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

Nguyễn Trọng Minh

ứng dụng của SVC để nâng cao ổn định điện áp của
hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. Trương Ngọc Minh

HÀ NỘI – 2010


MỤC LỤC
CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU........................................................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................5
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..............................................................................6
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................8
CHƯƠNG 1 ..............................................................................................................10
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ..................................................................10
1.1. Khái niệm chung về ổn định điện áp .............................................................10
1.2. Nguyên nhân gây ra mất ổn định điện áp ......................................................12
1.3. Hậu quả mất ổn định điện áp .........................................................................13
1.4. Vấn đề đảm bảo giá trị điện áp cho phép.......................................................14
1.5. Các biện pháp ngăn ngừa sụp đổ điện áp.......................................................15
1.5.1. Các biện pháp vận hành..........................................................................15
1.5.2. Các biện pháp thiết kế ............................................................................16
1.6. Kết luận..........................................................................................................19
CHƯƠNG 2 ..............................................................................................................20

THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC ........................................................................................20
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCR và TSR .......................................20
2.1.1. Cấu tạo....................................................................................................20
2.1.2.Nguyên lý hoạt động ...............................................................................21
2.1.3. Các hiệu ứng phụ....................................................................................24
2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSC......................................................24
2.2.1. Cấu tạo....................................................................................................24
2.2.2. Đặc tính điều chỉnh.................................................................................25
2.3. Thiết bị bù ngang SVC ..................................................................................27
2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc ...............................................................27
2.3.2. Các thành phần điều khiển của SVC ......................................................29
2.3.3. Đặc tính làm việc của SVC ....................................................................33
2.3.4. Đặc tính điều chỉnh của SVC .................................................................34
2.3.5. Mô hình SVC..........................................................................................39
2.4. Tổng kết .........................................................................................................41
CHƯƠNG 3 ..............................................................................................................42
TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA HTĐ ..................................42
3.1. Mô hình lưới điện trong tính toán phân tích chế độ của HTĐ.......................42
3.1.1. Nhánh chuẩn và sơ đồ tính toán lưới điện.............................................42
3.1.2. Mô hình đường dây trên không và cáp...................................................43
3.1.3. Mô hình các máy biến áp điện lực.........................................................46
3.1.4. Mô hình kháng điện và tụ điện ..............................................................47
3.1.5. Mô hình phụ tải ......................................................................................47
3.1.6. Mô hình phụ tải cung cấp qua máy biến áp điều áp dưới tải..................49
3.1.7. Mô hình máy phát điện...........................................................................50

1


3.2. Hệ phương trình tính toán trào lưu công suất ................................................50

3.3. Phương pháp Newton-Raphson .....................................................................53
3.3.1 Cơ sở toán học .........................................................................................53
3.3.2 Hệ phương trình phi tuyến.......................................................................54
3.3.3 Tính toán trào lưu công suất....................................................................55
CHƯƠNG 4 ..............................................................................................................64
PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ...............................................64
4.1. Hệ thống đơn giản..........................................................................................64
4.1.1. Điện áp tại nút 2 .....................................................................................64
4.1.2. Chỉ số đánh giá ổn định điện áp ............................................................67
4.2. Hệ thống phức tạp bất kỳ...............................................................................70
CHƯƠNG 5 ..............................................................................................................73
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ...........................................................................................73
5.1 Sơ đồ tính toán IEEE 14 .................................................................................73
5.2. Chương trình tính toán...................................................................................75
5.3. Kết quả mô phỏng..........................................................................................77
5.3.1. Chế độ phụ tải cả hệ thống thay đổi khi không có SVC ........................77
5.3.2. Chế độ phụ tải cả hệ thống thay đổi khi có SVC ...................................81
5.3.3. Chế độ phụ tải nút 9 thay đổi khi không có SVC...................................87
KẾT LUẬN ...............................................................................................................89
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................91
PHỤ LỤC..................................................................................................................92

2


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi. Các kết quả tính toán nêu trong
luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một bản luận văn
nào khác.
Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Tác giả luận văn
Nguyễn Trọng Minh

3


CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
OĐĐA

Ổn định điện áp

HTĐ

Hệ thống điện

MBA

Máy biến áp

SĐĐA

Sụp đổ điện áp

CSPK

Công suất phản kháng

FACTS

Flexible AC Transmission System – Hệ thống truyền tải điện xoay

chiều linh hoạt

SVC

Static Var Compensator

TCR

Thyristor Controlled Reactor – Kháng điện điều khiển bằng thyristor

TSR

Thyristor Switched Reactor – Kháng điện đóng mở bằng thyristor

TSC

Thyristor Switched Capacitor – Tụ điện đóng mở bằng thyistor

STATCOM

STATic synchronous Compensator - Bộ bù đồng bộ tĩnh

TCSC

Thyristor Controlled Series Capacitor – Tụ bù dọc điều khiển bằng
thyristor

UPFC

Unified Power Flow Controller – Thiết bị điều khiển dòng công suất

hợp nhất

4


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Kết quả tính toán điện áp nút 2..................................................................69
Bảng 5.1 Số liệu nút hệ thống IEEE14 .....................................................................74
Bảng 5.2 Số liệu nhánh hệ thống IEEE14.................................................................74

5


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Các giai đoạn SĐĐA theo thời gian..........................................................12
Hình 2.1: Cấu tạo chung của SVC ............................................................................20
Hình 2.2: a. Cấu tạo của TCR, b. Điều khiển góc đánh lửa, c. Dạng sóng vận hành.
...................................................................................................................................21
Hình 2.3: Quan hệ dòng điện thành phần cơ bản qua TCR và góc mở α. ................22
Hình 2.4: Đặc tính V-I của TCR ...............................................................................23
Hình 2.5: Cấu tạo TSC và dạng sóng vận hành. .......................................................24
Hình 2.6: Quá trình đóng cắt không có quá trình quá độ của TSC...........................25
Hình 2.7: Đặc tính V-I của TSC................................................................................26
Hình 2.8: Cấu tạo SVC và đặc tính công suất theo yêu cầu so với công suất ra. .....28
Hình 2.9: Đặc tính V-I của SVC. ..............................................................................28
Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển chức năng của SVC.....................................................29
Hình 2.11: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển của SVC. ..............................................29
Hình 2.12: Mô hình 1 của IEEE cho hệ thống điều khiển của SVC.........................31
Hình 2.13: Mô hình 2 của IEEE cho hệ thống điều khiển của SVC.........................32
Hình 2.14: Đặc tính làm việc của SVC .....................................................................33

Hình 2.15. Đặc tính làm việc mềm của SVC ............................................................34
Hình 2.16: Sóng của điện áp đầu ra của mạch thuần trở có thyristor .......................35
Hình 2.17: Ảnh hưởng của góc cắt α đến dòng điện của thyristor ...........................36
Hình 2.18: Đặc tính điều chỉnh dòng điện của TCR theo góc cắt α .........................38
Hình 2.19 Đặc tính điều chỉnh của SVC và đặc tính phát CSPK của máy phát .......39
Hình 2.20: Đặc tính của nguồn và phụ tải công suất phản kháng theo mô hình 2 ...40
Hình 2.21: Sơ đồ 2 mô hình tương đương của SVC. ................................................41
Hình 3.1: Nhánh chuẩn nối giữa nút i và nút j..........................................................42
Hình 3.2: Minh họa sơ đồ nhánh chuẩn. ...................................................................43
Hình 3.3: Sơ đồ thay thế đường dây điện áp U > 35kV............................................43
Hình 3.4: Sơ đồ thay thế đường dây điện áp 66kV ≤ U ≤ 330kV và đường dây cáp.
...................................................................................................................................44
Hình 3.5: Sơ đồ mô hình chuỗi các đường dây.........................................................44
Hình 3.6: Sơ đồ thay thế theo thông số mạng 4 cực. ................................................45
Hình 3.7: Sơ đồ thay thế MBA 2 cuộn dây...............................................................46
Hình 3.8: Sơ đồ thay thế MBA 3 cuộn dây...............................................................47
Hình 3.9: Ảnh hưởng điều chỉnh tự động của máy biến áp. .....................................49
Hình 3.10: Công suất tại nút i bất kỳ. .......................................................................51
Hình 3.11: Minh họa phương pháp Newton-Raphson. .............................................54
Hình 3.12: Sơ đồ khối thuật toán Newton-Raphson .................................................61
Hình 3.13: Sơ đồ thuật toán kiểm tra nút PV............................................................62
Hình 4.1: Hệ thống đơn giản.....................................................................................64
Hình 4.2: Đồ thị PV của nút 2...................................................................................66
Hình 4.3: Hệ thống đơn giản....................................................................................68
Hình 4.4: Giá trị iS khi thay đổi công suất tại nút 2. ................................................69

6


Hình 4.5: Sơ đồ khối thuật toán xác định iS của hệ thống........................................72

Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống IEEE14.............................................................................73
Hình 5.2: Giao diện nhập số liệu...............................................................................76
Hình 5.3: Giao diện chính của chương trình.............................................................76
Hình 5.4: Đồ thị PV các nút giữ điện áp. ..................................................................77
Hình 5.5: Đồ thị PV các nút phụ tải thông thường. ..................................................79
Hình 5.6: Chỉ số iS của các nút. ................................................................................79
Hình 5.7: Chỉ số iS của hệ thống...............................................................................81
Hình 5.8: Đồ thị PV các nút giữ điện áp khi có SVC tại nút 14. ..............................83
Hình 5.9: Đồ thị PV các nút phụ tải thông thường khi có SVC tại nút 14. ..............85
Hình 5.10: Chỉ số iS của các nút khi có SVC tại nút 14. ..........................................86
Hình 5.11: Chỉ số iS của hệ thống khi có SVC tại nút 14.........................................87
Hình 5.12: Chỉ số iS của hệ thống. ...........................................................................88
Hình 5.13: Điện áp và chỉ số iS của các nút. ............................................................88

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.
Khi các thông số của hệ thống thay đổi, đặc biệt là phụ tải trong hệ thống,
giá trị điện áp có thể giảm nhẹ. Kỹ sư vận hành thường điều khiển điện áp tại một
số thanh cái bằng cách tăng công suất phản kháng (CSPK) phát, đóng cắt bộ tụ điện,
thay đổi đầu phân áp…Khi những thiết bị này đạt giới hạn điều chỉnh thì người vận
hành không thể điều khiển điện áp được nữa. Hơn nữa, khi công suất phụ tải tăng
đến một giá trị nào đó thì có thể xảy ra mất ổn định điện áp và gây sụp đổ điện áp

(SĐĐA). Hiện tượng này đặc trưng bởi việc giảm điện áp đột ngột và nhanh tại một
số hoặc tất cả các thanh cái trong hệ thống.
Nguyên nhân chính gây ra SĐĐA là do hệ thống không đáp ứng đủ nhu cầu
tiêu thụ CSPK. SĐĐA có thể là toàn bộ hoặc một phần. SĐĐA cũng có thể xảy ra
với một khu vực trong hệ thống có phụ tải lớn nhưng không có khả năng bảo đảm
điện áp trong phạm vi cho phép. Giới hạn đầu phân áp và các động cơ cảm ứng
công suất lớn cũng là nguyên nhân chính gây mất ổn định điện áp.
Nhiều nghiên cứu về mất ổn định điện áp đã được thực hiện để đề xuất các
biện pháp bảo vệ HTĐ chống lại SĐĐA như: sa thải phụ tải, dự trữ quay, điều khiển
đầu phân áp MBA… Trong các biện pháp đề suất thì sử dụng Static Var
compensator (SVC) là một trong các biện pháp đem lại hiệu quả rõ rệt. Bản luận
văn tập trung nghiên cứu ứng dụng của SVC để nâng cao ổn định điện áp của hệ
thống điện.

8


Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu về ổn định điện áp.
- Nghiên cứu cấu tạo của SVC, nguyên lý hoạt động và điều khiển SVC.
- Nghiên cứu phương pháp tính toán phân tính chế độ hệ thống điện.
- Đề xuất phương pháp đánh giá ổn định điện áp bằng chỉ số iS
- Đánh giá hiệu quả của SVC với sơ đồ chuẩn IEEE 14 nút.
Ý nghĩa khoa học của luận văn
Với những nội dung nghiên cứu nêu trên cùng đề xuất phương pháp đánh giá
ổn định điện áp. Luận văn có ý nghĩa khoa học đáng kể trong đánh giá hiệu quả ổn
định điện áp hệ thống điện của SVC.
Nội dung và bố cục của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được trình bày trong 5 chương:
- Chương 1. Tổng quan về ổn định điện áp.

- Chương 2. Thiết bị bù tĩnh SVC.
- Chương 3. Tính toán phân tích chế độ xác lập của HTĐ.
- Chương 4. Phương pháp đánh giá ổn định điện áp.
- Chương 5. Kết quả mô phỏng.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong Bộ môn
Hệ thống điện trường ĐH Bách Khoa Hà Nội trong suốt thời gian thực hiện luận
văn. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn sự chỉ dẫn tận tình của thầy hướng dẫn
TS. Trương Ngọc Minh.
Luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, em rất mong
nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo của các thầy cô để luận văn thêm hoàn thiện.

9


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

Ổn định điện áp (OĐĐA) là vấn đề nghiên cứu đang được quan tâm trong
các thập kỷ gần đây. Nhiều công trình nghiên cứu đã trình bày về đặc điểm và hậu
quả nghiêm trọng của sự cố mất OĐĐA.
Các hệ thống điện lớn (HTĐ) ngày nay thường phải vận hành ở những chế
độ nặng nề, nên vấn đề đảm bảo OĐĐA và các biện pháp kỹ thuật cải thiện điện
áp và điều chỉnh điện áp là rất cần thiết. Nếu không có các tác động điều khiển
hợp lý thì khi phụ tải tăng liên tục, hệ thống có thể mất ổn định.
1.1. Khái niệm chung về ổn định điện áp
Ổn định của HTĐ là khả năng của một HTĐ 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 của HTĐ 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. OĐĐA về bản

chất là một trạng thái động và bị tác động bởi việc kiểm soát điện áp và các đặc
tính của tải dưới dạng biến thiên.
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 (CSPK) cấp vào thanh cái đó. Cụ thể hơn, hệ thống có ổn định tĩnh
nếu

dV
dV
> 0 và ngược lại nếu
< 0 thì hệ thống không đạt chỉ tiêu ổn định
dQ
dQ

tĩnh.

10


Ổn định động (dynamic 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 lớn đến hệ thống như sự cố mất máy phát, đường dây công suất lớn...
Chỉ tiêu của ổn định động là sau khi có kích động lớn tới hệ thống là điện áp tại
tất cả các thanh cái nhận điện đều nằm trong giới hạn cho phép so với điện áp
định mức.[1],[2]
Giả sử một HTĐ đang ở trạng thái ổn định. Khi có thay đổi nào đó trong

HTĐ thì hệ thống sẽ xuất hiện quá trình dao động. Nếu dao động lớn thì HTĐ có
thể rời khỏi trạng thái cân bằng lúc trước và xuất hiện quá trình quá độ để thiết lập
lại trạng thái ổn định mới với điểm vận hành ổn định mới. Nếu sự thay đổi là liên
tục (ví dụ như phụ tải tăng dần) thì quá trình thiết lập phải xác định được điểm
vận hành ổn định mới vì điểm này luôn thay đổi. Đây chính là mục tiêu mong
muốn khi vận hành HTĐ. Tuy nhiên, HTĐ có thể mất ổn định khi sự thay đổi
trong hệ thống dẫn đến không có điểm vận hành ổn định nữa. Vì không tồn tại
điểm vận hành ổn định mới nên hệ thống sẽ xảy ra một quá trình quá độ phức tạp.
Quá trình 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 mất OĐĐA 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 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 1.1 mô tả hiện tượng OĐĐA theo các giai
đoạn vừa đề cập ở trên.

11


Các thay đổi nhanh thời gian ngắn

Máy phát, bộ điều chỉnh, SVC,
HVDC, động cơ cảm ứng…


Tự khôi phục phụ tải, AGC, đầu phân
áp, các bộ giới hạn kích từ…
Các thay đổi chậm thời gian dài
Khôi phục tải
Hình 1.1: Các giai đoạn SĐĐA theo thời gian.
Mất OĐĐA thường xảy ra với các HTĐ nặng tải (HTĐ phải vận hành ở
gần điểm giới hạn tải), hoặc HTĐ có sự cố (ví dụ như sự cố mất đường dây), hoặc
HTĐ thiếu hụt CSPK. Hiện tượng này liên quan tới nhiều phần tử trong hệ thống
và thông số của các phần tử đó. Dễ nhận thấy, tuy hiện tượng này thường liên
quan đến một khu vực nào đó trong hệ thống nhưng hậu quả của nó lại ảnh hưởng
đến cả hệ thống.
Như đã nói ở trên, SĐĐA được phân loại theo giai đoạn quá độ hoặc trong
giai đoạn dài hạn. Tuy nhiên, SĐĐA trong giai đoạn dài hạn có thể bao gồm các
hậu quả từ giai đoan quá độ; ví dụ SĐ ĐA diễn ra chậm trong vài phút có thể kết
thúc nếu có sự SĐĐA nhanh xảy ra trong giai đoạn quá độ.[6]
1.2. Nguyên nhân gây ra mất ổn định điện áp
Bản chất vật lý của hiện tượng SĐĐA chính là yêu cầu CSPK của phụ tải
không được đáp ứng đủ do giới hạn về phát và truyền tải CSPK. Các giới hạn về
phát CSPK bao gồm giới hạn của máy phát, giới hạn công suất của SVC và sự sụt
giảm CSPK của các tụ ở điện áp thấp. Các giới hạn về truyền tải CSPK là tổn thất
CSPK lớn trên các đường dây nặng tải, hoặc có sự cố đường dây đẫn đến giảm
công suất truyền tải.
Các nguyên nhân gây mất OĐĐA bao gồm:
ƒ Công suất truyền tải trên các đường dây quá lớn;

12


ƒ Điện áp tại nguồn phát quá thấp;

ƒ Khoảng cách giữa các nhà máy điện và phụ tải quá xa;
ƒ Dung lượng bù CSPK không đủ;
ƒ Phối hợp kém giữa các thiết bị bảo vệ.
1.3. Hậu quả mất ổn định điện áp
Mất OĐĐA gây tác động trực tiếp đến các phụ tải. Với các nhà máy công
nghiệp, mất ổn định điện áp ảnh hưởng đến các động cơ, máy móc và chất lượng
sản xuất. Tuổi thọ của các thiết bị và các khâu an toàn trong công nghiệp cũng
không đảm bảo. Mất OĐĐA còn gây ảnh hưởng to lớn tới đời sống xã hội, các
vấn đề về sinh hoạt, giao thông không đảm bảo, làm giảm tuổi thọ các thiết bị điện
sinh hoạt.
Sụp đổ điện áp (SĐĐA) là trường hợp sự cố nặng nề trong HTĐ. SĐĐA
thường xảy ra khi hệ thống chịu các kích động lớn như mất máy phát, mất đường
dây công suất lớn… Khi đó, điện áp tại các nút giảm dưới mức cho phép rất
nhanh. Các biện pháp giữ OĐĐA đã đạt đến giới hạn hoặc không đủ linh hoạt dẫn
đến điện áp các nút càng giảm thấp theo chuỗi liên tiếp trong hệ thống trong thời
gian rất ngắn. Hậu quả của SĐĐA là phụ tải bị sa thải hàng loạt trên diện rộng, hệ
thống bị tan rã. 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 OĐĐA 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. SĐĐA xảy ra khiến một
khu vực phụ tải rộng lớn khoảng 4300 MW bị mất điện.
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

13



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 giúp hệ thống tránh khỏi tan rã. Ước tính phụ tải rộng lớn phía Nam
Thụy Điển bị mất điện lên tới 11400 MW.
Sự cố tại Tokyo, Nhật Bản ngày 23/07/1987: khí hậu quá nóng dẫn tới phụ
tải tăng bất thường với cường độ 400MW/phút. Điện áp trên đường dây 500 kV
giảm chỉ còn khoảng 460 kV mặc dù toàn bộ các tụ bù dọc đường dây đã được
đóng vào hệ thống. Vài phút sau, điện áp của đường dây 500 kV chỉ còn 370 kV
và SĐĐA bắt đầu xảy ra. Khu vực phụ tải bị mất điện ước tính khoảng 8170 MW.
Sự cố tại Pháp, 19/12/1978: tại thời điểm đó Pháp đang nhận điện từ HTĐ
nước ngoài cấp vào. Nhu cầu phụ tải tăng nhanh đột ngột gấp 1,5 lần thường lệ.
Sau vài phút, điện áp giảm nhanh. Các máy biến áp điều áp dưới tải ở lưới cao áp
bị khóa lại. Điện áp trên đường dây 400 kV phía Tây nước này nằm trong khoảng
342 – 374 kV. Sau khi một đường dây chính 400kV quá tải và bị cắt ra khỏi hệ
thống thì SĐĐA diễn ra. Phải sau vài giờ đồng hồ toàn bộ hệ thống mới được khôi
phục. Ước tính phụ tải bị mất điện lên tới 29 GW. Tổn thất về mặt kinh tế là rất
lớn.
Như vậy, SĐĐA là một vấn đề thực tế và hậu quả của nó là rất lớn mà
nguyên nhân của các sự cố là vì rất nhiều lý do.
1.4. Vấn đề đảm bảo giá trị điện áp cho phép
Một vấn đề liên quan tới OĐĐA là điện áp cho phép. Điện áp cho phép là
một giá trị nằm trong khoảng lân cận giá trị định mức. Ví dụ điện áp hệ thống
truyền tải thường chỉ được phép thay đổi trong phạm vi 5% điện áp định mức. Do
đó, đảm bảo điện áp trong phạm vi cho phép khi có thay đổi trong hệ thống là rất
quan trọng.
Điện áp được quyết định bởi sự cân bằng giữa CSPK yêu cầu và CSPK
phát. Do có tổn thất trên đường dây nên việc truyền tải một lượng lớn CSPK trên

đường đây dài thường không hiệu quả. Để khắc phục vấn đề này thì phần lớn

14


CSPK phụ tải yêu cầu sẽ được cung cấp ngay tại đó. Bên cạnh đó, các máy phát
điện đều có giới hạn phát CSPK nên đây cũng là nguyên nhân ảnh hưởng tới điện
áp trong hệ thống cũng như hiện tượng SĐĐA.
Các thiết bị thực hiện điều chỉnh điện áp bao gồm:
ƒ Các thiết bị bù tĩnh và có thể đóng/cắt;
ƒ Các thiết bị bù được điều khiển bằng thyristor;
ƒ Các thiết MBA điều áp dưới tải;
ƒ Các máy phát điện.
Hiện tượng điện áp thấp xảy ra khi điện áp các thanh cái trong hệ thống ở
dưới giá trị cho phép nhưng HTĐ vẫn có thể vận hành. Do điểm vận hành ổn định
là bền vững và không có sự SĐĐA động nên về bản chất hiện tượng điện áp thấp
khác với hiện tượng SĐĐA.
Nâng điện áp bằng cách phát thêm CSPK có thể nâng cao giới hạn xảy ra
SĐĐA. Đặc biệt, các bộ shunt tỏ ra hiệu quả hơn khi cung cấp CSPK tại các thanh
cái có điện áp cao. Điện áp thấp cũng ảnh hưởng lớn tới chỉ số giới hạn SĐĐA.
Tuy nhiên, tăng điện áp bằng cách điều chỉnh đầu phân áp của các MBA điều áp
dưới tải lại có thể làm giảm giới hạn SĐĐA do nhu cầu CSPK tăng lên.
1.5. Các biện pháp ngăn ngừa sụp đổ điện áp
1.5.1. Các biện pháp vận hành
Giới hạn ổn định: Hệ thống nên vận hành với một kế hoạch sử dụng các
nguồn CSPK phù hợp. Nếu sự cố SĐĐA không thể ngăn chặn được bằng các
nguồn CSPK và các thiết bị điều chỉnh điện áp hiện có trong hệ thống, thì công
suất truyền tải phải được giới hạn và các máy phát dự phòng phải được khởi động.
Dự trữ quay: 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.
Người vận hành: 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.

15


1.5.2. Các biện pháp thiết kế
Điều khiển điện áp máy phát: Hiệu quả tác động của bộ tự động điều
chỉnh điện áp máy phát 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.
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.
Điều khiển đầu phân áp của MBA: Người ta có thể thay đổi đầu phân áp
của MBA để giảm nguy cơ SĐĐA. Tuy nhiên, nếu không có ảnh hưởng tích cực
tại nơi thay đổi đầu phân áp của MBA thì biện pháp này phải không được dùng
nữa khi điện áp phía nguồn giảm. Đầu phân áp chỉ được tiếp tục thay đổi khi điện
áp phía nguồn hồi phục.
Sa thải phụ tải: Trong một số trường hợp nguy hiểm, người ta phải tiến
hành sa thải phụ tải. Đây là biện pháp rẻ tiền để ngăn chặn hiện tượng SĐĐA lan
rộng. Điều này đúng nếu xác suất các điều kiện và các tình huống khẩn cấp trong
hệ thống gây mất OĐĐA thấp. Tuy nhiên, biện pháp này có thể đem lại những
hậu quả nghiêm trọng. Đặc điểm và vị trí của phụ tải bị sa thải là các yếu tố cần
chú ý khi sử dụng biện pháp này. Quy trình sa thải phụ tải phải phân biệt được các
sự cố, sụt giảm điện áp thoáng qua, và các điều kiện điện áp thấp dẫn tới hiện
tượng SĐĐA. Tuy nhiên, phương pháp này không nên sử dụng tùy tiện.
Sử dụng các thiết bị FACTS: Các yêu cầu về cách điện, về nhiệt của các

khí cụ điện, về ổn định của HTĐ sẽ quy định giới hạn công suất tối đa truyền tải
trên các đường dây. Việc xây dựng thêm các đường dây truyền tải mới là biện
pháp hữu hiệu tăng công suất truyền tải cho HTĐ nhưng khó thực hiện do chi phí
đầu tư xây dựng, thời gian thi công tuyến đường dây bị hạn chế.
Mặt khác, khi các thông số của HTĐ như công suất phụ tải thay đổi thì
điện áp cũng có thể thay đổi theo. Người làm công tác điều độ thực hiện việc điều

16


chỉnh bằng cách điều chỉnh máy phát, máy biến áp... Khi các thiết bị này đều đạt
đến giới hạn điều chỉnh thì mọi hoạt động điều chỉnh không thể thực hiện.
Vì thế khi HTĐ phát triển nhanh đòi hỏi cần phải đưa vào những công
nghệ mới để khai thác triệt để các khả năng của HTĐ hiện có mà không ảnh
hưởng đến sự an toàn của hệ thống.
Để giải quyết vấn đề 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 thống truyền tải và
nâng cao khả năng ổn định của HTĐ. 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 CSPK gần như tức thời,
ngăn cản dao động để ổn định điện áp một cách nhanh chóng. Các thiết bị FACTS
có khả năng điều khiển nhanh một cách linh hoạt công suất tác dụng và phản
kháng của HTĐ. 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 bao gồm:
ƒ 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 HTĐ (điển hình là điện áp nút);

ƒ 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;
ƒ Static Sysnchronous Compensator (STATCOM): Bộ tụ bù đồng bộ
tĩnh. Với bộ chuyển đổi điện nguồn áp, điện áp đầu ra xoay chiều của
nó được điều khiển sao cho chỉ phù hợp cho dòng CSPK theo yêu cầu
tương ứng với điện áp nút bất kỳ nào đó, điện áp tụ điện 1 chiều sẽ

17


được điều chỉnh tự động theo yêu cầu để hoạt động như nguồn áp cho
bộ chuyển đổi điện. STATCOM có thể được thiết kế để cũng hoạt động
được như 1 bộ lọc để lọc các sóng hài;
ƒ Unified Power Flow Control (UPFC): thiết bị điều khiển dòng công
suất, có khả năng điều khiển để cung cấp bù CSPK và tác dụng một
cách đồng thời mà không cần nguồn điện bên ngoài.
Lợi ích của việc áp dụng các thiết bị FACTS vào HTĐ là nâng cao độ tin
cậy và khả năng phản ứng động của hệ thống. Ngoài ra, nếu các thiết bị FACTS
được lắp đặt tại vị trí phù hợp, thì giới hạn công suất truyền tải của hệ thống tăng
lên đáng kể. Hơn nữa, các thiết bị FACTS còn tỏ ra có hiệu quả trong việc ngăn
ngừa SĐĐA.
Nhìn chung, các thiết bị FACTS này có tác dụng:
ƒ Điều khiển điện áp tại nút đặt thiết bị FACTS để ổn định điện áp, nhờ
đó chất lượng điện áp được nâng cao;
ƒ

Điều khiển công suất tác dụng, phản kháng tại nút được đặt thiết bị;


ƒ Giảm quá điện áp khi xảy ra sự cố (ngắn mạch, mất tải đột ngột...);
ƒ Giảm quá điện áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch trong HTĐ;
ƒ Điều khiển quá trình quá độ, nâng cao tính ổn định cho hệ thống;
ƒ Giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn mạch,
mất tải đột ngột...;
ƒ Nâng cao giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh;
ƒ Giảm tổn thất công suất và điện năng.
Tùy theo yêu cầu trong từng HTĐ 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.[8],

[10]

18


1.6. Kết luận
Nội dung của chương 1 quan tâm tới các vấn đề liên quan tới OĐĐA bao
gồm: các khái niệm cơ bản về ổn định, phân tích các nguyên nhân gây ra mất ổn
định điện áp, phân tích hậu quả của mất ổn định điện áp trong đó sụp đổ điện áp là
một trong những sự cố nặng nề nhất. Cuối cùng đưa ra các biện pháp ngăn ngừa
SĐĐA.
Trong các biện pháp vận hành và thiết kết ngăn ngừa mất OĐĐA đề cập thì
việc sử dụng các thiết bị truyền tải điện xoay chiều FACTS được xem là phương
pháp hiện đại đem lại hiệu quả cao và nhanh chóng.
SVC là một trong những thiết bị FACTS đầu tiên được phát triển với hiệu
quả nổi bật là điều khiển nhanh CSPK. Do đó, luận văn tập trung vào nghiên cứu
nguyên lý hoạt động và hiệu quả của SVC để nâng cao OĐĐA của HTĐ. Tuy
nhiên, giá thành của SVC rất đắt tiền, nên vấn đề đặt ra là phải xác định được vị trí

đặt phù hợp của SVC trong hệ thống để đạt được hiệu quả kỹ thuật tốt nhất và
không làm chi phí đầu tư tăng quá lớn.

19


CHƯƠNG 2
THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC

SVC (Static Var Compensator): là thiết bị bù ngang dùng để phát hoặc tiêu
thụ CSPK bằng cách điều chỉnh góc mở thyristor. Trong trường hợp chung, SVC
được cấu tạo từ 3 loại phần tử cơ bản:
ƒ TCR - Thyristor Controlled Reactor: cuộn kháng điều chỉnh bằng thyristor.
Điện kháng của nó thay đổi bằng cách điều chỉnh góc dẫn của van thyristor.
ƒ TSR-Thyristor Switched Reactor: cuộn kháng đóng cắt nhanh bằng thyristor.
ƒ TSC - Thyristor Switched Capacitor: tụ điện đóng cắt nhanh bằng thyristor.

Hình 2.1: Cấu tạo chung của SVC
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCR và TSR
2.1.1. Cấu tạo
TCR bao gồm điện kháng cố định có điện cảm L (thường là lõi không khí)
và van thyristor 2 chiều (hoặc khóa đóng mở). Hiện nay, các thyristor lớn có thể
chặn điện áp lên tới 4 - 9kV và dòng điện lên tới 3 - 6kA. Vì thế, trong các ứng
dụng thực tế, rất nhiều các thyristor được nối tiếp với nhau để đạt mức điện áp theo
yêu cầu với công suất cho trước[11].

20


2.1.2.Nguyên lý hoạt động

Một van thyristor có thể dẫn dòng bằng cách cho xung điều khiển tới tất cả
các thyristor mắc cùng cực. Van sẽ tự động khóa tức thời sau khi dòng AC qua nó
bằng 0, trừ khi tín hiệu mở lại được đưa vào.
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. Phương pháp điều
khiển dòng được minh họa riêng cho nửa chu kỳ âm và dương của dòng điện trên
hình 2.2, điện áp V và dòng điện cảm iL(α) khi góc trễ là 0 (khóa hoàn toàn đóng)
và khi góc trễ α bất kỳ.

Hình 2.2: a. Cấu tạo của TCR, b. Điều khiển góc đánh lửa, c. Dạng sóng vận hành.
Khi α =0, van sw 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
) tương ứng với đỉnh của điện áp, dòng điện trong điện
2

kháng có thể được biểu diễn như sau: với v(t) =Vcosωt thì
ωt

i L (t) =

1
V
v
(
t

)
dt
=
(sin ωt − sin α)
ωL
L ∫α

21

(2.1)


Van thyristor mở khi dòng điện qua 0, và dẫn dòng trong khoảng

α ≤ ωt ≤ π − α , nên biểu thức trên là ứng với nửa chu kỳ dương, còn đối với nửa
chu kỳ âm thì dấu của các thành phần ngược lại.
Trong (2.1), thành phần (V/ωL)sinα là thành phần không đổi, phụ thuộc vào
α mà dòng điện hình sin khi α = 0. Vì van tự động cắt khi dòng điện qua giá trị 0
(với điện kháng không có tổn thất, đối xứng trên trục thời gian so với thời điểm mở
qua đỉnh của dòng điện), quá trình này điều chỉnh khoảng thời gian dẫn dòng của
thyristor. Điều đó có nghĩa là góc trễ α xác định góc dẫn dòng σ (σ = π-2α). Vì thế,
khi góc trễ α tăng, kết quả bù tăng tương ứng và góc dẫn σ của thyristor giảm. Khi
góc trễ α = π/2, khả năng bù đạt giá trị lớn nhất là V/ωL, và khi đó cả góc dẫn dòng
và dòng điện qua điện kháng đều bằng 0.
Rõ ràng, biên độ của dòng điện trong điện kháng có thể thay đổi liên tục
bằng cách điều khiển góc trễ từ giá trị lớn nhất khi α =0 và nhỏ nhất bằng 0 khi α =
π/2. Tuy nhiên, việc điều chỉnh dòng điện trong điện kháng chỉ diễn ra 1 lần trong
mỗi nửa chu kỳ, trong khoảng thời gian từ 0 đến π/2 (khoảng thời gian đánh lửa).
Biên độ ILF(α) của thành phần dòng điện cơ bản iLF(α) được biểu thị như sau:


I LF (α ) =

V
2
1
(1 − α − sin 2α )
ωL
π
π

(2.2)

trong đó: V là biên độ của điện áp nguồn, L là điện cảm của điện kháng điều khiển
bằng thyristor, ω là tần số góc của điện áp nguồn.

Hình 2.3: Quan hệ dòng điện thành phần cơ bản qua TCR và góc mở α.

22


TCR có thể điều chỉnh dòng điện cơ bản liên tục từ 0 (khi van mở) đến giá trị
lớn nhất (khi van đóng) như một điện dẫn cảm kháng có thể thay đổi giá trị. Vì thế,
điện dẫn cảm kháng hiệu dụng của TCR được xác định từ công thức (2.2) như sau:

B L (α ) =

1
2
1
(1 − α − sin 2α )

ωL
π
π

(2.3)

Ý nghĩa của (2.3) là với mỗi góc trễ α, điện dẫn BL(α) được định nghĩa, nó
xác định biên độ của thành phần dòng điện cơ bản ILF(α) trong TCR ở 1 điện áp
nguồn cho trước. Trong ứng dụng thực tế, biên độ lớn nhất của điện áp nguồn và
của dòng điện bị giới hạn bởi giá trị định mức của công suất mà các thành phần
(điện kháng, van thyristor) đã sử dụng. Vì thế, TCR trong thực tế có thể vận hành ở
bất cứ điểm nào trong vùng V-I xác định, đường biên của nó xác định bằng điện dẫn
lớn nhất có thể đạt được, điện áp và dòng điện định mức (hình 2.4).

Hình 2.4: Đặc tính V-I của TCR
Giới hạn của TCR được thiết lập khi thiết kế từ yêu cầu vận hành thực tế.
Nếu khóa TCR bị giới hạn ở góc trễ cố định, thường α = 0 thì nó sẽ trở thành TSR.
TSR tạo ra 1 điện dẫn cảm kháng cố định nên khi được nối với hệ thống AC, dòng
điện chạy qua nó sẽ tỉ lệ với điện áp nguồn. Một vài TSR có thể tạo ra điện dẫn điều
chỉnh được gián đoạn theo bậc. Nếu TSR vận hành ở α = 0, dòng điện xác lập có
dạng hình sin.

23


2.1.3. Các hiệu ứng phụ
Điều khiển góc dẫn dòng (đặc tính vận hành của TCR) dẫn đến kết quả là
dạng sóng của dòng điện không còn là hình sin. Nói cách khác, ngoài thành phần cơ
bản, TCR còn sinh ra các sóng hài. Trong nửa chu kỳ dòng điện dương, âm xác
định, chỉ có các sóng hài bậc lẻ mới được tạo ra.

Trong hệ thống 3 pha, người ta sử dụng 3 bộ TCR 1 pha và nối tam giác.
Trong điều kiện cân bằng, dòng điện hài với bậc là bội của 3 chạy quẩn trong bộ
TCR nối tam giác và không đi vào hệ thống điện.
Việc tiêu hủy các sóng hài khác có thể thực hiện bằng cách sử dụng 3 hay
nhiều hơn nữa các TCR nối tam giác từ các tổ đấu dây phù hợp. Tuy nhiên, trong
thực tế, việc sắp xếp mạch 18 xung hoặc nhiều hơn rất phức tạp và đắt. Nó cũng
khó đáp ứng yêu cầu về tính đối xứng, vì khó cân bằng điện áp trong hệ thống ac,
nhằm giảm biên độ của các thành phần hài bậc cao. Vì lý do này, các cấu hình mạch
nhiều hơn 12 xung ít được sử dụng. Nếu TCR tạo ra các sóng hài không thể giảm
đáng kể bằng cách trên, để đạt được yêu cầu kỹ thuật về kinh tế hoặc các lý do thực
tế khác, người ta sẽ sử dụng bộ lọc sóng hài.[11]
2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSC
2.2.1. Cấu tạo

Hình 2.5: Cấu tạo TSC và dạng sóng vận hành.

24