Tính hiệu quả của việc sử dụng thiết bị facts để nâng cao ổn định điện áp cho hệ thống điện có hai nguồn

ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology38 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017
TÍNH HIỆU QUẢ CỦA VIỆC SỬ DỤNG THIẾT BỊ FACTS
ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ HAI NGUỒN
Trần Thị Ngoạt1, Lê Ngọc Giang2, Nguyễn Thị Khánh1, Vũ Thị Tựa1
1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
2 Học viện Phòng Không - Không Quân
Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 17/09/2017
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 20/10/2017
Ngày bài báo được chấp nhận đăng: 02/11/2017
Tóm tắt:
Trong những năm gần đây, nhu cầu điện năng đã tăng lên đáng kể trong khi sự phát triển về nguồn 
và đường dây truyền tải điện thì bị hạn chế do nguồn đầu tư hạn hẹp và yêu tố môi trường. Do đó, một số 
đường dây truyền tải đã bị quá tải nặng nề và sự ổn định của hệ thống trở thành một yếu tố không thể kiểm 
soát được. Bộ thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) được sử dụng cho việc truyền tải dòng 
điện xoay chiều, nâng cao khả năng điều khiển hệ thống điện và tăng khả năng truyền tải công suất trên 
đường dây. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây cho thấy các bộ điều khiển FACTS có thể được sử dụng để 
tăng cường tính ổn định của hệ thống điện bên cạnh chức năng chính của việc kiểm soát dòng điện truyền 
tải. Bài báo trình bày một giải pháp nâng cao ổn định cho hệ thống điện gồm hai nguồn sử dụng các thiết 
bị FACTS.
Từ khoá: FACTS, SVC, STATCOM, ổn định hệ thống điện, ổn định điện áp.
1. Giới thiệu
Những năm gần đây, cùng với sự phát triển 
của khoa học công nghệ, điện năng ngày càng đóng 
vai trò quan trọng trong tất cả các ngành kinh tế. 
Sự phát triển của nhu cầu tiêu thụ điện năng đánh 
giá sự phát triển của xã hội và nâng cao đời sống 
của một vùng, một quốc gia. Do đó, hệ thống điện 
cũng ngày càng phát triển cả về quy mô lẫn công 
nghệ. Ngày nay đã hình thành nhiều hệ thống điện 
lớn trong phạm vi quốc gia hoặc liên quốc gia. Sự 
xuất hiện nhiều nhà máy nhiệt điện, thủy điện làm 
cho việc vận hành hệ thống điện trở nên phức tạp, 
đặc biệt là vấn đề về đồng bộ cũng như tính ổn định 
của hệ thống. Theo Kundur “Ổn định của hệ thống 
điện là khả năng duy trì một điểm làm việc cân bằng 
trong điều kiện làm việc bình thường, và sau khi 
chịu một kích động với các thông số hệ thống thay 
đổi trong phạm vi cho phép để chế độ xác lập của 
hệ thống được bảo tồn” [1]. Sự ổn định của hệ thống 
được đánh giá bởi các dạng ổn định sau: ổn định tần 
số, ổn định điện áp, và ổn định góc lệch rotor của 
máy phát [2]. Bài báo này nghiên cứu ứng dụng các 
thiết bị FACTS vào hệ thống điện nhằm nâng cao 
khả năng ổn định cho hệ thống cũng như tránh hiện 
tượng tan rã hệ thống. 
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ 
chế tạo thiết bị điện tử công suất và vi xử lý, đã và 
đang có tác động rất lớn đến các thiết bị được sử 
dụng để vận hành hệ thống điện. Các thiết bị điện 
tử công suất lớn và vi xử lý đã làm cho việc truyền 
tải và phân phối điện năng ngày càng tin cậy, khả 
năng điều khiển cao và đạt được hiệu quả như mong 
muốn [3]. Thuật ngữ hệ thống truyền tải điện xoay 
chiều linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission 
System) đã dần trở nên quen thuộc hơn. Với công 
nghệ FACTS cho phép chúng ta điều khiển được 
dòng công suất, tăng cường khả năng truyền tải giữa 
các vùng với nhau và giảm thiểu các dao động trong 
hệ thống [4].
Nội dung của bài báo gồm: giới thiệu tóm 
tắt về các thiết bị FACTS và khả năng ứng dụng 
của chúng trong hệ thống điện. Xây dựng sơ đồ mô 
phỏng cho một hệ thống điện gồm hai nguồn và 
phân tích hiệu quả khi lắp đặt các thiết bị FACTS. 
Cuối cùng là kết luận.
2. Họ các thiết bị FACTS và khả năng ứng dụng 
của chúng
2.1. Họ các thiết bị FACTS
Các thiết bị FACTS bao gồm: 
Load tap changer (LTC): Thiết bị điều chỉnh 
nấc phân áp máy biến áp, thiết bị này có thể xem 
xét là một thiết bị FACTS khi nó được điều khiển 
bằng Thyristor.
Thyristor controller reactor (TCR): thiết bị 
điều chỉnh cuộn kháng, TCR điều chỉnh dòng điện 
chạy qua cuộn bằng Thyristor dựa trên nguyên tắc 
điều chỉnh góc mở của Thyristor.
Thyristor controller series capacitor (TCSC): 
Thyristor điều khiển tụ nối tiếp, nó hiệu chỉnh tổng 
trở của mạng điện.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 39
Static compensator (STATCOM): thiết bị bù 
đồng bộ tĩnh là một trong các thiết bị điều khiển 
FACTS cơ bản nhất. Thiết bị này hoạt động dựa trên 
bộ biến đổi dòng điện hoặc điện áp.
Static Synchoronous Series Compensators 
(SSSC): thiết bị bù tĩnh nối tiếp đồng bộ, thiết bị 
SSSC hoạt động không cần nguồn riêng, điều chỉnh 
dòng điện trên đường dây làm thay đổi điện áp 
đặt lên trên đường dây, từ đó điều khiển công suất 
truyền.
Unified Power Flow Controller (UPFC): 
thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất, là sự 
kết hợp giữa thiết bị bù tĩnh STATCOM và thiết 
bị SSSC để điều chỉnh dòng công suất tác dụng và 
phản kháng truyền trên đường dây.
Static Var Compensator (SVC): sử dụng để 
duy trì hoặc điều chỉnh một số thông số cụ thể của 
hệ thống điện, chẳng hạn như điện áp của một nút.
High-voltage direct-curren (HVDC): hệ 
thống truyền tải điện một chiều cao áp, đây là bộ 
điều khiển bao gồm trạm chỉnh lưu và trạm biến 
đổi, được kết nối với nhau như một “bộ đệm” - 
(back to back) hoặc cáp điện một chiều. Bộ biến đổi 
có thể có sử dụng Thyristor hoặc các thiết bị bán 
dẫn như GTOs, IGBTs.
2.2. Ứng dụng của các thiết bị FACTS
Các thiết bị FACTS cho phép thay đổi các 
tham số liên quan đến vận hành hệ thống bao gồm 
điện kháng đường dây, điện áp, dòng điện, góc pha 
và các dao động ở các tần số khác so với tần số 
cơ bản. Các thông số này được điều chỉnh không 
được vượt quá giá trị cho phép trong khi vẫn duy 
trì được độ ổn định của hệ thống, nói cách khác là 
không làm giảm khả năng truyền tải của đường dây. 
Bằng cách thêm vào các thiết bị có tính linh hoạt 
cao, thiết bị FACTS có thể cho phép một đường dây 
truyền tải đến sát giới hạn nhiệt của nó. Công nghệ 
FACTS không phải là một thiết bị điều khiển công 
suất lớn riêng rẽ mà là một tập hợp nhiều thiết bị 
điều khiển, có thể được sử dụng độc lập hoặc kết 
hợp với nhau để điều chỉnh một hay nhiều các tham 
số hệ thống đã đề cập ở trên. Việc lựa chọn thiết bị 
FACTS phù hợp có thể giải quyết được những hạn 
chế truyền tải trên đường dây do cấu trúc vật lý của 
dây dẫn và nâng cao được ổn định hệ thống điện mà 
các yếu tố quyết định của nó là ổn định tần sô; ổn 
định điện áp và ổn định góc lệch của roto máy phát.
Việc ứng dụng các thiết bị FACTS vào hệ 
thống điện trong thời gian gần đây cho thấy HVDC, 
SVC, STATCOM là những thiết bị được sử dụng 
rất hiệu quả. Trong bài báo này nhóm tác giả sẽ mô 
phỏng hiệu quả nâng cao ổn định hệ thống điện của 
hai thiết bị đại diện là SVC và STATCOM cho một 
hệ thống điện gồm hai nguồn được nối với nhau qua 
một đường dây liên kết.
3. Ổn định hệ thống điện hai nguồn dùng SVC 
và STATCOM
Xem xét một hệ thống điện gồm 2 nguồn ở 
2 vùng (vùng 1 & vùng 2), được kết nối bởi một 
đường truyền dài như Hình 1. Hướng dòng công 
suất từ vùng 1 đến vùng 2. Đường truyền được chia 
thành hai phần (đoạn 1 và đoạn 2). Trên đường 
truyền đặt 3 thanh góp B
1
, B
2
, B3 theo khoảng cách 
B
1
B
2
 = L
1
, B
2
B3 = L2.
Vùng 1 Vùng 2 
 B1 B2 B3 
 L1 L2 
Đoạn 1 Đoạn 2 
SVC 
STATCOM 
Hình 1. Hệ thống điện gồm hai nguồn
Các thông số của hệ thống điện được sử 
dụng trong mô hình như sau:
Thông số máy phát: M
1
 = 1500MVA, M
2
 = 
1000MVA, V = 13,8kV, f = 50Hz, X
d
 = 1,305Ω, 
X
d
1 = 0,296Ω, X
d
// = 0,255Ω, Xq = 0,474Ω, X
q
// = 
0,243Ω, X
1
 = 0,18Ω
Thông số biến áp: T1 = 1500MVA, T2 = 
1000MVA, 13,8/500kV, R2 = 0,002Ω, L2 = 0,12H, 
R
m
 = 500Ω, X
m
 = 5000Ω.
Thông số đường dây cho mỗi km:
R1 = 0,1755Ω, R0 = 0,2758 Ω, L1 = 0,8737mH, 
L
0
 = 3,22mH, C1 = 13,33nF, Co = 8,297nF.
Trong quá trình truyền tải điện, hệ thống 
được ổn định nhờ SVC hoặc Statcom với các thông 
số sau:
Thông số của SVC: 500kV, ±100 MVAr, T
d
 = 
4ms, V
ref
 = 1, X
s
 = 0,03, K
p
 = 3, K
i
 = 500.
Thông số của STATCOM: 500kV, 
±100MVAr, R = 0,071Ω, L = 0,22, V
dc
 = 40kV, C
dc
= 375µF, V
ref
 = 1,0, K
p
 = 50, K
i
 = 1000.
Hệ thống hai nguồn được đề xuất với hai 
máy phát điện thủy lực là 1500 MVA và 1000 MVA 
kết nối qua đường dây truyền tải dài 600 km như 
trong Hình 2. Hai máy phát này được trang bị tua-
bin thủy điện và HTG, hệ thống kích hoạt và bộ ổn 
định hệ thống điện (PSS). Đầu ra công suất ban đầu 
của máy phát là P
ref1
 = 0,7pu và P
ref2
 = 0,8pu. Cả 
SVC và STATCOM sử dụng cho mô hình này có 
cùng công suất ±100 MVA và điện áp tham chiếu 
được đặt là 1pu cho cả SVC và STATCOM. Một 
lỗi ba pha xảy ra ở thanh góp B
1
 trong khoảng thời 
gian từ 0,5s÷1s.
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology40 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017
Hình 2. Sơ đồ mô phỏng của hệ thống điện khảo sát trong Matlab-Simulink
Để minh họa hiệu quả của STATCOM, tải 
trong mỗi vùng được thay đổi để quan sát SVC và 
STATCOM duy trì công suất trong khoảng 1±0,05pu
Chế độ 100% tải:
Tải 1 có P = 1000 MW, Q = 200 MVAr
Tải 2 có P = 1500 MW, Q = 500 MVAr
Chế độ 75% tải:
Tải 1 có P = 750 MW, Q = 140 MVAr
Tải 2 có P = 1125 MW, Q = 375 MVAr
Chế độ 50% tải:
Tải 1 có P = 500 MW, Q = 100 MVAr
Tải 2 có P = 750 MW, Q = 250 MVAr
Kết quả mô phỏng như sau:
Bảng 1. Điện áp các thanh góp trong các chế độ khi hệ thống chưa được kết nối thiết bị bù
V1 (pu) V2 (pu) V3 (pu)
50% 75% 100% 50% 75% 100% 50% 75% 100%
1,065 0,9747 0,9289 1,066 0,9692 0,9208 1,064 0,975 0,9298
Hình 3. Điện áp các thanh góp trong chế độ 50% tải 
khi hệ thống chưa kết nối thiết bị bù
Hình 4. Điện áp các thanh góp trong chế độ 100% 
tải khi hệ thống chưa kết nối thiết bị bù
Từ đó các tác giả đề xuất đặt thiết bị FACTS 
tại thanh góp B2 để có thể nâng điện áp các thanh 
góp (đặc biệt thanh góp B2) ở chế độ quá tải, và 
giảm điện áp các thanh góp (đặc biệt thanh góp B2) 
ở chế độ non tải.
Bảng 2. Điện áp các thanh góp trong các chế độ khi hệ thống có và không kết nối thiết bị bù
V1(pu) V2(pu) V3(pu)
Chế độ 50% 75% 100% 50% 75% 100% 50% 75% 100%
Không bù 1,065 0,9747 0,9289 1,066 0,9692 0,9208 1,064 0,975 0,9298
SVC 1,030 0,9875 0,9572 1,027 0,9861 0,9536 1,031 0,9897 0,9597
Statcom 1,024 0,9885 0,9588 1,022 0,9869 0,9555 1,021 0,9898 0,9598
Như vậy khi hệ thống được kết nối thiết bị 
bù, điện áp tất cả các thanh góp đều nằm trong giới 
hạn cho phép, từ 0,95pu đến 1,05pu, ở tất cả các 
chế độ tải.
Điện áp trên thanh góp B2 trong các chế độ 
khác nhau khi hệ thống chưa được bù, được bù bởi 
SVC và STATCOM.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 41
Hình 5. Điện áp thanh góp B2 trong các chế độ
Như vậy khi hệ thống chưa được kết nối 
thiết bị bù, điện áp trên thanh góp B2 thay đổi rất 
nhanh khi thay đổi các chế độ tải. Điện áp trên 
thanh góp B2 ổn định hơn khi hệ thống được kết 
nối với STATCOM so với khi hệ thống được kết 
nối với SVC.
Giả thiết trong khoảng thời gian từ 0,4 đến 
0,5 giây xảy ra lỗi chạm đất pha A.
Hình 6. Điện áp thanh góp B2 khi xảy ra lỗi chạm đất pha A, có và không có bù
Ta thấy, điện áp thanh góp B2 sẽ bị dao 
động khi hệ thống chưa được kết nối thiết bị bù. 
Khi được bù bằng SVC, đến thời điểm 1,25 giây 
điện áp thanh góp B2 sẽ được ổn định. Khi được 
bù bằng STATCOM, điện áp thanh góp B2 được ổn 
định sớm hơn vào thời điểm 1 giây. Trong thời gian 
xảy ra lỗi lưới, STATCOM có tác dụng duy trì điện 
áp lưới bị sụt nhỏ nhất.
Hình 7 cho thấy, khi xảy ra lỗi chạm đất pha 
A, góc roto sẽ bị dao động mạnh nếu hệ thống chưa 
được kết nối thiết bị bù. Khi được bù bằng SVC, 
và STATCOM biên độ dao động của góc quay roto 
giảm đi rất nhiều. Điều đó đảm bảo cho lưới điện 
hoạt động ổn định.
Hình 7. Dao động của góc quay roto xảy ra lỗi chạm đất pha A
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology42 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017
4. Kết luận
Bài báo đã chứng minh tính hiệu quả của 
thiết bị FACTS để cải thiện sự ổn định tức thời 
trong hệ thống điện hai nguồn tại các vị trí khác 
nhau của thiết bị này trong đường truyền. Bài báo 
cũng chỉ ra rằng khi có một hướng định trước của 
dòng công suất, các thiết bị FACTS cần được đặt ở 
trung tâm để đạt được lợi ích tối đa. Kết quả cũng 
cho thấy STATCOM có tác dụng duy trì điện áp 
trên đường truyền ổn định hơn so với SVC. Đặc 
biệt STATCOM còn nâng cao khả năng vượt qua 
các sự cố xảy ra trên lưới điện.
Tài liệu tham khảo
[1]. Lã Văn Út, “Phân tích và điều khiển ổn định hệ thống điện”, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 
năm 2001. 
[2]. Dr. Prabha, S. Kundur, “Power System Stability and Control”, 2011.
[3]. Hingorani, N. Gyugyi, L., “Understanding FACTS: Concepts and Technology of Flexible AC 
Transmission System”, IEEE PRESS, 2000. 
[4]. Sybille, G.; Giroux, P., “Simulation of FACTS Controllers using the MATLAB Power System 
Blockset and Hypersim Real-Time Simulator”, IEEE PES, Panel Session Digital Simulation of 
FACTS and Custom-Power Controllers Winter Meeting, New York, January 2002, pp. 488–491.
THE EFFECTIVENESS OF USING FACTS EQUIPMENT
TO IMPROVE THE VOLTAGE STABILITY FOR TWO-SOURCE POWER SYSTEMS
Abstract:
In recent years, power demand has increased substantially while the expansion of power generation 
and transmission has been severely limited due to limited resources and environmental restrictions. As 
a consequence, some transmission lines are heavily loaded and the system stability becomes a power 
transfer-limiting factor. Flexible AC transmission systems (FACTS) controllers have been mainly used for 
solving various power system steady state control problems. However, recent studies reveal that FACTS 
controllers could be employed to enhance power system stability in addition to their main function of power 
flow control. This paper presents the solution of a stabilise for your systems including two sources using 
FACTSs device.
Keywords: FACTS, SVC, STATCOM, power system stability, voltage stability.