Bài giảng Vận hành và điều khiển hệ thống điện - Chương 4.2: Điều khiển điện áp trong hệ thống điện - Võ Ngọc Điều

u 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.
32
- 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.
17
33
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.
34
- 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.
18
35
- 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.
36
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:
(lấy cho tất cả các đường dây) 
∑=∆ RIP 2
19
37
- Nếu nhánh (đường dây) k có nút đầu là i, 
nút cuối là j thì:
( )ijijijijjiijjji bgUUgUP θθ sincos2 −−=
( ) ( )ijijijijjiijijiij bgUUbbUQ θθ cossin02 −−+−=
38
-Tổn thất công suất tác dụng trên nhánh k là 
tổng đại số của công suất Pij và Pji:
Gk = gij là phần thực của tổng dẫn của đường 
dây k
( )ijjijikij
ijijjiijjijijiijij
UUUUGP
gUUgUgUPPP
θ
θ
cos2
cos2
22
22
−+=∆
−+=+=∆
20
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:
Hoaëc vieát caùch khaùc:
Vôùi:
i laáy cho taát caû caùc nuùt keå caû nuùt caân baèng;
j laáy cho taát caû caùc nuùt nhöng khaùc i
( )∑ −+=
k
ijjijikL UUUUGP θcos222
( )∑∑ −=
j
ijjiiij
i
L UUUgP θcos2
40
- Toån thaát coâng suaát taùc duïng phuï thuoäc vaøo:
* Phaân boá coâng suaát phaûn khaùng treân löôùi heä thoáng.
* Caùc bieán ñieàu khieån: 
21
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
Caùc bieán naøy taùc ñoäng ñeán:
- ñieän aùp caùc nuùt taûi Ui
- goùc pha θij

 laøm cho toån thaát coâng suaát taùc duïng thay ñoåi.
22
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
Caùc raøng buoäc laø caân baèng coâng suaát taùc duïng
vaø coâng suaát phaûn khaùng trong toaøn heä thoáng
ñieän.
* Caùc raøng buoäc: 
23
45
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.
* Caùc giôùi haïn: 
46
- 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.
24
47
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.
48
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.
25
49
- 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.
50
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.
26
51
Sơ đồ đơn giản hóa của thiết bị tự động điều chỉnh điện áp (AVR)
52
- 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.
27
53
- 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.
54
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, τA và hàm truyền đạt là:
Mô hình của bộ khuyếch đại
28
55
s
K
sV
sV
A
A
e
R
τ+
=
1)(
)(
- Các giá trị đặc trưng của KA nằm trong khoảng từ 10 đến
400.
- Hằng số thời gian của bộ khuyếch đại, τA thì rất nhỏ, nằm
trong khoảng từ 0,02 đến 0,1 và thường được bỏ qua.
56
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.
29
57
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 τE và
một độ lợi KE, nghiã là:
s
K
sV
sV
E
E
R
F
τ+
=
1)(
)(
Hằng số thời gian của các bộ kích từ hiện đại rất nhỏ.
58
- 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 τG, khi ấy:
Mô hình của máy phát
30
59
s
K
sV
sV
G
G
F
t
τ+
=
1)(
)(
- Các hằng số này phụ thuộc vào tải
- KG có giá trị từ 0,7 đến 1
- τG có giá trị nằm trong khoảng từ 1,0 đến 2,0 giây từ lúc
tải định mức đến khi không tải.
60
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:
31
61
s
K
sV
sV
R
Rt
τ+
=
1)(
)(
τR có giá trị rất nhỏ và chúng ta có thể giả sử rằng τR có giá
trị nằm trong khoảng từ 0,01 đến 0,06 giây.
62
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)
32
63
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:
RGEARGEA
RRGEA
ref
t
KKKKssss
sKKKK
sV
sV
+++++
+
= )1)(1)(1)(1(
)1(
)(
)(
ττττ
τ
64
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
AC-185; 30km AC-95; 20km
4 5
B1 B2
110 kV
22 kV 22 kV
20 +j15 (MVA) 15 +j15 (MVA)
33
65
* Dây dẫn AC – 185: r0 = 0,17 (Ω/km)
* Dây dẫn AC – 95: r0 = 0,33 (Ω/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: τmax = 5500 (giờ/năm)
66
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.
34
67
Gợi ý:
3
2
2
10
dm
dmn
B S
UP
R
∆
=
RB (Ω)
∆Pn (kW)
Udm (kV)
Sdm (kVA)
R
U
Q
P 2
2
=∆
∆P (MW)
Q (MVAr)
R (Ω)
Udm (kV)
68
Bài 2: Cho một mạng điện 110 kV với các chiều dài đường
dây và công suất phụ tải như hình vẽ:
AC-120
40 km
AC-95
30 km
N
AC-70
30 km
1 2
3 4
B1 B2
40 MW
cosϕ = 0,8
30 MW
cosϕ = 0,8
35
69
* Dây dẫn AC – 120: r0 = 0,27 (Ω/km)
* Dây dẫn AC – 95: r0 = 0,33 (Ω/km)
* Dây dẫn AC – 70: r0 = 0,46 (Ω/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: τmax = 5000 (giờ/năm)
70
* 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.