Luận văn thạc sỹ

LỜI CAM ĐOAN
Sau thời gian nghiên cứu và học tập tại Viện Đào tạo Sau đại học, Trƣờng
Đại học Bách khoa Hà Nội, với sự hƣớng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô
giáo trong bộ môn Tự động hóa XNCN. Và đặc biệt là sự chỉ đạo tận tình của thầy
giáo hƣớng dẫn PGS.TS.Nguyễn Văn Liễn đã giúp tôi hoàn thành luận văn đúng
thời hạn và đạt đƣợc các mục tiêu đề ra.
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của luận văn mà tôi thực hiện trong thời
gian vừa qua là trung thực và không sao chép của ai.

Hà Nội, Ngày 20 tháng 03 năm 2016
Ngƣời cam đoan

Hoàng Thị Thƣơng

Hoàng Thị Thương

-1-


Luận văn thạc sỹ

LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên em xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trƣờng Đại
học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho em đƣợc làm luận văn tôt nghiệp này.
Sau thời gian nghiên cứu và làm việc miệt mài luận văn tốt nghiệp của em đến nay
cơ bản đã hoàn thành. Có đƣợc thành quả đó, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân
còn phải kể đến sự giúp đỡ rất lớn từ thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn, ngƣời
đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp tài liệu, kiến thức cũng nhƣ
kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt thời gian làm luận văn. Qua đây em xin

đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy, kính chúc thầy luôn mạnh khoẻ và công
tác tốt.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô của Viện điện đã hết sức nhiệt tình
truyền thụ cho chúng em không chỉ những kiến thức chuyên môn mà cả những kinh
nghiệm quí báu. Bên cạnh đó còn tạo những điều kiện hết sức thuận lợi để em có
thể hoàn thành luận văn của mình.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè. Chính
gia đình và bạn bè đã là nguồn động viên hỗ trợ vô cùng to lớn giúp em có thêm
động lực và sự kích lệ để hoàn thành luận văn này.

Học viên

Hoàng Thị Thƣơng

Hoàng Thị Thương

-2-


Luận văn thạc sỹ

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2
MỤC LỤC ...................................................................................................................3
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ LƢỚI ĐIỆN CỤC BỘ ............................................8
1.1.Giới thiệu về hệ thống điện ...............................................................................8
1.1.1.Cấp điện áp của hệ thống điện ...................................................................8
1.1.2.Lƣới hệ thống ............................................................................................8
1.1.3. Lƣới truyền tải ..........................................................................................9

1.1.4. Lƣới phân phối .........................................................................................9
1.2.Mạng điện cục bộ hạ áp ..................................................................................10
1.3.Phụ tải điện và yêu cầu của phụ tải điện .........................................................12
CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BESS ..............................................18
2.1. Hệ thống điện linh hoạt FACTS ....................................................................18
2.2. Tổng quan về BESS ......................................................................................29
2.2.1. Cấu trúc cơ bản của BESS ......................................................................29
2.2.2. Những chức năng của BESS .................................................................32
2.2.3. Lựa chọn cấu hình BESS ........................................................................35
2.3. Quá trình nạp và phóng điện ..........................................................................36
2.3.1. Kho tích trữ năng lƣợng một chiều.........................................................36
2.3.2. Quá trình nạp - phóng điện của ắcquy ....................................................41
CHƢƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN BESS ...........................................................................45
3.1. Các phƣơng pháp điều khiển BESS ...............................................................45
3.2. Mô hình toán học bộ chỉnh lƣu PWM (CLPWM) .........................................49
3.2.1. Bộ chỉnh lƣu PWM .................................................................................49
3.2.2. Mô tả toán học CLPWM ........................................................................53
3.3. Cấu trúc các bộ điều khiển dòng, công suất trong hệ BESS .........................58
3.3.1. Cấu trúc điều khiển theo VOC (Voltage Oriented Control) [1] .............58
3.3.2. Cấu trúc điều khiển theo phƣơng pháp trực tiếp công suất DPC ...........63

Hoàng Thị Thương

-3-


Luận văn thạc sỹ

3.4. Mô hình BESS ...............................................................................................69
3.4.1. Mô hình BESS ........................................................................................69

3.4.2. Thiết kế điều khiển BESS.......................................................................74
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG DỰ TRỮ NĂNG LƢỢNG
BẰNG ẮCQUY ........................................................................................................78
4.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng ....................................................................78
4.2. Cấu trúc mô phỏng hệ thống điện cục bộ khi có BESS .................................78
4.2.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điện cục bộ ................................................78
4.2.2. Các khối trong mô hình ..........................................................................79
4.3. Kết quả mô phỏng ..........................................................................................82
4.3.1. Sự thay đổi tải có tính chất cảm kháng RL ............................................82
4.3.2. Sự thay đổi tải có tính dung kháng (RC) ................................................89
4.4. Kết quả mô phỏng bộ BESS với trƣờng hợp tăng công suất .........................94
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................100
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................101

Hoàng Thị Thương

-4-


Luận văn thạc sỹ

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Đồ thị phụ tải ngày ....................................................................................12
Hình 1.2. Đồ thị phụ tải khi có động cơ khởi động...................................................12
Hình 2.1. Cấu trúc bộ lọc nối tiếp .............................................................................19
Hình 2.2. Cấu trúc bộ lọc song song .........................................................................19
Hình 2.3. Cấu trúc bộ lọc tích cực nối UPQC ...........................................................20
Hình 2.4: Sơ đồ bộ SVC............................................................................................21
Hình 2.4a: Cấu tạo bộ TCR .......................................................................................21
Hình 2.4b: Cấu tạo bộ TSC .......................................................................................22

Hình 2.4c:Cấu tạo bộ lọc sóng hài ............................................................................23
Hình 2.4d: Sơ đồ kết nối bộ SVC với hệ thống điện ................................................24
Hình 2.5a. Bộ STATCOM ........................................................................................24
Hình 2.5b: Nguyên lý hoạt động của bộ STATCOM ...............................................25
Hình 2.5c: Cấu trúc cơ bản của bộ VSC với van dẫn Tiristor ..................................26
Hình 2.5d: Cấu trúc của bộ VSC với van dẫn IGBT ................................................26
Hình 2.5e: STATCOM trong hệ thống điện .............................................................27
Hình 2.6: Cấu trúc cơ bản của bộ TCSC ...................................................................27
Hình 2.7: Sơ đồ kết nối SSSC với hệ thống điện ......................................................28
Hình 2.8: Sơ đồ kết nối UPFC với hệ thống .............................................................28
Hình 2.9. Ví dụ về một ứng dụng của bộ BESS .......................................................30
Hình 2.10. Cấu trúc mạch lực của bộ BESS .............................................................31
Hình 2.11. Cấu trúc cơ bản của bộ BESS .................................................................31
Hình 2.12. BESS trong mạng điện cục bộ ................................................................32
Hình 2.13. BESS đóng vai trò bộ lọc tích cực ..........................................................33
Hình 2.14. Bù công suất vào lƣới khi có biến động ..................................................33
Hình 2.15. BESS làm nguồn dự phòng .....................................................................34
Hình 2.16. BESS điều hòa công suất trong ngày .....................................................34
Hình 2.17. Sơ đồ bộ biến đổi công suất với IGBT....................................................35
Hình 2.18. a- cấu trúc tƣơng đƣơng; b- kí hiệu và đặc tính cửa ra ...........................36
Hình 2.19. Cấu tạo của ăc quy axits cực chì .............................................................37
Hình 2.20.Quá trình phóng/ nạp của một ngăn ắc quy .............................................38
Hình 2.21. Sơ đồ tƣơng đƣơng của ăcquy.................................................................40
Hình 2.22. Hiệu suất quả quá trình nạp - phóng .......................................................41
Hình 2.23. Quá trình nạp – phóng điện của ắcquy....................................................42
Hình 2.24. Quan hệ giữa điện dung với dòng điện và thời gian ...............................43

Hoàng Thị Thương

-5-



Luận văn thạc sỹ

Hình 2.25. Quan hệ năng lƣợng và dòng điện phóng ...............................................43
Hình 2.26. Quan hệ công suất và dòng điện phóng ..................................................44
Hình 3.1. Các phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM ..........................................48
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lƣu PWM ..............................................................49
Hình 3.3. Sơ đồ thay thế bộ chỉnh lƣu PWM ............................................................49
Hình 3.4. a,Giản đồ véc tơ chỉnh lƣu PWM; b – khi iL trùng với uLc- khi iL ngƣợc
với uL .........................................................................................................................50
Hình 3.5. Các phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM ..........................................51
Hình 3.6. Sơ đồ khối chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ tự nhiên ...............................54
Hình 3.7. Sơ đồ khối chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ    ...................................56
Hình 3.8. Sơ đồ khối chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ d-q .......................................57
Hình 3.9. Đồ thị véc tơ điện áp chỉnh lƣu PWM ......................................................58
Hình 3.10. Sơ đồ khối điều khiển BESS theo phƣơng pháp điều khiển VOC ..........59
Hình 3.11. Đồ thị véc tơ điện ápsử dụng phƣơng pháp VOC ...................................60
Hình 3.12. Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh theo VOC .............................................62
Hình 3.13. Sơ đồ khốiphƣơng pháp điều khiển DPC................................................63
Hình 3.14. Chọn sector cho phƣơng pháp điều khiển DPC ......................................64
Hình 3.15. Sơ đồ khối ƣớc lƣợng công suất tức thời dựa trên véctơ điện áp ...........67
Hình 3.16. Sơ đồ khối ƣớc lƣợng công suất tức thời dựa trên từ thông ảo ...............68
Hình 3.17. Cấu trúc mạch lực của BESS ..................................................................70
Hình 3.18.Sơ đồ thay thế mạch lực một pha của BESS ............................................70
Hình 3.19. Mạng điện thủy điện nhỏ có BESS .........................................................71
Hình 3.20. Mô hình tín hiệu trung bình của BESS trong hệ tọa độ a-b ...................72
Hình 3.21. Mô hình tín hiệu trung bình của BESS trong hệ tọa độ a-b ...................73
Hình 3.22. Mô hình dòng điện của BESS .................................................................74
Hình 3.23. Cấu trúc khử tƣơng tác hai thành phần dòng điện iBd, iBq .......................75

Hình 3.24. Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu PI cho bộ biến đổi BESS. .................76
Hình 4.1. Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống BESS .......................................................78
Hình 4.2. Mô hình khối nguồn ..................................................................................79
Hình 4.3. Mô hình BESS...........................................................................................79
Hình 4.4. Cấu trúc của bộ Controller ........................................................................81
Hình 4.5. Cấu trúc của bộ Contoller PI .....................................................................81
Hình 4.6.Mô hình phía hạ áp .....................................................................................82
Hình 4.7. Sự thay đổi công suất tác dụng và phản kháng của BESS ........................83
Hình 4.8. Sự thay đổi điện áp và dòng điện trên thanh cái B4 .................................83
Hình 4.9. a- Sự thay đổi công suất tác dụng ở B3, b - Điện áp tại thanh cái B1, B3,

Hoàng Thị Thương

-6-


Luận văn thạc sỹ

c- Dòng điện ra của BESS, d- Kiểm tra THD cho dòng điện ra tải cấp từ BESS.....86
Hình 4.10. a-Điện áp dây đầu ra của BESS, b- Điện áp pha đầu ra của BESScKiểm tra THD cho điện áp ra tải cấp từ BESS .........................................................87
Hình 4.11. Quá trình phóng/nạp, dòng điện, điện áp của ăcquy ...............................88
Hình 4.12. Sự thay đổi công suất tác dụng và phản kháng của BESS với tải RC ....89
Hình 4.13. Sự thay đổi điện áp và dòng điện trên thanh cái B4 ...............................90
Hình 4.14. Sự thay đổi công suất ở B3, điện áp ở B1,B3, dòng điện Stat ................91
Hình 4.15. Điện áp đầu ra của BESS ........................................................................92
Hình 4.16. Quá trình phóng/nạp, dòng điện, điện áp của ăcquy ...............................93
Hình 4.17. Mạch tăng công suất với BESS ...............................................................94
Hình 4.18. Sự thay đổi công suất tác dụng và phản kháng của BESS ......................95
Hình 4.19. Sự thay đổi điện áp và dòng điện trên thanh cái B4 ...............................96
Hình 4.20. Sự thay đổi công suất ở B3, điện áp ở B1,B3, dòng điện Stat ................97

Hình 4.21. Điện áp đầu ra của BESS ........................................................................98
Hình 4.22. Quá trình phóng/nạp, dòng điện, điện áp của ăcquy ...............................99

Hoàng Thị Thương

-7-


Luận văn thạc sỹ

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ LƢỚI ĐIỆN CỤC BỘ
1.1. Giới thiệu về hệ thống điện
Hệ thống điện là một mạng lƣới kết nối các thiết bị điện với nhau tạo thành
lƣới điện, dùng để sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng. Một hệ
thống điện bao gồm: các nhà máy điện, các mạng điện và các hộ tiêu thụ điện.
Nhà máy điện: là nơi sản xuất ra điện năng từ các dạng năng lƣợng khác.
Bao gồm nhà máy nhiệt điện, nhà máy thủy điện, nhà máy điện hạt nhân.
Lƣới điện: làm nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng từ nơi sản xuất
đến nơi tiêu thụ. Lƣới điện đƣợc chia thành lƣới hệ thống, lƣới truyền tải và lƣới
phân phối.
1.1.1. Cấp điện áp của hệ thống điện
Cấp điện áplà một trong những giá trị của điện áp danh định đƣợc sử dụng
trong hệ thống điện, bao gồm:
- Hạ áp là cấp điện áp danh định dƣới 1000V;
- Lƣới phân phối hạ áp cho đồng thời 2 loại điện áp: điện áp dây 380 V và điện áp
pha 220 V.
- Trung áp là cấp điện áp danh định từ 1000V đến 35kV gồm có các cấp điện áp:
6, 10, 15, 22, 35 kV;
- Cao áp là cấp điện áp danh định trên 35kV đến 220kVgồm có 60, 90, 110, 220
kV;

- Siêu cao áp là cấp điện áp danh định trên 220kV gồm có 330, 400, 500, 750 kV.
1.1.2. Lƣới hệ thống
Lƣới hệ thống nối các nhà máy điện với nhau và với các nút phụ tải khu vực.
Ở Việt Nam lƣới hệ thống do A0 quản lý, vận hành ở mức điện áp 500 kV.


Đặc điểm của lƣới hệ thống là:
- Lƣới có nhiều mạch vòng kín để khi ngắt điện bảo quản đƣờng dây hoặc sự

cố 1 đến 2 đƣờng dây vẫn đảm bảo liên lạc hệ thống;

Hoàng Thị Thương

-8-


Luận văn thạc sỹ

- Vận hành kín để đảm bảo liên lạc thƣờng xuyên và chắc chắn giữa các nhà
máy điện với nhau và với phụ tải;
- Điện áp từ 110kV đến 500kV;
- Lƣới đƣợc thực hiện chủ yếu bằng các đƣờng dây trên không
1.1.3. Lƣới truyền tải
Phần lƣới điện từ trạm trung gian khu vực đến thanh cái cao áp cung cấp
điện cho trạm trung gian địa phƣơng. Bao gồm các đƣờng dây và trạm biến áp có
cấp điện áp từ 220kV trở lên, các đƣờng dây và trạm biến áp có điện áp 110kV có
chức năng truyền tải để tiếp nhận công suất từ các nhà máy điện vào hệ thống điện
quốc gia.



Lƣới điện này có các đặc điểm sau:

- Sơ đồ kín có dự phòng: 2 lộ song song từ cùng một trạm khu vực, 2 lộ từ 2 trạm
khu vực khác nhau, 1 lộ nhƣng có dự phòng ở lƣới phân phối;
- Vận hành hở vì lí do hạn chế dòng ngắn mạch, có thiết bị tự đóng nguồn
khi sự cố;
- Điện áp 35, 110, 220 kV;
- Thực hiện bằng đƣờng dây trên không là chính, trong các trƣờng hợp không
thể làm đƣờng dây trên không thì dùng cáp ngầm;
- Lƣới 110 kV trở lên trung tính máy biến áp nối đất trực tiếp
1.1.4. Lƣới phân phối
Lƣới phân phối làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian,
trạm khu vực hoặc thanh cái nhà mmáy điện cho các phụ tải. Lƣới phân phối gồm 2
phần:
+ Lƣới phân phối trung áp có điện áp 6, 10, 15, 22, 35 kV phân phối cho các
trạm phân phối trung áp/ hạ áp và các phụ tải trung áp;
+ Lƣới hạ áp 380/220V cấp điện áp cho các phụ tải hạ áp.
Lƣới phân phối hạ áp đƣợc cung cấp điện trực tiếp từ các máy biến áp phân
phối 3 pha. Trung tính của mạng hạ áp đƣợc nối đất trực tiếp và dây trung tính đi
theo lƣới điện tạo thành lƣới phân phối hạ áp 3 pha 4 dây. Cấu trúc lƣới phân phối

Hoàng Thị Thương

-9-


Luận văn thạc sỹ

hạ áp có thể đƣợc thực hiện bằng đƣờng dây trên không, hoặc dùng dây cáp vặn
xoắn.

Tuỳ theo yêu cầu về độ tin cậy các hộ phụ tải mà có thể sử dụng phƣơng pháp
có hay không nối dây dự phòng, đƣờng dây dự phòng có thể lấy điện từ cùng một
trạm phân phối hoặc từ 2 trạm phân phối khác nhau:
Đƣờng trục chính của lƣới phân phối hạ áp có 4 dây, các nhánh rẽ đi cấp điện
cho các phụ tải 1 pha có thể 3 dây (2 pha + trung tính) hoặc hai dây (1 pha + trung
tính).
Lƣới điện phân phối có chiều dài tƣơng đối lớn, đƣờng dây phân nhánh, hình
tia hoặc mạch vòng cung cấp điện trực tiếp cho các hộ tiêu thụ. Do đó những
nguyên nhân ảnh hƣởng đến quá trình chuyển tải của lƣới phân phối đều có liên
quan trực tiếp đến các hộ tiêu thụ.
- Lƣới phân phối trực tiếp đảm bảo chất lƣợng điện áp cho phụ tải.
- Giữ vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho các
hộ phụ tải: mỗi một sự cố trên lƣới phân phối trung áp đều ảnh hƣởng trực tiếp đến
sinh hoạt của nhân dân và các hoạt động kinh tế, xã hội.
- Tỷ lệ tổn thất điện năng rất lớn: khoảng (4050)% trên lƣới phân phối.
- Hộ phụ tải sử dụng trực tiếp điện năng từ lƣới phân phối nên vấn đề an toàn
điện rất quan trọng.

1.2. Mạng điện cục bộ hạ áp
Mỗi một mạng điện đƣợc đặc trƣng bằng điện áp danh định U dđ, điện áp này
đƣợc sử dụng để tính điện áp danh định của các thiết bị trong mạng điện (máy phát
điện, máy biến áp, đƣờng dây…). Điện áp danh định đảm bảo cho các thiết bị làm
việc bình thƣờng và đạt đƣợc hiệu quả kinh tế tốt nhất. Phân loại mạng điện theo
điện áp danh định thì mạng điện hạ áp là mạng điện có điện áp danh định U dđ  1kV
. Đối với mạng điện hạ áp điện áp danh định giữa các pha và điện áp pha: 220/127;
380/220; 660/380 V.
Phân loại mạng điện theo chức năng thực hiện thì mạng điện hạ áp thuộc mạng
phân phối.

Hoàng Thị Thương


-10-


Luận văn thạc sỹ

Mạng điện cục bộ hạ áp có công suất hữu hạn là một hệ thống điện riêng rẽ,
nhƣ hệ thống điện tự dùng của các xí nghiệp công nghiệp, của một tòa nhà cao tầng,
hay các hệ thống điện nhỏ của một địa phƣơng ở các vùng sâu, vùng xa,... hoạt
động có tính chất độc lập không kết nối vào hệ thống điện quốc gia. Ví dụ nhƣ
mạng điện tự dùng của các xí nghiệp công nghiệp, các nhà máy bia, nhà máy giấy
có nhà máy nhiệt điện chạy bằng nhiên liệu phế thải hay mạng điện với nguồn máy
phát diesel để dự phòng ở các nhà chung cƣ, khách sạn, bệnh viện, phân
xƣởng,…mạng điện với nguồn máy phát từ sức gió, từ năng lƣợng mặt trời, từ thủy
triều,...mạng điện với nguồn thủy điện nhỏ ở miền núi, vùng sâu, vùng xa.


Đặc điểm mạng điện cục bộ hạ áp
Nhƣ ta thấy các thủy điện, nhiệt điện nhỏ hiện rất đƣợc khuyến khích phát

triển vì chúng có một số ƣu điểm nổi bật đó là:
- Đầu tƣ xây dựng nhanh với chi phí nhỏ, số lƣợng nhiều, vị trí phân tán ở
các khu vực hẻo lánh mà khả năng đƣa lƣới điện quốc gia đến là khó thực hiện;
- Giá thành thƣơng phẩm hạ;
- Nguồn phát điện dạng “công nghệ sạch”.
Tuy nhiên các hệ thống này vẫn tồn tại một số nhƣợc điểm.
-

Vấn đề huy động công suất khi đóng tải nặng và quá tải giờ cao điểm:
Trong vận hành thƣờng xuyên xảy ra chế độ đóng cắt những phụ tải lớn, ví


dụ nhƣ đóng cắt một nhánh đƣờng dây nào đó của lƣới, phụ tải biến động đột ngột
gây áp lực lớn cho máy phát. Hoặc theo đồ thị phụ tải ngày, thƣờng xuất hiện quá
tải vào những giờ cao điểm (khi hệ số đồng thời của phụ tải kđt≈ 1) có thể gây quá
tải cho máy phát trong khoảng thời gian đến hàng giờ (Hình 1.1).
-

Vấn đề huy động công suất khi khởi động động cơ:
Do công suất là nhỏ nên khi có phụ tải đỉnh cần huy động công suất nhƣ khởi

động động cơ không đồng bộ. Công suất khởi động đòi hỏi lớn từ 5 đến 7 lần công
suất định mức của động cơ trong một thời gian ngắn, vƣợt quá khả năng đáp ứng

Hoàng Thị Thương

-11-


Luận văn thạc sỹ

của nguồn có thể làm mất cân bằng mômen trên trục máy phát khiến tốc độ giảm,
tần số dao động sẽ phát sóng hài vào lƣới (Hình 1.2). Mặt khác dòng khởi động có
thể tạo ra phụ tải đỉnh làm bảo vệ rơle cực đại tác động dẫn đến gián đoạn cung cấp
điện;
P(kW)

P(kW)

P Đm F


P Đm F

t(s)

t kđ

t(h)

tqt
0

0

24

Hình 1.2. Đồ thị phụ tải khi có động cơ

Hình 1.1. Đồ thị phụ tải ngày[3]

khởi động[3]

1.3. Phụ tải điện và yêu cầu của phụ tải điện
Phụ tải điện là công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q yêu cầu tại
một điểm nào đó của lƣới điện làm việc với điện áp định mức gọi là điểm đặt hay
điểm đấu phụ tải. Phụ tải điện bao gồm công suất yêu cầu của thiết bị dùng điện từ
điểm đấu này và công suất tổn thất trên lƣới điện nối điểm đấu với các thiết bị dùng
điện.
Công suất tác dụng P là công suất có tiêu hao năng lƣợng của nguồn điện để
sinh công, công suất phản kháng Q là công suất chỉ để tạo ra từ trƣờng, mang tính
cảm, không tiêu thụ năng lƣợng của nguồn để sinh công. Cả hai thành phần công

suất P và Q đều gây tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện áp trên các thiết bị
truyền dẫn của mạng điện. P và Q có tƣơng quan với nhau và đặc trƣng bằng công
suất biểu kiến S và hệ số công suất cosφ theo các biểu thức sau:
S  3UI ; P  S cos  ; Q  S.sin  ;

  arctg

P
Q

(1.1)

Trong đó U là điện áp dây.

Hoàng Thị Thương

-12-


Luận văn thạc sỹ

 Đặc điểm Phụ tải điện:
Phụ tải thƣờng xuyên có giá trị biến động theo thời gian, theo mức độ khác
nhau nhƣ là:
- Biến thiên theo quy luật ngày đêm, theo luật sinh hoạt và sản xuất, theo thời
gian.
- Phụ tải có tính biến thiên ngẫu nhiên quanh theo giá trị trung bình, theo phối
chuẩn;
-


Phụ tải điện có tính chất theo mùa: mùa mƣa khác mùa hạn, khô;

-

Phụ tải điện biến thiên mạnh theo thời tiết, nhƣ nhiệt độ môi trƣờng;

- Phụ tải điện biến đổi theo tần số và điện áp tại điểm nối vào lƣới.
Phụ tải cơ sở có giá trị ở Uđm và fđm. Khi điện áp và tần số lệch khỏi định mức
thì giá trị của phụ tải cũng biến đổi theo.
Phụ tải là thông số cần thiết để quy hoạch, thiết kế và vận hành hệ thống điện.
Biết chính xác đƣợc phụ tải sẽ thiết kế đƣợc hệ thống điện tối ƣu về chi phí sản
xuất, tổn hao phân phối, chi phí trong vận hành nhỏ nhất. Để quy hoạch, thiết kế
cần biết phụ tải điện của các hộ dùng điện sẽ có. Trong tính toán phụ tải, các hộ
dùng điện có quy luật hoạt động giống nhau thì tạo thành một loại phụ tải và có
cách tính toán riêng cho từng loại. Thông thƣờng có các loại nhóm phụ tải sau: phụ
tải sinh hoạt, phụ tải thƣơng mại, phụ tải công nghiệp, phụ tải nông nghiệp, phụ tải
dịch vụ, phụ tải giao thông... Mỗi loại phụ tải có đồ thị đặc trƣng riêng.
 Yêu cầu của phụ tải điện đối với hệ thống điện:
Phụ tải điện đòi hỏi hệ thống điện có chất lƣợng điện năng tốt và độ tin cậy
cao.
- Chất lượng điện năng: bao gồm chất lượng điện áp và chất lượng tần số
a. Chất lượng điện áp:
Chất lƣợng điện áp gồm có 4 chỉ tiêu:
1- Độ lệch điện áp so với điện áp định mức của lƣới điện
U 

Hoàng Thị Thương

U  U đm
.100 % (V)

U đm

-13-

(1.2)


Luận văn thạc sỹ

δU phải thỏa mãn điều kiện:
U   U  U 

(1.3)

Với δU- , δU+: Là giới hạn trên và dƣới của độ lệch điện áp.
Khi điện áp cao quá làm tuổi thọ thiết bị dùng điện giảm nhất là thiết bị chiếu
sáng. Còn khi điện áp thấp quá làm cho các thiết bị dùng điện giảm công suất nhất
là đèn điện. Khi điện áp quá cao hay quá thấp đều gây ra phát nóng phụ cho các
thiết bị điện, làm giảm tuổi thọ, làm giảm hiệu suất, gây hỏng thiết bị,… Ngoài ra,
nếu điện áp thấp quá nhiều thì thiết bị còn không hoạt động đƣợc.
Độ lệch điện áp là tiêu chuẩn điện áp quan trọng nhất ảnh hƣởng lớn đến giá
thành hệ thống điện.
2- Độ dao động điện áp: là sự biến thiên nhanh của điện áp gây ra do mở máy
các động cơ lớn, ngắn mạch trong mạng điện….đƣợc xác định bởi công thức
sau:
U % 

U max  U min
.100%
U đm


(1.4)

Dao động điện áp gây dao động ánh sáng gây hại cho mắt ngƣời lao động, gây
nhiễu cho các thiết bị điện tử... Vì vậy dao động điện áp phải đƣợc hạn chế trong
miền cho phép.
3- Độ không đối xứng:
Các phụ tải của các pha không đối xứng dẫn đến điện áp các pha không đối
xứng. Sự không đối xứng này đƣợc đặc trƣng bởi thành phần thứ tự nghịch U2 của
điện áp. Điện áp không đối xứng làm giảm hiệu quả công tác và tuổi thọ của thiết
bị dùng điện, giảm khả năng truyền tải của lƣới điện và tăng tổn thất điện năng.
4- Độ không sin:
Các phụ tải phi tuyến nhƣ máy biến áp không tải, bộ chỉnh lƣu công suất, lò
điện hồ quang…làm biến thiên dạng đƣờng đồ thị điện áp không còn dạng sin, xuất
hiện các thành phần sóng hài bậc cao. Sóng hài bậc cao sẽ gây ra giảm điện áp trên

Hoàng Thị Thương

-14-


Luận văn thạc sỹ

đèn điện và các thiết bị sinh nhiệt, tăng tổn thất sắt từ trong động cơ, tổn thất điện
môi trong cách điện, tăng tổn thất trong lƣới điện và thiết bị dùng điện, gây nhiễu
các thiết bị bảo vệ, điều khiển điện tử,…
Sóng hài là các sóng sinh ra có tần số khác tần số cơ bản, có thể coi là
trƣờngợp riêng của sóng điều hòa, sóng điều hòa có thể coi là tổng hợp các dạng
sóng sin mà tần số của nó là bội số của tần số cơ bản.
Để đánh giá độ méo dạng tín hiệu sóng điều hòa do sóng hài gây ra, ngƣời ta

sử dụng thông số quan trọng đó là hệ số méo dạng THD% (Total Harmonic
Distortion):

THD 


2
 X
n
n2
X
1

(1.5)

Trong đó: X1 là biên độ thành phần cơ bản;
Xn là biên độ thành phần điều hòa bậc n.
Từ biểu thức trên ta có thể đánh giá độ méo dạng dòng điện và điện áp thông
qua hệ số méo dạng dòng điện và hệ số méo dạng điện áp.
Theo tiêu chuẩn Nga quy định:
U

i



U 2  5%.U

j
1

j  3,5,...

(1.6)

Với U1 là trị hiệu dụng của sóng hài bậc thấp nhất của điện áp.
b. Chất lượng tần số:
Chất lƣợng tần số đƣợc đánh giá bằng độ lệch tần số so với tần số định mức
và độ dao động tần số.
+ Độ dao động tần số đặc trƣng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ
nhất của tần số khi tần số biến thiên nhanh và với tốc độ lớn hơn 1%/s.
+ Độ lệch tần số so với tần số định mức:

Hoàng Thị Thương

-15-


Luận văn thạc sỹ

f 

f  f đm
.100 %  f   0,5%
f đm

(1.7)

- Độ tin cậy cung cấp điện:
Độ liên tục cung cấp điệnđƣợc tính bằng thời gian mất điện trung bình năm
cho một hộ dùng điện và các chỉ tiêu khác đạt giá trị hợp lý chấp nhận đƣợc cho cả

hai phía ngƣời dùng điện và hệ thống điện. Độ tin cậy cung cấp điện đƣợc đảm bảo
nhờ cấu trúc của hệ thống điện và lƣới điện trong đƣợc lựa chọn quy hoạch, thiết kế.
Thông thƣờng hệ thống điện đảm bảo độ tin cậy rất cao ở các nút chính của hệ
thống và các nút địa phƣơng. Do mức độ điện khí hóa ngày càng cao trong sản xuất
và sinh hoạt thì yêu cầu của phụ tải về chất lƣợng điện năng ngày càng cao. Do đó
hệ thống điện ngày càng phải hoàn thiện không ngừng về cấu trúc cũng nhƣ phƣơng
pháp vận hành.

1.4. Chế độ làm việc và mất cân bằng của hệ thống điện
Khi hệ thống điện hoạt động, điện năng đƣợc sản xuất ra trong các nhà máy
điện truyền lên lƣới hệ thống, rồi đi qua lƣới truyền tải đến lƣới phân phối. Lƣới
phân phối cung cấp điện trực tiếp cho một bộ phận thiết bị dùng điện đồng thời cấp
điện cho lƣới hạ áp thông qua các trạm phân phối, lƣới hạ áp cấp điện trực tiếp cho
các thiết bị dùng điện.
Chế độ họat động của hệ thống điện đƣợc đặc trƣng bởi các thông số: công
suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, điện áp U, góc pha của điện áp, dòng điện
I tại mọi điểm. Các thông số này biến thiên liên tục trong thời gian do nhu cầu điện
năng của phụ tải luôn biến đổi liên tục theo quy luật sản xuất và đời sống và do các
sự cố bất thƣờng...
Điện năng có đặc điểm là không thể dự trữ đƣợc. Phụ tải yêu cầu tới đâu thì hệ
thống điện đáp ứng tới đó, do đó công suất của các nhà máy điện phải luôn thay đổi
theo sự thay đổi nhu cầu công suất tác dụng P và điện áp của các nhà máy điện luôn
thay đổi để đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng Q của phụ tải. Công suất P và Q

Hoàng Thị Thương

-16-


Luận văn thạc sỹ


của nguồn điện luôn phải cân bằng với công suất yêu cầu của phụ tải trong mọi thời
điểm vận hành.
Trong mạng điện phân phối cục bộ thƣờng xảy ra mất cân bằng về công suất
trong ngày giữa cung và cầu. Vì vậy một giải pháp đƣợc đề xuất là thiết kế một kho
dự trữ, việc điều khiển kho này nhằm đạt đƣợc yêu cầu về ổn định trong mạng điện
cục bộ hoặc để kinh doanh điện kiếm lời dựa vào chính sách nhiều giá của thị
trƣờng điện.
Một giải pháp đƣợc đƣa ra là sử dụng hệ thống lƣu trữ điện năng BESS
(Battery Energy Storage Systems).

Hoàng Thị Thương

-17-


Luận văn thạc sỹ

CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BESS
2.1. Hệ thống điện linh hoạt FACTS [8],[9],[12]
Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible Alternating Current
Transmission System hay FACTS) là hệ thống bao gồm các thiết bị tĩnh để sử dụng
cho việc truyền tải dòng điện xoay chiều. Hệ thống các thiết bị FACTS dùng để
nâng cao khả năng điều khiển hệ thống điện và tăng khả năng truyền tải công suất
trên đƣờng dây. Hệ thống FACTS đƣợc sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và
góc pha của đƣờng dây xoay chiều cao áp.
FACTS đƣợc định nghĩa bởi IEEE là: “Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử
công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ
thống đƣờng dây tải điện xoay chiều, qua đó nâng cao khả năng điều khiển và khả
năng truyền tải công suất”.

Các thiết bị FACTS cung cấp những lợi ích cho việc nâng cao quản lý hệ
thống truyền tải thông qua việc sử dụng tốt hơn các lƣới truyền tải hiện có, tăng độ
tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải; tăng độ ổn định động và ổn
định quá độ của lƣới, tăng chất lƣợng cung cấp cho các ngành công nghiệp có yêu
cầu chất lƣợng điện năng cao, các lợi ích về môi trƣờng khác. FACTS ra đời nhằm
giúp cho quá trình thực hiện điều khiển điện áp trên hệ thống điện, cụ thể là đƣờng
dây truyền tải đƣợc linh hoạt và nhanh chóng.
FACTS có thể kết nối với hệ thống theo kiểu bù nối tiếp ( bù dọc) hoặc kiểu
bù song song (shunt) hoặc kết hợp cả hai phƣơng thức trên.
1. Nhóm mắc nối tiếp:
- Bộ lọc nối tiếp (PFSA: Series Active Power Filter).

Hoàng Thị Thương

-18-


Luận văn thạc sỹ

Hình 2.1. Cấu trúc bộ lọc nối tiếp[8]
-

Đặc điểm: Loại trừ các sóng hài điện áp, điều chỉnh, cân bằng điện áp tại
điểm kết nối.

2. Nhóm mắc song song:
- Bộ lọc động mắc song song PAPF (Parallel Active Power Filter)

Hình 2.2. Cấu trúc bộ lọc song song[8]
Đặc điểm: Loại trừ các sóng hài dòng điện, bù công suất phản kháng, bù

thành phần dòng điện không cân bằng.
- Hệ thống tích trữ năng lƣợng nguồn ăcquy BESS
3. Nhóm mắc hỗn hợp:
- Unified power Quality Conditioner (UPQC)

Hoàng Thị Thương

-19-


Luận văn thạc sỹ

Hình 2.3. Cấu trúc bộ lọc tích cực nối UPQC [8]
-

Đặc điểm: Loại trừ các sóng hài điện áp và dòng điện, ngăn quá trình phát
sóng hài bậc cao ra ngoài, Bù điện áp không cân bằng thành hình sin đối
xứng ba pha đồng thời hiệu chỉnh điện áp, Điều khiển hƣớng dòng năng
lƣợng cơ bản, Cấu trúc phức tạp và giá thành cao.
Dưới đây là một số thiết bị FACTS thường dùng:

 Static Var Compensator (SVC): Bộ bù Var tĩnh
 Static Synchronous Compensator (STATCOM): Bộ bù đồng bộ tĩnh
 Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC):Bộ bù dọc điều khiển
Thyristor.
 Static Synchronous Series Compensator (SSSC):Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh
 Unified Power Flow Controller (UPFC): Bộ điều khiển dòng công suất hợp
nhất.
 High Voltage Direct Current (HVDC): Đƣờng dây một chiều cao áp.
a. Các máy bù tĩnh (SVC):

Các máy bù tĩnh (SVC) là những thiết bị FACTS quan trọng, đƣợc sử dụng
trong nhiều năm để cải thiện tính kinh tế của các đƣờng dây truyền tải bằng cách
giải quyết các vấn đề điện áp. Nhờ độ chính xác, tính khả dụng và đáp ứng nhanh,
các thiết bị SVC có thể cung cấp trạng thái ổn định và điều khiển điện áp quá độ có
chất lƣợng cao so với kiểu bù rẽ nhánh thông thƣờng. Các thiết bị SVC cũng đƣợc
sử dụng để làm giảm các dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ và giảm
tổn hao hệ thống nhờ tối ƣu điều khiển công suất phản kháng.

Hoàng Thị Thương

-20-


Luận văn thạc sỹ

Hình 2.4: Sơ đồ bộ SVC [8]
Trong đó:
ISVC: Dòng điện của SVC với điện áp ở nút điện áp cao
PIsvc: Công suất tác dụng bơm vào bên trong máy biến áp ghép bộ từ
nút điện áp thấp SVC

.

Hầu hết các bộ SVC luôn đƣợc kết nối đến mạng lƣới truyền tải điện thông
qua một máy biến áp tăng áp ghép bộ. Ở phía nút điện áp thấp của máy biến áp, nói
chung có 3 phần tử đƣợc sử dụng: cuộn kháng điều khiển bằng Thyristor (TCR), bộ
tụ chuyển mạch bằng thyristor (TSCs) và bộ lọc sóng hài ổn định.
TCR (Thyristor Controlled Reactor): Là thiết bị dùng điều khiển một cách
liên tục dòng điện qua cuộn cảm mắc song song với lƣới bằng cách điều khiển góc
kích của thyristor và đƣợc nối vào thanh cái điện áp thấp. Sơ đồ mạch một pha của

bộ TCR, bao gồm cặp thyristor mắc song song, ngƣợc chiều nhau và nối vào cuộn
điện kháng tuyến tính.

Hình 2.4a: Cấu tạo bộ TCR [8]

Hoàng Thị Thương

-21-


Luận văn thạc sỹ

Trong đó:
XL: Điện kháng chính
T: Thyristor có chức năng điều chỉnh dòng điện đi qua TCR.
G : Cực kích của thyristor.
Đóng ngắt có điều khiển các thyristor kết hợp với đáp ứng của cuộn kháng
tuyến tính cho phép điện kháng hiệu dụng tần số cơ bản của TCR, mà nó là hàm số
của góc kích, thay đổi một cách liên tục từ giá trị điện kháng xác định của cuộn
kháng (ứng với trạng thái dẫn hoàn toàn của Thyristor) đến một giá trị vô hạn (ứng
với trạng thái ngắt của thyristor).
TSC ( Thyristor Switched Capacitor): là thiết bị bù công suất phản kháng
đƣợc điều chỉnh theo dạng nhảy cấp, nó có khả năng đóng cắt tụ điện bằng cách
kích đóng ngắt các thyristor. Bộ TSC kết hợp với bộ TCR sẽ cho phép điện kháng
tƣơng đƣơng của chúng có thể thay đổi liên tục từ tính dung sang tính kháng.
Sơ đồ mạch một pha của bộ TSC bao gồm cặp Thyristor mắc song song,
ngƣợc chiều nhau và nối vào bộ tụ điện.

Hình 2.4b: Cấu tạo bộ TSC [8]
Bộ TSC thực chất là bộ tụ điện đƣợc đóng mở bằng hai thyristor mắc đối

song, khi thay đổi tín hiệu xung sẽ làm thay đổi giá trị điện dung C trong mạch.
Fixed Filters: là thiết bị dùng để lọc sóng hài. Mục đích là lọc các sóng hài
bậc cao và bù công suất phản kháng cho phụ tải. Các sóng hài bậc cao xuất hiện do
chế độ làm việc của TCR gây ra ( khi thyristor dẫn không hoàn toàn, dòng điện qua
TCR sẽ không có dạng hình sin).

Hoàng Thị Thương

-22-


Luận văn thạc sỹ

Hình 2.4c:Cấu tạo bộ lọc sóng hài [8]
Các phụ tải phi tuyến và cả phần tử điều chỉnh công suất phản kháng (TCR)
là nguồn tạo ra các sóng hài bậc cao. Trong hệ thống điện 3 pha, các thành phần bậc
cao xuất hiện và ảnh hƣởng chủ yếu là bậc 5,7,11 và 13, riêng sóng hài bậc ba
thƣờng đƣợc hạn chế hoặc loại bỏ nhờ hình thức đấu dây của máy biến áp hoặc giải
thuật điều khiển cung cấp cho các bộ biến đổi công suất. Các mạch lọc cộng hƣởng
đƣợc điều chỉnh đến các giá trị tần số của các thành phần sóng hài bậc cao cần đƣợc
khử bỏ và lúc đó mạch lọc cộng hƣởng tác động nhƣ trở kháng ngắn mạch cho các
sóng hài bậc cao này nên hạn chế ảnh hƣởng của nó lên nguồn điện áp của lƣới
điện. Khi thay đổi góc kích α của thyristor, điện kháng hiệu dụng của bộ TCR sẽ
thay đổi. Sự thay đổi điện kháng của TCR sẽ thay đổi điện kháng hiệu dụng của
SVC. Với nguyên lý làm việc nhƣ trên, cho nên bộ SVC có thể cung cấp hoặc tiêu
thụ công suất phản kháng cho một hệ thống truyền tải điện. Sự thay đổi để phát hay
thu công suất phản kháng nhằm mục đích điều chỉnh giá trị điện áp tại điểm kết nối
với hệ thống điện.
 Ứng dụng của bộ SVC:
Bộ SVC đƣợc áp dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải với nhiều mục đích

khác nhau. Mục đích cơ bản nhất thƣờng đƣợc sử dụng là để điều khiển điện áp tại
điểm yếu nhất trong hệ thống điện. Nó thƣờng đƣợc lắp đặt ở điểm giữa của đƣờng
dây truyền tải liên kết giữa các vùng tải. Nhờ độ chính xác cao, tính khả dụng và
đáp ứng nhanh, các thiết bị SVC có thể cung cấp trạng thái ổn định và điều khiển
điện áp quá độ có chất lƣợng cao so với kiểu bù rẽ nhánh thông thƣờng. Các thiết bị
SVC cũng đƣợc sử dụng để làm giảm các dao động công suất, cải thiện độ ổn định
quá độ và giảm tổn hao hệ thống nhờ tối ƣu điều khiển công suất phản kháng.

Hoàng Thị Thương

-23-


Luận văn thạc sỹ

Hình 2.4d: Sơ đồ kết nối bộ SVC với hệ thống điện[8]
b. Máy bù đồng bộ tĩnh (STATCOM):
STATCOM là thiết bị SVC sử dụng linh kiện GTO (Thyristor kiểu cổng
đóng - gate turn - off) hay tranzitor lƣỡng cực có cổng cách điện (IGBT). So với
loại SVC thông thƣờng, STATCOM không yêu cầu các thành phần cảm kháng và
dung kháng lớn để cung cấp công suất phản kháng các hệ thống truyền tải cao áp.
Nhƣ vậy, yêu cầu về diện tích lắp đặt nhỏ hơn. Một lợi thế khác là đầu ra phản ứng
cao hơn ở điện áp hệ thống thấp, nơi một STATCOM có thể đƣợc xem nhƣ một
nguồn dòng độc lập với điện áp hệ thống.

Hình 2. 5a. Bộ STATCOM [8]

Hoàng Thị Thương

-24-



Luận văn thạc sỹ

Bộ STATCOM đƣợc mắc song song với đƣờng dây và hoạt động không cần
nguồn năng lƣợng dự trữ có tác dụng nhƣ là một máy bù công suất phản kháng.
Việc bằng cách điều khiển điện áp ngõ ra V cùng pha với điện áp hệ thống VT.
 Nếu V nhỏ hơn điện áp hệ thống VT thì dòng điện bộ nghịch lƣu đi qua cuộn
kháng sẽ mang tính cảm, bộ STATCOM nhận công suất phản kháng từ hệ
thống.
 Nếu V lớn hơn điện áp hệ thống VT thì dòng điện bộ nghịch lƣu đi qua cuộn
kháng sẽ mang tính dung, bộ STATCOM phát công suất phản kháng lên hệ
thống.

Hình 2.5b: Nguyên lý hoạt động của bộ STATCOM [8]
Nguyên lý cơ bản của STATCOM là sử dụng bộ biến đổi nguồn điện áp
(VSC) dựa trên kỹ thuật các phần tử điện tử công suất (GTO) thyristor hay tranzitor
lƣỡng cực có cổng cách điện (IGBT) với khả năng ngắt dòng điện khi có xung ngắt
gửi đến cổng điều khiển. Điều này cho phép cho bộ STATCOM phát ra một nguồn
điện áp xoay chiều AC ở đầu cực bộ biến đổi lúc tần số cơ bản yêu cầu với biên độ
điều chỉnh đƣợc, sơ đồ khối của một bộ STATCOM đƣợc thể hiện ở hình 2.5a. Sự
chuyển đổi công suất phản kháng với lƣới điện thì đạt đƣợc bởi điều khiển biên độ
điện áp V và sự chuyển đổi công suất tác dụng do điều khiển dịch chuyển pha ψ.

Hoàng Thị Thương

-25-