BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG VIỆC
NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
NGÀNH: HỆ THỐNG ĐIỆN
MÃ SỐ: ............................
LÊ ĐÌNH HOÀN
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Bách
Hà Nội, năm 2015
LỜI CAM ĐOAN
- Tôi xin cam đoan rằng toàn bộ nội dung của luận văn này là do tôi thực hiện
dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Trần Bách và sự tham khảo các tài liệu
trong đó có việc sử dụng các nội dung của các tài liệu tham khảo có đính kèm
chú thích trong từng mục cụ thể bên trong luận văn.
- Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Trần Bách đã giúp đỡ tôi trong suốt
thời gian thực hiện luận văn này.
Tác giả luận văn
Trang 1
CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ FACTS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .......................28
2.1. Định nghĩa về thiết bị FACTS .................................................................. 28
2.2. Phân loại thiết bị FACTS .......................................................................... 28
Trang 2
2.3. Một số thiết bị FACTS điển hình [10] ...................................................... 29
2.3.1. Bộ điều khiển nối tiếp .......................................................................29
2.3.2. Bộ điều khiển song song ...................................................................37
2.3.3. Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp..........................................55
2.3.4. Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp – song song......................................57
2.4. Những lợi ích cơ bản của việc sử dụng các thiết bị FACTS trong hệ
thống điện [1] ................................................................................................... 59
2.5. Ảnh hưởng của thiết bị FACTS tới ổn định điện áp hệ thống điện .......... 60
2.5.1. Ảnh hưởng của TCSC tới ổn định điện áp hệ thống điện [5] ...........60
2.5.2. Ảnh hưởng của STATCOM tới ổn định điện áp hệ thống điện [6]..61
CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ CHƯƠNG TRÌNH
TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG ĐIỆN ..................................63
3.1. Các phương pháp tính giới hạn ổn định điện áp [3] ................................. 63
3.1.1. Giới hạn ổn định điện áp và các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định điện
áp .................................................................................................................63
3.1.2. Các tiêu chuẩn tính giới hạn ổn định tĩnh và ổn định điện áp ..........65
3.1.3. Chỉ tiêu ổn định điện áp ....................................................................67
3.1.4. Thuật toán tính giới hạn ổn định.......................................................67
Trang 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
STT
Viết tắt
Chữ đầy đủ
Nghĩa
1
HTĐ
Hệ thống điện
Hệ thống điện
2
SVC
Static var compensator
VSC
8
TCSC
9
SSSC
10
TSSC
11
TCSR
Institute of Electrical and
Viện kỹ nghệ Điện và Điện
Electronics Engineers
tử
Thyristor controlled phase Biến áp dịch pha được điều
shifting transformer
Voltage source converter
TSSR
13
FC
14
TSC
15
SSG
16
ESS
17
TCR
18
TSR
19
UPFC
Biến áp đồng bộ tĩnh
Nguồn dự trữ công suất
Cuộn kháng được điều khiển
bởi Thyristor
Cuộn kháng được đóng cắt
bởi thyristor
Bộ điều chỉnh dòng công
suất hợp nhất
Thyristor controlled phase Bộ điều chỉnh góc pha được
angle regulator
Trang 6
điều khiển bởi Thyristor
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1. Bảng thông số điện áp tại một số thanh cái ngày 31/6/2006 ..........61
Hình 1.3. Đặc tính P-V ......................................................................................21
Hình 1.4. Họ đường cong P-V với các hệ số công suất khác nhau ..................22
Hình 1.5. Sơ đồ ứng dụng để xác định đặc tính Q-V ........................................23
Hình 1.6. Đặc tính Q-V .....................................................................................23
Hình 1.7. Họ đường cong Q-V ứng với 3 chế độ phụ tải P1, P2, P3 ...............24
Hình 1.8. Sơ đồ mạch điện có tụ bù nối tiếp .....................................................25
Hình 1.9. Sơ đồ mạch điện bù ngang bằng tụ điện ...........................................27
Hình 1.10. Sơ đồ mạch điện bù ngang bằng kháng điện ..................................27
Hình 2.1. Mô hình bộ TCSC ..............................................................................30
Hình 2.2. Đặc tính hoạt động của TCSC ..........................................................31
Hình 2.3. Mô hình bộ SSSC...............................................................................31
Hình 2.4. Mô hình SSSC sử dụng tụ xoay chiều ...............................................32
Hình 2.5. Mô hình bộ TSSC ..............................................................................32
Hình 2.6. Đồ thị mối quan hệ giữa điện áp bù và dòng điện đường dây .........33
Hình 2.7. Sơ đồ TSSC sử dụng một tụ bù ..........................................................33
Hình 2.8. Mối quan hệ giữa i và VC của TSSC ................................................34
Hình 2.9. Mô hình bộ TCSR ..............................................................................35
Hình 2.10. Sơ đồ rút gọn của bộ TCSR .............................................................36
Hình 2.11. Mô hình bộ TSSR.............................................................................36
Hình 2.12. SVC loại TCR-FC............................................................................37
Hình 2.13. Sơ đồ mạch rút gọn của SVC loại TCR-FC ....................................38
Hình 2.14. Đặc tính thay đổi theo công suất phản kháng của SVC loại TCR-FC
...........................................................................................................................39
Hình 2.15. Sơ đồ một sợi của SVC loại TCR-TSC ............................................41
Hình 2.16. Sơ đồ biểu diễn các thông số chính của SVC loại TCR-TSC..........42
Hình 2.17. Đặc tính trao đổi công suất phản kháng của SVC loại TCR-TSC ..43
Hình 2.18. Sơ đồ khối mạch điện sử dụng SVC được thiết kế để bù điện áp ...45
Hình 2.19. Cấu tạo của STATCOM ..................................................................47
Hình 2.20. STATCOM và ESS ...........................................................................47
Hình 2.21. Phần công suất của SSG .................................................................48
Hình 4.6. Sơ đồ lưới điện 3 nút .........................................................................81
Hình 4.7. Đồ thị điện áp nút..............................................................................82
Hình 4.8. Đồ thị điện áp nút..............................................................................82
Hình 4.9. Đồ thị điện áp nút..............................................................................83
Hình 4.10. Bảng mã trong sheet kịch bản biến thiên chế độ ............................98
Hình 4.11. Đồ thị biến thiên điện áp các nút khi chưa đặt bù SVC ................102
Hình 4.12. Đồ thị điện áp nút 417, 418, 419, 420 sau khi đặt SVC tại nút 419
.........................................................................................................................104
Hình 4.13. Đồ thị điện áp nút 415, 416, 419 sau khi đặt SVC tại nút 419 .....105
Hình 4.14. Đồ thị điện áp nút 417, 418, 419, 420 sau khi đặt SVC tại nút 420
.........................................................................................................................106
Hình 4. 15. Đồ thị điện áp nút 415, 416, 420 sau khi đặt SVC tại nút 420 ....107
Hình 4.16. Đồ thị điện áp nút các nút khi đặt SVC tại nút 419 và 420 ..........108
Trang 9
LỜI NÓI ĐẦU
- Trong những năm gần đây, việc sử dụng ngày càng nhiều các thiết bị FACTS
đã góp phần cải thiện chất lượng điện áp, mang lại sự tin cậy về ổn định điện
áp của hệ thống điện.
- Việc nghiên cứu áp dụng các thiết bị FACTS trong việc nâng cao ổn định
điện áp của hệ thống điện có vai trò quan trọng đối với những người đang làm
việc trong ngành hệ thống điện, với những người đang học tập, nghiên cứu về
lĩnh vực hệ thống điện và đối với sự phát triển của Hệ thống điện Việt Nam.
- Theo Kundur “Ổn định của hệ thống điện được là khả năng duy trì một điểm
làm việc cân bằng trong điều kiện làm việc bình thường, và sau khi chịu một
kích động với các thông số hệ thống thay đổi trong phạm vi cho phép để chế
độ xác lập của hệ thống được bảo tồn”.
1.1.2. Các vấn đề cơ bản của ổn định hệ thống điện
- Ở chế độ xác lập của hệ thống điện, các thông số chế độ (U, I, P, Q, f, …)
biến thiên rất nhỏ xung quanh giá trị định mức, có thể coi như là hằng số. Điều
kiện tồn tại chế độ xác lập là tồn tại điểm cân bằng công suất, nghĩa là công
suất do các nguồn sinh ra phải bằng với công suất tiêu thụ của tải và tổn thất
công suất trong hệ thống điện. Tuy nhiên, khi vận hành HTĐ, điều kiện cân
bằng công suất không đủ cho một chế độ xác lập tồn tại trong thực tế. Vì luôn
tồn tại những kích động ngẫu nhiên làm lệch thông số khỏi điểm cân bằng, do
đó một chế độ xác lập muốn tồn tại phải chịu được các kích động mà điều kiện
cân bằng công suất không bị phá vỡ.
- Người ta đưa ra khái niệm ổn định hệ thống, theo Kundur “Ổn định của hệ
thống điện được là khả năng duy trì một điểm làm việc cân bằng trong điều
kiện làm việc bình thường, và sau khi chịu một kích động với các thông số hệ
thống thay đổi trong phạm vi cho phép để chế độ xác lập của hệ thống được
bảo tồn”.
Trang 11
- Hệ thống điện là một hệ thống phi tuyến cao hoạt động trong môi trường mà
phụ tải, cấu trúc hệ thống, các thông số thay đổi liên tục. Khi bị kích động, sự
- Theo Kunder và Morisson, ổn định hệ thống điện được phân chia như sau:
ỔN ĐỊNH HỆ
THỐNG
ỔN ĐỊNH
GÓC PHA
Ổn
định
kích
động
nhỏ
Ổn
định
quá
độ
ỔN ĐỊNH
TẦN SỐ
Ngắn
hạn
Dài
hạn
thống thay đổi do: sự dao động có tính ngẫu nhiên của phụ tải, các sự cố xảy ra
trong hệ thống gây ra các quá trình quá độ điện từ và có thể khiến cho một số
phần tử phụ tải ngừng hoạt động, bị cắt ra khỏi lưới, sự thay đổi cấu trúc lưới
điện, ….
- Điện áp bị dao động (mất ổn định điện áp) sẽ có ảnh hưởng tới hoạt động
bình thường của hệ thống điện. Ví dụ: Điện áp tăng cao sẽ gây nguy hiểm tới
Trang 13
các thiết bị phụ tải, làm già hóa nhanh thiết bị của hệ thống; điện áp giảm thấp
sẽ làm giảm ổn định tĩnh của hệ thống điện, giảm ổn định động và ổn định
tổng quát của hệ thống, nếu điện áp giảm quá mức có thể sẽ khiến nhiều phụ
tải không hoạt động được do không đủ điện áp nến sẽ gây ra mất ổn định phụ
tải, sự việc sẽ trở lên trầm trọng khi điện áp không có dấu hiệu phục hồi và tiếp
tục giảm sẽ dẫn tới các phụ tải tự động được cắt ra nhiều hơn, trên quy mô lớn
sẽ dẫn tới hiện tượng rã lưới, hay sụp đổ điện áp.
- Mức điện áp ảnh hưởng lớn tới tổn thất công suất, đặc biệt là ở lưới cao và
siêu cao áp.
- Sụp đổ điện áp là quá trình mà sự mất ổn định điện áp dẫn đến giảm điện áp
một cách đáng kể trong một phần của hệ thống điện [IEEE]. Sụp đổ điện áp là
sự cố nghiêm trọng trong vận hành hệ thống điện, làm mất điện trong một
vùng hay trên phạm vi rộng, gây thiệt hại rất lớn về kinh tế, chính trị, xã hội.
Sụp đổ điện áp có thể xảy ra trong các trường hợp:
+ Hệ thống tăng tải nặng nhiều trong cùng một thời điểm, dẫn đến nhu cầu về
công suất tác dụng và công suất phản kháng tăng, trong khi đó các thiết bị điều
- Quá trình điều khiển cấp điện áp được thực hiện bởi quá trình điều khiển việc
phát, hấp thụ và lưu lượng của công suất phản kháng tại tất cả các cấp độ trong
một hệ thống. Để cho đúng chức năng, rất cần thiết phải thực hiện việc giữ
điện áp tại một giá trị bình thường tại khắp mọi điểm trong toàn bộ hệ thống.
Theo truyền thống, điều này được thực hiện khác nhau giữa lưới điện truyền
tải và lưới điện phân phối. Trong lưới điện truyền tải, một nhà máy điện trung
tâm có công suất lớn sẽ giữ mức điện áp nút trong một sai số cho phép từ giá
trị bình thường của hệ thống và số lượng các thiết bị điều khiển điện áp tăng
lên được giới hạn. Mặt khác, trong lưới điện phân phối, các thiết bị liên kết với
nhau trong việc điều khiển điện áp và các máy phát được kết nối tới lưới phân
phối là khó khăn, và tất cả sẽ liên quan với nhau trong việc điều khiển điện áp
nút. Hầu hết các thiết bị điều khiển điện áp được sử dụng thường xuyên trong
lưới điện phân phối là tap-changer transformers có thể thay đổi tỉ số vòng của
chúng, nhưng các thiết bị chuyển mạch cuộn cảm và cuộn kháng cũng được sử
dụng. Tuy nhiên, một số các phương pháp phát triển gần đây đang thách thức
phương pháp truyền thống này. Một trong số đó là việc tăng cường sử dụng
của WTs cho các máy phát điện. Khi những cánh đồng gió quy mô lớn được
kết nối lưới điện, sẽ khó khăn để duy trì điện áp nút khi sử dụng các thiết bị
Trang 15
điều khiển công suất phản kháng thông thường khác. Trong những trường hợp
này, một số các thiết bị chuyên dụng, như thiết bị FACTS sẽ được sử dụng.
Thiết bị FACTS cung cấp việc điều khiển nhanh và tin cậy thông qua ba thông
số hệ thống truyền tải điện xoay chiều, …, điện áp, trở kháng đường dây, góc
được điều khiển rất chậm, về cơ bản lấp đầy được vai trò của nhà điều hành
cảnh báo (alert operation), nhiều công cuộc nghiên cứu được thực hiện trong
vùng điều khiển điện áp sử dụng điều khiển kích từ rất hiệu quả. Hệ thống điều
khiển kích từ hiện đại có khả năng thực hiện việc cung cấp đáp ứng ngay tức
thì với mức điện áp trần cao.
- Việc kết hợp của lực từ trường mức cao và sử dụng bộ ổn định tín hiệu phụ
trợ góp phần vào việc nâng cao khả năng vận hành động của tổng thể hệ thống
điện.
1.2.4.2. Sử dụng các thiết bị FACTS
- Trong suốt hai thập kỷ trước, việc gia tăng nhu cầu về năng lượng điện đã
mang lại những yêu cầu cao hơn cho nền công nghiệp điện năng. Những năm
gần đây, việc gia tăng nhu cầu phụ tải đỉnh và công suất truyền tải đã được
quan tâm đánh giá về việc đảm bảo điện áp của hệ thống. Mất ổn định điện áp
chủ yếu liên quan tới mất cân bằng công suất phản kháng. Việc cải thiện khả
năng điều khiển công suất phản kháng của một hệ thống thông qua thiết bị
FACTS là một giải pháp cho việc phòng ngừa sự mất ổn định điện áp và, do
đó, sụp đổ điện áp.
- Với sự phát triển nhanh của điện tử công suất, các thiết bị FACTS đã được đề
xuất và cài đặt trong hệ thống điện. Chúng có thể được dùng để điều khiển
dòng cống suất và nâng cao độ ổn định hệ thống điện. Đặc biệt với việc dỡ bỏ
một số quy định của thị trường điện, có một sự tăng trưởng trong việc sử dụng
các thiết bị FACTS cho việc vận hành và điều khiển của các hệ thống điện với
các điều kiện mới về phụ tải và dòng công suất. Để sử dụng tốt hơn hệ thống
điện hiện hữu, để tăng công suất của chúng và khả năng có thể điều khiển, việc
lắp đặt các thiết bị FACTS dần trở thành bắt buộc.
- Trong các tình huống thực tế, có hai phương diện chính nên được xem xét
khi sử dụng thiết bị FACTS: Việc vận hành hệ thống điện linh hoạt theo khả
năng điều khiển dòng công suất của chúng; và sự cải thiện trong ổn định tức
- Cung cấp khả năng điều khiển mềm mại, nhanh hơn và công suất phản kháng
tốt hơn các bộ tụ được đóng cắt bằng thiết bị cơ khí là khả năng của các thiết
bị như bộ bù công suất phản kháng tĩnh SVC, bộ tù đồng bộ tĩnh STATCOM.
Ứng dụng của SVC và STATCOM, trong phạm vi ổn định điện áp, đã được
thảo luận trong thời gian gần đây. Sự khác nhau chính giữa hai thiết bị này là
SVC sẽ trở thành một bộ tụ mắc shunt khi nó đạt tới giới hạn điều khiển của
Trang 18
nó và tất cả các tụ được nạp đầy, và công suất phản kháng đầu ra của nó giảm
theo bình phương của điện áp khi đạt tới ngưỡng tối đa của việc điều khiển.
Lợi ích chính của STATCOM so với SVC sử dụng thyristor là dòng bù không
phụ thuộc vào mức điện áp của điểm kết nối và do đó dòng bù không bị hạ
thấp theo điện áp bị sụt. STATCOM giúp cho vệc kết nối các nguồn điện phân
tán được dễ dàng và cũng cung cấp khả năng điều chỉnh điện áp động, giữ hệ
số công suất ổn định cho toàn bộ các nguồn phân tán.
1.2.5. Các chỉ tiêu đánh giá ổn định điện áp của hệ thống điện [1]
- Để đánh giá mức độ ổn định điện áp của Hệ thống điện, cần có các chỉ tiêu
định lượng. Đối với hệ thống điện phức tạp thường phải sử dụng phối hợp
nhiều chỉ tiêu khác nhau để đánh giá. Các chỉ tiêu thường được sử dụng khi
tính toán giải tích gồm có: Hệ số dự trữ điện áp và chỉ số sụt áp.
1.2.5.1. Hệ số dự trữ điện áp
- Công thức tính hệ số dự trữ điện áp các nút:
k
Q0
Qgh
Hình 1.2. Miền làm việc của nút tải
- Giả sử xây dựng được miền làm việc cho phép trên mặt phẳng công suất như
hình trên, điểm O (Q0, P0) là một điểm làm việc ổn định. Căn cứ vào khoảng
cách từ điểm O tới đường giới hạn ổn định ta sẽ xác định được độ dự trữ ổn
định. Từ điểm làm việc, có nhiều kịch bản biến thiên thông số xảy ra. Trường
hợp giữ nguyên hệ số công suất, kịch bản đi đến B – có thể là điển hình đặc
trưng cho khả năng thường xảy ra với HTĐ. Kịch bản đi đến C là kịch bản
nguy hiểm nhất vì lúc này thông số đi theo đường ngắn nhất đến biên giới ổn
định. Cũng có thể thông số đi theo kịch bản khác đến A, khi đó hệ số dự trữ
không còn đặc trưng cho ổn định toàn hệ thống, để đánh giá mức độ ổn định
lúc này cần tính theo nhiều kịch bản khác nhau, cần tính toán hệ số dự trữ theo
nhiều thông số, tạo thành vector các hệ số dự trữ. Do đó, cần tính toán, so sánh
hàng loạt các hệ số. Với lý do trên, hệ số dự trữ được ứng dụng chủ yếu hiệu
quả với các sơ đồ không phức tạp.
1.2.5.2. Chỉ số sụt áp (L-indicator)
- Công thức tính chỉ số sụt áp:
=
Trong đó:
&
=1
&
∑ ∩∝
(Lj) =
1
∈
∑∈
&
&
&
(1.3)
- Với Fij là hệ số phân bố thể hiện ảnh hưởng của điện áp nút nguồn i tới nút tải
j. Điều kiện ổn định hệ thống là: L
- Sự ổn định điện áp được quyết định bởi sự thay đổi công suất tác dụng P và
công suất phản kháng Q, sự ảnh hưởng của đường đặc tính công suất phản
kháng của phụ tải hay thiết bị bù được biểu diễn rõ ràng trong quan hệ đường
Trang 22
cong Q-V, đường cong này chỉ ra độ nhạy và độ biến thiên của điện áp nút với
lượng công suất phản kháng tại nút đó.
- Đặc tính Q-V có thể được xác định bằng cách đặt một máy phát điện giả
tưởng tại nút đang xét, ghi lại công suất phản kháng và điện áp tại các thời
điểm theo sơ đồ:
V
E
điểm tới hạn của đường cong Q-V có độ dốc dương là khu vực ổn định và bên
trái điểm tới hạn có độ dốc âm là khu vực không ổn định. Ngoài ra, điện áp ở
phía bên trái có thể quá thấp đến mức bảo vệ thiết bị có thể được kích hoạt. Do
đó, các đường cong Q-V có thể được sử dụng để xác định dung lượng của thiết
bị bù cần thiết để nâng cao độ ổn định điện áp.
- Lợi ích khi sử dụng đường cong Q-V:
+ Đường cong Q-V chỉ ra miền giới hạn công suất phản kháng tại nút thử điện
áp. Miền này là khoảng cách từ điểm làm việc tới điểm tới hạn.
+ Đường Q-V có thể tính từ đường P-V để kiểm tra sự bền vững của hệ thống.
Q(MVAr)
P3
P2
P1
0
V (pu)
Hình 1.7. Họ đường cong Q-V ứng với 3 chế độ phụ tải P1, P2, P3
- Dựa vào họ đường cong ở hình trên ta có thể thấy hệ thống ổn định điện áp
với tải nhẹ P1, ở trương hợp này thì hệ thống có một lượng công suất phản
kháng dư thừa Qreserve có thể được sử dụng để duy trì ổn định ngay cả khi tăng
tải. Hệ thống ở giới hạn ổn định với mức tải P2. Hệ thống không ổn định ở
Trang 24
Copyright: Tài liệu đại học ©