Ứng dụng statcom nâng cao ổn định điện áp trong hệ thống điện có kết hợp nguồn điện gió

38 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
ỨNG DỤNG STATCOM NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP 
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ KẾT HỢP NGUỒN ĐIỆN GIÓ 
APPLICATION OF A STATCOM TO IMPROVE 
VOLTAGE STABILITY IN A GRID CONNECTED WIND TURBINE 
Trương Đình Nhơn1, Nguyễn Văn Trí2 
1Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh 
2Công ty Cổ phần Sản xuất TM và DV Trường Thịnh Tiến 
Ngày tòa soạn nhận bài 3/8/2016, ngày phản biện đánh giá 19/8/2016, ngày chấp nhận đăng 5/9/2016 
TÓM TẮT 
Bài báo trình bày việc ứng dụng của bộ bù đồng bộ tĩnh (STATCOM) để cải thiện sự ổn 
định điện áp trong hệ thống điện có kết hợp nguồn điện gió sử dụng máy phát cảm ứng nguồn 
đôi (DFIG) tuabin gió có kết nối lưới điện. Hệ thống nghiên cứu bao gồm hệ 14 bus và nguồn 
năng lượng gió 6-MW bao gồm 3 máy phát DFIG 2-MW kết nối với bus 13.8 kV của hệ thống 
điện. Kết quả mô phỏng được thực hiện trong phần mềm MATLAB. Có thể kết luận từ kết quả 
mô phỏng rằng tác động của STATCOM được đề xuất có thể cải thiện sự ổn định của hệ 
thống nghiên cứu. 
Từ khóa: Bộ bù đồng bộ tĩnh ( STATCOM ); Máy phát cảm ứng nguồn đôi (DFIG); tua bin 
gió; hệ thống điện; ổn định điện áp. 
ABSTRACT 
This paper presents the application of a static synchronous compensator (STATCOM) 
to improve stability of wind power voltage using doubly-fed induction generator (DFIG)-
based wind turbine connected to power grid. The studied system consists of a 14-bus system 
and 6-MW wind power system of including three 2-MW DFIG generators connected to 13.8 
kV bus of the power system. The simulation results derived in MATLAB software showed that 
the impact of the proposed STATCOM can truly enhance the stability of the studied system. 
Keywords: Static synchronous compensator (STATCOM), Doubly-fed induction generator 
(DFID); wind turbine; power system; voltage stability. 
I. GIỚI THIỆU 
Với sự xâm nhập ngày càng tăng của 
năng lượng gió vào lưới điện, máy phát cảm 
ứng nguồn đôi (DFIG) dựa trên tubin gió 
phần lớn được triển khai nhờ vào khả năng 
điều khiển độc lập công suất phản kháng và 
công suất tác dụng. Ngoài ra, đây còn là loại 
máy phát có hiệu quả cao so với hệ thống 
năng lượng gió trực tiếp với một bộ chuyển 
đổi công suất lớn bởi vì chỉ có khoảng 20% 
công suất lưu thông qua bộ chuyển đổi công 
suất và phần còn lại thông qua stator mà 
không cần thiết bị điện tử công suất [1]. 
Tuy nhiên, bằng cách kết nối cuộn dây 
stator trực tiếp với lưới điện, nó là vô cùng 
nhạy cảm với các sự cố trên lưới điện. Để cải 
thiện sự ổn định điện áp cho các bus của hệ 
thống điện. Bộ bù đồng bộ tĩnh (STATCOM) 
đã được đề xuất sử dụng để cải thiện các vấn 
đề mất cân bằng và cải thiện độ tin cậy của 
hệ thống điện. 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
39 
Hình 1. Cấu hình của hệ thống nghiên cứu 
Trong bài báo này, thiết bị bù đồng bộ 
(STATCOM) được đề xuất để điều chỉnh 
điện áp tại bus 14 bằng cách điều khiển 
lượng công suất phản kháng được thêm vào 
hoặc hấp thu qua hệ thống điện để ổn định 
điện áp trong hệ thống điện. 
II. CẤU HÌNH HỆ THỐNG VÀ MÔ 
HÌNH TOÁN HỌC 
Hình 1 cho thấy cấu hình của hệ thống 
nghiên cứu. Một trang trại gió 6-MW gồm 
3 x 2 MW máy phát điện nguồn đôi (DFIG) 
kết nối với bus 13.8 kV (bus 14) của một lưới 
điện. STATCOM được đề xuất để kết nối với 
bus 14 để cung cấp công suất phản kháng 
thích hợp vào hệ thống. 
A. Mô hình máy phát điện gió DFIG 
Trong bài báo này, một mô hình DFIG 
được thể hiện trong hình 2 xây dựng theo hệ 
quy chiếu đồng bộ dq với một giả định với 
việc bỏ qua những tác động thoáng qua cuộn 
dây stator [2]. 
 Các phương trình điện áp, dòng điện 
của các cuộn dây stator và các cuộn dây rotor 
của một DFIG được viết như sau: 
ω ψ
dsw d sw d dsw d rw d qsw d
v R i (1) 
Pgwd
GB 
 Pswd Pewd
Vw
DFIG
Prwd 
RSC GSC 
Vdcwd 
CONTROL SYSTEM 
Turbine
Pitch angle
Bus 
hwd
dcwdC
rwd
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện gió DFIG 
40 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
ω ψ
qsw d sw d qsw d rw d dsw d
v R i (2) 
1
ω ψ ψ
ω
d rw d rw d d rw d w d rw d q rw d d rw d
b
v R i s p (3) 
1
ω ψ ψ
ω
q rw d rw d q rw d w d rw d d rw d q rw d
b
v R i s p (4) 
Trong đó: swd và rwd là từ thông liên kết tính 
trong hệ đơn vị tương đối (pu) của các cuộn 
dây stator và các cuộn dây rotor tương ứng. 
Phương trình cân bằng công suất cho 
bộ chuyển đổi trong hình 2 có thể được viết 
như sau: 
rw d gw d dcw d
P P P (5) 
Trong đó: Prwd và Pgwd là những công suất 
tại RSC và GSC, tương ứng trong khi Pdcwd là 
công suất tại liên kết một chiều (DC). Ba 
công suất tác dụng đó được thể hiện như sau: 
rw d drw d drw d qrw d qrw d
P v i v i (6) 
gw d dgw d dgw d qgw d qgw d
P v i v i (7) 
 dcw d dcw d dcw d dcw d dcw d dcw dP V I V C p V (8) 
Thay các phương trình (5) - (7) vào 
(8), phương trình vi phân của điện áp DC có 
thể được thể hiện như sau: 
(VdcwdCdcwd) p (Vdcwd)= vdgwd idgwd +vqgwd 
iqgwd –vdrwd idrwd – vqrwd iqrwd (9) 
Đối với hoạt động bình thường của một 
DFIG, đầu vào điện áp phía xoay chiều của 
RSC và GSC có thể được điều khiển một 
cách hiệu quả để đạt được các yêu cầu điều 
khiển đồng thời ngõ ra của công suất tác 
dụng và công suất phản kháng. 
B. Mô hình STATCOM 
STATCOM đề xuất trong bài báo này 
được sử dụng để điều chỉnh điện áp tại bus 
14 bằng cách thêm vào đúng lượng công suất 
phản kháng cho các hệ thống điện. Sơ đồ 
điều khiển của STATCOM được thể hiện 
trong hình 3. Nếu điện áp V2 tạo ra bởi VSC 
(STATCOM) có biên độ thấp hơn điện áp V1 
của hệ thống khiến dòng phản kháng (Iq) 
chạy từ hệ thống vào STATCOM, lúc này 
dòng điện Iq hoạt động như một điện cảm tiêu 
thụ công suất phản kháng từ hệ thống, khi 
điện áp V2 tạo ra bởi VSC (STATCOM) có 
biên độ lớn hơn điện áp V1 của hệ thống 
khiến dòng điện phản kháng (Iq) chạy từ 
STATCOM vào hệ thống, lúc này dòng điện 
Iq hoạt động như một điện dung cung cấp 
công suất phản kháng đến hệ thống. Nếu 
điện áp V2 tạo ra bởi VSC (STATCOM) và 
điện áp hệ thống V1 bằng nhau thì không có 
trao đổi công suất phản kháng. 
Hình 3. Sơ đồ điều khiển của STATCOM 
III. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 
LOGIC MỜ CHO STATCOM 
Sơ đồ khối của bộ điều khiển logic mờ 
được thể hiện ở Hình 4. Hình 5 thể hiện sơ 
đồ điều khiển logic mờ kết hợp với bộ điều 
khiển PI của STATCOM. 
Hình 4. Sơ đồ khối của bộ điều khiển Logic mờ 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
41 
Hình 5. Sơ đồ điều khiển của STATCOM kết 
hợp với bộ điều khiển Logic mờ 
Trong bài báo này, 5 biến ngôn ngữ 
được lựa chọn đó là NB (âm lớn), NS (âm 
nhỏ), ZR (không), PS (dương nhỏ), và PB 
(dương lớn) và 5 biến ngõ ra tương ứng là IB 
(tăng nhiều), IS (tăng ít), KV (giữ nguyên), 
DS (giảm ít), và DB (giảm nhiều). Sự liên 
quan giữa các biến ngôn ngữ này được thể 
hiện ở bảng luật 1. 
Bảng 1. Tập luật của hệ thống 
d 
NB NS ZR PS PB 
PB IB IB KV DB DB 
PS IB IS KV DS DB 
ZR IS IS KV DS DS 
NS DB DS KV IS IB 
NB DB DB KV IB IB 
IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
Để thấy rõ ưu điểm của thiết bị bù 
STATCOM, trong phần này mô hình hệ 
thống phi tuyến được sử dụng để so sánh các 
đặc tính đáp ứng của STATCOM đề xuất về 
cải thiện sự ổn định của hệ thống được 
nghiên cứu với một sự cố nghiêm trọng. Giả 
định rằng các tuabin gió vận hành với tốc độ 
của gió 8 m/s. Kết quả mô phỏng của hệ 
thống được thực hiện bằng công cụ 
MATLAB / Simulink. Hình 6 biểu diễn kết 
quả so sánh khi có sự cố ngắn mạch 3 pha 
của hệ thống nghiên cứu khi có STATCOM 
+ Logic Mờ (đường màu đỏ) và không có 
STATCOM (đường màu xanh). Sự cố ngắn 
xảy ra tại thời điểm t = 2 s và kết thúc sau 5 
chu kỳ. Có thể nhận thấy từ kết quả mô 
phỏng rằng đáp ứng quá độ của hệ thống 
nghiên cứu thể hiện trong Hình 6 (a)-(d) tốt 
hơn khi có STATCOM. 
(a) Điện áp tại Bus 1 
(b) Dòng điện tại Bus 1 
(c) Tốc độ Rotor của DFIG 
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
Thoi gian (s)
D
ie
n
 a
p
 t
a
i 
P
C
C
 (
p
u
)
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
0.5
1
1.5
2
Thoi gian (s)
D
o
n
g
 d
ie
n
 t
a
i 
P
C
C
 (
p
u
)
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
Thoi gian (s)
T
o
c
 d
o
 R
o
to
r 
(p
u
)
42 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
(d) Điện áp Vdc trên DFIG 
(e) Công suất tác dụng của DFIG 
(f) Công suất phản kháng của DFIG 
Hình 6. Đáp ứng quá độ của hệ thống 
nghiên cứu khi xảy ra ngắn mạch 3 pha
Ngoài ra, để thấy được sự ảnh hưởng 
của STATCOM đến hệ thống khi tốc độ gió 
thay đổi. Hình 7 (b) trình bày đáp ứng của 
điện áp tại PCC khi hệ thống không có 
STATCOM (đường màu xanh) và khi hệ 
thống có STATCOM (đường màu đỏ) trong 
khi tốc độ gió được giả lập thay đổi như 
trong Hình 7 (a). Từ kết quả này ta dễ dàng 
nhận thấy rằng khi có STATCOM thì điện áp 
tại PCC được nâng lên cũng như độ dao động 
sẽ giảm khi tốc độ gió thay đổi mạnh trong 
thời gian ngắn. 
(a) Tốc độ gió thay đổi 
(b) Điện áp tại PCC 
Hình 7. Đáp ứng quá độ của hệ thống 
nghiên cứu khi tốc độ gió thay đổi
V. KẾT LUẬN 
Bài báo đã trình bày việc cải thiện ổn 
định động của một hệ thống máy phát điện 
gió DFIG có kết nối với hệ thống điện. Để 
cung cấp công suất phản kháng thích hợp 
cho hệ thống, thiết bị bù STATCOM đã 
được đề xuất và kết nối tại bus 14 của hệ 
thống nghiên cứu. Kết quả so sánh trong 
miền thời gian với sự cố ngắn mạch 3 pha 
và khi tốc độ gió thay đổi đã được thực hiện 
để chứng minh hiệu quả của STATCOM 
được đề xuất trong việc hạn chế dao động 
của hệ thống. Có thể kết luận từ kết quả mô 
phỏng rằng khi có STATCOM trong hệ 
thống kết hợp với bộ điều khiển logic mờ đã 
cải thiện rõ rệt chất lượng điện năng cũng 
như ổn định của hệ thống nghiên cứu trong 
trường hợp sự cố xảy ra. 
0 1 2 3 4 5 6 7 8
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
Thoi gian (s)
D
ie
n
 a
p
 V
d
c
 t
re
n
 D
F
IG
 (
V
)
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Thoi gian (s)
C
o
n
g
 s
u
a
t 
ta
c
 d
u
n
g
 P
 (
p
u
)
0 1 2 3 4 5 6 7 8
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
Thoi gian (s)
C
o
n
g
 s
u
a
t 
p
h
a
n
 k
h
a
n
g
 Q
 (
p
.u
)
0 5 10 15 20 25
8
9
10
11
12
13
14
t (s)
T
o
c
 d
o
 g
io
 (
m
/s
)
5 10 15 20
1
1.01
1.02
1.03
1.04
10.5
t (s)
 D
ie
n
 a
p
 t
a
i 
P
C
C
 (
p
u
)
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
43 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] A. Petersson, “Analysis, modeling and control of doubly-fed induction generators for 
wind turbines,” Chalmers University of Technology, Goteborg, Sweden, 2005. 
[2] L. Wang and D.-N. Truong, “Stability improvement of a DFIG-based offshore wind 
farm fed to a multi-machine power system using a static VAR compensator,” in Proc. 
IEEE IAS Annual Meeting, 7-11 October 2012, Las Vegas, NV, USA. 
[3] L. Wang and D.-N. Truong, “ Dynamic Stability Improvement of Four Paralell-
Operated PMSG- Based Ofshore Wind Turbine Generator Fed to a Power System Using 
a STATCOM”. IEEE Transactions on power delivery, Vol.28, No.1,January 2013. 
[4] L. Wang and C.-T. Hsiung, “Dynamic stability improvement of an integrated grid-
connected offshore wind farm and marine-current farm using a STATCOM,” IEEE 
Trans, PowerSystems,vol.26,no.2,pp.690-698, 2011. 
[5] K. R. Padiyar and N. Prabhu, “Design and performance evaluation of subsynchronous 
damping controller with STATCOM,” IEEE Trans.Power Delivery, vol. 21, no. 3, pp. 
1398-1405, 2006. 
[6] K. V. Patil, J. Senthil, J. Jiang, and R. M. Mathur, “Application of STATCOM for 
damping torsinal oscillations in series compensated AC system,” IEEE Trans. Energy 
Convers., vol. 13, no. 3, pp. 237–243,Sep. 1998. 
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết 
TS. Trương Đình Nhơn 
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 
Email: nhontd@hcmute.edu.vn