BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC VẬN HÀNH VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỀ TÀI ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP

Bằng cách áp dụng các phương pháp điều chỉnh điện ápphù hợp, giữ cho điện áp tại các điểm nút trong hệ thống điện luôn ở một giá trị cốđịnh, đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp chúng t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2024

Chữ ký giảng viên

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VÀ MỤC TIÊU ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 1

1.1 Điện áp và độ lệch điện áp 1

1.2 Ảnh hưởng của điện áp đến hệ thống điện 2

1.2.1 Sự biến đổi của điện áp trong hệ thống điện 2

1.2.2 Hậu quả của sự biến đổi điện áp 3

1.3 Nhiệm vụ của việc điều chỉnh điện áp 4

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 5

2.1 Các phương pháp điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện 5

2.2 Điều kiện điều chỉnh điện áp 5

2.3 Các giới hạn của mục tiêu điều chỉnh điện áp 6

2.4 Phương thức điều chỉnh điện áp 6

2.5 Các cách điều chỉnh điện áp 7

CHƯƠNG 3: CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 9

3.1 Các thiết bị điều chỉnh điện áp 9

3.2 Đầu phân áp của máy biến áp 9

3.3 Máy biến áp có khả năng điều chỉnh dưới tải 10

3.4 Máy bù đồng bộ, bộ tụ điện và động cơ đồng bộ điều chỉnh kích từ 10

CHƯƠNG 4: BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 12

4.1 Công suất phản kháng 12

4.2 Nhu cầu bù công suất phản kháng để đảm bảo điện áp ổn định 12

4.3 Các phương pháp bù công suất phản kháng trong hệ thống điện 13

4.4 Bù Tĩnh (Static Compensation) 14

4.5 Bù Động (Dynamic Compensation) 15

4.6 Bù Ngang (Shunt Compensation) 16

4.7 Bù Dọc (Series Compensation) 17

CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK ĐỂ MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG

ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 19

5.1 Tổng quan về MATLAB 19

5.1.1 Khái niệm về MATLAB 19

5.1.2 Tổng quan về cấu trúc dữ liệu của MATLAB và các ứng dụng 19

5.1.3 Khái niệm về Simulink 19

5.2 Thiết kế bộ AVR (Automatic Voltage Regulator) vào điều chỉnh điện áp 20

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VÀ MỤC TIÊU ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP

1.1 Điện áp và độ lệch điện áp

Điện áp được mô tả là “áp suất” đẩy điện Lượng điện áp được biểu thị bằng mộtđơn vị được gọi là Vôn (V), và điện áp cao hơn sẽ làm cho một thiết bị điện tử chạynhiều điện hơn Tuy nhiên, các thiết bị điện tử được thiết kế để hoạt động ở các điện

áp cụ thể; điện áp quá cao có thể làm hỏng mạch của chúng

Ngược lại điện áp quá thấp cũng có thể gây ra các vấn đề bằng cách ngăn cácmạch hoạt động và làm cho các thiết bị được xây dựng xung quanh chúng trở nên vôdụng

Việc duy trì điện áp ổn định là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả vàbền vững của hệ thống điện Bằng cách áp dụng các phương pháp điều chỉnh điện ápphù hợp, giữ cho điện áp tại các điểm nút trong hệ thống điện luôn ở một giá trị cốđịnh, đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp chúng ta có thể giảm thiểu các tác độngtiêu cực do biến động điện áp gây ra, đồng thời nâng cao chất lượng điện năng cungcấp cho người tiêu dùng

Điện áp cũng có thể được duy trì nhờ các thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) của các máy phát điện và máy bù đồng bộ, các thiết bị tự động thay đổi tỷ sốbiến đổi của máy biến áp, các thiết bị tự động thay đổi dung lượng của các tụ bù tĩnh, Nếu điện áp đặt và phụ tải không hoàn toàn đúng với điện áp định mức do phụ tảiyêu cầu thì ít hay nhiều tình trạng làm việc của phụ tải cũng trở nên không tốt Nóicách khác, độ lệch điện áp càng lớn thì chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của thiết bị dùngđiện càng thấp

Theo định nghĩa độ lệch điện áp bằng:

 ΔU  = U  − U 

đm

(V)

Độ lệch điện áp tính theo phần trăm so với điện áp định mức bằng:

 ΔU  % =

U  − U đm

U đm 100

Trong đó:

U: điện áp thực tế đặt vào phụ tải (V)

Uđm: điện áp định mức của mạng điện (V)

Độ lệch điện áp sinh ra ở nơi tiêu thụ điện là do:

- Nguyên nhân phát sinh là ở bản thân các hộ dùng điện, phụ tải của hệ thốngdùng điện luôn luôn thay đổi làm cho sự phân bố công suất trong mạng điện cũng thayđổi theo

- Độ lệch điện áp cao nhất thường xuất hiện trong lúc sự cố dây đứt hoặc máyphát lớn nhất của nhà máy bị hỏng phải ngừng hoạt động

- Do sự thay đổi tình trạng làm việc của hệ thống điện chẳng hạn như việc thayđổi phương thức vận hành của nhà máy điện hoặc sự thay đổi nào đó trong sơ đồ mạngđiện cũng làm cho sự phân bố công suất trong mạng điện thay đổi theo làm ảnh hưởngđến tổn thất điện áp, tạo nên các độ lệch về điện áp khác nhau ở các nơi dùng điện.Trên thực tế không thể nào giữ được điện áp ở phụ tải luôn luôn đúng bằng địnhmức, nhưng nếu giữ được độ lệch điện áp tương đối nhỏ thì các phụ tải vẫn giữ đượcchỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật tốt

1.2 Ảnh hưởng của điện áp đến hệ thống điện

1.2.1 Sự biến đổi của điện áp trong hệ thống điện

 Biến đổi chậm của điện áp:

- Biến đổi chậm thường là kết quả của sự thay đổi tự nhiên về phụ tải theo thờigian Phụ tải thường tăng hoặc giảm chậm rãi theo nhu cầu sử dụng điện trong ngày,phụ thuộc vào các yếu tố như thời tiết, giờ cao điểm hay thấp điểm, và các hoạt độngsản xuất

- Loại biến đổi này chủ yếu liên quan đến công suất phản kháng trong hệ thống.Khi phụ tải tăng, nhu cầu công suất phản kháng cũng tăng, dẫn đến sự sụt giảm điện áp

-Thay đổi cấu trúc lưới điện: Việc thay đổi cấu hình mạng lưới, ví dụ như đóng/ngắt các nhánh đường dây, có thể ảnh hưởng đến phân phối điện áp trong hệthống

-Hoạt động của các thiết bị bảo vệ và tự động: Các thiết bị như rơle bảo vệ, bộđiều khiển tự động, khi hoạt động, có thể làm thay đổi dòng điện và điện áp tức thờitrong lưới điện

-Khởi động hoặc ngừng hoạt động của các tổ máy phát điện: Những thay đổi độtngột về nguồn phát điện có thể tạo ra dao động điện áp trong khu vực hoặc toàn bộ hệthống

1.2.2 Hậu quả của sự biến đổi điện áp

- Chất lượng điện năng ở các thiết bị dùng điện không đạt yêu cầu

- Khi điện áp ở các nút tải xuống quá thấp (70–80%)Uđm sẽ có nguy cơ xảy rahiện tượng suy áp

- Giống như hiện tượng suy tần, hiện tượng suy áp rất nguy hiểm và có thể làmtan rã hệ thống

- Ảnh hưởng đến công tác của HTĐ như:

 Điện áp tăng quá cao gây nguy hiểm cho thiết bị HTĐ

 Điện áp thấp làm giảm ổn định tĩnh của hệ thống tải điện, giảm khả năng ổnđịnh động và ổn định tổng quát và nếu thấp quá có thể gây mất ổn định phụ tải

 Mức điện áp trong HTĐ làm ảnh hưởng lớn đến tổn thất công suất và tổn thấtđiện năng trong HTĐ nhất là lưới cao áp và siêu cao áp.

1.3 Nhiệm vụ của việc điều chỉnh điện áp

Điều chỉnh điện áp là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong quá trình vậnhành hệ thống điện Việc này không chỉ đảm bảo sự ổn định và an toàn mà còn nângcao chất lượng điện năng và hiệu quả kinh tế Các nhiệm vụ cụ thể bao gồm:

- Đảm bảo chất lượng điện năng: Duy trì điện áp ổn định giúp các thiết bị điệnhoạt động hiệu quả, tránh hiện tượng hỏng hóc hoặc giảm tuổi thọ Đảm bảo các tiêuchuẩn về chất lượng điện năng tại các nút tải để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng

- Đảm bảo an toàn cho hệ thống: Giữ điện áp trong phạm vi cho phép, tránh vượtquá giới hạn trên để bảo vệ thiết bị khỏi hư hỏng hoặc lão hóa nhanh Ngăn chặn hiệntượng điện áp thấp để đảm bảo đường dây và máy biến áp không bị quá tải, bảo vệ hệthống tự dùng (đặc biệt quan trọng với nhà máy điện nguyên tử), và duy trì sự ổn địnhcủa nhà máy điện cũng như phụ tải

- Duy trì điện áp trong mọi tình huống: Đảm bảo điện áp ổn định ngay cả trongđiều kiện vận hành bình thường hay khi xảy ra sự cố Điện áp cần được duy trì trongphạm vi các giới hạn đã được quy định, cả ở mức trên và dưới, để đảm bảo an toàn vàhiệu quả

- Điều chỉnh công suất phản kháng: Điều chỉnh điện áp cần đi đôi với việc điềuchỉnh công suất phản kháng từ nguồn điện và các thiết bị cung cấp hoặc hấp thụ côngsuất phản kháng Do tính chất khu vực của điện áp, việc điều chỉnh cần được thực hiệnphân cấp và phân tán để đáp ứng hiệu quả tối đa cho từng vùng lưới điện

- Tăng cường hiệu quả kinh tế: Điều chỉnh điện áp không chỉ nhằm duy trì sự ổnđịnh của hệ thống mà còn tối ưu hóa hiệu quả kinh tế, giảm tổn thất năng lượng và chiphí vận hành

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP

2.1 Các phương pháp điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện

Điều chỉnh điện áp trong HTĐ được chia làm hai cấp:

- Điều chỉnh điện áp trong lưới hệ thống và lưới truyền tải

- Điều chỉnh diện áp trong lưới phân phối

Điều chỉnh điện áp trong lưới hệ thống và lưới truyền tải nhằm mục đích giữ điện

áp ở đầu ra của các trạm khu vực và trạm trung gian cấp điện cho lưới phân phối trung áp trong phạm vi cho phép đồng thời phân bố tối ưu công suất phân kháng saocho tổn thất công suất tác dụng là nhỏ nhất

-Điều chỉnh điện áp trong lưới phân phối nhằm mục đích đảm bảo chất lượng điện

áp ở các họ tiêu thụ điện

2.2 Điều kiện điều chỉnh điện áp

- Điều kiện cần để có thể điều chỉnh được điện áp là:

- Điều chỉnh điện áp ở cấp trung và hạ áp nhằm đảm bảo chất lượng điện năng

- Ở cấp cao hơn nhằm giảm tổn thất công suất và tạo điều kiện thuận lợi cho điềuchỉnh điện áp ở lưới phân phối

2.3 Các giới hạn của mục tiêu điều chỉnh điện áp

- 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

- 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 bìnhthường của các thiết bị phân phối cao và siêu cao áp Nếu điện áp tăng cao sẽ làm giàhóa nhanh cách điện và làm cho thiết bị hoạt động không chính xác

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)

- Các giới hạn trên đây gọi là giới hạn kỹ thuật hay điều kiện kỹ thuật Nóichung, trong lưới điện 220 (kV) trở lên, điện áp chỉ được phép dao động trong giới hạn5% so với Uđm Với mức giới hạn này thì việc điều chỉnh dưới tải ở các máy biến ápkhu vực và trung gian sẽ thuận lợi

2.4 Phương thức điều chỉnh điện áp

Điều chỉnh sơ cấp

Điều chỉnh sơ cấp là quá trình đáp ứng nhanh và tức thời các biến đổi nhanh vàngẫu nhiên của các thiết bị điều chỉnh điện áp máy phát và các máy bù tĩnh Điềuchỉnh sơ cấp thực hiện tự động trong thời gian vài chục phần trăm giây Điều chỉnh sơ cấp nhằm mục đích giữ điện áp lưới điện ở mức an toàn, tránh nguy cơ suy áp trongđiều kiện vận hành bình thường và nhất là khi sự cố

Điều chỉnh thứ cấp

Điều chỉnh thứ cấp để đối phó với các biến đổi chậm của điện áp Điều chỉnh thứ cấp hiệu chỉnh lại các giá trị điện áp chỉnh định của các thiết bị điều chỉnh sơ cấp trongmiền nó phụ trách và điều chỉnh các tụ bù, các kháng điện và các máy biến áp điều ápdưới tải trong từng miền Quá trình này kết thúc trong vòng 3 phút

HTĐ được chia thành từng miền tương đối độc lập về phương diện biến đổi điện

áp, các miền có khả năng tự thỏa mãn yêu cầu công suất phản kháng Mức điện áptrong mỗi miền được điều chỉnh bằng một hệ thống điều chỉnh thứ cấp riêng Hoạtđộng của hệ thống dựa trên sự theo dõi và điều chỉnh điện áp tại một điểm đặc biệt củamiền, gọi là điểm hoa tiêu (điểm quan sát)

Sự phân chia thành miền làm cho quá trình điều chỉnh nhanh và đáp ứng đượccác yêu cầu địa phương một cách ưu tiên Tuy nhiên, chia HTĐ thành các miền độclập tương đối không phải dễ, các miền vẫn có ảnh hưởng lẫn nhau, cho nên hệ thốngđiều khiển phối hợp đã được phát triển để giải quyết vấn đề này

Điều chỉnh cấp 3

Điều chỉnh cấp 3 để điều hòa mức điện áp giữa các miền điều chỉnh thứ cấp, vớimục đích 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 hay tự động Thực hiện nhiệm vụ này do hệthống điều độ trung tâm thục hiện

 Ba cấp điều chỉnh điện áp trên được phân biệt theo thời gian và trong khônggian

- 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

2.5 Các cách điều chỉnh điện áp

Điều chỉnh điện áp cấp 1 thực hiện bằng cách:

- Điều chỉnh điện áp máy phát

- Các nguồn công suất phản kháng diều chỉnh được

- Các máy biến áp (MBA) tăng áp, MBA khu vực có điều áp đưới tải

Điều chỉnh điện áp cấp 2 được thực hiện bằng cách:

- Điều chỉnh điện áp dưới tải ở các trạm trung gian

- Các MBA bổ trợ, phối hợp với đặt đầu phân áp cố định ở các MBA phân phối.

- Chọn dúng tiết diện dây dẫn

 Trong các trưởng hợp riêng, để đảm bảo chất lượng điện áp cần phải đặt thêm

tụ bù công suất phản kháng hoặc tụ bù dọc có hoặc không có điều chỉnh dưới tải Cácthiết bị dùng điện đặc biệt nhạy cảm với điện áp có thể dùng các máy ổn áp tự động



CHƯƠNG 3: CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP

3.1 Các thiết bị điều chỉnh điện áp

Các thiết bị và phương pháp được sử dụng để kiểm soát và duy trì điện áp trong

hệ thống điện ở mức ổn định và phù hợp với yêu cầu của hệ thống Các phương tiệnnày giúp đảm bảo an toàn, hiệu quả, và độ tin cậy trong truyền tải và phân phối điệnnăng Dưới đây là các phương tiện phổ biến để điều chỉnh điện áp

Việc điều chỉnh điện áp trong phạm vi cho phép là vấn đề phức tạp vì hệ thốngliên kết nhiều nguồn với nhiều phụ tải ở mọi cấp bậc của hệ thống điện Kết quả là giữ điện áp chỉ ở một điểm của hệ thống là chưa đủ mà trái lại phải giữ ở nhiều điểm ở mọi cấp bậc theo chiều ngang cũng như chiều dọc của hệ thống

Các phương tiện điều chỉnh điện áp gồm:

- Điều chỉnh kích từ máy phát điện

- Điều chỉnh dưới tải hệ số biến áp (đầu phân áp) ở máy biến áp tăng áp và ở máybiến áp giảm áp theo thời gian

- Điều chỉnh điện áp ở các máy biến áp bổ trợ chuyên dùng để điều chỉnh điệnáp

- Điều chỉnh công suất phản kháng của các nguồn công suất phản kháng đặt trênlưới

- Máy bù đồng bộ, bộ tụ điện và động cơ đồng bộ điều chỉnh kích từ 

3.2 Đầu phân áp của máy biến áp

Đầu phân áp (tap changer) là thiết bị gắn trên cuộn dây của máy biến áp, chophép thay đổi số vòng dây trên cuộn thứ cấp để điều chỉnh điện áp đầu ra Việc điềuchỉnh này nhằm đáp ứng nhu cầu điện áp ổn định cho hệ thống điện Đầu phân áp cóhai loại chính: đầu phân áp không tải (Off-Load Tap Changer - OLTC), sử dụng khikhông có tải, và đầu phân áp có tải (On-Load Tap Changer - OLTC), cho phép điềuchỉnh điện áp mà không cần ngắt tải

3.3 Máy biến áp có khả năng điều chỉnh dưới tải

Đây là loại máy biến áp có trang bị hệ thống điều chỉnh điện áp khi đang tải, còngọi là máy biến áp OLTC Khả năng này giúp máy biến áp điều chỉnh mức điện áp đầu

ra mà không làm gián đoạn tải, từ đó ổn định điện áp trong quá trình vận hành hệthống điện Máy biến áp OLTC rất quan trọng trong các hệ thống điện đòi hỏi độ ổnđịnh điện áp cao, đảm bảo chất lượng điện năng và giảm thiểu tổn thất trong quá trìnhtruyền tải

Máy biến áp điều áp dưới tải được điều chỉnh theo một trong các quy định sau:

- Theo độ lệch điện áp so với giá trị chỉnh định

- Theo độ lệch công suất phản kháng

- Theo đồ thị thời gian cho trước

- Theo dòng điện Hay còn gọi là điều chỉnh ngược

Lưu ý điều áp dưới tải chỉ hoạt động nếu trong hệ thống điện có đủ công suấtphản kháng, nếu không đủ CSPK mà chỉnh tăng điện áp ở MBA sẽ gây ảnh hưởngnặng nề đến hệ thống

3.4 Máy bù đồng bộ, bộ tụ điện và động cơ đồng bộ điều chỉnh kích từ 

Máy bù đồng bộ là một thiết bị sử dụng nguyên lý hoạt động của động cơ đồng

bộ nhưng vận hành ở chế độ không tải, tức là không có tải cơ học trên trục Trong điềukiện lý tưởng, khi bỏ qua tổn thất không tải, máy bù đồng bộ không tiêu thụ công suất