Luận văn: Nghiên cứu ứng dụng FACTS bù công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp - ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

Luận văn nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS và STATCOM nhằm bù công suất phản kháng, nâng cao chất lượng điện năng và ổn định điện áp trên lưới truyền tải.

• Tác giả: Dương Gia Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng FACTS bù công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp lưới điện
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thái Nguyên

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế thúc đẩy nhu cầu tiêu thụ điện năng tăng trưởng từ 8% đến 10% mỗi năm, tạo ra áp lực vận hành nặng nề lên hệ thống điện quốc gia. Mạng lưới truyền tải và phân phối điện hiện nay vận hành trong dải điện áp trải rộng từ 10 kV đến 800 kV, với khoảng cách địa lý xa xôi giữa các trung tâm phát điện và khu vực tiêu thụ phụ tải. Thực tế này dẫn đến nguy cơ suy giảm biên độ ổn định động, làm góc lệch pha công suất thường xuyên dao động sát ngưỡng tới hạn từ 30 đến 40 độ. Khi phụ tải biến động đột ngột hoặc phát sinh sự cố ngắn mạch, tình trạng thiếu hụt công suất phản kháng cục bộ khiến điện áp sụt giảm nghiêm trọng, đe dọa gây ra sự cố rã lưới theo tầng.

Nhằm giải quyết triệt để thách thức kỹ thuật trên, công trình nghiên cứu của tác giả Dương Gia Tuấn thực hiện năm 2023 tập trung vào giải pháp ứng dụng hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS), trọng tâm là thiết bị bù đồng bộ tĩnh STATCOM và phiên bản phân phối D-STATCOM. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xây dựng cấu trúc điều khiển tự động hóa để bù công suất phản kháng nhanh, ổn định điện áp và dập tắt dao động công suất trên lưới điện phân phối.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cấp điện áp trung áp 22 kV đến 35 kV, khảo sát trực tiếp các kịch bản phụ tải công nghiệp nặng biến thiên liên tục tại khu vực Bắc Ninh. Giá trị khoa học và thực tiễn của công trình được định lượng qua các chỉ số cụ thể: duy trì độ lệch điện áp nút trong ngưỡng tiêu chuẩn 5%, nâng cao hệ số công suất cos phi lên trên 0,95 và giảm tổn thất kỹ thuật đường dây từ 15% đến 20%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Công trình xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền sóng điện từ dọc theo đường dây dài có thông số phân bố r, l, g, c. Khi bỏ qua tổn hao, sóng điện áp và dòng điện lan truyền với vận tốc xấp xỉ 300.000 km/s. Trở kháng đặc tính sóng và công suất tải tự nhiên (SIL) đóng vai trò quyết định cấu hình phân bố điện áp dọc tuyến dây.

Lý thuyết điều khiển truyền tải xoay chiều linh hoạt FACTS khai thác tối đa khả năng truyền tải của đường dây dựa trên việc điều chỉnh góc lệch pha, trở kháng nối tiếp hoặc điện áp nút. Trong đó, thiết bị bù đồng bộ tĩnh STATCOM hoạt động dựa trên bộ chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) 3 pha 6 xung sử dụng khóa bán dẫn công suất cao như IGBT hoặc GTO. Thiết bị cho phép chuyển mạch cưỡng bức với tần số đóng cắt lên đến 2 kHz, kết hợp kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) để tạo ra nguồn điện áp xoay chiều đồng bộ về tần số và góc pha với lưới điện. Bằng cách thay đổi biên độ điện áp đầu ra của biến tần so với điện áp thanh cái, STATCOM có khả năng phát hoặc hấp thụ công suất phản kháng vô cấp mà không phụ thuộc vào mức sụt áp của lưới. Giới hạn bù nối tiếp kse được khống chế dưới ngưỡng 0,7 nhằm ngăn ngừa hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp giải tích toán học kết hợp kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng trên nền tảng phần mềm chuyên dụng Matlab/Simulink.

Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết lập trên mô hình lưới điện phân phối gồm 3 nút thanh cái trọng yếu B1, B2 và B3, tích hợp đường dây trung áp dài 20 km và 2 tổ hợp phụ tải công nghiệp có tính chất phi tuyến. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào các nút nút thắt kỹ thuật có mật độ phụ tải tập trung cao, nơi thường xuyên ghi nhận hiện tượng dao động điện áp từ 10% đến 18%.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích toán học trên hệ tọa độ đồng bộ quay d-q kết hợp biến đổi Clarke - Park là nhằm phân tách độc lập hai thành phần dòng điện Id (điều khiển công suất tác dụng) và Iq (điều khiển công suất phản kháng). Kỹ thuật này giúp vòng khóa pha (PLL) bắt tín hiệu tức thời với chu kỳ quét 50 micro-giây trong toàn bộ thời gian khảo sát động học 2,0 giây, đảm bảo tính toán thời gian thực với độ chính xác cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng các kịch bản vận hành khắc nghiệt trên phần mềm Matlab/Simulink mang lại 3 phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, thiết bị D-STATCOM thể hiện tốc độ đáp ứng động học vượt trội khi xảy ra sự cố sụt áp. Tại thời điểm phụ tải công nghiệp đóng thêm tải nặng ở giây thứ 0,5, điện áp trên thanh cái B3 bị sụt giảm 15% xuống mức 0,85 pu. Ngay khi phát hiện sai lệch, mạch điều khiển phát tín hiệu kích hoạt VSC bơm dòng phản kháng tức thời, đưa điện áp nút phục hồi về mức 0,98 pu chỉ trong khoảng thời gian 18 mili giây.

Thứ hai, thiết bị dập tắt hiệu quả hiện tượng chập chờn và nhấp nháy điện áp (voltage flicker). Khi tải công nghiệp biến thiên theo chu kỳ ngắn gây dao động điện áp với biên độ 12%, việc đóng D-STATCOM đã triệt tiêu hoàn toàn các thành phần dao động sóng hài bậc cao, giữ độ dao động điện áp ổn định dưới ngưỡng 1,5%, đồng thời điện áp trên tụ DC-link luôn được duy trì với độ nhấp nhô nhỏ hơn 2%.

Thứ ba, công trình chứng minh hiệu quả cải thiện chất lượng điện năng toàn diện. Trước khi lắp đặt thiết bị bù, hệ số công suất của hệ thống chỉ đạt mức 0,82; sau khi D-STATCOM tham gia vận hành, hệ số công suất tại nút B3 đạt xấp xỉ 0,98. Dòng điện hiệu dụng chạy trên đường dây truyền tải giảm 16%, kéo theo tổn thất công suất tác dụng trên đường dây giảm tương ứng 29%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự vượt trội của STATCOM so với thiết bị bù tĩnh SVC truyền thống nằm ở đặc tính nguồn dòng lý tưởng của bộ biến đổi VSC. Đối với SVC sử dụng tụ điện và cuộn kháng điều khiển bằng thyristor, công suất phản kháng phát ra tỷ lệ thuận với bình phương điện áp nút, do đó khi điện áp lưới sụt sâu thì khả năng bù của SVC bị suy giảm nghiêm trọng. Ngược lại, STATCOM duy trì dòng điện phát định mức ngay cả khi điện áp thanh cái giảm xuống dưới 0,6 pu.

Khi so sánh với các nghiên cứu sử dụng tụ bù đóng cắt cơ học có thời gian trễ từ 100 đến 300 mili giây, hoặc các nghiên cứu SVC có độ trễ từ 40 đến 60 mili giây, D-STATCOM rút ngắn thời gian đáp ứng xuống hơn 60%, đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu bảo vệ nhạy bén của lưới điện thông minh.

Dữ liệu mô phỏng trong luận văn được thể hiện trực quan thông qua đồ thị đáp ứng thời gian thực của dòng điện bù một pha, đường cong công suất tác dụng - phản kháng tại thanh cái B3, và biểu đồ so sánh điện áp trước - sau khi bù. Đường đặc tính thành phần dòng điện Iq thực tế bám sát hoàn toàn đường dòng điện tham chiếu với sai số biên độ dưới 1%, khẳng định tính chính xác của bộ điều khiển PI trên hệ tọa độ quay d-q.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển hóa các kết quả nghiên cứu thành giải pháp thực tế, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị then chốt:

Thứ nhất, triển khai lắp đặt thử nghiệm các trạm D-STATCOM với công suất định mức từ 500 kVAR đến 2 MVAR tại các trạm biến áp phân phối 22/0,4 kV thuộc khu vực có mật độ công nghiệp cao trong giai đoạn 2024 - 2026. Chủ thể thực hiện là các Công ty Điện lực địa phương, hướng tới mục tiêu kéo giảm tỷ lệ tổn thất điện năng kỹ thuật toàn vùng từ 5,2% xuống dưới 4,0%.

Thứ hai, nâng cấp và số hóa cấu trúc điều khiển biến tần bằng việc ứng dụng vi xử lý tín hiệu số (DSP) tốc độ cao, cố định tần số đóng cắt IGBT ở mức 2 kHz trong thời hạn 12 tháng. Giải pháp này do các viện nghiên cứu chuyên ngành điện lực phối hợp với các nhà sản xuất thiết bị thực hiện nhằm tối ưu hóa thuật toán PWM và lọc bỏ sóng hài bậc 5, bậc 7.

Thứ ba, ban hành bộ tiêu chuẩn kỹ thuật quy định bắt buộc các nhà máy sản xuất có công suất tiêu thụ trên 1.000 kVA và phụ tải biến thiên nhanh phải lắp đặt thiết bị bù động FACTS. Cơ quan quản lý năng lượng cần hoàn thiện văn bản quy phạm kỹ thuật này trong quý II/2025, đặt mục tiêu duy trì hệ số công suất trung bình toàn hệ thống đạt tối thiểu 0,95.

Thứ tư, tích hợp toàn diện hệ thống điều khiển D-STATCOM với trung tâm điều khiển xa thông qua giao thức truyền thông SCADA/DMS, hoàn thành trong vòng 18 tháng. Trung tâm Điều độ Hệ thống điện chủ trì kết nối giám sát thời gian thực với độ trễ truyền dữ liệu dưới 10 mili giây, bảo đảm khả năng phản ứng tự động trước các sự cố lưới điện diện rộng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu cung cấp khối lượng kiến thức học thuật và thực tiễn giá trị cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư vận hành và điều độ viên tại các Tổng công ty Điện lực và Công ty Điện lực cấp tỉnh. Họ có thể sử dụng tài liệu để tính toán dung lượng bù, lựa chọn vị trí lắp đặt thiết bị FACTS tối ưu trên lưới điện phân phối từ 22 kV đến 110 kV, từ đó giảm thiểu nguy cơ quá tải đường dây và hạn chế các sự cố gián đoạn cung cấp điện.

Nhóm thứ hai là các chuyên gia nghiên cứu và kỹ sư thiết kế thiết bị điện tử công suất. Nội dung phân tích chi tiết về sơ đồ nghịch lưu áp 6 xung, kỹ thuật điều chế vector không gian và thiết kế mạch vòng khóa pha PLL là cẩm nang quan trọng để thiết kế các bộ biến đổi tĩnh đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng trên 97%.

Nhóm thứ ba là giảng viên, học viên cao học và sinh viên các ngành Kỹ thuật điện, Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa. Luận văn đóng vai trò là tài liệu tham khảo chuẩn mực với hơn 30 hệ thống công thức giải tích mạch đường dây dài, cùng cấu trúc mô phỏng Matlab/Simulink hoàn chỉnh phục vụ nghiên cứu và giảng dạy chuyên sâu.

Nhóm thứ tư là các giám đốc kỹ thuật và ban quản lý năng lượng tại các khu công nghiệp, nhà máy luyện kim, xi măng. Doanh nghiệp có thể ứng dụng mô hình này để xử lý triệt để bài toán sụt áp và nhấp nháy điện áp, loại bỏ hoàn toàn tiền phạt mua công suất phản kháng hàng tháng, tiết kiệm từ 50 triệu đến 200 triệu đồng cho mỗi trạm biến áp chuyên dùng.

Câu hỏi thường gặp

Thiết bị STATCOM có ưu điểm gì vượt trội so với bộ bù tĩnh SVC truyền thống? STATCOM sử dụng khóa bán dẫn tự chuyển mạch IGBT thay vì thyristor chuyển mạch tự nhiên, giúp kích thước thiết bị thu gọn đáng kể. Đặc biệt, dòng bù của STATCOM không phụ thuộc vào điện áp thanh cái, cho phép duy trì 100% dòng phát phản kháng ngay cả khi điện áp lưới sụt giảm sâu xuống 0,6 pu, trong khi công suất phát của SVC bị sụt giảm theo hàm bậc hai của điện áp.

Tại sao luận văn lựa chọn giải thuật điều khiển trên hệ tọa độ quay d-q? Việc chuyển đổi các đại lượng xoay chiều ba pha sang hệ tọa độ vuông góc hai trục quay đồng bộ d-q thông qua phép biến đổi Park giúp biến các tín hiệu hình sin tần số 50 Hz thành các đại lượng một chiều. Điều này cho phép áp dụng các bộ điều khiển PI tuyến tính đơn giản nhằm kiểm soát độc lập dòng công suất tác dụng và phản kháng với sai số điều khiển dưới 1%.

D-STATCOM có khả năng giải quyết hiện tượng sụt áp tức thời (voltage sag) hay không? D-STATCOM là giải pháp khắc phục hiện tượng sụt áp tức thời hiệu quả nhất hiện nay. Nhờ thời gian đáp ứng siêu nhanh dưới 20 mili giây, thiết bị kịp thời phát dòng điện bù để nâng điện áp nút từ mức 0,85 pu lên 0,98 pu ngay trong chu kỳ điện tiếp theo, ngăn ngừa hiện tượng dừng máy đột ngột của các dây chuyền sản xuất tự động.

Tần số đóng cắt 2 kHz của van IGBT ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng điện áp đầu ra? Tần số đóng cắt cao ở mức 2 kHz giúp đẩy các thành phần sóng hài bậc cao lên vùng tần số rất xa so với tần số cơ bản 50 Hz. Nhờ vậy, hệ thống chỉ cần sử dụng các bộ lọc thụ động LC kích thước nhỏ gọn là có thể làm mịn dạng sóng điện áp, đảm bảo hệ số méo dạng sóng hài tổng THD luôn nằm trong giới hạn cho phép dưới 5%.

Chi phí đầu tư thiết bị FACTS có thực sự mang lại hiệu quả kinh tế cho lưới điện phân phối? Mặc dù chi phí ban đầu của STATCOM cao hơn tụ bù tĩnh khoảng 20% đến 30%, nhưng hiệu quả kinh tế dài hạn rất vượt trội. Thiết bị giúp cắt giảm 29% tổn hao nhiệt trên đường dây, loại bỏ chi phí phạt vô công và kéo dài tuổi thọ thiết bị đóng cắt cơ khí, giúp các đơn vị quản lý hoàn vốn đầu tư chỉ sau 3 đến 5 năm vận hành.

Kết luận

Công trình nghiên cứu ứng dụng FACTS bù công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp lưới điện mang lại những đóng góp khoa học và thực tiễn nổi bật sau:

• Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về đường dây truyền tải xoay chiều, phân tích định lượng hiệu ứng Ferranti và bản chất dòng công suất phản kháng trong hệ thống điện.
• Thiết kế thành công cấu trúc điều khiển dòng điện gián tiếp cho bộ bù đồng bộ tĩnh D-STATCOM trên hệ tọa độ quay d-q kết hợp biến điệu PWM.
• Kiểm nghiệm chính xác trên phần mềm Matlab/Simulink với thời gian đáp ứng cực nhanh 18 mili giây, phục hồi điện áp sụt giảm từ 0,85 pu lên 0,98 pu.
• Nâng cao hệ số công suất của lưới phân phối từ 0,82 lên 0,98, đồng thời kéo giảm tổn thất công suất tác dụng trên đường dây 29%.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật mang tính khả thi cao, sẵn sàng chuyển giao cho ngành điện lực triển khai trong giai đoạn 2024 - 2026.

Lộ trình tiếp theo đòi hỏi việc chế tạo mô hình thực nghiệm phần cứng quy mô công nghiệp trong vòng 12 tháng tới để đánh giá các chỉ số thực tế. Các kỹ sư vận hành và nhà nghiên cứu quan tâm có thể tiếp tục ứng dụng mô hình này nhằm xây dựng hệ thống điện thông minh, an toàn và tối ưu hóa chi phí vận hành cho mạng lưới năng lượng quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Các hệ thống điện hiện đại đƣợc thiết kế để hoạt động hiệu quả nhằm cung cấp điện theo yêu cầu cho các trung tâm phụ tải khác nhau với độ tin cậy cao. Các trạm phát điện thƣờng đƣợc đặt ở các địa điểm xa vì lý do kinh tế, môi trƣờng và an toàn. Ví dụ, có thể rẻ hơn nếu đặt một nhà máy nhiệt điện ở đầu mỏ thay vì vận chuyển than đến các trung tâm chất tải. Thủy điện thƣờng có sẵn ở vùng sâu vùng xa.

Một nhà máy hạt nhân có thể đƣợc đặt ở một nơi cách xa khu vực đô thị. Do đó, cần có một mạng lƣới đƣờng dây truyền tải hoạt động ở điện áp cao hoặc cực cao để truyền tải điện năng từ các trạm phát điện đến các trung tâm phụ tải. Ngoài các đƣờng dây truyền tải điện từ nguồn đến phụ tải, các hệ thống điện hiện đại cũng đƣợc kết nối với nhau ở mức độ cao vì lý do kinh tế. Các hệ thống kết nối với nhau đƣợc hƣởng lợi nhờ (a) khai thác đa dạng phụ tải (b) chia sẻ dự trữ phát điện và (c) tính kinh tế thu đƣợc từ việc sử dụng các tổ máy lớn hiệu quả mà không làm giảm độ tin cậy.

Tuy nhiên, cũng có một nhƣợc điểm đối với kết nối hệ thống điện xoay chiều – an ninh có thể bị ảnh hƣởng bất lợi do các rối loạn bắt đầu ở một khu vực cụ thể có thể lan rộng và lan truyền trên toàn bộ hệ thống dẫn đến mất điện lớn do mất điện theo tầng.2 Khái niệm cơ bản về mạng truyền tải điện Phần lớn các đƣờng dây truyền tải điện là đƣờng dây AC hoạt động ở các điện áp khác nhau (10 kV đến 800 kV). Các mạng lƣới phân phối thƣờng hoạt động dƣới 100 kV trong khi nguồn điện lớn đƣợc truyền tải ở điện áp cao hơn. Các đƣờng dây hoạt động ở các điện áp khác nhau đƣợc kết nối thông qua các máy biến áp hoạt động với hiệu suất cao. Trƣớc đây, các đƣờng dây AC không Hướng dẫn khoa học: PGS.

TS Lại Khắc Lãi 4 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Thực hiện: Dương Gia Tuấn có cơ chế để điều khiển dòng công suất. Ngƣời ta sử dụng máy cắt (CB) để bảo vệ chống lại sự cố (gây ra bởi hiện tƣợng phóng điện phóng điện do quá điện áp trên đƣờng dây hoặc giảm khoảng cách với đất). CB bị giới hạn bởi số lần tác động đóng/cắt và không thể sử dụng đƣợc để điều khiển dòng công suất. (không giống nhƣ công tắc điện tử công suất cao nhƣ thyristor, GTO, IGBT, IGCT, v.

Tuy nhiên, các đƣờng dây xoay chiều vẫn có khả năng điều khiển luồng công suất vốn có vì luồng công suất đƣợc xác định bởi công suất ở đầu phát hoặc đầu nhận. Ví dụ, xét một đƣờng dây kết nối trạm phát điện với trung tâm phụ tải trong Hình. Giả sử đƣờng dây không bị tổn hao, dòng công suất (P) đƣợc xác định theo công thức: ( ) (1.1) Trong đó X là điện kháng dòng nối tiếp. Giả sử V1 và V2 đƣợc giữ cố định (thông qua bộ điều chỉnh điện áp ở hai đầu), công suất do nhà máy điện cung cấp sẽ xác định dòng công suất trong đƣờng dây.

Sự khác biệt về góc thanh cái đƣợc tự động điều chỉnh để cho phép P = PG (Trong thực tế có thể có nhiều hơn một đƣờng dây truyền tải điện từ trạm phát điện đến trung tâm phụ tải). 1: a) Đường dây truyền tải điện; b) đường dây truyền tải điện đến tải Hướng dẫn khoa học: PGS. TS Lại Khắc Lãi 5 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Thực hiện: Dương Gia Tuấn Nếu một hoặc nhiều đƣờng dây bị ngắt, sản lƣợng của nhà máy điện có thể phải giảm bằng cách ngắt máy phát điện, để tránh quá tải cho các đƣờng dây còn lại đang vận hành. Đây cũng là phƣơng trình.1) đƣợc áp dụng nhƣng dòng công suất trong đƣờng dây đƣợc xác định bởi tải đƣợc cung cấp.

Sự khác biệt cơ bản giữa hai tình huống là trong Hình 1.1(a), trung tâm phụ tải đƣợc mô hình hóa nhƣ một thanh cái vô hạn có thể hấp thụ (về mặt lý thuyết) bất kỳ lƣợng điện năng nào đƣợc cung cấp cho nó từ trạm phát điện. Mô hình trung tâm phụ tải này giả định rằng công suất phát tại trung tâm phụ tải cao hơn nhiều so với công suất đƣợc cung cấp từ trạm điện từ xa (rõ ràng, tổng công suất cung cấp tại trung tâm phụ tải bằng với công suất thực có sẵn tại thanh cái đó). Độ tin cậy của nguồn điện tại một thanh cái phụ tải có thể đƣợc cải thiện bằng cách bố trí hai (hoặc nhiều hơn) nguồn điện nhƣ trong Hình 1.2: Hai trạm phát điện cung cấp cho một phụ tải Trong đó P1 là đầu ra của G1; P2 là đầu ra của G2 (Giả thiết bỏ qua tổn thất). Tuy nhiên, việc cắt bất kỳ một đƣờng dây nào sẽ làm giảm khả năng cung cấp điện tại thanh cái phụ tải.

Có thể khắc phục vấn đề này bằng cách cung cấp Hướng dẫn khoa học: PGS. TS Lại Khắc Lãi 6 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Thực hiện: Dương Gia Tuấn một đƣờng dây (đƣợc thể hiện trong Hình 1.2) để kết nối hai nhà máy điện với nhau. Lƣu ý rằng điều này dẫn đến việc tạo lƣới trong mạng truyền dẫn. Điều này cải thiện độ tin cậy của hệ thống, vì việc cắt bất kỳ một dòng nào không dẫn đến giảm tải.

Tuy nhiên, ở trạng thái ổn định, P1 có thể cao hơn hoặc thấp hơn PG1 (đầu ra của G1). Dòng công suất thực tế chạy trong 3 đƣờng tạo thành lƣới đƣợc xác định theo Định luật Kirchhoff 2. Nói chung, việc bổ sung một đƣờng dây (kết nối với nhau) có thể dẫn đến tăng dòng công suất trong một đƣờng dây (đồng thời giảm dòng công suất trong một số đƣờng dây khác). Nói chung, có thể nói rằng trong mạng truyền tải AC không đƣợc điều khiển với các vòng lặp (để cải thiện độ tin cậy của hệ thống), dòng công suất trong các đƣờng dây riêng lẻ đƣợc xác định bởi Kirchhoff 2 và không tuân theo các yêu cầu của hợp đồng (giữa nhà sản xuất năng lƣợng và khách hàng).

Nói cách khác, hầu nhƣ không thể đảm bảo rằng dòng năng lƣợng giữa hai nút đi theo một đƣờng dẫn đƣợc xác định trƣớc. Điều này chỉ khả thi trong các mạng hƣớng tâm (hình tia, không có vòng lặp), nhƣng độ tin cậy bị ảnh hƣởng bất lợi vì ngay cả khi mất điện một lần cũng có thể dẫn đến giảm tải. 3: Hai khu vực được nối với nhau bằng một đường nối. a) Sơ đồ nối dây; b) Sơ đồ mạch điện tương đương Thevenin Hướng dẫn khoa học: PGS.

TS Lại Khắc Lãi 7 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Thực hiện: Dương Gia Tuấn Xét hai hệ thống điện, mỗi hệ thống có một nhà máy điện đáp ứng phụ tải cục bộ của chính nó, đƣợc kết nối với nhau bằng một đƣờng dây nhƣ trong Hình 1. Trong trƣờng hợp này, dòng công suất trong đƣờng nối (P ) ở trạng thái ổn định đƣợc xác định bởi sự không phù hợp giữa nguồn phát và tải trong các khu vực riêng lẻ. Trong các điều kiện động, dòng công suất này đƣợc xác định từ mạch tƣơng đƣơng nhƣ trong Hình 1. Nếu công suất của dây nối nhỏ so với kích thƣớc (thế hệ) của hai khu vực thì các góc δ1 và δ2 không bị ảnh hƣởng nhiều bởi dòng công suất dây nối.

Do đó, dòng công suất trong dây AC thƣờng không đƣợc điều khiển và điều cần thiết là ngắt dây nối trong khi có nhiễu, để bảo vệ dây nối hoặc bảo vệ an ninh hệ thống.3 Điều khiển dòng công suất trong đƣờng dây truyền tải điện xoay chiều Việc điều khiển dòng công suất trong đƣờng dây truyền tải điện xoay chiều nhằm: - Tăng cƣờng khả năng truyền tải điện năng; - Thay đổi dòng công suất trong các điều kiện động (có thể bị nhiễu nhƣ tăng đột ngột tải, ngắt đƣờng dây hoặc mất điện máy phát điện) để đảm bảo tính ổn định và an ninh của hệ thống. Độ ổn định có thể bị ảnh hƣởng bởi tần số thấp ngày càng tăng, dao động công suất (do rô-to máy phát dao động), mất đồng bộ và sụt áp do nhiễu lớn gây ra. Từ phƣơng trình.1), ta có công suất cực đại (Pmax) truyền trên một đƣờng dây là: (1.2) Trong đó δmax (300 – 400) đƣợc chọn tùy thuộc vào biên độ ổn định và chắc chắn của thanh cái đầu cuối mà đƣờng dây đƣợc kết nối. Đối với chiều dài đƣờng dây vƣợt quá giới hạn, Pmax nhỏ hơn giới hạn nhiệt đối với quá trình truyền điện đƣợc xác định bởi khả năng mang dòng công suất của dây dẫn (Lƣu Hướng dẫn khoa học: PGS.

TS Lại Khắc Lãi 8 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Thực hiện: Dương Gia Tuấn ý đây cũng là một hàm của nhiệt độ môi trƣờng). Khi chiều dài đƣờng dây tăng lên, Pmax giảm nhƣ trong Hình 1. 4: Sự phụ thuộc công suất truyền tải vào chiều dài đường dây Để tăng khả năng truyền tải trên đƣờng dây ta sử dụng tụ điện bù mắc nối tiếp làm tăng Pmax khi giá trị bù của điện kháng nối tiếp (Xc) đƣợc cho bởi: ( ) (1.3) trong đó kse là mức bù nối tiếp. Giá trị tối đa của kse có thể đƣợc sử dụng phụ thuộc vào một số yếu tố bao gồm cả điện trở của dây dẫn.

Thông thƣờng kse không vƣợt quá 0,7. Tụ điện nối tiếp cố định đã đƣợc sử dụng từ lâu để tăng khả năng truyền tải điện năng trên đƣờng dây dài. Chúng cũng là giải pháp kinh tế nhất cho mục đích này. Tuy nhiên, việc điều khiển bù nối tiếp bằng thyristor công tắc chỉ mới đƣợc giới thiệu cách đây 10–15 năm để điều khiển dòng công suất nhanh.

Trong các dây nối có độ dài ngắn, dòng công suất có thể đƣợc điều khiển bằng cách sử dụng Máy biến áp chuyển pha (Phase Shifting Transformer -PST) có tỷ số vòng dây là số phức (Hình 1. Dòng công suất trong một đƣờng truyền không tổn thất với PST lý tƣởng đƣợc cho bởi: Hướng dẫn khoa học: PGS. TS Lại Khắc Lãi 9 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Thực hiện: Dương Gia Tuấn ( ) (1. 5: Dây nối không tổn thất với PST lý tưởng Ta thấy rằng, PST đƣợc điều khiển thủ công không đủ nhanh trong các điều kiện động.

Công tắc thyristor có thể đảm bảo điều khiển nhanh các giá trị rời rạc (hoặc liên tục) của φ, tùy thuộc vào cấu hình của PST đƣợc sử dụng. Pmax cũng có thể đƣợc tăng lên bằng cách điều khiển (điều chỉnh) điện áp đầu nhận của đƣờng dây AC. Khi một máy phát cung cấp tải có hệ số công suất bằng một (Hình 1.