..

MẪU TRANG PHỤ BÌA LUẬN VĂN

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

NGUYỄN TRUNG HƯNG

NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP NGĂN CHẶN
SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: KĨ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. TRƯƠNG NGỌC MINH

HÀ NỘI-2011


Luận văn thạc sĩ khoa học

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cám ơn các thầy giáo, cô giáo Bộ môn Hệ thống điện
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn TS. Trương
Ngọc Minh đã tận tình hướng dẫn giúp tác giả hồn thành bản luận văn này.
Đồng thời, tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới các anh các chị, bạn bè đồng
nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình tác giả thực hiện luận

văn.
Vì thời gian có hạn, bản luận văn khơng thể tránh khỏi các thiếu sót, tác giả rất
mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn!

Nguyễn Trung Hưng

1

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi. Các kết quả tính tốn nêu trong
luận văn là hồn tồn trung thực và chưa từng được cơng bố ở bất kì bản luận văn
nào khác.
Hà nội, tháng 9 năm 2011
Tác giả luận văn

Nguyễn Trung Hưng

Nguyễn Trung Hưng

2

Cao học KTĐ2009



Luận văn thạc sĩ khoa học

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................ 1
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................. 6
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................... 7
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ..................................................................... 8
MỞ ĐẦU ................................................................................................. 11
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP
NGẮN HẠN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .................................................. 13
1.1. Tổng quan về hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn ...................................13
1.1.1 Khái niệm về hiện tượng sụt giảm điện áp...............................................13
1.1.2 Ảnh hưởng của sụt áp ngắn hạn ..............................................................13
1.1. 3 Nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt giảm điện áp ..................................14
1.1.4 Các đặc trưng của hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn.....................14
1.1.5. Các chỉ tiêu đánh giá sụt giảm điện áp ngắn hạn...................................14
1.1.6 Các biện pháp hạn chế hiện tượng sụt giảm điện áp...............................16
1.2. Kết Luận.........................................................................................................22
CHƯƠNG 2 : CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DVR ........................... 23
2.1 Cấu trúc chung của DVR ................................................................................23
2.2 Bộ phận cấp năng lượng..................................................................................24
2.2.1 DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung ..................................................24
a. Bộ chỉnh lưu nối với phía nguồn cấp ( Suppy side) .....................................24
2.2.2 DVR sử dụng nguồn cấp bổ sung.............................................................27
2.2.3 So sánh cấu trúc bộ phận cấp năng lượng của DVR ..............................29
2.3 Mạch nghịch lưu ............................................................................................30
2.4 Bộ lọc ..............................................................................................................33
2.5 Máy biến áp ghép ............................................................................................34
2.6 Các chế độ hoạt động của DVR .....................................................................34


Nguyễn Trung Hưng

3

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
2.6.1 Chế độ chờ ...............................................................................................34
2.6.2 Chế độ hoạt động .....................................................................................34
2.6.3 Chế độ dừng hoạt động ( Bypass mode) ..................................................34
2.7 Kết luận ...........................................................................................................35
CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DVR ...................................... 37
3.1 Các phương pháp phát hiện và tính tốn sụt áp ngắn hạn...............................37
3.1.1 Phương pháp tính toán biên độ điện áp...................................................37
3.1.2 Phương pháp biến đổi Fourier ................................................................37
3.1.3 Phương pháp xác định giá trị đỉnh của điện áp.......................................37
3.1.4 Phương pháp biến đổi Clark và Park ......................................................38
3.2 Thuật toán điều khiển DVR ngăn ngừa sụt giảm điện áp ngắn hạn ...............44
3.2.1 Thuật toán điều khiển tối ưu chất lượng điện áp .....................................45
3.2.2. Thuật toán điều khiển tối ưu biên độ điện áp .........................................46
3.2.3 Thuật toán điều khiển tối ưu năng lượng.................................................46
3.2.4 So sánh các thuật toán điều khiểnDVR....................................................46
3.3 Các bộ điều khiển DVR .................................................................................47
3.3.1 Bộ điều khiển điện áp vượt trước.............................................................47
3.3.2 Bộ điều khiển hồi tiếp điện áp..................................................................48
3.4 Mạch nghịch lưu .............................................................................................50
3.4.1. Cấu trúc bộ nghịch lưu 3L-NPC .............................................................51
3.4.2 Trạng thái của các khóa chuyển mạch.....................................................51

3.4.3 Q trình chuyển mạch ............................................................................53
3.4.4 Điều khiển chuyển mạch cho nghịch lưu 3L-NPC...................................55
3.5 Kết luận ...........................................................................................................59
CHƯƠNG 4 : ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB/ SIMULINK MÔ
PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA DVR CHỐNG SỤT ÁP NGẮN HẠN TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN ...................................................................................60
4.1 Ứng dụng phần mềm Simulink mô phỏng hoạt động của DVR ngăn ngừa sụt
áp ngắn hạn trên hệ thống điện .............................................................................60
4.1.1 Sơ đồ nguyên lý ........................................................................................60

Nguyễn Trung Hưng

4

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
4.1.2 Cấu trúc mô phỏng DVR ..........................................................................61
4.1.3
4.2

Mơ hình mơ phỏng DVR .......................................................................67

Kết quả mơ phỏng........................................................................................69

4.2.1 Trường hợp sụt giảm điện áp đối xứng....................................................69
4.2.2

Trường hợp sụt giảm điện áp không đối xứng......................................73


4.4 Đánh giá hiệu quả hoạt động của DVR...........................................................88
KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................ 90
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ....................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................... 92

Nguyễn Trung Hưng

5

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DVR

Dynamic Voltage Restorers – Thiết bị khôi phụ điện áp động

DSTATCOM

Distribution Static Compensator-Thiết bị bù tĩnh

STS

Static Transfer Switch - Khóa chuyển mạch tĩnh

VSI

Voltage Source Inverter- Nghịch lưu nguồn áp


Nguyễn Trung Hưng

6

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 So sánh các cấu hình bộ phận cấp năng lượngcủa DVR..........................28
Bảng 3.1 Trạng thái các khóa chuyển mạch……………………………………….42
Bảng 3.2: Quá trình dẫn dịng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-NPC…....45
Bảng 4.1 Giá trị điện áp nguồn và điện áp tải khi xảy ra sự cố…………………....87

Nguyễn Trung Hưng

7

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của STS

19

Hình 1.2 Cấu trúc một pha của DSTATCOM


20

Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của DVR

20

Hình 2.1 Cấu trúc chung của DVR

23

Hình 2.2 DVR khơng sử dụng nguồn cấp bổ sung và chỉnh lưu nối với phía nguồn

24

Hình 2.3 DVR khơng sử dụng nguồn cấp bổ sung và chỉnh lưu nối với phía tải

26

Hình 2.4 DVR với nguồn cấp bổ sung một chiều thay đổi

26

Hình 2.5 DVR với nguồn bổ sung một chiều khơng đổi

27

Hình 2.6 Cấu trúc của VSI nửa cầu ba pha (hai mức )

31


Hình 2.7 Cấu trúc nghịch lưu nửa cầu ba pha ba mức sử dụng diode kẹp

31

Hình 2.8 Cấu trúc một pha của mạch lọc LC

32

Hình 2.9 Chế độ ngừng hoạt động của DVR

34

Hình 3.1 Phép biến đổi Clark

38

Hình 3.2 Phép biến đổi Park

39

Hình 3.3 Dạng điện áp ba pha trên hệ tọa độ abc khi ngắn mạch ba pha chạm
đất và một pha chạm đất

40

Hình 3.4 Dạng điện áp trên hệ tọa độ dq khi ngắn mạch ba pha chạm đất và
một pha chạm đất

41


Hình 3.5 Nguyên lý cơ bản điều khiển DVR sử dụng phương pháp biến đổi
Clark và Park

42

Nguyễn Trung Hưng

8

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
Hình 3.6 Ba thuật tốn điều khiển DVR

43

Hình 3.7 Các dịng cơng suất tác dụng và phản kháng chạy trong mạch

44

Hình 3.8 Nguyên tắc hoạt động của bộ điều khiển điện áp vượt trước

45

Hình 3.9 Bộ điều khiển hồi tiếp điện áp sử dụng tín hiệu hồi tiếp điện áp trên tải

46

Hình 3.10 Bộ điều khiển hồi tiếp điện áp sử dụng tín hiệu hồi tiếp điện áp


49

Hình 3.11 Cấu trúc của bộ nghịch lưu 3L-NPC

50

Hình 3.12 Trạng thái, điện áp điều khiển các chuyển mạch và điện áp ra

51

Hình 3.13 Điện áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lưu 3L-NPC

52

Hình 3.14a Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với
dịng điện tải iA > 0

53

Hình 3.14b Q trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với
dịng điện tải iA < 0

53

Hình 3.15 Ngun tắc tạo xung của thuật tốn điều chế SPWM

55

Hình 3.16 Ngun tắc tạo xung của phương pháp PDSPWM


56

Hình 3.17 Dạng điện áp đầu ra pha A mạch nghịch lưu khi sử dụng
phương pháp điều chế PDSPWM

57

Hình 4.1 Cấu trúc hệ thống mơ phỏng

59

Hình 4.2 Mơ hình bộ phận lưu cấp năng lượng của DVR

60

Hình 4.3 Mạch nghịch lưu 3L-NPC

61

Hình 4.4 Sơ đồ điều khiển chuyển mạch nghịch lưu 3L-NPC

62

Hình 4.5 Thơng số mạch lọc thơng thấp LC

63

Hình 4.6 Thơng số của máy biến áp ghép


63

Nguyễn Trung Hưng

9

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
Hình 4.7 Khối biến đổi hệ trục abc sang dq0

64

Hình 4.8 Khối biến đổi hệ trục dq0 sang abc

64

Hình 4.9 Mơ hình khối PLL

65

Hình 4.10 Thơng số bộ điều khiển PI

65

Hình 4.11 Mơ hình mơ phỏng

66


Từ hình 4.12 đến hình 4.49: Các kết quả mơ phỏng, từ trang 67 đến trang 86

Nguyễn Trung Hưng

10

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Điện năng là yếu tố quan trọng đảm bảo cho sự phát triển kinh tế của xã hội.
Ngày nay,các yêu cầu về chất lượng điện năng ngày càng cao vì:
- Việc sử dụng nhiều thiết bị điện tử cơng suất, các thiết bị điều khiển dựa trên
bộ vi xử lý ... nhạy cảm với chất lượng điện năng hơn là thiết bị điện được sử dụng
trước đó. Đặc biệt là trong các ngành cơng nghiệp có mức độ độ tự động hóa cao thì
bất kỳ sự nhiễu động nào trong lưới điện cũng ảnh hưởng đến cả dây chuyền công
nghệ và gây ra những thiệt hại lớn .
- Một số thiết bị điện đang sử dụng hiện nay là nguyên nhân ảnh hưởng xấu
đến chất lượng điện năng của hệ thống điện.
- Các khách hàng sử dụng điện ngày càng hiểu rõ tầm quan trọng của chất
lượng điện năng và luôn yêu cầu được cung cấp điện năng với chất lượng đảm bảo.
- Các hệ thống điện hiện đại ngày càng phức tạp về cấu trúc. Điều đó có nghĩa
là bất cứ một sự cố xảy ra ở một phần tử nào trong hệ thống cũng đều có thể gây ra
hậu quả lớn đối với cả hệ thống.
Chất lượng điện năng bao gồm các vấn đề về chất lượng tần số,chất lượng
dòng điện và chất lượng điện áp. Tuy vậy khi xem xét đến vấn đề chất lượng điện
năng chủ yếu người ta quan tâm đến chất lượng điện áp.Trong đó hiện tượng sụt áp

ngắn hạn là một trong những nguyên nhân gây ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng
điện áp bởi tần suất xảy ra thường xuyên, có khả năng gây ảnh hưởng nghiêm trọng
đến sự làm việc bình thường của rất nhiều thiết bị trong hệ thống.Hiện nay các vấn
đề về sụt giảm điện áp ngắn hạn đang được quan tâm và nghiên cứu rộng rãi trên
thế giới cũng như ở Việt Nam.

Nguyễn Trung Hưng

11

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Do ảnh hưởng ngày càng lớn của sự cố sụt giảm điện áp ngắn hạn đến chất
lượng điện năng của hệ thống điện nên rất nhiều cơng trình nghiên cứu ảnh hưởng
và các biện pháp ngăn ngừa hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn đã được thực
hiện. Một trong những biện pháp ngăn ngừa hiệu quả là sử dụng các thiết bị ngăn
ngừa sụt giảm điện áp ngắn hạn dựa trên các thiết bị điện tử công suất. Thực tế, ở
các nước phát triển đã có khá nhiều thiết bị dạng này được ứng dụng để ngăn ngừa
sụt giảm điện áp ngắn hạn
Luận văn tập trung nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc và đánh giả hiệu quả
của thiết bị DVR nhằm ngăn ngừa sự cố sụt giảm điện áp ngắn hạn trong hệ thống
điện, đặc biệt là đối với lưới điện trung áp.
3. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu các cấu trúc và thuật toán điều khiển DVR. Qua việc xem
xét cụ thể ưu nhược điểm của từng cấu trúc và thuật toán điều khiển, luận văn xác
định cấu trúc và thuật toán điều khiển tối ưu ứng dụng mô phỏng hoạt động của
DVR trên phần mềm Matlab/Simulink. Qua đó đưa ra kết quả phân tích hiệu quả

hoạt động của DVR ngăn ngừa sụt giảm điện áp ngắn hạn trong hệ thống điện.

Nguyễn Trung Hưng

12

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG SỤT GIẢM ĐIỆN ÁPNGẮN
HẠN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1. Tổng quan về hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn
1.1.1 Khái niệm về hiện tượng sụt giảm điện áp
Tiêu chuẩn IEEE 1159 – 1995 định nghĩa sụt giảm điện áp ngắn hạn là “hiện
tượng điện áp hay dòng điện giảm xuống trong khoảng từ 10% đến 90% giá trị điện
áp hay dịng điện định mức ở tần số cơng nghiệp trong khoảng thời gian từ 0,5 chu
kỳ đến 1 phút”

.

1.1.2 Ảnh hưởng của sụt áp ngắn hạn
Khi xảy ra sụt giảm điện áp ngắn hạn có thể gây ra những ảnh hưởng trên
diện rộng đến rất nhiều thiết bị trong hệ thống điện. Đối với các thiết bị điện tử
thơng thường sử dụng trong sinh hoạt như máy tính, ti vi, đầu đĩa, lị vi sóng, điều
hịa nhiệt độ ... khi sụt áp ngắn hạn xảy ra có thể gây ra nguy cơ khởi động lại thiết
bị và nếu tần suất xảy ra nhiều vấn đề này cũng ảnh hưởng không nhỏ đến tuổi thọ
của thiết bị , tuy vậy trong sinh hoạt hiện tượng này chủ yếu mang lại những phiền
tối và khó chịu cho người sử dụng mà ít khi gây ra những vấn đề nghiêm trọng.

Ảnh hưởng của sụt giảm điện áp ngắn hạn sẽ nghiêm trọng hơn rất nhiều nếu xét ở
trong lĩnh vực công nghiệp. Khi xảy ra sụt áp ngắn hạn có thể gây ra hiện tượng lỗi
hỏng ở sản phẩm , gây hư hỏng hoặc giảm tuổi thọ của thiết bị làm thiệt hại về kinh
tế cho nhà sản xuất , hay nghiêm trọng hơn có thể gây ra việc tạm ngừng sản xuất
và việc khơi phục sản xuất có thể thiệt hại không chỉ về kinh tế mà cả thời gian của
nhà sản xuất. Các thiết bị nhạy cảm nhất đối với sụt giảm điện áp ngắn hạn có thể
kể đến là máy tính, các thiết bị điện tử cơng suất, các hệ thống điều khiển tự động,
bộ điều khiển logic khả trình ( PLC), các bộ điều tốc, các loại động cơ điện cảm
ứng, động cơ điện một chiều, các cảm biến cơng nghiệp ...Quy trình cơng nghệp
càng hiện đại, mức độ tự động hóa càng cao thì càng nhạy cảm với sụt giảm điện áp
ngắn hạn. Trong nhiều trường hợp, chỉ với sụt áp dưới 90% điện áp danh định xảy

Nguyễn Trung Hưng

13

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
ra trong thời gian vài chu kì ( vài chục mili giây) cũng có khả năng ảnh hưởng đến
rất nhiều thiết bị, nặng nề nhất là tạm dừng sản xuất và phải khởi động lại cả quy
trình, khi đó thời gian khơi phục sản xuất có thể tính bằng phút hoặc hàng giờ với
thiệt hại về kinh tế có thể lên đến hàng nghìn USD.
1.1. 3 Nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt giảm điện áp
Hiện tượng sụt giảm điện áp thông thường được gây ra do những sự cố trên hệ
thống điện. Các sự cố ngắn mạch, việc khởi động các phụ tải lớn như động cơ điện
không đồng bộ công suất lớn, hiện tượng quá tải, cắt một hàng tụ bù, đóng máy biến
áp... là các nguyên nhân chính dẫn đến sụt giảm điện áp trong hệ thống điện. Trong
các nguyên nhân trên thì các sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện chiếm hơn 90%.

Do đó luận văn giả thiết nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng sụt giảm điện áp là
ngắn mạch trong hệ thống điện.
1.1.4 Các đặc trưng của hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn
Thông số đặc trưng cho điện áp sụt là độ lớn, khoảng thời gian sụt áp, sự mất
cân bằng điện áp giữa các pha, sự dịch chuyển góc pha. Độ lớn sụt áp tỉ lệ với trở
kháng tính từ nguồn đến điểm sự cố. Khoảng thời gian sụt áp quyết định bởi thời
gian loại trừ sự cố, liên quan đến hoạt động của thiết bị bảo vệ là rơ le, máy cắt và
mạng truyền thông tin... Mức độ không đối xứng của điện áp ba pha liên quan chủ
yếu với sự cố không đối xứng ngắn mạch 1 pha, 2 pha, 2 pha với đất, riêng ngắn
mạch 3 pha điện áp vẫn giữ tính đối xứng. Độ dịch chuyển góc pha điện áp do sự
khác nhau về tỉ lệ X/R giữa nguồn và nhánh cung cấp, nguyên nhân thứ hai là do sự
chuyển đổi qua máy biến áp từ mức điện áp cao xuống mức điện áp thấp hơn.
1.1.5. Các chỉ tiêu đánh giá sụt giảm điện áp ngắn hạn
a. Chỉ tiêu SARFIx
SARFIx(System Average RMS Frequency Index voltage) là chỉ tiêu về tần suất
biến thiên điện áp trung bình của hệ thống với ngưỡng điện áp x. Giá trị x có thể là

Nguyễn Trung Hưng

14

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%,10% giá trị điện áp định mức đối với
.

hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn


SARFIix là chỉ tiêu đánh giá đối với sự cố gây ra điện áp dư dưới x% ở vị trí i
với hiện tượng sụt giảm điện áp. SARFI ix là chỉ tiêu đánh giá đối với sự cố gây ra
điện áp trên x% ở vị trí i với hiện tượng tăng điện áp. Nếu khách hàng tại nút i chỉ
nhạy cảm với mức điện áp sụt dưới 70% điện áp định mức, nhóm sụt áp như vậy có
thể đánh giá theo SARFI i70. Toàn bộ những chỉ tiêu đánh giá sự biến đổi giá trị hiệu
dụng của điện áp được xét với ngưỡng điện áp này.
b. Chỉ tiêu SARFI – Curve
Chỉ tiêu SARFI-curve căn cứ vào cặp chỉ số thời gian tồn tại voltage sags và
biên độ voltage sags, so sánh với các dạng đường cong chịu đựng của các thiết bị
điện để đánh giá mức độ ảnh hưởng của voltage sag tới sự vận hành của chúng. Nếu
cặp chỉ số biên độ điện áp sụt giảm và khoảng thời gian xảy ra sụt giảm điện áp nằm
ngoài đường cong chịu đựng của thiết bị điện thì sẽ gây ra ảnh hưởng đến thiết bị.
IEEE và một số nhóm nghiên cứu đã đưa ra mơ hình đường cong chịu đựng của
thiết bị ứng với từng nhóm thiết bị điện - điện tử khác nhau thông qua việc đánh giá
năng lượng cung cấp cho phụ tải khi xảy ra các biến cố trong hệ thống như đường
cong CBEMA, đường cong ICIT, đường cong chịu đựng điện áp của nhóm thiết bị
Semi...

Nguyễn Trung Hưng

15

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
1.1.6 Các biện pháp hạn chế hiện tượng sụt giảm điện áp
Mức độ ảnh hưởng của hiện tượng sụt giảm điện áp đến hoạt động của các
thiết bị điện tuỳ thuộc vào biên độ, độ dịch chuyển góc pha , dạng sụt áp và khoảng
thời gian tồn tại sụt giảm điện áp. Các biện pháp giảm nhẹ sự sụt giảm điện áp có

thể được thực hiện với nguồn điện, phụ tải, các công ty điện lực, các khách hàng và
các nhà sản xuất thiết bị điện để giảm số lần sụt áp, giảm mức độ nghiêm trọng của
điện áp sụt giảm và giảm sự nhạy cảm của thiết bị điện đối với điện áp sụt giảm.

a. Hạn chế sự cố xảy ra trên hệ thống
Hạn chế sự cố xảy ra trên hệ thống không những giảm tần suất sụt áp mà còn
giảm tần suất mất điện. Đây là cách rất hiệu quả và thường ít tốn kém để cải thiện
chất lượng điện năng cung cấp. Do đó, các nhà cung cấp điện cố gắng hạn chế sự cố
xảy ra trên hệ thống xuống mức thấp nhất có thể thực hiện được. Và để thực hiện
được điều này thì các phương pháp có thể được áp dụng là:
- Thay thế đường dây trên không bằng đường cáp ngầm.
- Sử dụng thêm các dây chống sét.
- Thực hiện nghiêm túc việc phát quang lưới tuyến.
- Tăng cường bảo dưỡng và tần suất kiểm tra đường dây.
b. Giảm thời gian loại trừ sự cố
Giảm thời gian loại trừ sự cố không làm giảm số lần sự cố xảy ra nhưng có thể
làm giảm mức độ nghiêm trọng của sự cố. Nó khơng làm giảm số lần mất điện
nhưng có thể làm giảm đáng kể khoảng thời gian sụt áp. Điều này làm cho mức độ
cũng như ảnh hưởng của sụt áp giảm đi. Một số phương pháp có thể áp dụng để làm
giảm thời gian loại trừ sự cố là:

Nguyễn Trung Hưng

16

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
- Sử dụng các thiết bị điều khiển bảo vệ kỹ thuật số hiện đại, có thời gian tác

động nhỏ cùng với việc nâng cấp các hệ thống thông tin kết nối các bộ bảo vệ với
các thiết bị đóng cắt. Điều này sẽ làm giảm thời gian tác động loại trừ sự cố trên hệ
thống điện.
- Sử dụng các thiết bị tự động đóng lặp lại (F79) trên các đường dây tải điện.
Do hầu hết các sự cố xảy ra trên đường dây tải điện là sự cố thống qua, điện năng
có thể được khôi phục lại trong một vài chu kỳ sau khi dịng sự cố đã được ngắt ra.
Vì vậy, đa số đa số các máy cắt tự động được thiết kế để đóng lặp lại hai hoặc ba
lần, và việc đóng lặp lại này thường là thành công trong lần thực hiện đầu tiên.
- Sử dụng cầu chì giới hạn dịng điện. Cầu chì là phần tử bảo vệ cơ bản nhất
trên hệ thống. Nó thường được sử dụng trong các thiết bị điện có dịng sự cố rất lớn
(2000A đến 3000A) và các sự cố bên trong thiết bị đó có thể dẫn đến một hậu quả
rất nghiêm trọng.
c. Thay đối kết cấu lưới
Bằng cách thay đổi kết cấu lưới, mức độ nghiêm trọng của sự cố được giảm
bớt, điều này dẫn đến mức độ sụt giảm điện áp cũng giảm theo. Nhược điểm của
phương pháp này là giá thành thực hiện rất tốn kém. Để thực hiện thay đổi kết cấu
của lưới thì một số phương pháp được sử dụng là:
- Đặt một máy phát điện gần phụ tải nhay cảm. Máy phát sẽ duy trì điện áp tại
đầu cực các thiết bị điện do hiện tượng sụt áp từ rất xa. Máy phát điện làm giảm
nhẹđiện áp sụt giảm nhưng cũng góp phần làm tăng dịng sự cố.
- Phân đoạn các thanh cái tại các trạm biến áp ở phía nguồn cung cấp để
giớihạn số nhánh cung cấp bị đặt vào vùng nguy hiểm.
- Cài đặt cuộn kháng giới hạn dịng điện tại một số vị trí quan trọng trong hệ
thống điện để làm tăng “khoảng cách về điện” với chỗ sự cố. Điều trở ngại của
phương pháp này là nó có thể gây ra ảnh hưởng xấu cho các khách hàng khác.

Nguyễn Trung Hưng

17


Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
- Cấp điện cho nút tải nhậy từ hai hay nhiều trạm biến áp. Sụt giảm điện áp với
một trạm có thể được giảm nhẹ bởi sự cung cấp điện từ các trạm biến áp khác. Càng
nhiều trạm biến áp có nguồn độc lập, hiệu quả giảm nhẹ sụt áp càng tăng. Hiệu quả
giảm nhẹ sụt áp tốt nhất là nút tải được cung cấp từ hai trạm trung gian khác nhau.
Sự tăng cường nhánh cung cấp thứ hai sẽ làm tăng con số sụt giảm điện áp nhưng
lại làm giảm mức độ nghiêm trọng của chúng.
- Lựa chọn cấu trúc lưới phân phối làm tăng độ tin cậy cung cấp điện.

d. Cải thiện khả năng chịu đựng sụt áp của các thiết bị
Cải thiện khả năng chịu đựng sụt áp của thiết bị là phương pháp hiệu quả nhất
ngăn ngừa ảnh hưởng của sụt giảm điện áp. Ngoài việc cải thiện khả năng chịu
đựng sụt giảm điện áp với các thiết bị điện lớn, sự xem xét kỹ về khả năng chịu
đựng sụt áp với tồn bộ contactor, rơle, cảm biến, ... có thể cải thiện đáng kể khả
năng chịu đựng hiện tượng sụt áp của các quá trình sản xuất.
e. Sử dụng các thiết bị giúp ngăn chặn sụt giảm điện áp ngắn hạn
Để ngăn chặn hiện tượng sụt giảm điện áp ta có thể áp dụng nhiều phương
pháp khác nhau. Các phương pháp này có thể được thực hiện ở cấp nguồn điện, các
thiết bị điện và ở tại cấp người sử dụng... Đây là một giải pháp phổ biến mà khách
hàng thường sử dụng do các thiết bị sử dụng được đặt ở những nơi mà khách hàng
có thể kiểm sốt được mọi tình huống về điện áp.
Một vài thiết bị kinh điển đã được sử dụng như:máy biến áp cộng hưởng sắt từ
(CVTs), bộ tổng hợp từ tính (Magnetic synthesizers), máy biến áp với bộ điều
chỉnh điện áp, hợp bộ máy phát – động cơ (Motor - Generator sets), nguồn cung cấp
không bị gián đoạn (UPS); nhược điểm của các thiết bị này là dải cơng suất thấp,
tính linh hoạt kém, tiếng ồn lớn ( như hợp bộ máy phát - động cơ) hoặc giá thành
quá cao nhưng hiệu quả mang lại thấp ( như UPS) nên ứng dụng ngày một hạn chế .


Nguyễn Trung Hưng

18

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
Ngày nay với sự phát triển của khoa học kĩ thuật đặc biệt là công nghệ bán dẫn, các
thiết bị dựa trên nền tảng các thiết bị điện tử công suất ngày càng được sử dụngrộng
rãi trong hệ thống điệnvới rất nhiều ưu điểm như dải cơng suất và điện áp làm việc
lớn; tính linh hoạt, hiệu quả cao, giá thành hạ... và một mảng ứng dụng quan trọng
trong đó lànâng cao chất lượng điện năng. Đối với vấn đề ngăn ngừa sụt giảm điện
áp ngắn hạn, ba thiết bị được sử dụng nhiều nhất là:

¾ Khóa chuyển đổi tĩnh (Static Transfer Switch)
Khóa chuyển đổi tĩnh có thể bảo vệ tải nhạy cảm khỏi sụt áp ngắn hạn, tăng áp
và nhiều hiện tượng rối loạn điện áp khác. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị này là
chuyển đổi nguồn cung cấp cho phụ tải từ nguồn bị sụt giảm điện áp sang nguồn
cung cấp khác tốt hơn . Cấu trúc cơ bản của STS gồm hai bộ chuyển mạch ba pha,
một nguồn cấp chính và một nguồn dự phịng như trên hình 1.1.
Ưu điểm của STS là kích thước nhỏ, điều khiển dễ dàng, khơng cần nguồn lưu
trữ do đó giá thành rẻ; nếu nguồn dự phịng tốt STS có thể đảm bảo chất lượng điện
áp lý tưởng cho tải. Tuy vậy STS không thể bảo vệ cho tải trước những sự cố mang
tính hệ thống ảnh hưởng đến cả nguồn cấp chính và nguồn dự phịng, đống thời việc
u cầu phải có hai nguồn cấp không phải lúc nào cũng khả thi trong thực tế.

Nguyễn Trung Hưng


19

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của STS
¾ Thiết bị bù tĩnh (Distribution Static Compensator-DSTATCOM)
DSTATCOM là thiết bị bù tĩnh dựa trên bộ nghịch lưu nối song song vào hệ
thống. Thiết bị này kiểm soát điện áp điểm nối bằng cách bù một dòng điện có điều
khiển vào điểm nối thơng qua máy biến áp ghép. Cấu tạo của DSTATCOM bao
gồm bốn bộ phận chính: phận cấp năng lượng, bộ nghịch lưu, bộ lọc và máy biến áp
ghép nối song song vào lưới như trên hình 1.2.

Hình 1.2 Cấu trúc một pha của DSTATCOM

Nguyễn Trung Hưng

20

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
DSTATCOM có khả năng phản ứng nhanh và hiệu quả hoạt động cao nhưng
điều khiển khá phức tạp.
¾ Thiết bị khơi phục điện áp động (Dynamic voltage restorer-DVR)
DVR là thiết bị chuyển mạch điện tử công suất nối nối tiếp với hệ thống, bao
gồm bốn bộ phận chính đó là bộ phận cấp năng lượng, thiết bị nghịch lưu, bộ lọc và

máy biến áp ghép như trên hình 1.3.

Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của DVR
Nguyên tắc hoạt động cơ bản của thiết bị này đó là khi xảy ra sụt áp trên lưới,
DVR sẽ thêm một lượng điện áp được điều khiển bởi nghịch lưu qua máy biến áp
ghép vào nút tải để khôi phục lại điện áp trên tải.Do được ghép nối tiếp vào hệ
thống nên điện áp trên tải sẽ bằng tổng điện áp cung cấp từ nguồn và điện áp DVR
thêm vào . Trong điều kiện bình thường DVR khơng hoạt động hoặc chỉ bơm một
lượng điện áp rất nhỏ để bù điện áp rơi trên các bộ phận.
Ưu điểm của DVR là khả năng phản ứng nhanh, thuật toán điều khiển tương
đối đơn giản, hiệu quả hoạt động cao, thích hợp với nhiều dạng tải và điều kiện lưới
điện khác nhau.

Nguyễn Trung Hưng

21

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học
1.2. Kết luận
Sụt giảm điện áp ngắn hạn là một trong những vấn đề gây ảnh hưởng lớn
đến chất lượng điện năng trong hệ thống điện. Ngày nay vấn đề ngăn ngừa ảnh
hưởng của sụt giảm điện áp ngắn hạn càng trở nên quan trọng, đặc biệt là trong
công nghiệp do sử dụng nhiều các thiết bị điện tử cơng suất, máy vi tính, các quy
trình sản xuất tự động hóa cao...
Trong các giải pháp ngăn ngừa sụt giảm điện áp ngắn hạn, giải pháp sử dụng
thiết bị DVR là một trong những giải pháp hiệu quả nhất bởi thiết bị này có khả
năng khơi phục điện áp trên tải đến giá trị mong muốn với thuật toán điều khiển

tương đối đơn giản,dải hoạt động rộng,điện áp từ vài trăm Volt đến hàng chục kilo
Volt, cơng suất đến hàng chục MVA, thích ứng với nhiều loại tải khác nhau, khả
năng hoạt động ổn định và tin cậy, hiệu suất cao
Mục tiêu chính của luận văn là đi sâu nghiên cứu, phân tích và mơ phỏng hiệu
quả hoạt động của DVR ngăn ngừa sụt giảm điện áp ngắn hạn trong lưới điện trung
áp .Luận văn được bố cục thành bốn chương như sau:
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn và
các phương pháp để ngăn chặn hiện tượng này
Chương 2: Nghiên cứu các cấu trúc của DVR , chế độ hoạt động của DVR
trong các trường hợp khác nhau
Chương 3 : Nghiên cứu các phương pháp để phát hiện, tính tốn sụt áp; các
thuật tốn điều khiển DVR và phương thức điều khiển mạch nghịch lưu của DVR
Chương 4: Trên cơ sở các nội dung lý thuyết đã nghiên cứu, DVR sẽ được mô
phỏng trong Matlab/Simulink để đánh giá hiệu quả hoạt động của DVR trong việc
ngăn ngừa các sự cố sụt giảm điện áp ngắn hạn.

Nguyễn Trung Hưng

22

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

CHƯƠNG 2 : CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DVR
2.1 Cấu trúc chung của DVR
DVR là thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất để chống sụt áp ngắn hạn ở cấp
điện áp hạ áp và trung áp trong hệ thống điện. Tùy từng cấp điện áp, công suất yêu
cầu, mức độ sụt áp thường xuyên xảy ra, loại tải cần bảo vệ ... mà DVR có nhiều

cấu trúc khác nhau.Tuy vậy các DVR đều bao gồm bốn phần tử chính sau: Bộ phận
cấp năng lượng, mạch nghịch lưu, mạch lọc và máy biến áp ghép như trên hình 2.1.

Nguyễn Trung Hưng

23

Cao học KTĐ2009


Luận văn thạc sĩ khoa học

Hình 2.1 Cấu trúc của DVR
2.2 Bộ phận cấp năng lượng
Chức năng của bộ phận này là cung cấp năng lượng cần thiết để DVR bù
điện áp thiếu hụt trên tải trong quá trình xảy ra sụt áp. Đây là bộ phận quyết định
khả năng làm việc, chất lượng điện áp bù bởi DVR. Tùy theo chất lượng lưới điện,
loại tải , mức độ nghiêm trọng của sụt áp mà người ta lựa chọn cấu hình bộ phận
năng lượng phù hợp từ các cấu trúc dưới đây:
2.2.1 DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung
Cấu hình này được sử dụng bởi ngay cả khi đang sụt áp vẫn còn một phần
điện áp đáng kể được cung cấp bởi nguồn. Khi DVR được nối với một lưới điện
mạnh thì lượng năng lượng cần thiết có thể được lấy bằng cách tăng dòng cung cấp
bằng một bộ chỉnh lưu song song và bù vào lượng điện áp thiếu hụt ở tải bằng một
bộ nghịch lưu nối tiếp. Khi đó có hai cấu hình sau được sử dụng tùy theo vị trí của
bộ chỉnh lưu:
a. Bộ chỉnh lưu nối với phía nguồn cấp ( Suppy side)
Cấu trúc này được thể hiện trong hình 2.2. Với cấu trúc này không thể điều
chỉnh được điện áp một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu. Bộ chỉnh lưu nạp điện


Nguyễn Trung Hưng

24

Cao học KTĐ2009