ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐÀM ANH TUỆ
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA TCSC
TRONG VIỆC NGĂN CHẶN MẤT ỔN ĐỊNH
DO NHIỄU LOẠN NHỎ
LUẬN VĂN THẠC SĨ THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
Thái Nguyên - 2010
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu.
Trong luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu
tham khảo.
Tác giả luận văn

Đàm Anh Tuệ
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn, ngoài nỗ lực bản thân, tác giả đã nhận được rất nhiều sự
quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các Thày, các Cô trong suốt quá trình giảng
dạy và khoa Đào tạo sau đại học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của thày TS Nguyễn Đăng
Toản trường Đại học Điện lực Hà Nội.
Thái Nguyên, ngày 24 tháng 8 năm 2010
Đàm Anh Tuệ
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hệ thống điện (HTĐ) đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của
mỗi quốc gia vì nó là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất của nền kinh
tế quốc dân. Do sự phát triển kinh tế và các áp lực về môi trường, sự cạn kiệt tài
nguyên thiên nhiên, cũng như sự tăng nhanh nhu cầu phụ tải, sự thay đổi theo
hướng thị trường hóa ngành điện làm cho HTĐ ngày càng trở lên rộng lớn về quy
mô, phức tạp trong tính toán thiết kế, vận hành do đó mà HTĐ được vận hành rất

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 10
1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 10
1.2 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 12
1.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã hệ thống điện liên quan đến vấn đề mất ổn định do
nhiễu loạn nhỏ 12
1.2.2 Tìm hiểu phương pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định với nhiễu loạn
nhỏ bằng thiết bị FACTS 13
1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 14
1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN 14
CHƯƠNG II ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ 15
2.1 PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY 15
2.1.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới 15
2.1.2 Các nguyên nhân của sự cố tan rã hệ thống điện 27
2.1.3 Cơ chế xảy ra sự tan rã hệ thống điện 30
2.1.4 Các dạng ổn định hệ thống điện 33
2.2 ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ 33
2.2.1 Định nghĩa 33
2.2.2 Phương pháp nghiên cứu ổn định góc rôto với nhiễu loạn nhỏ 35
2.2.3 Phương pháp nâng cao ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ 42
2.3 CÁC ĐỀ XUẤT NHẰm NGĂN CHẶN CÁC SỰ CỐ TAN RÃ hỆ THỐNG ĐIỆN 43
2.4 KẾT LUẬN 46
CHƯƠNG III ỨNG DỤNG TCSC TRONG VIỆC NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ
THỐNG ĐIỆN DO NHIỄU LOẠN NHỎ 47
4
3.1 THIẾT BỊ TCSC 47
3.1.1 Giới thiệu chung 47
3.1.2 Các lợi ích của việc dùng TCSC 47
3.1.3 Mô hình TCSC 49
3.1.4 Phạm vi ứng dụng của TCSC trong thực tế 54
3.2 TÌM HIỂU PHẦN MỀM PSS/E 56

Bảng IV-5: Các nhà máy điện hiện có 81
Bảng IV-6: Tổng điện năng sản xuất trong giai đoạn 2000 - 2005 83
Bảng IV-7: Tổng nhu cầu điện năng 84
Bảng IV-8: Tóm tắt về đường dây và các trạm biến áp 85
Bảng IV-9: Điện năng và công suất ở các trạm biến áp 500kV 86
Bảng IV-10: Các sự cố trên đường dây 500kV 88
Bảng IV-11: Nhu cầu điện năng trong giai đoạn 2006-2010-2020 90
Bảng IV-12: Tổng hợp nhu cầu điện năng của các miền 91
Bảng IV-13: Các nhà máy điện được đưa vào vận hành đến năm 2015 92
Bảng IV-14: Danh sách đường dây 500kV hiện có và đã được quy hoạch 103
Bảng IV-15: Danh sách trạm biến áp 500kV hiện có 105
Bảng IV-16: Hệ số phần dư của HTĐ trong mùa mưa 111
Bảng IV-17: Hệ số phần dư của HTĐ trong mùa khô 111
7
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
CIGRE
Conseil International des Grands Réseaux Électriques
or : International Council on Large Electric systems
(Hiệp hội các hệ thống điện lớn)
E.ON Netz
A Transmission System Operator in Germany
(Trung tâm điều độ hệ thống điện Đức)
EPRI
Electric Power Research Institute
(Viện nghiên cứu điện lực Mỹ)
ESM
Energy System Management
(Hệ thống quản lý năng lượng)
FACTS
Flexible AC Transmission System

(Trung tâm điều độ hệ thống điện Đức)
SE State Estimator
8
(Hệ thống đánh giá trạng thái)
SMA
Seclective Modal Analysis
(Phân tích mô hình lựa chọn)
SSR
Sybsynchronous Resonance
(Cộng hưởng tần số thấp)
SSS
Small Signal Stability
(Ổn định với nhiễu loạn nhỏ)
SVC
Static Var Compensator
(Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh)
TCSC
Thyristor Controller Series Compensator
(Thiết bị bù dọc điều khiển bằng Thyristor)
TenneT
The transmission system operator in Netherlands
(Trung điều độ hệ thống điện Hà Lan)
ULTC
Under Load Tap Changer
(Bộ phận tự động điều chỉnh điện áp dưới tải)
WAMS
Wide Area Measurement Systems
(Hệ thống đo lường trên diện rộng)
WAPC
Wide Area Protection and Control

năng lượng tái tạo trên bình diện cả nước. Một mặt, các nhà máy phát điện phân tán
này góp phần giảm thiểu gánh nặng cho nghành điện trên phương diện đáp ứng nhu
cầu phụ tải, giảm tổn thất, tiết kiệm chi phí truyền tải, tận dụng năng lượng tái tạo
sẵn có. Cùng với sự xuất hiện của các thiết bị điện tử công suất cả ở phía truyền tải
và phân phối làm thay đổi căn bản khái niệm về một HTĐ phân phối truyền thống,
làm khó khăn hơn trong quản lý, vận hành, giám sát và điều khiển HTĐ. Một vấn
đề nữa mà Việt Nam cũng đang phải đối mặt đó là các áp lực về môi trường do các
nhà máy điện gây ra. Do đó chúng ta cần phải xem xét kỹ lưỡng vấn đề này khi
quyết định đầu tư xây mới những nhà máy điện chạy than, hay những đập thủy điện
lớn. Vấn đề thứ năm đó là xu hướng thị trường hóa ngành điện. Nó làm thay đổi
hoàn toàn khái niệm về một HTĐ truyền thống, phần nguồn, phần phân phối hoàn
toàn mở cho các doanh nghiệp có thể tham gia xây dựng nhà máy điện, kinh doanh
điện. Và đặc biệt là xu hướng kết nối các HTĐ với nhau, điều này đã làm cho HTĐ
ngày càng phức tạp về qui mô, rộng lớn cả về không gian, khó khăn trong việc quản
lý, vận hành, điều khiển giám sát.
Tất cả các vấn đề trên khiến cho các HTĐ được vận hành rất gần với giới hạn về
ổn định. Và đặc biệt là các HTĐ rất “nhạy cảm” với các sự cố có thể xảy ra. Theo
kết quả nghiên cứu, HTĐ có thể bị sự cố bởi các nhiễu loạn nhỏ (hay dao động công
suất). Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây ở châu Âu, Bắc Mỹ với những hậu quả to
lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này. Mặc dù sự cố tan rã HTĐ đã trở
thành mối lo ngại hàng thập kỷ qua, tuy nó ít khi xảy ra và các sự cố trong HTĐ là
không giống nhau nhưng hậu quả mà nó gây ra là rất lớn không những về kinh tế
mà còn về an ninh năng lượng. Ví dụ như sự cố xảy ra tại Bắc Mỹ tháng 8 năm
2003, tổng lượng tải bị cắt là 65 GW, với tổng thời gian mất điện là gần 30 giờ. Ở
sự cố tại Ý tháng 9 năm 2003, tổng lượng tải bị cắt là 27 GW, và tổng thiệt hại vào
khoảng 50 tỉ đô la. Một sự cố khác là sự sụp đổ tần số ở các nước Tây âu năm 2006
cũng làm khoảng 15 triệu người bị ảnh hưởng, và rất nhiều các sự cố khác… trong
11
đó có một sự cố có liên quan trực tiếp đến hiện tượng mất ổn định do nhiễu loạn
nhỏ. Chính vì vậy mà việc nghiên cứu về ổn định với nhiễu loạn nhỏ là một nhu cầu

đề xuất các phương án phòng ngừa và ngăn chặn các sự cố tan rã HTĐ.
1.2.2 Tìm hiểu phương pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn
định với nhiễu loạn nhỏ bằng thiết bị FACTS
Sự cố mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ đã được xem như là một trong những
nguyên nhân chính dẫn đến một số sự cố tan rã HTĐ gần đây. Khi phân tích sự cố
này, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự dao động công suất, các cách thức dao động
khác nhau, như là: Mô hình máy phát điện (MPĐ), mô hình hệ thống kích từ (KT),
mô hình phụ tải, cấu trúc HTĐ cũng như các loại sự cố khác nhau. Tuy nhiên các sự
cố có thể coi như là đủ nhỏ, không phá vỡ trạng thái làm việc của HTĐ ngay lập tức,
do đó hệ phương trình mô tả HTĐ có thể tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc
ban đầu. Phương pháp sử dụng giá trị riêng, hệ số tham gia, hệ số phần dư được sử
dụng chủ yếu để nghiên cứu, đánh giá hiện tượng ổn định với nhiễu loạn nhỏ.
Đứng trên quan điểm phòng ngừa sự cố mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ, chúng tả
phải nâng cao hệ thống điều khiển bằng cách lắp đặt thêm các thiết bị cản - hay
thêm các mô men cản khi có dao động công suất như: các thiết bị ổn định công suất
ở các máy phát điện (power system stabilizers-PSS) hoặc các thiết bị bù thông minh
(Flexible AC Transmission Systems-FACTS) ….Trong đó thiết bị TCSC đã được
chứng minh là có tác dụng rất lớn trong việc nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ.
Trong thực tế, HTĐ thường là rộng lớn, với nhiều đường dây liên lạc trong khi số
lượng các thiết bị điều khiển thì thường hạn chế về số lượng vì lý do kinh tế và kỹ
thuật, do đó một vấn đề đặt ra là phải tối ưu hóa điểm đặt các thiết bị này để nâng
cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ.
13
Trong luận văn này, chúng tôi dùng phương pháp hệ số phần dư để lựa chọn tối
ưu điểm đặt của thiết bị TCSC với mục tiêu nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ.
Kết quả được thực hiện với HTĐ Việt Nam đã chứng minh những hiệu quả của việc
đặt thiết bị bù TCSC.
1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Bản luận văn được trình bày như sau:
Tính cấp thiết của đề tài được trình bày trong chương I của luận văn. Chương II của

của các MBA trên lưới cao áp (EHV/HV). Trong khoảng từ 8 giờ 20 phút,
thì điện áp của các nút trên lưới truyền tải (400 kV) đã giảm xuống trong
khoảng từ 342 kV đến 374 kV. Trong khi đó một số đường dây đã bị cắt ra
do bảo vệ quá dòng, càng làm điện áp bị giảm thấp thêm nữa, và xảy ra sụp
đổ điện áp sau đó. Trong quá trình khôi phục lại HTĐ đã xảy ra một sự cố
sụp đổ điện áp khác. Hậu quả của sự cố là 29 GW tải đã bị cắt, với tổng năng
lượng không truyền tải phân phối được là 100 GWh. Hậu quả về tiền được
dự tính trong khoảng 200 - 300 triệu đôla. Nguyên nhân chính là sự mất ổn
định và sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian 26 phút [1], [2], [3].
15

• Sự cố tan rã HTĐ ngày 04/08/1982 tại Bỉ: Bắt đầu bằng việc dừng một tổ
máy có công suất 700 MW trong quá trình thí nghiệm nghiệm thu sau bảo
dưỡng. Sau khoảng 45 phút, bộ phận giới hạn kích từ của hai tổ máy khác đã
tác động để giảm lượng công suất phản kháng phát ra. Ba đến bốn phút sau sự
cố đầu tiên, ba tổ máy khác đã bị cắt ra do bảo vệ “Giới hạn công suất phản
kháng” của máy phát điện. Vào lúc 3 phút 20 giây, điện áp trên một số nút của
một số nhà máy điện đã giảm xuống 0.82 pu (đơn vị tương đối). Vào lúc 4
phút 30 giây, hai máy phát khác bị cắt ra bởi rơle tổng trở, dẫn đến sự sụp đổ
điện áp do mất ổn định điện áp trong khoảng trung và dài hạn [1], [2], [3].
• Sự cố tan rã HTĐ ngày 27/12/1983 tại Thụy Điển: Việc hư hỏng một bộ dao
cách ly và sự cố ở một trạm biến áp ở phía tây của Stockholm dẫn đến việc
ngắt toàn bộ trạm biến áp và 2 đường dây 400 kV. Khoảng 8 giây sau, một
đường dây 220 kV bị cắt ra bởi bảo vệ quá dòng. Điện áp của HTĐ bị giảm
thấp làm cho các máy biến áp với bộ điều áp dưới tải tác động, càng làm cho
điện áp trên hệ thống các đường dây truyền tải giảm thấp, và dòng điện tăng
cao trong các đường dây từ phía Bắc đến phía Nam. Khoảng 55 giây sau sự
cố ở trong trạm biến áp, một đường dây 400 kV bị cắt ra làm cho HTĐ của
Thụy Điển bị tách thành hai phần, Bắc và Nam. Các hiện tượng sụp đổ tần số
và điện áp xảy ra trong HTĐ. Hệ thống sa thải phụ tải đã không có hiệu quả

II -1 mô tả sự biến thiên của điện áp trong quá trình sụp đổ đối với HTĐ Pháp
Hình vẽ II-1: Sụp đổ điện áp trong HTĐ pháp ngày 12/1/1987
17

• Sự cố tan rã HTĐ tại Phần Lan 8/1992, HTĐ được vận hành rất gần với giới
hạn an ninh cho phép, lượng công suất nhập khẩu từ Thụy Điển khá lớn,
chính vì vậy mà ở vùng miền Nam của Phần Lan chỉ có 3 tổ máy nối trực
tiếp với hệ thống truyền tải 400 kV. Sự cố mất một tổ máy 735 MW đồng
thời với việc bảo dưỡng định kỳ một đường dây 400 kV đã làm giảm lượng
công suất phản kháng truyền tải dẫn đến điện áp trên lưới 400 kV giảm
xuống còn 344 kV. Điện áp đã được khôi phục bằng cách khởi động các nhà
máy điện dùng tuabin khí và sa thải một lượng phụ tải [3].
• Sự cố tan rã HTĐ tại các bang miền tây nước Mỹ (Western Systems
Coordination Council - WSCC) ngày 2 tháng 7 năm 1996: Bắt đầu ở trong vùng
Wyoming và Idaho lúc 14 giờ 24 phút 37 giây: Hệ thống đang ở chế độ nặng tải
và nhiệt độ trong vùng miền Nam Idaho và Utah khá cao, khoảng 38°C. Lượng
công suất truyền tải từ vùng Pacific về California khá cao cụ thể như sau:
o Đường dây liên lạc AC: 4300 MW (giới hạn là 4800 MW).
o Đường dây liên lạc DC: 2800 MW ( giới hạn là 3100 MW).
o Sau đó có một sự cố ngắn mạch một pha trên đường dây 345 kV từ
nhà máy điện 200 MW Jim Bridger trong vùng Wyoming đến Udaho
do phóng điện từ đường dây vào cây trong hành lang tuyến. Sự cố này
dẫn đến việc cắt một đường dây mạch kép khác do sự tác động sai của
bảo vệ rơ le. Việc cắt 2 trong bốn tổ máy của nhà máy điện Jim
Bridger theo tiêu chuẩn ổn định lẽ ra sẽ làm ổn định lại HTĐ. Tuy
nhiên việc sự cố cắt đường dây 220 kV trong miền Đông Oregon đã
làm điện áp giảm thấp trong vùng miền Nam Idaho, và sự suy giảm
dần dần trong vùng trung tâm Oregon. Khoảng 24 giây sau, một
đường dây 220 kV khá dài khác từ vùng miền Tây Montana đến miền
Nam của Idaho bị cắt ra do vùng ba của bảo vệ khoảng cách, điều này

20

Hình vẽ II-4: Tổng công suất truyền tải trên đường dây California-Oregon [20]
• Sự cố tan rã HTĐ tại các bang Miền Bắc nước Mỹ - Canada (North American
Electricity Reliability Council (NERC-USA) ngày 14/08/2003. Dựa trên các
điều tra của NERC, HTĐ lúc đó đạng vận hành ở trạng thái mang tải nặng và
rất thiếu công suất phản kháng trong vùng Cleveland, Ohio. Hệ thống đánh giá
trạng thái, và phân tích sự cố thời gian thực của vùng Midwest ISO (MISO)
(state estimator -SE và real time contingency analysis RTCA) đã không hoạt
động đúng do có sự cố ẩn bên trong từ khoảng 12 giờ 15 phút đến 16 giờ 04
phút. Điều này đã ngăn cản MISO đưa ra các cảnh báo sớm trong việc đánh giá
trạng thái của HTĐ. Tại trung tâm điều khiển HTĐ FE (First Energy control
center) đã xảy ra một sự cố hư hỏng phần mềm máy tính trong hệ thống quản lý
năng lượng (Energy Management System EMS) lúc 14 giờ 14 phút. Những hư
hỏng này đã khiến FE không thể đánh giá đúng được tình trạng làm việc và đưa
ra những cảnh báo sớm và biện pháp phòng ngừa. Sự cố đầu tiên xảy ra trong
hệ thống FE, lúc 13 giờ 31 phút, tổ máy số 5 của nhà máy điện Eastlake bị cắt ra
21

do quá kích thích, và một số tổ máy khác trong vùng FE và phía Bắc của Ohio
đang vận hành ở chế độ quá tải về công suất phản kháng, trong khi đó tải công
suất phản kháng trong khu vực này tiếp tục tăng cao. Mặc dù các kỹ sư vận
hành đã cố gắng khôi phục lại hệ thống tự động điều chỉnh điện áp, nhưng tổ
máy số 5 vẫn bị cắt ra, dẫn đến đường dây 345 kV trong vùng FE Chamberlin-
Harding 345 kV bị cắt ra lúc 15giờ 05 phút do phóng điện từ dây dẫn vào cây
trong hành lang tuyến, mặc dù lúc đó đường dây này chỉ mang 44% tải định
mức. Tiếp theo là đường dây 345 kV Hanna-Juniper đang mang tải 88% cũng bị
cắt ra do phóng điện vào cây trên hành lang tuyến lúc 15 giờ 32 phút. Một
đường dây 345 kV khác đang mang tải 93% là Star-Canton cũng bị cắt ra do
phóng điện vào cây lúc 15 giờ 41 phút. Trong khoảng thời gian này, vì hệ thống

nhiên điện áp ở vùng phía Nam đã giảm khoảng 5 kV, tần số ổn định trong
giới hạn cho phép là 49,90 Hz. Lượng công suất chạy trên các đường dây
nằm trong giới hạn cho phép, tuy nhiên lượng công suất chạy từ phía Nam -
Tây Nam đã tăng lên. Vào lúc 12 giờ 35 phút đã xảy ra một sự cố thanh góp
kép ở trạm 400 kV Horred phía Tây Thụy Điển đã làm mất 1,8 GW từ nhà
máy điện hạt nhân Ringhals, hai đường dây nối Bắc - Nam cũng bị cắt ra, từ
12 giờ 35 phút đến 12 giờ 37 phút vùng phía Đông đã trở lên quá tải dẫn đến
sự sụp đổ điện áp, vùng phía Nam (Nam Thụy Điển và Tây Nam của Đan
Mạch) bị tách rời. Lúc 12 giờ 37 phút sự thiếu hụt công suất dẫn đến sự sụp
đổ cả tần số và điện áp và dẫn đến tan rã HTĐ. Tổng lượng tải bị cắt vào
khoảng 6,3 GW và mất hơn 6 giờ để khôi phục HTĐ [9], [11], [15].
23

Hình vẽ II-5: Công suất tác dụng trong HTĐ Đan Mạch (vùng Zealand)
• Sự cố tan rã HTĐ tại Italy, ngày 28/09/2003. vào lúc 3 giờ sáng, lượng công
suất nhập khẩu là 6,9 GW, và nhiều hơn 300 MW so với định mức. Lúc 03
giờ 01 phút 42 giây, có một sự cố xảy ra trên đường dây 380 kV mang tải
nặng từ Mettlen -Lavorgo trong HTĐ Thụy Sỹ, gần với biên giới của Italy.
Các kỹ sư vận hành đã cố gắng đóng lặp lại được đường dây một cách tự
động và bằng tay nhưng không thành công do sự sai lệch lớn về góc pha
điện áp giữa hai cực của máy cắt điện. Việc này đã làm đường dây truyền tải
400 kV Sils - Soazza từ Thụy Sỹ đến Italy bị quá tải 110%. Vì sự dao động
công suất này không làm ảnh hưởng đến tiêu chuẩn an ninh N-1 của HTĐ
Italy nên các nhà vận hành HTĐ Italy (GRTN) đã không nhận thức được sự
nguy hiểm đang xảy ra ở HTĐ Thụy Sỹ và đã không tiến hành bất cứ hành
động phòng ngừa nào. Vào lúc 03 giờ 11 phút, các nhà vận hành HTĐ Thụy
Sỹ (ETRANS) đã yêu cầu GRTN giảm lượng công suất nhập khẩu xuống để
giảm lượng quá tải trong HTĐ Thụy Sỹ để đưa HTĐ trở lại chế độ vận hành
an toàn hơn. Tuy nhiên sự phối hợp thiếu đồng bộ, và chính xác giữa
ETRANS và GRTN, đã dẫn đến việc ETRANS đưa ra một hành động gây