Bài giảng Hệ thống điên - Điều khiển điện áp trong hệ thống điện - Nguyễn Đức Huy

1ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Mục đích điều chỉnh điện áp
 Điện áp tại các nút máy phát và phụ tải được duy trì trong phạm vi lâu 
dài cho phép
 Duy trì ổn định điện áp
 Giảm thiểu trào lưu công suất phản kháng (giảm tổn thất RI2 và XI2)
1
2Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Mục đích điều chỉnh điện áp
 Tổn hao CSPK theo mức mang tải của đường dây truyền tải
2
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Các phương tiện phát và tiêu thụ CSPK
 Máy phát điện
 Đầu phân áp các máy biến áp
 Tụ bù và kháng bù ngang
 Tụ bù dọc
 Các thiết bị FACTS
3
3Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Máy phát điện
 Sơ đồ véc tơ điều khiển điện áp máy phát
4
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Vai trò của hệ thống điều chỉnh kích từ
 Giúp điều khiển ổn định điện áp (đầu cực máy phát điện, điện áp 
thanh cái cao áp )
 Nâng cao ổn định cho hệ thống điện
5
4Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Sơ đồ cấu trúc điều khiển máy phát điện
6
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh kích từ
7
5Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh kích từ
 Máy phát kích từ: Cung cấp dòng điện một chiều cho cuộn dây kích từ của 
máy phát chính
 Bộ phận điều chỉnh: Điều chỉnh dòng điện/điện áp cấp cho cuộn kích từ
 Bộ phận đo lường và bù dòng tải: Đo lường giá trị điện áp (đầu cực máy 
phát), so sánh với giá trị đặt. Thực hiện bù theo dòng tải (nếu cần)
 Bộ phận ổn định các dao động công suất (power system stabilizer)
 Các bộ phận bảo vệ: Bảo vệ quá kích thích, thiếu kích thích, v.v.
8
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Hệ thống kích từ sử dụng máy phát một chiều
 Máy phát một chiều cấp điện cho cuộn dây kích từ, thông qua hệ 
thống chổi than
9
6Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Hệ thống kích từ sử dụng máy phát xoay chiều
 Máy phát kích từ xoay chiều. Dòng điện một chiều được tạo ra nhờ 
hệ thống chỉnh lưu
10
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Kích từ không chổi than
 Máy phát kích từ và bộ phận chỉnh lưu quay đồng trục với máy phát 
chính
11
7Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Kích từ tĩnh
 Điện áp đầu cực máy phát được sử dụng để chỉnh lưu và cấp cho 
cuộn dây kích từ
12
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Ví dụ: Hệ thống kích từ NMTĐ Hòa Bình
13
8Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Đáp ứng của hệ thống kích từ
 Điện áp kích thích cực đại (excitation system ceiling voltage)
 Dòng kích thích cực đại
 Đáp ứng thời gian (mạch kín, mạch hở)
14
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Các chức năng điều khiển/bảo vệ
15
9Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Các chức năng điều khiển/bảo vệ
 Chức năng điều khiển AC regulator, DC regulator
 Điều khiển ổn định
 Bảo vệ quá kích thích
 Bảo vệ thiếu kích thích
 Hệ thống bù dòng tải
16
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Giới hạn công suất phát của máy phát điện
 Khả năng phát công suất máy phát bị giới hạn bởi các điều kiện 
phát nóng dây quấnstator, phát nóng rotor, công suất tuabin, giới 
hạn ổn định, phát nóng cực từ 
17
10
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Giới hạn công suất phát của máy phát điện
 Giới hạn thiếu kích thích do phát nóng cực từ
18
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Giới hạn công suất phát của máy phát điện
 Giới hạn quá kích thích
11
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Giới hạn công suất phát của máy phát điện
 Giới hạn phát nóng cuộn dây stator
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Giới hạn công suất phát của máy phát điện
 Ảnh hưởng của điện áp làm việc lên khả năng phát công suất
21
12
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Giới hạn công suất phát của máy phát điện
 Ảnh hưởng của chế độ làm mát lên khả năng phát công suất
22
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Giới hạn công suất phát của máy phát điện
 Đặc tính V-curve
23
13
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Bù sụt giảm điện áp
 Hệ thống kích từ có thể điều chỉnh điện áp tại thanh cái cao áp, 
hoặc tại một điểm trong hệ thống, nhờ cơ chế bù sụt giảm điện áp
24
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Bảo vệ thiếu kích thích (UEL)
 Ngăn ngừa máy phát làm việc ở tình trạng thiếu kích thích, dẫn đến mất ổn 
định, hoặc phát nóng stator
 Sử dụng tín hiệu dòng điện, điện áp hoặc CSPK của máy phát
25
14
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Bảo vệ thiếu kích thích
 Khi vận hành thiếu kích thích, hoặc với sự cố mất kích thích, máy phát 
điện có thể bị mất đồng bộ với hệ thống
26
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Bảo vệ quá kích thích (OEL)
 Ngăn ngừa tình trạng làm việc quá kích thích lâu dài
 Khả năng làm việc quá kích thích thường được quy định bởi tiêu chuẩn ANSI 
C50.13
 Khi tác động, bảo vệ OEL sẽ làm giảm cưỡng bức dòng kích từ
27
15
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Bảo vệ V/Hz
 Ngăn ngừa máy phát điện và máy biến áp tăng áp làm việc ở tình trạng quá kích 
thích do điện áp tăng / tần số giảm
 V/Hz limiter: Khống chế điện áp kích từ khi V/Hz vượt quá ngưỡng cho phép
 V/Hz protection: Cắt điện máy phát khi tình trạng quá kích thích kéo dài quá thời 
gian cho phép
28
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Thiết bị PSS
 Có chức năng ổn định các dao động công suất (dao động điện)
 Được trang bị bổ sung (kênh phụ) của hệ thống kích từ
 Cần thiết cho các hệ thống kích từ có hệ số khuếch đại lớn, thời gian đáp ứng 
nhanh
 Chỉnh định của hệ thống PSS cần dựa trên đặc tính của máy phát và hệ thống 
điện.
29
16
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Các chế độ vận hành của hệ thống kích từ
 Duy trì điện áp (AVR)
 Điện áp được duy trì không đổi 
 Là chế độ được sử dụng phổ biến
 Chế độ duy trì hệ số công suất
 Điều khiển Q tỉ lệ với P
 Sử dụng với một số tổ máy công suất nhỏ
 Chế độ duy trì công suất phản kháng
 Q của máy phát được duy trì không đổi (Chạy bù)
 Chế độ điều khiển bằng tay (manual excitation)
30
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Mô hình hóa hệ thống kích từ
 Hằng số thời gian đáp ứng của máy phát khi không tải: Td0’
 Efd: Điện áp đưa vào cuộn kích từ
 Et: Điện áp đầu cực máy phát
31
17
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Mô hình máy phát một chiều
32
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Mô hình máy phát một chiều
33
18
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Mô hinh máy phát xoay chiều
34
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Các bộ khuếch đại, so sánh và bù sụt áp
 Khâu so sánh
 Khâu khuếch đại
 Bù sụt áp
35
19
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Mô hình bảo vệ thiếu kích thích
36
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Mô hình bảo vệ quá kích thích
37
20
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Một số sơ đồ cơ bản (IEEE Std 421.5-2005)
 Kích từ sử dụng máy phát một chiều (DC1A)
38
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Một số sơ đồ cơ bản (IEEE Std 421.5-2005)
 Kích từ sử dụng máy phát xoay chiều (AC4A)
39
21
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Một số sơ đồ cơ bản (IEEE Std 421.5-2005)
 Kích từ tĩnh (ST1A)
40
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Một số câu hỏi 
 Hệ thống kích từ đáp ứng nhanh (hệ số khuếch đại lớn, hằng số thời gian nhỏ) có 
ưu điểm gì ?
 Vì sao cần chia tải CSPK cho các máy phát. Việc chia tải CSPK có thể được thực 
hiện như thế nào
 Vì sao cần sử dụng thiết bị bảo vệ thiếu kích thích ?
 Khi máy phát bị mất đồng bộ với hệ thống điện, các chức năng bảo vệ nào của 
máy phát sẽ khởi động / tác động
 Các phương thức điều khiển của hệ thống kích từ và AVR: Giữ điện áp, giữ hệ số 
công suất, giữ CSPK có thể được dùng trong những chế độ làm việc nào?
41
22
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Điều khiển đầu phân áp MBA
 Thay đổi tỉ số biến đổi của MBA bằng việc điều chỉnh đầu phân áp
 Việc điều chỉnh đầu phân áp làm thay đổi điện áp các cuộn dây MBA
 Có thể thực hiện điều chỉnh dưới tải (OLTC, ULTC) hoặc điều chỉnh khi không có 
tải
42
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Điều khiển đầu phân áp MBA
 Sơ đồ khối điều khiển đầu phân áp (OLTC)
 Khâu đếm thời gian: OTLC chỉ tác động khi điện áp nằm ngoài phạm vi trong thời 
gian đủ lâu
43
23
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Điều khiển đầu phân áp MBA
 Duy trì điện áp tại nút phụ tải (MBA hạ áp)
 Góp phần điều chỉnh điện áp nút cao áp của NMĐ (MBA tăng áp)
 Công suất phụ tải phụ thuộc (trong ngắn hạn) vào điện áp
 Sử dụng đầu phân áp điều chỉnh dưới tải cho phép khôi phục điện 
áp phụ tải, và công suất phụ tải nhanh chóng
44
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Điều khiển đầu phân áp MBA
 OLTC có tác dụng phân bố lại CSPK trên các đường dây
 Chỉ có tác dụng nếu hệ thống còn dự trữ CSPK
 Khi điện áp sụt thấp, các OTLC của các MBA nối với cùng một 
đường dây truyền tải có thể tác động theo dây chuyền
45
24
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Hiện tượng sụp đổ điện áp (voltage collapse)
 HTĐ đang vận hành trong tình trạng nặng tải, thiếu hụt CSPK
 Sự cố dẫn đến cắt điện thêm một đường dây tải điện quan trọng, làm sụt 
áp tăng. Tổn thất CSPK trong HTĐ tăng
 Điện áp sụt giảm làm cho công suất của phụ tải sụt giảm (tạm thời)
 Tác động của hệ thống OLTC và bản thân sự tự phục hồi của tải làm cho 
sụt áp tăng trở lại.
 Hệ thống OLTC lại tiếp tục làm việc, phục hồi điện áp ở các nút tải, điện 
áp trên lưới truyền tải điện tiếp tục giảm. CSPK của các máy phát tiếp tục 
tăng
 Quá trình dẫn đến quá tải kích từ các máy phát: Hệ thống bảo vệ cắt kích 
từ, thậm chí cắt máy phát
46
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Hiện tượng sụp đổ điện áp (voltage collapse)
 Quá trình giảm điện áp có thể diễn ra trong thời gian dài (hàng giờ)
47
25
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Hiện tượng sụp đổ điện áp (voltage collapse)
Khi điện áp trên lưới truyền tải giảm quá thấp
 Các rơ le bảo vệ có thể tác động: Bảo vệ quá dòng, bảo vệ khoảng cách 
(do chồng lấn tải)
 Các máy phát có thể bị mất đồng bộ và bị cắt ra khỏi hệ thống
 Sự tác động của các rơ le bảo vệ làm chia tách HTĐ, có thể dẫn đến tình 
trạng rã lưới
48
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Hiện tượng sụp đổ điện áp
 Dạng sóng điện áp và dòng điện khi xảy ra sụp đổ điện áp
49
VAN VBN VCN
t/s
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
U/ V
-100
0
100
IA-1 IB-1 IC-1
t/s
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
I/ A
-10
0
10
26
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Hiện tượng sụp đổ điện áp
 Các chức năng bảo vệ có thể tác động
50
59
N
59F
59 
40
26
46
21
59N
87G
32
87T
78
50 
51
Relay so lệch khối
Rơ le mất đồng bộ
Rơ le chạm đất stator (95%)
Rơ le quá kích từ
Rơ le quá điện áp
Rơ le mất kích từ
Rơ le quá nhiệt
Rơ le thứ tự nghịch
Rơ le khoảng cách
Rơ le chạm đất (100%)
Rơ le so lệch máy phát
Rơ le công suất ngược
Relay quá dòng
Máy biến áp tự dùng
64
F
Bảo vệ chống chạm 
đất cuộn rotor
87
L
21
21
N
6727
87L
51
21
21
N
6727
87L
51
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Ví dụ mô phỏng
 Mô phỏng sự cố mất tụ bù ngang, lưới điện 4 máy phát, tại t = 10s
 Giả thiết: Phụ tải tại nút 9 được cấp điện thông qua máy biến áp có điều 
áp dưới tải (OLTC)
51
27
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Ví dụ mô phỏng
 OLTC chưa hoạt động: Tốc độ các máy phát:
52
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Ví dụ mô phỏng
 OLTC chưa hoạt động : Điện áp tại thanh cái cao áp, nút 7 và 9
53
28
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Ví dụ mô phỏng
 OLTC chưa hoạt động : Điện áp và CSPK máy 3 và 4
54
Giới hạn CSPK
Giới hạn CSPK
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Ví dụ mô phỏng
 Khi OTLC hoạt động: tốc độ MF, vị trí đầu phân áp tại nút 9
55
29
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Ví dụ mô phỏng
 Khi OTLC hoạt động: Điện áp tại nút 7 và 9 (phía 230kV)
56
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Ví dụ mô phỏng
 Khi OTLC hoạt động: Điện áp và CSPK máy 3, 4
57
Giới hạn CSPK
Giới hạn CSPK
30
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Ví dụ mô phỏng
 Có OLTC và rơ le OEL:Tốc độ các máy phát
58
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Ví dụ mô phỏng
 Có OLTC và rơ le OEL:Vị trí nấc phân áp và điện áp tại thanh cái hạ áp, 
nút 9
59
31
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Ví dụ mô phỏng
 Có OLTC và rơ le OEL: Điện áp tại thanh cái cao áp, nút 7 và 9
60
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Ví dụ mô phỏng
 Có OLTC và rơ le OEL: Điện áp và CSPK máy 3 và 4
61
Giới hạn CSPK
Giới hạn CSPK
32
Tháng 12/2014 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN
Ví dụ mô phỏng
 Có OLTC và rơ le OEL: Tổng trở biểu kiến từ 9-7
62