Bài giảng Vận hành và điều khiển hệ thống điện - Chương 4: Điều khiển điện áp trong hệ thống điện - Võ Ngọc Điều

c điện áp sao 
 cho t ổn th ất công su ất tác d ụng nh ỏ nh ất, đây là điều ki ện 
 kinh t ế. 
 - Nói chung, thì trong điều ki ện t ổn th ất v ầng quang nh ỏ 
 (do thi ết k ế ho ặc do th ời ti ết t ốt), m ức điện áp nên đượ c 
 gi ữ ở m ức cao nh ất có th ể thì, ∆P sẽ nh ỏ.
 - Nói tóm l ại, điện áp trên l ướ i h ệ th ống đượ c điều ch ỉnh 
 theo điều ki ện an toàn và kinh t ế.
 18
 9
 4. Ph ươ ng th ức điều ch ỉnh điện áp:
 Cũng gi ống nh ư h ệ th ống điều ch ỉnh t ần s ố, h ệ th ống điều 
 ch ỉnh điện áp đượ c chia làm ba c ấp:
 1. Điều ch ỉnh s ơ c ấp là quá trình đáp ứng nhanh và t ức th ời 
 các bi ến đổ i điện áp nhanh và ng ẫu nhiên b ằng tác độ ng c ủa 
 các thi ết b ị điều ch ỉnh điện áp máy phát và các máy bù t ĩnh.
 19
- Trong tr ườ ng h ợp điện áp bi ến đổ i l ớn thì các b ộ t ự độ ng điều 
áp d ướ i t ải ở các máy bi ến áp c ũng tham gia vào quá trình điều 
ch ỉnh.
- Điều ch ỉnh s ơ c ấp th ực hi ện t ự độ ng trong th ời gian r ất nhanh. 
- Điều ch ỉnh s ơ c ấp nh ằm m ục đích gi ữ điện áp l ướ i điện ở m ức 
an toàn, tránh nguy c ơ suy áp trong ch ế độ bình th ườ ng và nh ất 
là khi s ự c ố.
 20
 10
2. Điều ch ỉnh th ứ c ấp để đố i phó v ới các bi ến đổ i ch ậm và 
có biên độ l ớn c ủa điện áp. 
Điều ch ỉnh th ứ c ấp hi ệu ch ỉnh l ại các giá tr ị điện áp ch ỉ đị nh 
của các thi ết b ị điều ch ỉnh s ơ c ấp c ủa các máy phát và các 
bộ t ụ bù có điều khi ển t ự độ ng trong mi ền nó đả m nh ận.
Quá trình này k ết thúc trong vòng 3 phút.
 21
3. Điều ch ỉnh cấp 3 điều hòa mức điện áp gi ữa các mi ền
điều ch ỉnh cấp 2, tối ưu hóa mức điện áp của hệ th ống điện
theo tiêu chu ẩn kinh tế và an toàn. Quá trình này có th ể th ực
hi ện bằng tay ho ặc tự độ ng.
 22
 11
 Ba c ấp điều ch ỉnh điện áp trên đượ c phân bi ệt theo th ời 
 gian và trong không gian .
 - Theo th ời gian để tránh m ất ổn đị nh c ủa quá trình điều 
 ch ỉnh.
 - Trong không gian để có th ể chi ếu c ố ưu tiên các yêu c ầu 
 khu v ực.
 23
 5. H ệ th ống điều ch ỉnh điện áp c ấp 2
- Nguyên t ắc c ơ b ản c ủa điều ch ỉnh c ấp 2 là chia l ướ i h ệ th ống 
thành các mi ền điều ch ỉnh riêng bi ệt. 
- Trong t ừng mi ền, các ngu ồn công su ất ph ản kháng (nhà máy 
điện, b ộ t ụ bù, kháng điện) đượ c điều ch ỉnh t ự độ ng và ph ối 
hợp để gi ữ v ững m ức điện áp c ủa mi ền.
 24
 12
 Nhi ệm vụ của điều ch ỉnh này đượ c th ực hi ện bằng cách gi ữ
 điện áp ở nút hoa tiêu (nút ki ểm tra) luôn bằng giá tr ị ch ỉ
 đị nh đượ c xác đị nh theo yêu cầu của hệ th ống điện trong
 từng kho ảng th ời gian vận hành.
 25
Nút hoa tiêu đượ c ch ọn theo các điều ki ện sau:
* Nút hoa tiêu ph ải là nút đặ c tr ưng cho mi ền, s ự bi ến đổ i điện 
áp ở nút hoa tiêu ph ải t ươ ng quan v ới s ự bi ến đổ i điện áp toàn 
mi ền.
* Điều ki ện này đượ c th ỏa mãn n ếu kho ảng cách t ừ nút hoa tiêu 
đế n các nút còn l ại trong mi ền là nh ỏ.
 26
 13
*Mỗi mi ền ph ải bao gồm các tổ máy phát có kh ả năng
cung cấp đủ công su ất ph ản kháng cho yêu cầu của mi ền.
* Kho ảng cách điện gi ữa nút hoa tiêu của mi ền và các mi ền
lân cận ph ải đủ lớn để các mi ền không ảnh hưở ng đế n nhau.
Điều ki ện này nh ằm đả m bảo tính độ c lập gi ữa các mi ền.
 27
- Điện áp trên nút hoa tiêu, Up đượ c đo và chuy ển về bộ
điều khi ển mi ền 10 giây một lần đặ t tại trung tâm điều độ
mi ền.
-Tại đây nó đượ c so sánh với điện áp ch ỉ đị nh, UC và tạo
tín hi ệu ra N, là lệnh điều khi ển của mi ền và đượ c gọi là
mức của mi ền:
 1 − − '
 U c U p U c U p
 N = α dt + β (5.3)
 ∫ U U
 0 dm dm
 28
 14
Trong đó
UC : điện áp ch ỉ đị nh cần gi ữ
UP: điện áp tức th ời đo đượ c ở nút hoa tiêu
U’ P: điện áp nút hoa tiêu đượ c lọc qua 3 mẫu liên ti ếp
α: có giá tr ị sao cho 10(s) ≤ 1/α ≤ 20(s)
β: đượ c ch ọn sao cho β/α = 40
U0: điện áp ch ỉ đị nh ở stator máy phát
 29
 Sơ đồ nguyên lý h ệ th ống điều ch ỉnh c ấp 2
 30
 15
Mức N th ể hi ện nhu c ầu công su ất ph ản kháng 
của mi ền:
* N ếu N > 0 thì có ngh ĩa là thi ếu công su ất ph ản 
kháng, c ần ph ải t ăng công su ất ph ản kháng phát 
của các t ổ máy.
* N ếu N < 0 thì ng ượ c l ại các t ổ máy c ần ph ải tiêu 
th ụ công su ất ph ản kháng.
 31
N đượ c truy ền đế n b ộ điều ch ỉnh công su ất ph ản 
kháng c ủa t ừng t ổ máy phát điện theo đườ ng dãy 
liên l ạc. 
Tr ướ c khi đi vào b ộ điều ch ỉnh mi ền, N đượ c nhân 
với h ệ s ố tham gia c ủa t ổ máy Q r, h ệ s ố này b ằng 
kho ảng 1,4 l ần công su ất ph ản kháng đị nh m ức 
của t ổ máy.
 32
 16
-Sự sai khác gi ữa N.Q r và công su ất ph ản kháng 
đang phát c ủa t ổ máy Q đượ c s ử d ụng để hi ệu 
ch ỉnh giá tr ị ch ỉ đị nh U 0 của b ộ điều ch ỉnh kích t ừ
- Tín hi ệu điều ch ỉnh đượ c đư a vào b ộ điều ch ỉnh 
kích t ừ sao cho đáp ứng đượ c t ốc độ bi ến đổ i 
trung bình c ủa dòng kích t ừ là 1,5% I kđm.
 33
Mi ền điều ch ỉnh điện áp và nút hoa tiêu đượ c 
xác đị nh nh ư sau:
* Tr ướ c h ết tính công su ất ng ắn m ạch cho m ọi 
nút, nh ững nút có công su ất ng ắn m ạch l ớn nh ất 
là nút có kh ả n ăng làm nút hoa tiêu.
 34
 17
- Sau đó gi ải tích l ướ i điện, trong m ỗi l ần gi ải tích đặ t 
ngu ồn điện áp vào m ột trong nh ững nút có kh ả n ăng
-Lướ i còn l ại đượ c thay b ằng t ổng tr ở c ố đị nh.
- Tính t ổn th ất điện áp gi ữa nút hoa tiêu và các nút 
còn l ại.
- Sau khi tính l ần l ượ t cho t ất c ả các nút hoa tiêu, 
nghiên c ứu t ổn th ất điện áp đã tính có th ể xác đị nh 
cho m ỗi nút m ột nút hoa tiêu g ần nh ất.
 35
 -Từ đó xác đị nh đượ c mi ền điều ch ỉnh điện áp và 
 nút hoa tiêu.
 Mi ền này bao g ồm các nút có chung nút hoa tiêu 
 gần nh ất.
 36
 18
7. Mô hình tính toán điều ch ỉnh t ối ưu 
 điện áp trong v ận hành HT Đ:
Hàm m ục tiêu:
-Mục tiêu là gi ảm thi ểu t ổn th ất công su ất tác 
dụng trong h ệ th ống điện.
-Tổn th ất công su ất trên l ướ i h ệ th ống đượ c th ể 
hi ện nh ư sau:
 ∆P = ∑ I 2 R
 (l ấy cho t ất c ả các đườ ng dây) 
 37
 -Nếu nhánh ( đườ ng dây) k có nút đầ u là i, 
 nút cu ối là j thì:
 = 2 − ( θ − θ )
Pji U j gij U iU j gij cos ij bij sin ij
 = − 2 ( + )− ( θ − θ )
Qij U i bij 0 bij U iU j gij sin ij bij cos ij
 38
 19
-Tổn th ất công su ất tác d ụng trên nhánh k là 
tổng đạ i s ố c ủa công su ất P ij và P ji :
∆ = + = 2 + 2 − θ
 Pij Pij Pji U i gij U jg ij 2U iU jg ij cos ij
∆ = ()2 + 2 − θ
 Pij Gk U i U j 2U iU j cos ij
Gk = g ij là ph ần th ực c ủa t ổng d ẫn c ủa đườ ng 
dây k
 39
 - 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 − θ )
 PL ∑Gk U i U j 2U iU j cos ij
 k
 Hoaëc vieát caùch khaùc:
 = ( 2 − θ )
 PL ∑ ∑ gij U i U iU 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
 40
 20
* Caùc bieán ñieàu khieån: 
 - Toån thaát coâng suaát taùc duïng phuï thuoäc vaøo:
 * Phaân boá coâng suaát phaûn khaùng treân löôùi heä thoáng.
 41
- 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
 42
 21
 Caùc bieán naøy taùc ñoäng ñeán:
 - ñieän aùp caùc nuùt taûi Ui
 θ
 - goùc pha ij
 
 laøm cho toån thaát coâng suaát taùc duïng thay ñoåi.
 43
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.
 44
 22
 * Caùc raøng buoäc: 
 Caùc raøng buoäc laø caân baèng coâng suaát taùc duïng
 vaø coâng suaát phaûn khaùng trong toaøn heä thoáng
 ñieän.
 45
 * 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.
 46
 23
- Bài toán tối ưu hóa tổn th ất công su ất tác dụng ph ải đượ c gi ải
sau khi đã gi ải bài toán phân bố tối ưu công su ất trên hệ th ống
điện.
- Sau đó khi gi ải bài toán tối ưu hóa tổn th ất công su ất tác dụng
với gi ả thi ết: góc pha của điện áp không đổ i, công su ất tác
dụng nút không đổ i.
- Hai bài toán này đượ c gi ải liên ti ếp theo vòng kín cho đế n khi
kết qu ả hội tụ.
 47
 Điều ch ỉnh điện áp máy phát và 
 phân ph ối công su ất ph ản kháng
 -Hệ th ống kích từ máy phát có nhi ệm vụ duy trì điện áp
 máy phát và dòng công su ất ph ản kháng.
 -Hệ th ống kích từ cổ điển đượ c cấp điện thông qua vòng
 tr ượ t và ch ổi than từ máy phát điện, do gắn cùng tr ục với
 rôto của máy phát điện đồ ng bộ.
 48
 24
Đố i với hệ th ống kích từ hi ện đạ i thông th ườ ng sử dụng
máy phát điện AC với bộ ch ỉnh lưu quay và đượ c gọi là
hệ th ống kích từ không ch ổi than .
 49
- Nh ư chúng ta đã bi ết, một sự thay đổ i về công su ất th ực
sẽ ảnh hưở ng nghiêm tr ọng đế n tần số, trái lại một sự
thay đổ i về công su ất ph ản kháng ch ỉ ảnh hưở ng đế n
biên độ điện áp .
-Sự tác độ ng qua lại gi ữa vi ệc điều khi ển điện áp và tần số
thì rất yếu nên ta sẽ phân tích vi ệc điều khi ển điện áp riêng
bi ệt với phân tích điều khi ển tần số.
 50
 25
 Một trong nh ững bi ện pháp của vi ệc điều khi ển công su ất
 ph ản kháng là điều khi ển hệ th ống kích từ máy phát dùng
 thi ết bị tự độ ng điều ch ỉnh điện áp (Automatic Voltage
 Regulator – AVR).
 Vai trò của thi ết bị tự độ ng điều ch ỉnh điện áp là gi ữ biên
 độ điện áp đầ u cực của máy phát ở giá tr ị đị nh mức.Sơ
 đồ của một thi ết bị tự độ ng điều ch ỉnh điện áp đượ c đơ n
 gi ản hoá ở hình sau.
 51
Sơ đồ đơ n gi ản hóa c ủa thi ết b ị t ự độ ng điều ch ỉnh điện áp (AVR)
 52
 26
- Khi tải công su ất ph ản kháng của máy phát tăng lên sẽ kèm
theo sự gi ảm biên độ điện áp đầ u cực.
- Biên độ điện áp đượ c cảm nh ận thông qua một máy bi ến
điện th ế trên một pha. Điện áp này đượ c ch ỉnh lưu và so sánh
với tín hi ệu đặ t DC.
 53
-Bộ khuy ếch đạ i tín hi ệu sai lệch điều khi ển từ tr ườ ng của bộ
kích từ và làm tăng điện áp đầ u cực của bộ kích từ.
- Vì vậy, dòng điện kích từ máy sẽ đượ c tăng lên và kết qu ả là
làm tăng sức điện độ ng không tải của máy phát.
-Sự phát công su ất ph ản kháng đượ c tăng lên đế n một điểm
cân bằng mới, tăng điện áp đầ u cực đế n một giá tr ị mong mu ốn.
 54
 27
 Mô hình c ủa b ộ khuy ếch đạ i
 Bộ khuy ếch đạ i của hệ th ống kích từ có th ể là bộ khuy ếch
 đạ i từ, bộ khuy ếch đạ i quay ho ặc bộ khuy ếch đạ i điện tử
 hi ện đạ i.Bộ khuy ếch đạ i đượ c đặ c tr ưng bởi một độ lợi, KA
 τττ
 và một hằng số th ời gian, A và hàm truy ền đạ t là:
 55
 V (s) K
 R = A
 +τ
 Ve (s) 1 A s
- Các giá tr ị đặ c tr ưng của KA nằm trong kho ảng từ 10 đế n
400 .
 τ
-Hằng số th ời gian của bộ khuy ếch đạ i, A thì rất nh ỏ, nằm
trong kho ảng từ 0,02 đế n 0,1 và th ườ ng đượ c bỏ qua.
 56
 28
 Mô hình c ủa b ộ kích t ừ
Có rất nhi ều hệ th ống kích từ khác nhau.
Tuy nhiên, các hệ th ống kích từ hi ện đạ i th ườ ng sử dụng
ngu ồn điện AC thông qua bộ ch ỉnh lưu vi điện tử nh ư SCR.
 57
Một mô hình tiêu bi ểu của bộ kích từ hi ện đạ i là mô hình
tuy ến tính đượ c đư a vào tính toán với một hằng số th ời gian
chính và bỏ qua sự bảo hòa hay sự không tuy ến tính khác. Ở
dạng đơ n gi ản nh ất, hàm truy ền đạ t của một bộ kích từ hi ện
 τττ
đạ i có th ể đượ c đặ c tr ưng bởi một hằng số th ời gian E và
một độ lợi KE, nghiã là:
 VF ()s = K E
 +τ
 VR ()s 1 E s
 Hằng s ố th ời gian c ủa các b ộ kích t ừ hi ện đạ i r ất nh ỏ.
 58
 29
 Mô hình c ủa máy phát
-Sức điện độ ng không tải của máy điện độ ng bộ là một hàm của
đườ ng cong từ hóa máy điện và điện áp đầ u cực ph ụ thu ộc
vào tải của máy phát.
- Trong mô hình tuy ến tính, hàm truy ền đạ t liên hệ gi ữa điện áp
đầ u cực máy phát và điện áp kích từ có th ể đượ c bi ểu di ễn
 τττ
bởi một độ lợi KG và hằng số th ời gian G, khi ấy:
 59
 V ()s K
 t = G
 +τ
 VF ()s 1 G s
 - Các hằng số này ph ụ thu ộc vào tải
 - KG có giá tr ị từ 0,7 đế n 1
 τ
 - G có giá tr ị nằm trong kho ảng từ 1,0 đế n 2,0 giây từ lúc
 tải đị nh mức đế n khi không tải.
 60
 30
 Mô hình c ủa b ộ c ảm bi ến
Điện áp đượ c cảm bi ến thông qua một máy bi ến điện áp và nó
đượ c ch ỉnh lưu thông qua một cầu ch ỉnh lưu.
Bộ cảm bi ến đượ c mô hình bởi một hàm truy ền bậc nh ất đơ n
gi ản, xác đị nh bởi:
 61
 Vt ()s = K R
 +τ
 V ()s 1 R s
τ τ
 R có giá tr ị rất nh ỏ và chúng ta có th ể gi ả sử rằng R có giá
tr ị nằm trong kho ảng từ 0,01 đế n 0,06 giây .
 62
 31
Sử dụng mô hình trên ta có một sơ đồ kh ối của hệ th ống tự
độ ng điều ch ỉnh điện áp (AVR) nh ư sau:
 Sơ đồ kh ối đơ n gi ản c ủa 
 thi ết b ị t ự độ ng điều ch ỉnh điện áp (AVR)
 63
Hàm truy ền vòng kín th ể hi ện mối quan hệ gi ữa điện áp đầ u
cực máy phát Vt(s) và điện áp chu ẩn Vref (s) là:
 V ()s K K K K 1( +τ s)
 t = A E G R R
 +τ +τ +τ +τ +
 Vref ()s 1( A s)(1 E s)(1 G s)(1 R s) K A K E K G K R
 64
 32
 8. Bài t ập
 Bài 1: Cho một mạng điện 110 kV với các chi ều dài đườ ng
 dây và công su ất ph ụ tải nh ư 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)
 65
 Ω
* Dây dẫn AC – 185: r0 = 0,17 ( /km)
 Ω
* Dây dẫn AC – 95: r0 = 0,33 ( /km)
 ∆
* Máy bi ến áp B1 110/22 (kV); 31,5 (MVA); PN = 200 (kW)
 ∆
* Máy bi ến áp B2 110/22 (kV); 20 (MVA); PN = 163 (kW)
 τ
* Th ời gian tổn th ất công su ất cực đạ i: max = 5500 (gi ờ/n ăm)
 66
 33
Ti ền đầ u tư tụ điện 22 kV: 5000 ($/MVAr)
Ti ền điện năng tổn th ất: 50 ($/MWh)
Tổn th ất công su ất tươ ng đố i trong tụ bù: ∆P* = 0,005
avh + atc = 0,225
T = 8760 (gi ờ/n ăm)
Xác đị nh dung lượ ng bù tại các nút 4 và 5 nh ằm gi ảm tổn th ất
điện năng.
 67
Gợi ý:
 ∆P U 2 Q 2
 R = n dm 10 3 ∆P = R
 B 2 2
 Sdm U
 Ω
RB ( ) ∆P (MW)
∆
 Pn (kW) Q (MVAr)
Udm (kV) R (Ω)
Sdm (kVA) Udm (kV)
 68
 34
 Bài 2: Cho một mạng điện 110 kV với các chi ều dài đườ ng
 dây và công su ất ph ụ tải nh ư 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 ϕ = 0,8 cos ϕ = 0,8
 69
 Ω
* Dây dẫn AC – 120: r0 = 0,27 ( /km)
 Ω
* Dây dẫn AC – 95: r0 = 0,33 ( /km)
 Ω
* Dây dẫn AC – 70: r0 = 0,46 ( /km)
 ∆
* Máy bi ến áp B1 110/22 (kV); 31,5 (MVA); PN = 180 (kW)
 ∆
* Máy bi ến áp B2 110/22 (kV); 20 (MVA); PN = 160 (kW)
 τ
* Th ời gian tổn th ất công su ất cực đạ i: max = 5000 (gi ờ/n ăm)
 70
 35
* Ti ền đầ u tư tụ điện 22 (kV): 5000 ($/MVAr)
* Ti ền điện năng tổn th ất: 50 ($/MWh)
*Tổn th ất công su ất tươ ng đố i trong tụ bù: ∆P* = 0,005
* avh + atc = 0,225
* T = 8760 (gi ờ/n ăm)
Xác đị nh dung lượ ng bù tại các nút 3 và 4 nh ằm gi ảm tổn th ất
điện năng.
 71
 36