BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

LÊ TIÊN PHONG

NGHIÊN CỨU VỊ TRÍ ĐẶT TỐI ƯU CỦA TCSC
ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: TS. Trương Ngọc Minh

HÀ NỘI - 2009


1

MỤC LỤC
MỤC LỤC......................................................................................................... 1
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT.............................................................. 3
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................... 4
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................... 7
CHƯƠNG 1....................................................................................................... 8
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP .......................................................... 8
1.1. Khái quát về ổn định điện áp ................................................................. 8
1.2. Nguyên nhân gây ra mất ổn định điện áp ............................................ 13
1.3. Một số biện pháp ngăn ngừa sự sụp đổ điện áp ................................... 13
1.3.1. Các biện pháp vận hành ................................................................ 13

3.4. Phương pháp dòng công suất liên tục xác định điểm giao nhau yên
ngựa ............................................................................................................. 55
3.4.1. Các hệ phương trình cân bằng dòng và cân bằng công suất nút... 57
3.4.2. Thuận toán Newton-Raphson........................................................ 62
3.4.3. Thuật toán dòng công suất liên tục ............................................... 67
3.5. Phương pháp đánh giá trị riêng để xác định nút có nguy cơ sụp đổ điện
áp ................................................................................................................. 74
3.5.1. Khái niệm trị riêng và véc tơ riêng ............................................... 74
3.5.2. Chỉ tiêu độ nhạy nút ...................................................................... 77
CHƯƠNG 4..................................................................................................... 79
TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ IEEE 173 NÚT ............................................................ 79
4.1. Phần mềm UWPFLOW ....................................................................... 79
4.2. Sơ đồ tính toán ..................................................................................... 80
4.3. Kết quả tính toán và nhận xét............................................................... 81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 95
PHỤ LỤC


3
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CĐXL

Chế độ xác lập

QTQĐ

Quá trình quá độ

HTĐ

Thyristor Controlled Series Capacitor

UPFC

Unified Power Flow Controller

MBA

Máy biến áp

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers


4

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng B4.31. Kết quả tính toán khi đặt TCSC tại nút 114 trên đường dây

85

114-110 với các thông số điều khiển
Bảng B4.32. Giá trị λmax khi đặt TCSC vào nút 114 đường dây 114–110

85

Bảng B4.33. Giá trị λmax khi đặt TCSC vào nút 114 đường dây 114–106

86


13

Hình H2.11. Sơ đồ tụ bù nối tiếp được điều khiển bằng thyristor

20

Hình H2.12. Cấu tạo của TCR

21

Hình H2.13. Phương pháp điều khiển dòng của thyristor

22

Hình H2.14. Biến thiên biên độ các dòng điện thành phần cơ bản qua TCR
phụ thuộc góc mở α

25

Hình H2.15. Đặc tính V-I của TCR

25

Hình H2.16: Biên độ các thành phần dòng điện bậc cao của TCR theo α

27

Hình H2.17: Phương pháp điều khiển tuần tự để giảm sóng hài bằng 4 TCR 28
Hình H2.18: Cách sắp xếp 12 xung 2 bộ TCR và dạng sóng dòng điện.


35

Hình H2.42: Cấu trúc vòng lặp điều khiển ổn định của TCSC.

36

Hình H2.43: Sơ đồ khối điều khiển trong của TCSC dựa trên sự đồng bộ
thành phần cơ bản của dòng điện
Hình H2.44: Sơ đồ điều khiển trong của TCSC dựa trên dự đoán thời điểm
qua giá trị 0 của điện áp tụ điện.

38
38

Hình H2.51. Mô hình bù nối tiếp đường dây

39

Hình H2.52. Quan hệ giữa điện áp và dòng điện

39

Hình H2.53. Quan hệ P(δ) với các hệ số bù khác nhau

40

Hình H2.54. Hệ thống điện đơn giản 1 nguồn cung cấp và tổng trở Z

41


52

Hình H3.36. Đặc tính P-V của nút phụ tải

52

Hình H3.37. Sơ đồ cân bằng công suất nút

53

Hình H3.41. Sơ đồ dòng nút tổng quát

58

Hình H3.42. Mô tả dạng hình học của thuật toán N-R

64


6
Hình H3.43. Sơ đồ khối thuật toán Newton-Raphson

65

Hình H3.44. Mô tả các bước của thuật toán dòng công suất liên tục

68

Hình H3.45. Sơ đồ khối thuật toán dòng công suất liên tục

114-104 với %X khác nhau.
Hình H4.310. Đặc tính P-V nút 101, 106 lúc chưa đặt TCSC và sau khi đặt
TCSC vào nút 114 đường dây 114-110.
Hình H4.311. Đặc tính P-V nút 101 lúc chưa đặt TCSC và sau khi đặt
TCSC vào nút 101 trên các đường dây 101-99, 101-129
Hình H4.312. Đặc tính P-V nút 106 lúc chưa đặt TCSC và sau khi đặt
TCSC vào nút 106 trên các đường dây 106-115, 106-166

82
83
84
84
86
87
88
89
90
91
92


7
LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, các hệ thống điện (HTĐ) truyền tải điện xoay chiều trên thế
giới đều phức tạp về thiết bị, cấu trúc và rộng lớn về mặt địa lý. Tuy nhiên, do
nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng lớn, điều kiện kinh tế và các yêu cầu về
môi trường đã hạn chế việc xây dựng các hệ thống truyền tải và nhà máy điện
mới, nên nhiều công ty điện buộc phải vận hành hệ thống hiện tại gần với giới
hạn ổn định.
Như đã biết, khi các thông số chế độ của hệ thống, đặc biệt là công suất

có thể mất ổn định. Để tìm hiểu vấn đề này, ta tìm hiểu một số khái niệm liên
quan đến ổn định điện áp:
* Ổn định của HTĐ: là khả năng của một hệ thống điện duy trì được
trạng thái cân bằng ở chế độ xác lập và có thể thiết lập lại trạng thái cân bằng
mới khi có kích động nào đó đến hệ thống.
* Ổn định điện áp (Voltage Stability): là khả năng của một HTĐ khôi
phục lại điện áp ban đầu hay lân cận ban đầu khi chịu các kích động nhỏ tại
phụ tải. ÔĐĐA về bản chất là 1 trạng thái động và bị tác động bởi việc kiểm
soát điện áp và các đặc tính của tải dưới dạng biến thiên điện áp.
Một hệ thống có thể mất ổn định khi có kích động nào đó dẫn đến điện
áp giảm mạnh mà người vận hành và các hệ thống điều khiển tự động không
cải thiện được điện áp. Nguyên nhân chính gây mất OĐĐA thường là do HTĐ
không đáp ứng đủ nhu cầu CSPK. Tuy hệ thống không OĐĐA là hiện tượng
mang tính cục bộ nhưng hậu quả của nó lại có thể nghiêm trọng như sự cố
SĐĐA. Sự sụt giảm điện áp có thể diễn ra trong vài giây cho tới vài phút.


9
* Ổn định điện áp tĩnh (static voltage stability): là khả năng của
HTĐ có thể giữ điện áp của các nút trong giới hạn cho phép so với điện áp
định mức khi có các kích động nhỏ đến hệ thống như sự biến thiên liên tục
công suất phụ tải. Các kích động nhỏ này xảy ra liên tục nên ổn định tĩnh gắn
liền với chế độ xác lập của HTĐ.
Chỉ tiêu của ổn định tĩnh là sau khi có kích động nhỏ tới hệ thống thì
điện áp tại mọi thanh cái nhận điện cùng tăng hoặc cùng giảm tương ứng với
công suất phản kháng cấp vào thanh cái đó. Cụ thể hơn, hệ thống có ổn định
tĩnh nếu

dV
dV

đường dây công suất lớn… Khi đó, điện áp tại các nút giảm dưới mức cho
phép rất nhanh. Các biện pháp giữ ổn định điện áp đã đạt đến giới hạn hoặc
không đủ linh hoạt dẫn đến điện áp các nút càng giảm thấp theo chuỗi liên
tiếp trên khắp hệ thống trong thời gian rất ngắn. Hậu quả của sụp đổ điện áp
là phụ tải bị sa thải hàng loạt trên diện rộng, hệ thống bị tan rã.
Các sự cố SĐĐA của các HTĐ lớn nhất thế giới từ vài thập niên trước
cho đến những năm gần đây đã cho thấy tầm quan trọng của việc đảm bảo
ÔĐĐA.
Dưới đây là một số sự cố SĐĐA đã xảy ra trên thế giới:
- Sự cố ở Nam Florida, Mỹ ngày 17/05/1985: do không dự báo chính

xác yêu cầu công suất của phụ tải, các biện pháp ngăn chặn mất ổn định điện
áp không hiệu quả nên các máy cắt đã cắt 3 đường dây 500 kV khỏi hệ thống
làm điện áp trong hệ thống sụt giảm mạnh, công suất tác dụng cấp cho phụ tải
thiếu. Các rơle sa thải phụ tải tần số thấp không làm việc do điện áp quá thấp.
Sụp đổ điện áp xảy ra khiến một khu vực phụ tải rộng lớn khoảng 4300 MW
bị mất điện trong thời gian ngắn.
- Sự cố ở Thụy Điển ngày 27/12/1983: sự cố một máy cắt khiến trạm

biến áp và 2 đường dây 400 kV từ trạm này bị cắt khỏi hệ thống. Khoảng 8
giây sau một đường dây 220 kV làm việc quá tải tiếp tục bị cắt ra. Trong khi
đó các máy biến áp (MBA) điều áp dưới tải liên tục chuyển nấc để phục hồi
điện áp tải làm cho điện áp trên lưới truyền tải giảm mạnh hơn, dòng điện
tăng cao trên đường dây chính cấp điện từ phía Bắc tới phía Nam nơi có sự
cố. Gần một phút sau, một đường dây 400 kV khác quá tải và bị cắt khỏi hệ
thống. Cả tần số và điện áp của hệ thống bị suy giảm theo chuỗi. Các biện
pháp sa thải phụ tải dưới tần số và điện áp không thể giúp hệ thống tránh khỏi
tan rã. Ước tính khu vực phụ tải rộng lớn phía Nam Thụy Điển bị mất điện lên
tới 11400 MW.


định mới nên hệ thống sẽ xảy ra một quá trình quá độ phức tạp đặc trưng bởi


12

sự SĐĐA. Sự SĐĐA này bắt đầu bằng việc điện áp sụt giảm chậm và sau đó
là giảm nhanh do có các thay đổi khác xảy ra theo trong hệ thống. Điều này
dẫn đến sự sụt giảm điện áp liên tục và HTĐ bị tan rã.
Quá trình SĐĐA được chia thành 3 giai đoạn diễn ra từ vài giây cho tới
vài phút như sau:
(1) Các quá trình quá độ điện cơ (ví dụ như các máy phát điện, các bộ
điều chỉnh, các động cơ cảm ứng và các thiết bị điện tử công suất – như SVC,
HVDC) trong vài giây.
(2) Các thiết bị đóng cắt rời rạc, như các đầu phân áp của các máy biến
áp (MBA) điều áp dưới tải và các bộ giới hạn kích từ tác động trong vài chục
giây.
(3) Quá trình khôi phục phụ tải diễn ra trong vài phút.
Khi phân tích OĐĐA, giai đoạn (1) được gọi là giai đoạn quá độ, giai
đoạn (2) và (3) là giai đoạn dài hạn. Hình H1.11 mô tả hiện tượng SĐĐA theo
các giai đoạn vừa đề cập.
Máy phát, bộ điều chỉnh, SVC,
HVDC, động cơ cảm ứng…
Các thay đổi nhanh thời gian ngắn
Tự khôi phục phụ tải, AGC, đầu
phân áp, các bộ giới hạn kích từ…

Khôi phục tải

Các thay đổi chậm thời gian dài


các máy phát dự phòng phải được khởi động.
b. Dự trữ quay


14

Dự trữ CSPK phải được đảm bảo bởi các máy phát đang vận hành để
duy trì điện áp trong phạm vi cho phép. Cần chú ý rằng, công suất dự trữ quay
phải được phân bố tại các khu vực có nhu cầu lớn về điều chỉnh điện áp.
c. Người vận hành

Yêu cầu đối với người vận hành là phải nắm vững các hiện tượng liên
quan đến OĐĐA và kịp thời có các thao tác hợp lý như điều chỉnh điện áp, sa
thải phụ tải... Các phương thức vận hành ngăn ngừa hiện tượng SĐĐA phải
được thiết lập ngay.
1.3.2. Các biện pháp thiết kế
a. Điều khiển điện áp máy phát

Hiệu quả tác động của bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát AVR
(automatic voltage regulator) là điện áp phía cao của MBA tăng áp sẽ được
điều chỉnh. Trong nhiều trường hợp, biện pháp này rất hiệu quả để đảm bảo
OĐĐA.
b. Phối hợp các thiết bị bảo vệ và điều khiển

Một trong các nguyên nhân dẫn đến SĐĐA là thiếu sự phối hợp giữa
các thiết bị bảo vệ, điều khiển. Do vậy, các nghiên cứu mô phỏng về sự phối
hợp của các thiết bị bảo vệ trong các tình huống khác nhau của hệ thống là rất
cần thiết.
c. Điều khiển đầu phân áp của MBA


các thiết bị này đều đạt đến giới hạn điều chỉnh thì mọi hoạt động điều chỉnh
không thể thực hiện.
Vì thế khi hệ thống điện phát triển nhanh đòi hỏi cần phải đưa vào
những công nghệ mới để khai thác triệt để các khả năng của hệ thống điện
hiện có mà không ảnh hưởng đến sự an toàn của hệ thống.
Để đáp ứng nhu cầu này, các nghiên cứu về thiết bị điều chỉnh linh hoạt
hệ thống truyền tải điện xoay chiều FACTS (Flexible AC Transmission
Systems) đã được tiến hành nhằm nâng cao khả năng truyền tải của các hệ


16

thống truyền tải và nâng cao khả năng ổn định của hệ thống điện. Với sự phát
triển vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt là kỹ thuật điện tử
công suất như thyristor công suất lớn đã tạo ra các bộ điều chỉnh cho phép
điều khiển bù công suất phản kháng gần như tức thời, ngăn cản dao động để
ổn định điện áp một cách nhanh chóng. Công nghệ FACTS là duy nhất có đủ
khả năng điều khiển nhanh một cách linh hoạt công suất tác dụng và phản
kháng của hệ thống điện. Các thiết bị FACTS khác nhau có các thông số điều
khiển khác nhau và có các mô hình vật lý khác nhau để điều khiển công suất.
Các thiết bị FACTS chính bao gồm:
- Static Var Compensator (SVC): thiết bị bù ngang điều khiển bằng
Thyristor. Công suất đầu ra của SVC có thể được điều chỉnh để trao đổi dòng
điện điện cảm hoặc điện dung nhằm duy trì hoặc điều khiển các thông số cụ
thể của hệ thống điện (điển hình là điện áp nút).
- Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC): thiết bị bù dọc
được điều khiển thyristor. TCSC là 1 bộ bù điện kháng mang tính chất dung
kháng, có chứa 1 bộ các tụ điện nối tiếp và bộ này song song với kháng điện
điều khiển bằng thyristor (TCR) nhằm cung cấp điện dung có thể điều chỉnh
trơn.

- Giảm tổn thất công suất và điện năng.
Các thiết bị bù dọc và ngang trên đường dây tải điện xoay chiều đều có
đặc điểm chung là nâng cao độ tin cậy trong vận hành HTĐ. Tuy nhiên mỗi
loại có sự khác biệt. Tùy theo yêu cầu trong từng hệ thống điện cụ thể như
yêu cầu điều chỉnh điện áp, trào lưu công suất, nâng cao ổn định hay giảm dao
động công suất trên đường dây,... tùy vào chế độ vận hành mà ta lựa chọn các
thiết bị một cách hợp lý.


18
1.4. Kết luận

Lý thuyết về phương pháp nghiên cứu ổn định HTĐ đã có một lịch sử
phát triển tương đối dài đưa ra các tiêu chuẩn để xét ổn định như:
- Tiêu chuẩn năng lượng: nếu biến động làm cho năng lượng phát của
nguồn lớn hơn năng lượng tiêu thụ tính theo hướng lệch xa thêm thông số thì
hệ thống không ổn định. Ngược lại, hệ thống nhanh chóng trở về vị trí cân
bằng với thế năng nhỏ nhất thì hệ thống sẽ ổn định. Tiêu chuẩn này có nhược
điểm là không phát hiện được các hiện tượng mất ổn định do dao động quán
tính, không có cơ sở chặt chẽ về phương pháp để áp dụng đối với các HTĐ
phức tạp.
- Tiêu chuẩn Lyapunov: sử dụng tiêu chuẩn dấu dương của số hạng tự
do phương trình đặc trưng của hệ phương trình vi phân QTQĐ có thể phát
hiện được hầu hết các trường hợp mất ổn định HTĐ (còn gọi là tiêu chuẩn ổn
định phi chu kỳ). Dựa trên tiêu chuẩn này, những cách phân tích tính toán ổn
định tĩnh cho HTĐ phức tạp đã được xây dựng và đặc biệt tiện lợi khi tìm các
thông số giới hạn chế độ theo điều kiện ổn định tĩnh.
Tuy nhiên, hạn chế chủ yếu của các tiêu chuẩn này là chỉ xét được hệ
thống có ổn định hay không mà không xét được hiệu quả của các thiết bị tự
động điều chỉnh, không đánh giá được nút yếu nhất trong hệ thống điện. Do

điện áp.


20

CHƯƠNG 2
THIẾT BỊ BÙ NỐI TIẾP TCSC
2.1. Cấu trúc chung của TCSC

TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator) là thiết bị bù tĩnh
điều khiển bằng thyristor. Đây là thiết bị bù nối tiếp để phát CSPK bằng cách
điều chỉnh góc mở của các van thyristor. TCSC gồm 2 thành phần cơ bản như
hình H2.11:

Hình H2.11. Sơ đồ tụ bù nối tiếp được điều khiển bằng thyristor

- Thành phần dung kháng: một tụ bù có dung kháng XC.
- Thành phần điều khiển TCR (Thyristor Controlled Reactor): là cuộn
kháng điều khiển bằng thyristor, có chức năng điều chỉnh liên tục công suất
phản kháng tiêu thụ trên nó.
Là một thiết bị dung kháng mắc nối tiếp vào đường dây nên TCSC có
các chức năng chính sau:
- Điều chỉnh điện áp tại nút đặt TCSC bằng giá trị đặt mong muốn.
- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù.
- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp, giảm dao động công suất
khi xảy ra sự cố như mất phụ tải đột ngột, ngắn mạch…


21



22

Dòng điện trong điện kháng có thể được điều khiển từ giá trị lớn nhất
(thyristor đóng) tới 0 (thyristor mở) bằng cách điều khiển góc đánh lửa (góc
mở). Nghĩa là, việc đóng thyristor bị trễ lại so với đỉnh của điện áp đưa vào
trong mỗi nửa chu kỳ và vì thế điều khiển được khoảng thời gian dẫn dòng.

Hình H2.13. Phương pháp điều khiển dòng của thyristor

Phương pháp điều khiển dòng được minh họa riêng cho nửa chu kỳ âm
và dương của dòng điện như hình H2.13.


23

Khi α = 0, van thyristor đóng ở đỉnh của điện áp và kết quả là dòng
điện trong điện kháng sẽ giống như ở trạng thái xác lập với khóa đóng vĩnh
viễn.
Khi việc đóng mở van bị trễ góc α ( 0 ≤ α ≤

π
2

) và điện áp có dạng

V(t) =Vcosωt, dòng điện trong điện kháng có thể được xác định theo công
thức (2.1.1):
i L (t ) =



24

L

hay

di
- v(t) = 0
dt

i( t ) =

1
∫ v( t )dt + C
L

i( t ) =

V
sin ωt + C
ωL

(2.1.2)

với C là hằng số
Tại α = ωt (rad) thì dòng điện bằng 0, ta có điều kiện biên của phương
trình (2.1.2) là:
i(ωt=α) =