Bài giảng môn Vận hành và điều khiển hệ thống điện - Chương 5: Điều khiển điện áp trong hệ thống điện

dao động điều hòa hoặc ngẫu nhiên của phụ tải,
- Sự biến đổi sơ đồ lưới điện
- Hoạt động của bảo vệ rơ le và các thiết bị tự động hóa
- Khởi động hay dừng tổ máy phát.
 12
 3. Mục tiêu của điều chỉnh điện áp 
 trên lưới điện:
- Giữ vững điện áp trong mọi tình huống vận hành bình
thường cũng như sự cố, trong phạm vi cho phép và được
xác định bởi các giới hạn trên và dưới.
 13
Các giới hạn này được xác định như sau:
- Giới hạn trên xác định bởi khả năng chịu áp của cách
điện và hoạt động bình thường của các thiết bị phân phối
cao và siêu cao áp.
- Nếu điện áp tăng cao sẽ làm già hóa nhanh cách điện và
làm cho thiết bị hoạt động không chính xác.
 14
- Giới hạn dưới xác định bởi điều kiện an toàn hệ thống,
tránh quá tải đường dây và máy biến áp (trong lưới điện
khi, P là hằng số thì nếu U giảm I sẽ tăng gây quá tải),
tránh gây mất ổn định điện áp (hiện tượng suy áp).
 15
Các giới hạn trên đây gọi là giới hạn kỹ thuật hay điều
kiện kỹ thuật. Nói chung, trong lưới điện 220 (kV) trở
lên, điện áp chỉ được phép dao động trong giới hạn 5%
so với Uđm.
Với mức giới hạn này thì việc điều chỉnh dưới tải ở các
máy biến áp khu vực và trung gian sẽ thuận lợi.
 16
- Trong giới hạn kỹ thuật cho phép, giữ mức điện áp sao 
cho tổn thất công suất tác dụng nhỏ nhất, đây là điều kiện 
kinh tế. 
- Nói chung, thì trong điều kiện tổn thất vầng quang nhỏ 
(do thiết kế hoặc do thời tiết tốt), mức điện áp nên được 
giữ ở mức cao nhất có thể thì, P sẽ nhỏ.
- Nói tóm lại, điện áp trên lưới hệ thống được điều chỉnh 
theo điều kiện an toàn và kinh tế.
 17
 4. Phương thức điều chỉnh điện áp:
Cũng giống như hệ thống điều chỉnh tần số, hệ thống điều 
chỉnh điện áp được chia làm ba cấp:
1. Điều chỉnh sơ cấp là quá trình đáp ứng nhanh và tức thời 
các biến đổi điện áp nhanh và ngẫu nhiên bằng tác động của 
các thiết bị điều chỉnh điện áp máy phát và các máy bù tĩnh.
 18
- Trong trường hợp điện áp biến đổi lớn thì các bộ tự động điều 
áp dưới tải ở các máy biến áp cũng tham gia vào quá trình điều 
chỉnh.
- Điều chỉnh sơ cấp thực hiện tự động trong thời gian rất nhanh. 
- Điều chỉnh sơ cấp nhằm mục đích giữ điện áp lưới điện ở mức 
an toàn, tránh nguy cơ suy áp trong chế độ bình thường và nhất 
là khi sự cố.
 19
2. Điều chỉnh thứ cấp để đối phó với các biến đổi chậm và 
có biên độ lớn của điện áp. 
Điều chỉnh thứ cấp hiệu chỉnh lại các giá trị điện áp chỉ định 
của các thiết bị điều chỉnh sơ cấp của các máy phát và các 
bộ tụ bù có điều khiển tự động trong miền nó đảm nhận.
Quá trình này kết thúc trong vòng 3 phút.
 20
3. Điều chỉnh cấp 3 điều hòa mức điện áp giữa các miền
điều chỉnh cấp 2, tối ưu hóa mức điện áp của hệ thống điện
theo tiêu chuẩn kinh tế và an toàn. Quá trình này có thể thực
hiện bằng tay hoặc tự động.
 21
Ba cấp điều chỉnh điện áp trên được phân biệt theo thời 
gian và trong không gian.
- Theo thời gian để tránh mất ổn định của quá trình điều 
chỉnh.
- Trong không gian để có thể chiếu cố ưu tiên các yêu cầu 
khu vực.
 22
 5. Hệ thống điều chỉnh điện áp cấp 2
- Nguyên tắc cơ bản của điều chỉnh cấp 2 là chia lưới hệ thống 
thành các miền điều chỉnh riêng biệt. 
- Trong từng miền, các nguồn công suất phản kháng (nhà máy 
điện, bộ tụ bù, kháng điện) được điều chỉnh tự động và phối 
hợp để giữ vững mức điện áp của miền.
 23
Nhiệm vụ của điều chỉnh này được thực hiện bằng cách giữ
điện áp ở nút hoa tiêu (nút kiểm tra) luôn bằng giá trị chỉ
định được xác định theo yêu cầu của hệ thống điện trong
từng khoảng thời gian vận hành.
 24
Nút hoa tiêu được chọn theo các điều kiện sau:
* Nút hoa tiêu phải là nút đặc trưng cho miền, sự biến đổi điện 
áp ở nút hoa tiêu phải tương quan với sự biến đổi điện áp toàn 
miền.
* Điều kiện này được thỏa mãn nếu khoảng cách từ nút hoa tiêu 
đến các nút còn lại trong miền là nhỏ.
 25
* Mỗi miền phải bao gồm các tổ máy phát có khả năng
cung cấp đủ công suất phản kháng cho yêu cầu của miền.
* Khoảng cách điện giữa nút hoa tiêu của miền và các miền
lân cận phải đủ lớn để các miền không ảnh hưởng đến nhau.
Điều kiện này nhằm đảm bảo tính độc lập giữa các miền.
 26
- Điện áp trên nút hoa tiêu, Up được đo và chuyển về bộ
điều khiển miền 10 giây một lần đặt tại trung tâm điều độ
miền.
- Tại đây nó được so sánh với điện áp chỉ định, UC và tạo
tín hiệu ra N, là lệnh điều khiển của miền và được gọi là
mức của miền:
 1 '
 U c U p U c U p
 N dt (5.3)
 U U
 0 dm dm
 27
Trong đó
UC : điện áp chỉ định cần giữ
UP: điện áp tức thời đo được ở nút hoa tiêu
U’P: điện áp nút hoa tiêu được lọc qua 3 mẫu liên tiếp
 : có giá trị sao cho 10(s) 1/ 20(s)
 : được chọn sao cho / = 40
U0: điện áp chỉ định ở stator máy phát
 28
Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều chỉnh cấp 2
 29
Mức N thể hiện nhu cầu công suất phản kháng 
của miền:
* Nếu N > 0 thì có nghĩa là thiếu công suất phản 
kháng, cần phải tăng công suất phản kháng phát 
của các tổ máy.
* Nếu N < 0 thì ngược lại các tổ máy cần phải tiêu 
thụ công suất phản kháng.
 30
N được truyền đến bộ điều chỉnh công suất phản 
kháng của từng tổ máy phát điện theo đường dãy 
liên lạc. 
Trước khi đi vào bộ điều chỉnh miền, N được nhân 
với hệ số tham gia của tổ máy Qr, hệ số này bằng 
khoảng 1,4 lần công suất phản kháng định mức 
của tổ máy.
 31
- Sự sai khác giữa N.Qr và công suất phản kháng 
đang phát của tổ máy Q được sử dụng để hiệu 
chỉnh giá trị chỉ định U0 của bộ điều chỉnh kích từ
- Tín hiệu điều chỉnh được đưa vào bộ điều chỉnh 
kích từ sao cho đáp ứng được tốc độ biến đổi 
trung bình của dòng kích từ là 1,5% Ikđm.
 32
Miền điều chỉnh điện áp và nút hoa tiêu được 
xác định như sau:
* Trước hết tính công suất ngắn mạch cho mọi 
nút, những nút có công suất ngắn mạch lớn nhất 
là nút có khả năng làm nút hoa tiêu.
 33
- Sau đó giải tích lưới điện, trong mỗi lần giải tích đặt 
nguồn điện áp vào một trong những nút có khả năng
- Lưới còn lại được thay bằng tổng trở cố định.
- Tính tổn thất điện áp giữa nút hoa tiêu và các nút 
còn lại.
- Sau khi tính lần lượt cho tất cả các nút hoa tiêu, 
nghiên cứu tổn thất điện áp đã tính có thể xác định 
cho mỗi nút một nút hoa tiêu gần nhất.
 34
- Từ đó xác định được miền điều chỉnh điện áp và 
nút hoa tiêu.
Miền này bao gồm các nút có chung nút hoa tiêu 
gần nhất.
 35
7. Mô hình tính toán điều chỉnh tối ưu 
 điện áp trong vận hành HTĐ:
Hàm mục tiêu:
- Mục tiêu là giảm thiểu tổn thất công suất tác 
dụng trong hệ thống điện.
- Tổn thất công suất trên lưới hệ thống được thể 
hiện như sau:
 2
 P I R
 (lấy cho tất cả các đường dây) 
 36
 - Nếu nhánh (đường dây) k có nút đầu là i, 
 nút cuối là j thì:
 2
P ji U j g ij U i U j g ij cos ij b ij sin ij
 2
Q ij U i b ij 0 b ij U iU j g ij sin ij b ij cos ij
 37
-Tổn thất công suất tác dụng trên nhánh k là 
tổng đại số của công suất Pij và Pji:
 2 2
 Pij Pij P ji U i g ij U j g ij 2U i U j g ij cos ij
 2 2
 Pij G k U i U j 2U i U j cos ij
Gk = gij là phần thực của tổng dẫn của đường 
dây k
 38
- Toång toån thaát coâng suaát taùc duïng cuûa heä thoáng laø
toång toån thaát coâng suaát taùc duïng cuûa taát caû caùc ñöôøng
daây:
 2 2
 P L G k U i U j 2U iU j cos ij
 k
 Hoaëc vieát caùch khaùc:
 2
 P L g ij U i U i U j cos ij
 i j
 Vôùi:
 i laáy cho taát caû caùc nuùt keå caû nuùt caân baèng;
 j laáy cho taát caû caùc nuùt nhöng khaùc i
 39
* Caùc bieán ñieàu khieån: 
 - Toån thaát coâng suaát taùc duïng phuï thuoäc vaøo:
 * Phaân boá coâng suaát phaûn khaùng treân löôùi heä thoáng.
 40
- Phaân boá coâng suaát phaûn khaùng phuï thuoäc vaøo:
* coâng suaát phaûn khaùng cuûa caùc boä tuï buø QCi
* ñieän aùp caùc nhaø maùy ñieän Ugi
* heä soá bieán aùp cuûa caùc maùy bieán aùp ñieàu aùp döôùi taûi
Ti
* phaân boá coâng suaát taùc duïng
 41
Caùc bieán naøy taùc ñoäng ñeán:
- ñieän aùp caùc nuùt taûi Ui
- goùc pha ij
 laøm cho toån thaát coâng suaát taùc duïng thay ñoåi.
 42
Söï taùc ñoäng naøy thoâng qua heä phöông trình caân baèng
coâng suaát nuùt cuûa heä thoáng ñieän
Trong ñoù: trong moät cheá ñoä
- ñieän aùp nguoàn ñöôïc cho tröôùc vaø taïo thaønh caùc nuùt
P-V
-heä soá bieán aùp ñöôïc theå hieän trong ma traän toång daãn,
- coâng suaát buø theå hieän trong phuï taûi nuùt.
 43
 * Caùc raøng buoäc: 
 Caùc raøng buoäc laø caân baèng coâng suaát taùc duïng
vaø coâng suaát phaûn khaùng trong toaøn heä thoáng
ñieän.
 44
 * Caùc giôùi haïn: 
 Ñoù laø caùc giôùi haïn cuûa caùc bieán ñieâu khieån QCi, Ugi,
Ti, giôùi haïn cuûa ñieän aùp caùc nuùt, giôùi haïn doøng ñieän
treân caùc ñöôøng daây, giôùi haïn oån ñònh tónh ...
 Ta thaáy raèng baøi toaùn naøy khoâng phaûi laø deã giaûi,
nhaát laø cho caùc heä thoáng ñieän phöùc taïp coù nhieàu caáp
ñieän aùp, nhieàu maïch voøng.
 45
- Bài toán tối ưu hóa tổn thất công suất tác dụng phải được giải
sau khi đã giải bài toán phân bố tối ưu công suất trên hệ thống
điện.
- Sau đó khi giải bài toán tối ưu hóa tổn thất công suất tác dụng
với giả thiết: góc pha của điện áp không đổi, công suất tác
dụng nút không đổi.
- Hai bài toán này được giải liên tiếp theo vòng kín cho đến khi
kết quả hội tụ.
 46
 Điều chỉnh điện áp máy phát và 
 phân phối công suất phản kháng
- Hệ thống kích từ máy phát có nhiệm vụ duy trì điện áp
máy phát và dòng công suất phản kháng.
- Hệ thống kích từ cổ điển được cấp điện thông qua vòng
trượt và chổi than từ máy phát điện, do gắn cùng trục với
rôto của máy phát điện đồng bộ.
 47
Đối với hệ thống kích từ hiện đại thông thường sử dụng
máy phát điện AC với bộ chỉnh lưu quay và được gọi là
hệ thống kích từ không chổi than.
 48
- Như chúng ta đã biết, một sự thay đổi về công suất thực
sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến tần số, trái lại một sự
thay đổi về công suất phản kháng chỉ ảnh hưởng đến
biên độ điện áp.
- Sự tác động qua lại giữa việc điều khiển điện áp và tần số
thì rất yếu nên ta sẽ phân tích việc điều khiển điện áp riêng
biệt với phân tích điều khiển tần số.
 49
Một trong những biện pháp của việc điều khiển công suất
phản kháng là điều khiển hệ thống kích từ máy phát dùng
thiết bị tự động điều chỉnh điện áp (Automatic Voltage
Regulator – AVR).
Vai trò của thiết bị tự động điều chỉnh điện áp là giữ biên
độ điện áp đầu cực của máy phát ở giá trị định mức. Sơ
đồ của một thiết bị tự động điều chỉnh điện áp được đơn
giản hoá ở hình sau.
 50
Sơ đồ đơn giản hóa của thiết bị tự động điều chỉnh điện áp (AVR)
 51
- Khi tải công suất phản kháng của máy phát tăng lên sẽ kèm
theo sự giảm biên độ điện áp đầu cực.
- Biên độ điện áp được cảm nhận thông qua một máy biến
điện thế trên một pha. Điện áp này được chỉnh lưu và so sánh
với tín hiệu đặt DC.
 52
- Bộ khuyếch đại tín hiệu sai lệch điều khiển từ trường của bộ
kích từ và làm tăng điện áp đầu cực của bộ kích từ.
- Vì vậy, dòng điện kích từ máy sẽ được tăng lên và kết quả là
làm tăng sức điện động không tải của máy phát.
- Sự phát công suất phản kháng được tăng lên đến một điểm
cân bằng mới, tăng điện áp đầu cực đến một giá trị mong muốn.
 53
 Mô hình của bộ khuyếch đại
Bộ khuyếch đại của hệ thống kích từ có thể là bộ khuyếch
đại từ, bộ khuyếch đại quay hoặc bộ khuyếch đại điện tử
hiện đại. Bộ khuyếch đại được đặc trưng bởi một độ lợi, KA
và một hằng số thời gian, A và hàm truyền đạt là:
 54
 V R ( s ) K A
 V e ( s ) 1 A s
- Các giá trị đặc trưng của KA nằm trong khoảng từ 10 đến
400.
- Hằng số thời gian của bộ khuyếch đại, A thì rất nhỏ, nằm
trong khoảng từ 0,02 đến 0,1 và thường được bỏ qua.
 55
 Mô hình của bộ kích từ
Có rất nhiều hệ thống kích từ khác nhau.
Tuy nhiên, các hệ thống kích từ hiện đại thường sử dụng
nguồn điện AC thông qua bộ chỉnh lưu vi điện tử như SCR.
 56
Một mô hình tiêu biểu của bộ kích từ hiện đại là mô hình
tuyến tính được đưa vào tính toán với một hằng số thời gian
chính và bỏ qua sự bảo hòa hay sự không tuyến tính khác. Ở
dạng đơn giản nhất, hàm truyền đạt của một bộ kích từ hiện
đại có thể được đặc trưng bởi một hằng số thời gian E và
một độ lợi KE, nghiã là:
 V F ( s ) K E
 V R ( s ) 1 E s
 Hằng số thời gian của các bộ kích từ hiện đại rất nhỏ.
 57
 Mô hình của máy phát
- Sức điện động không tải của máy điện động bộ là một hàm của
đường cong từ hóa máy điện và điện áp đầu cực phụ thuộc
vào tải của máy phát.
- Trong mô hình tuyến tính, hàm truyền đạt liên hệ giữa điện áp
đầu cực máy phát và điện áp kích từ có thể được biểu diễn
bởi một độ lợi KG và hằng số thời gian G, khi ấy:
 58
 V t ( s ) K G
 V F ( s ) 1 G s
- Các hằng số này phụ thuộc vào tải
- KG có giá trị từ 0,7 đến 1
- G có giá trị nằm trong khoảng từ 1,0 đến 2,0 giây từ lúc
tải định mức đến khi không tải.
 59
 Mô hình của bộ cảm biến
Điện áp được cảm biến thông qua một máy biến điện áp và nó
được chỉnh lưu thông qua một cầu chỉnh lưu.
Bộ cảm biến được mô hình bởi một hàm truyền bậc nhất đơn
giản, xác định bởi:
 60
 V t ( s ) K R
 V ( s ) 1 R s
 R có giá trị rất nhỏ và chúng ta có thể giả sử rằng R có giá
trị nằm trong khoảng từ 0,01 đến 0,06 giây.
 61
Sử dụng mô hình trên ta có một sơ đồ khối của hệ thống tự
động điều chỉnh điện áp (AVR) như sau:
 Sơ đồ khối đơn giản của 
 thiết bị tự động điều chỉnh điện áp (AVR)
 62
Hàm truyền vòng kín thể hiện mối quan hệ giữa điện áp đầu
cực máy phát Vt(s) và điện áp chuẩn Vref(s) là:
 V t ( s ) K A K E K G K R (1 R s )
 V ref ( s ) (1 A s )(1 E s )(1 G s )(1 R s ) K A K E K G K R
 63
 8. Bài tập
Bài 1: Cho một mạng điện 110 kV với các chiều dài đường
dây và công suất phụ tải như hình vẽ:
1 2 3
 110 kV
 AC-185; 30km AC-95; 20km
 B1 B2
 22 kV 4 22 kV 5
 20 +j15 (MVA) 15 +j15 (MVA)
 64
* Dây dẫn AC – 185: r0 = 0,17 ( /km)
* Dây dẫn AC – 95: r0 = 0,33 ( /km)
* Máy biến áp B1 110/22 (kV); 31,5 (MVA); PN = 200 (kW)
* Máy biến áp B2 110/22 (kV); 20 (MVA); PN = 163 (kW)
* Thời gian tổn thất công suất cực đại: max = 5500 (giờ/năm)
 65
Tiền đầu tư tụ điện 22 kV: 5000 ($/MVAr)
Tiền điện năng tổn thất: 50 ($/MWh)
Tổn thất công suất tương đối trong tụ bù: P* = 0,005
avh + atc = 0,225
T = 8760 (giờ/năm)
Xác định dung lượng bù tại các nút 4 và 5 nhằm giảm tổn thất
điện năng.
 66
Gợi ý:
 2 2
 Pn U dm 3 Q
 R B 10 P R
 2 2
 S dm U
RB ( ) P (MW)
 Pn (kW) Q (MVAr)
Udm (kV) R ( )
Sdm (kVA) Udm (kV)
 67
Bài 2: Cho một mạng điện 110 kV với các chiều dài đường
dây và công suất phụ tải như hình vẽ:
 N
 AC-120 AC-95
 40 km 30 km
 AC-70
 30 km
 1 2
 B1 B2
 3 4
 40 MW 30 MW
 cos = 0,8 cos = 0,8
 68
* Dây dẫn AC – 120: r0 = 0,27 ( /km)
* Dây dẫn AC – 95: r0 = 0,33 ( /km)
* Dây dẫn AC – 70: r0 = 0,46 ( /km)
* Máy biến áp B1 110/22 (kV); 31,5 (MVA); PN = 180 (kW)
* Máy biến áp B2 110/22 (kV); 20 (MVA); PN = 160 (kW)
* Thời gian tổn thất công suất cực đại: max = 5000 (giờ/năm)
 69
* Tiền đầu tư tụ điện 22 (kV): 5000 ($/MVAr)
* Tiền điện năng tổn thất: 50 ($/MWh)
* Tổn thất công suất tương đối trong tụ bù: P* = 0,005
* avh + atc = 0,225
* T = 8760 (giờ/năm)
Xác định dung lượng bù tại các nút 3 và 4 nhằm giảm tổn thất
điện năng.
 70