BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐẶNG ĐÌNH LÂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC THIẾT BỊ FACTS
ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐẶNG ĐÌNH LÂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC THIẾT BỊ FACTS
ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành: Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. Đặt vấn đề
1.1.1. Những vấn đề cơ bản về ổn định hệ thống điện
3
1.1.2. Phân loại ổn định hệ thống điện
4
1.2. Quan hệ giữa công suất và điện áp, các phương thức điều chỉnh
điện áp
1.2.1. Quan hệ giữa công suất và điện áp
5
1.2.2. Các vấn đề điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện
6
1.3. Ổn định điện áp
1.3.1. Khái niệm về ổn định điện áp
7
1.3.2. Mất ổn định điện áp – khái niệm sụp đổ điện áp
9
1.4. Phân tích ổn định điện áp
1.4.1. Đặc tính P-V
12
1.4.2. Đặc tính Q-V
13
1.5. Các chỉ tiêu đánh giá ổn định điện áp
1.5.1. Hệ số dự trữ
16
1.5.2. Hệ số sụt áp
17
1.6. Bù công suất phản kháng và ổn định điện áp
1.6.1. Bù song song

2.5. Hiệu quả và ứng dụng của các thiết bị FACTS
38
2.6. Hiệu quả kinh tế khi sử dụng FACTS
41
2.7. Kết luận
43
Chương 3 – STATCOM VÀ ỨNG DỤNG TRONG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
3.1. Bộ biến đổi nguồn áp
3.1.1. Khái niệm cơ bản về bộ biến đổi nguồn áp
45
3.1.2. Bộ biến đổi nguồn áp sơ đồ cầu
48
3.1.3. Bộ biến đổi nguồn áp ba pha sơ đồ cầu
50
3.2. Cấu tạo hoạt động của STATCOM
53
59
3.3. Điều khiển STATCOM
3.4. Mô hình STATCOM trong chế độ xác lập
60
3.5. Hiệu quả của STATCOM trong ổn định điện áp
3.5.1. Điều chỉnh điện áp nút
61
63
3.5.2. Điều khiển trào lưu công suất phản kháng
3.5.3. Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi sự cố
63
3.6. Kết luận
63
Chương 4 – ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÁC THIẾT BỊ FACTS NÂNG CAO


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT Chữ viết tắt

Đầy đủ

Nghĩa

1

HTĐ

Hệ thống điện

2

STATCOM

Static sychronous Compensator

Bộ bù đồng bộ tĩnh

3

SVC

Static Var Compensator

Bộ bù tĩnh



VSC

Voltage Source Converter

Bộ biến đổi nguồn áp

11

DC

Direct current

12

AC

Alternate Current

13

EPRI

Electric Power Research
Institute

14

MBA



DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Các dạng ổn định của hệ thống điện ………………………………….

4

Bảng 2.1. Ước lượng số thiết bị FACTS đã được sử dụng trên toàn thế giới…...

40

Bảng 2.2. Đánh giá khả năng điều khiển của một số thiết bị FACTS điển hình... 41
Bảng 4.1. Thông tin các nút khi chưa đặt STATCOM …………………………. 70
Bảng 4.2. Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 419……………………. 72
Bảng 4.3. Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 420……………………. 74
Bảng 4.4. Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 418……………………. 76
Bảng 4.5. Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 416……………………. 77
Bảng 4.6. Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 418 với dung lượng ±

80

50MVAr …………………………………………………………………………
Bảng 4.7. Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 418 với dung lượng ±

81

150MVAr ………………………………………………………………………
Bảng 4.8. Tóm tắt hiệu quả của STATCOM qua các chỉ tiêu…………………... 82

-v-

15

Hình 1.8. Miền làm việc của nút tải……………………………………………

16

Hình 1.9. Đồ thị vectơ điện áp khi có tụ bù ngang……………………………..

18

Hình 1.10. Kháng bù ngang…………………………………………………….

19

Hình 1.11. Mô hình hệ thống điện đơn giản khi có tụ bù nối tiếp……………...

19

Hình 2.1. Các thiết bị FACTS cơ bản…………………………………………..

23

Hình 2.2. Phân loại các thiết bị FACTS theo cách mắc………………………..

24

Hình 2.3. Cấu tạo chung SVC………………………………………………….

25



31

Hình 2.12. Cấu tạo của STATCOM……………………………………………

32

Hình 2.13. STATCOM và ESS…………………………………………….......

33

Hình 2.14. Cấu tạo cơ bản của TCSC, TSSC…………………………………

34

-vi-


Hình 2.15. Cấu tạo cơ bản của TCSR, TSSR…………………………………

35

Hình 2.16. SSSC dựa trên bộ biến đổi nguồn áp VSC, SSSC có nguồn dự trữ

36

Hình 2.17. Cấu tạo chung của TCPST/TCPAR………………………………

37


51

Hình 3.5. Dòng, áp phía AC bộ biến đổi……………………………………

52

Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý và thay thế của máy bù đồng bộ…………………

53

Hình 3.7. STATCOM và kết nối với hệ thống………………………………

55

Hình 3.8. Sơ đồ tương đương của STATCOM…………………………………

55

Hình 3.9. Các chế độ làm việc của STATCOM………………………………

57

Hình 3.10.Trao đổi công suất giữa STATCOM và hệ thống AC………………

58

Hình 3.11. Đặc tính VA của bộ STATCOM điển hình………………………

58



73

Hình 4.4. Biến thiên điện áp tại 1 số nút khi đặt STATCOM tại nút 420……

75

Hình 4.5. Biến thiên điện áp tại 1 số nút khi đặt STATCOM tại nút 418……

76

-vii-


Hình 4.6. Biến thiên điện áp tại 1 số nút khi đặt STATCOM tại nút 416……

78

Hình 4.7. Biến thiên điện áp tại 1 số nút khi đặt STATCOM dung lượng ±

83

100MVAr tại nút 418…………………………………………………………

-viii-


MỞ ĐẦU
Liên kết các hệ thống điện (HTĐ) với nhau đang là xu hướng phát triển của
HTĐ hiện đại nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế trong sản xuất, vận hành các HTĐ

-

Đối tượng nghiên cứu: Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các thiết
bị FACTS để việc nâng cao ổn định điện trong hệ thống điện.

-

Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá hiệu quả thiết bị FACTS qua ví dụ tính toán –
sơ đồ thực tế hệ thống điện Việt Nam 2005 (số liệu năm 2006) để nâng cao
ổn định điện áp của những nút yếu, qua đó nâng cao ổn định toàn hệ thống.

2. Nội dung nghiên cứu
-

Tổng quan về các thiết bị FACTS

-

Hiệu quả của việc ứng dụng thiết bị FACTS vào hệ thống điện.

-

Mô hình FACTS trong các phần mềm tính toán phân tích hệ thống điện, phân
tích ổn định hệ thống.

-

Phân tích hiệu quả ổn định điện áp của FACTS trong hệ thống điện

3. Bố cục luận văn

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 ổn
định của hệ thống phụ thuộc vào bản chất của kích động cũng như tình trạng làm
việc ban đầu của hệ thống (hệ thống làm việc chế độ cực đại, cực tiểu...). Các kích
động có thể nhỏ hoặc lớn.
Trong đó, công suất trong hệ thống thay đổi liên tục theo thời gian và có biên
độ nhỏ do yêu cầu của phụ tải (kích động nhỏ), trong điều kiện này hệ thống vẫn
phải duy trì được CĐXL (nghĩa là đảm bảo độ lệch nhỏ của các thông số). Đây là
tính ổn định tĩnh của hệ thống (hay ổn định kích động nhỏ).

-3-


Sự thay đổi đột ngột cấu trúc hệ thống, sự cố ngắn mạch, mất nguồn… có
tính chất nghiêm trọng, các kích động này xảy ra ít hơn nhiều so với các kích động
nhỏ nhưng có biên độ khá lớn, nó làm cho sự cân bằng cơ – điện bị phá vỡ đột ngột,
chế độ xác lập bị dao động mạnh. Khả năng của hệ thống có thể phụ hồi chế độ xác
lập sau các kích động lớn này là tính ổn định động (hay ổn định kích động lớn).
Sau kích động, nếu hệ thống điện ổn định, nó sẽ đạt đến trạng thái cân bằng
mới. Mặt khác, nếu hệ thống không ổn định, các thông số của chế độ biến thiên
mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0. Có thể, làm mất đồng bộ của các
máy phát điện trong hệ thống, hoặc giảm nhanh điện áp tại các nút. Sự mất ổn định
có thể dẫn đến tan rã hệ thống.
1.1.2. Phân loại ổn định hệ thống điện
Sự ổn định của hệ thống điện thực tế không phải vấn đề đơn lẻ, nó chịu ảnh
hưởng bởi một loạt các yếu tố. Theo Kundur và Morison, việc phân loại các dạng
ổn định của hệ thống điện dựa trên các yếu tố: Tham số chính của chế độ (tần số,
điện áp, góc lệch rotor), loại kích động, các thiết bị và khoảng thời gian mất ổn định
được xem xét để xác định sự ổn định.
Người ta chia ổn định hệ thống điện ra làm các loại ổn định được chỉ ra theo


Ổn định tần số là khả năng của hệ thống có thể duy trì một tần số ổn định,
sau một thay đổi mạnh mẽ là kết quả của sự mất cân bằng đáng kể giữa công suất
được tạo ra và công suất yêu cầu của phụ tải.
Ổn định điện áp là khả năng của một hệ thống điện để duy trì điện áp ổn
định ở tất cả các nút trong hệ thống ở điều kiện làm việc bình thường, và sau khi
chịu kích động. Sự mất ổn định xảy ra có thể do quá trình tăng cao hoặc giảm thấp
quá mức điện áp tại một số nút trong hệ thống.
Trên đây là những vấn đề chung nhất về ổn định hệ thống điện. Trong khuôn
khổ luận văn này, tác giả sẽ tập trung trình bày các vấn đề ổn định điện áp. Trước
hết là những khái niệm liên quan đến công suất, điện áp, điều chỉnh điện áp.
1.2. Quan hệ công suất và điện áp, các phương thức điều chỉnh điện áp
1.2.1. Quan hệ giữa công suất và điện áp
Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ thống điện không thể
xét đến độc lập mà phải xét đến mối liên hệ giữa chúng. Tuy vậy, trong thực tế tính
toán và vận hành hệ thống điện, một cách gần đúng có thể xem sự biến đổi công
suất tác dụng và công suất phản kháng tuân theo qui luật riêng.
Cân bằng công suất tác dụng là cân bằng cơ – điện trên trục của máy phát
điện, một bên là công suất cơ turbin, một bên là công suất điện của phụ tải, PT = PĐ.
Sự cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ thống, cho nên bất cứ sự mất
cân bằng nào xảy ra ở bất cứ đâu đều tác động lên máy phát điện và gây ra sự mất
cân bằng cơ điện ở đây. Do đó việc điều chỉnh cân bằng công suất tác dụng chỉ cần
thực hiện ở một nhà máy nào đó. Sự cân bằng công suất tác dụng thể hiện ở chỉ tiêu
tần số.
Cân bằng công suất phản kháng là cân bằng điện từ giữa công suất phản
kháng của máy phát điện do dòng kích từ gây ra và công suất phản kháng của phụ
tải yêu cầu của từ trường trong các thiết bị điện và các máy biến áp. Sự cân bằng
công suất phản kháng mang tính chất cục bộ, khu vực, điều chỉnh công suất phản
kháng không thể thực hiện chung cho cả hệ thống, mà phải thực hiện ở nhiều nơi
khác nhau. Vậy, cân bằng công suất phản kháng phải được đảm bảo cho toàn hệ

∆V =

Q .X
P .X
+j
= ∆V + jδV
V
V

(1-2)

Ta thấy thành phần ∆V hoàn toàn phụ thuộc vào công suất phản kháng Q tải
trên lưới điện. Còn sự biến đổi công suất tác dụng chỉ làm thay đổi góc pha điện áp,
thành phần này ít ảnh hưởng đến modul điện áp.
1.2.2. Các vấn đề về điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện
Trong lưới hệ thống, mức điện áp phụ thuộc vào dòng công suất phản kháng
trên các đường dây. Điều chỉnh điện áp là điều chỉnh dòng công suất phản kháng
trong hệ thống điện. Điều chỉnh dòng công suất phản kháng tức là điều chỉnh sự cân
bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện.
Trong lưới trung – hạ áp, điện trở R khá lớn so với điện kháng X, đặc biệt
đối với lưới cáp thì R còn lớn hơn X rất nhiều, nên không thể bỏ qua R trong công
thức 1-1. Như vậy, dòng công suất tác dụng cũng ảnh hưởng đến điện áp của các
lưới này. Nhưng không thể dùng cách điều chỉnh dòng công suất tác dụng để điều
chỉnh điện áp được vì công suất tác dụng là yêu cầu của phụ tải để sinh ra năng
lượng, và chỉ có thể đưa công suất tác dụng từ các nhà máy điện. Bên cạnh đó, công
suất phản kháng không sinh công, nó chỉ là công suất gây ra từ trường dao động
trên lưới điện, rất cần để cho các phụ tải hoạt động nhưng có thể cung cấp tại chỗ
-6-




1.3. Ổn định điện áp
1.3.1. Khái niệm về ổn định điện áp
Điện áp trong hệ thống điện luôn biến đổi theo thời gian do sự biến đổi
không ngừng của công suất phản kháng trong hệ thống. Các nguyên nhân có thể kể

-7-


đến là: sự dao động thường xuyên có tính ngẫu nhiên của phụ tải, sự cố trong hệ
thống điện gây ra quá trình quá độ điện từ và có thể làm cho 1 hoặc một số phần tử
ngừng hoạt động đột ngột, sự thay đổi cấu trúc lưới…
Sự dao động điện áp ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống điện: Điện áp
tăng cao gây nguy hiểm, làm già hoá nhanh thiết bị của hệ thống. Hoặc điện áp
giảm thấp làm giảm ổn định tĩnh của hệ thống điện, giảm ổn định động và ổn định
tổng quát, nếu điện áp quá thấp có thể gây mất ổn định phụ tải
Mức điện áp trong hệ thống điện ảnh hưởng lớn đến tổn thất công suất và tổn
thất điện năng trong hệ thống điện nhất là ở lưới cao và siêu cao áp. Do đó, khi vận
hành hệ thống điện thì yêu cầu ổn định điện áp tại các nút trong hệ thống là một yêu
cầu quan trọng để hệ thống vận hành an toàn.
Theo IEEE - CIGRE, “Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả

các nút trong hệ thống ở trong một phạm vi cho phép (tuỳ thuộc vào tính chất mỗi
nút mà phạm vi dao động cho phép của điện áp sẽ khác nhau) ở điều kiện vận hành
bình thường hoặc sau các kích động”.
Vấn đề ổn định điện áp còn có thể được chia thành các vấn đề nhỏ hơn:
+ Ổn định điện áp khi có kích động lớn là khả năng duy trì điện áp của hệ
thống trong giới hạn ổn định sau các kích động lớn, như mất nguồn, ngắn mạch…
+ Ổn định điện áp khi có kích động nhỏ là khả năng của hệ thống điện vẫn
còn duy trì được điện áp ổn định khi chịu các kích động nhỏ, chẳng hạn như tải thay

thông số của hệ thống. Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra
và nặng nề nhất là có thể rơi vào tình trạng không thể điều khiển được, gọi là sụp đổ
điện áp. Sụp đổ điện áp là sự cố nghiêm trọng trong vận hành hệ thống điện, làm
mất điện trên một vùng hay trên cả diện rộng, gây thiệt hại rất lớn về kinh tế, chính
trị, xã hội. Mất ổn định điện áp là vấn đề mang tính địa phương nhưng có sự ảnh
hưởng lớn đến toàn hệ thống.
Theo IEEE, “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”.
Sụp đổ điện áp có tính chất phức tạp hơn sự mất ổn định điện áp đơn thuần,
thường là kết quả của chuỗi các sự cố liên quan đến sự không ổn định điện áp kéo

-9-


theo sự giảm điện áp trầm trọng tại các nút trong phần lớn khu vực của HTĐ. Các
tình huống (kịnh bản) sụp đổ điện áp:
Kịch bản 1: Hệ thống mang nặng tải
Sự sụp đổ điện áp do sự tăng dần tải kéo theo yêu cầu công suất tác dụng và
công suất phản kháng trên hệ thống tăng, đồng thời các thiết bị điều chỉnh điện áp
muốn duy trì điện áp không bị giảm thấp cũng yêu cầu một lượng lớn công suất
phản kháng, do đó yêu cầu công suất tác dụng và phản kháng cao trong khi điện áp
nguồn bị hạ thấp. Mặt khác, tính chất động của các thiết bị điều khiển điện áp khác
nhau (máy phát, thiết bị bù và máy biến áp..) có thể tương tác theo cách mà sự sụt
áp thực tế khác với dự đoán khi chỉ xét các điều kiện tĩnh.
Kịch bản 2: Mất một vài phần tử trong hệ thống điện
Như đã biết, các thông số hệ thống R, X, G, B …đặc trưng cho cấu trúc của
một hệ thống điện, đồng thời nó đóng vai trò quan trọng khi xác định công suất cực
đại có thể được phân phối đến các khu vực tải. Việc cắt một trong số các đường dây
trong hệ thống truyền tải làm tăng điện kháng tương đương giữa nguồn tương


- 11 -


1.4. Phân tích ổn định điện áp
Có 2 đặc tính được sử dụng rộng rãi trong phân tích ổn định điện áp là đặc
tính P-V và đặc tính Q-V.
1.4.1. Đặc tính P-V
Các đường cong P-V biểu diễn mối quan hệ công suất tác dụng và điện áp
nút. Trong hình 1.3, V đại diện cho điện áp tại nút, P biểu thị công suất tác dụng tại
các nút tương ứng hoặc một khu vực chúng ta đang xét.

Hình 1.3. Đường xong P-V
Đường cong P-V của tải cho thấy sự thay đổi của lượng tiêu thụ công suất
tác dụng của tải và điện áp tại một nút. Khi tải tăng, điện áp sẽ giảm, đến điểm tới
hạn (critical point) của đường cong P-V, điện áp sẽ giảm rất nhanh, hệ thống sẽ bị
sụp đổ điện áp nếu công suất vượt quá điểm này.
Ở hình 1.4, chúng ta thấy rằng hệ số tải có ảnh hưởng đáng kể vào các đặc
tính điện áp của hệ thống, các đường cong P-V khác nhau ứng với các giá trị khác
nhau của hệ số công suất tải. Các quỹ tích các điểm tới hạn được thể hiện bằng các
đường chấm chấm trên hình vẽ. Ta thấy, giới hạn ổn định điện áp tăng khi tải mang
tính dung, giảm khi tải mang tính cảm.

- 12 -


Hình 1.4. Họ đường cong P-V với các dạng tải khác nhau.
1- cosφ=0.9; 2- cosφ=0.95; 3- cosφ=; 4- cosφ= - 0.95; 5- cosφ= -0.9
Đường cong này có thể được sử dụng để xác định điểm làm việc giới hạn của
hệ thống để không làm mất ổn định điện áp hoặc sụp đổ điện áp, từ đó xác định độ

ổn định và bên trái điểm tới hạn của đường cong QV với 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. Phần đáy của đường cong QV, ngoài việc xác định
các giới hạn ổn định, xác định các yêu cầu tối thiểu công suất phản kháng cho hệ
thống hoạt động ổn định. Do đó, các đường cong QV có thể được sử dụng để xác
định dung lượng của thiết bị bù cần thiết để nâng cao ổn định điện áp.
Các lợi ích khi sử dụng đường cong Q-V:
- Đường cong Q-V đưa ra miền giới hạn công suất suất phản kháng tại nút
thử điện áp. Miền này là khoảng cách từ điểm làm việc tới điểm tới hạn (điểm sụp
đổ điện áp).
- 14 -


- Đường cong Q-V có thể tính toán từ đường cong P-V để kiểm tra sự bền
vững của hệ thống.

Hình 1.7. Đường cong Q-V ứng với các chế độ tải khác nhau
Trên hình 1.7, đường cong Q-V ứng với 3 mức tải khác nhau P1, P2, P3.
Có thể thấy rằng hệ thống ổn định điện áp với tải nhẹ P1, đối với mức tải này, có
một lượng công suất phản kháng 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 khi tải nặng nhất P3, cần một lượng công suất phản kháng (Qmissing)
phải được bơm vào nút để tồn tại điểm vận hành.
Các khía cạnh quan trọng cần xem xét khi phân tích sự ổn định điện áp:
- Xác định giới hạn làm việc, chẳng hạn giới hạn công suất phản kháng, là
những yếu tố quan trọng trong phân tích ổn định điện áp.
- Các loại tải, đặc biệt là các tải hỗn hợp, chúng nhạy với điện áp, và những
ảnh hưởng từ sự thay đổi của chúng liên quan đến điện áp phải được tính toán chính
xác trong phân tích sự ổn định điện áp.
1.5. Các chỉ tiêu chủ yếu đánh giá ổn định điện áp.