa vòng quay của nam châm lại ngược nhau.
Dựa theo nguyên lý trên, ñể sinh ra dòng ñiện một cách hiệu quả hơn,
máy phát ñiện 3 pha dùng 3 cuộn dây bố trí lệch nhau một góc 120
0
trên stator.

Hình 1.6. Sơ ñồ nguyên lý dòng ñiện xoay chiều 3 pha
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

9

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

10

Trong ngành công nghiệp năng lượng, MFð Diesel thường ñược sử dụng
kết hợp với các nguồn năng lượng gió, năng lượng mặt trời ñể cấp ñiện cho
những nơi không kết nối ñược với nguồn lưới ñiện quốc gia như các khu vực
biên giới, hải ñảo.
Ngoài các thành phần chính của máy phát ñiện Diesel ở trên còn có các
thành phần khác như Hình 1.4.
1.2.3. Mô hình hóa ñộng cơ Diesel - Ứng dụng Matlab mô phỏng ñộng cơ Diesel
ðộng cơ Diesel ñược mô phỏng theo sơ ñồ Matlab như Hình 1.7 dưới ñây:

Hình 1.7. Sơ ñồ mô phỏng ñộng cơ Diesel
Mô hình mô phỏng ñộng cơ Diesel bao gồm phần ñộng cơ không ñồng
bộ, môt bộ ñiều tốc và một tải. ðộng cơ sẽ chạy ở một tốc ñộ mà có thể ñiều
chỉnh qua tín hiệu của bướm ga (throttle). Các tín hiệu của bướm ga trực tiếp
ñiều khiển mô-men xoắn ñầu ra do ñộng cơ tạo ra và gián tiếp kiểm soát tốc ñộ
mà tại ñó ñộng cơ chạy. Nếu tốc ñộ ñộng cơ vượt quá tốc ñộ tối ña ñược chỉ
ñịnh, ñộng cơ tạo ra không có mô-men xoắn.

Hình 1.8. Hệ thống ñộng cơ Diesel và hàm truyền [18]
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

11

Trong Hình 1.8:
- w
ref
, w là tốc ñộ ñáp ứng và tốc ñộ thực tế

T
hằng số thời gian cấp 1;
-
d
K
là số truyền ñộng cơ;
-
'
3
T
,
β
ñặc trưng cho quán tính và khả năng khuếch ñại của thiết bị cung
cấp nhiên liệu;
- x, y lần lượt là sự thay ñổi tương ứng của lượng cấp nhiên liệu và vòng
quay ñộng cơ.
Chia cả 2 vế của (1-10) cho K
d
ta có mô tả ở dạng toán tử:

2
2 1 3
( )( 1) (1 ) ( )
Y s T s T s K T s X s
+ + = +
(1-11)
với
d
K
K

Ta ñược hàm truyền ñiều khiển:
3
2
2 1
(1 )
( )
1
c
K T s
H s
T s T s
+
=
+ +

(1-12)
- Hàm truyền bộ truyền ñộng (actuator) [18]:
4
5 6
1
(1 )(1 )
a
T s
H
s T s T s
+
=
+ +

(1-13)

của hệ kín, ta tăng hệ số khuếch ñại K, tuy nhiên việc tăng K quá lớn khiến hệ
nhạy cảm với sai lệch mô hình, với nhiễu ño và có thể làm cho hệ kín mất ổn
ñịnh [1]-tr396. Vì vậy, ta chỉ ñiều chỉnh K trong một dải giá trị cho phép.
Khi ta ñể hệ số khuếch ñại K = 20 và các thông số khác như hình sau:
B
ả
ng 1.1.

Các thông s
ố

ñ
i
ề
u khi
ể
n
ñộ
ng c
ơ
Diesel.

K
= 20
K = 20
T
1
= 0.01(s) T
2
= 0.02(s) T
3
= 0.2(s)
T
4
= 0.25(s) T
5
= 0.009(s) T
6
=0.0384(s)

T
d
= 0.024 (s)
T
min
= 0.1 pu T
max
= 1 pu
P
m0
= 0.000270147 pu