Bài giảng hệ thống cung cấp điện chương 2 ts nguyễn đức tuyên

Chương 2: Phụ tải điện Bộ môn hệ thống điện Đại học Bách Khoa Hà nội TS.Nguyễn Đức Tuyên tuyen.nguyenduc@hust.edu.vn Chương 2: Phụ tải điện §2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ §2.2 KHÁI NIỆM CHUNG 2.2.1 Phụ tải điện 2.2.2 Tác dụng nhiệt dòng diện lên dây dẫn 2.2.3 Phân loại phụ tải điện §2.3 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA PHỤ TẢI ĐIỆN 2.3.1 Đồ thị phụ tải điện 2.3.2 Các đặc trưng cơng suất §2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH PHỤ TẢI TÍNH TỐN 2.4.1 Xác định phụ tải tính tốn theo cơng suất đặt (Pđặt) hệ số nhu cầu (Knc) 2.4.2 Xác định phụ tải tính tốn theo cơng suất trung bình (Ptb) hệ số hình dáng (Khd) 2.4.3 Xác định phụ tải tính tốn theo cơng suất trung bình (Ptb) độ lệch phụ tải khỏi giá trị trung bình (σT) Chương 2: Phụ tải điện 2.4.4 Xác định phụ tải tính tốn theo cơng suất trung bình (Ptb) hệ số cực đại (Kmax) hay gọi Phương pháp số thiết bị hiệu phương pháp xếp biểu đồ Ca-ia-lốp G.M 2.4.5 Xác định phụ tải tính tốn theo hệ số đồng thời 2.4.6 Xác định phụ tải tính tốn theo suất tiêu hao điện 2.4.7 Xác định phụ tải tính tốn theo suất phụ tải đơn vị diện tích §2.5 BIỀU ĐỒ PHỤ TẢI 2.5.1 Xác định tâm phụ tải 2.5.2 Biểu đồ phụ tải 2.5.3 Các thành phần phụ tải §2.6 DỰ BÁO PHỤ TẢI 2.6.1 Phân loại dự báo nhu cầu điện 2.6.2 Các phương pháp dự báo nhu cầu điện Đặt vấn đề  HTCCĐ cần đáp ứng tối đa nhu cầu phụ thời điểm Khi thiết kế: Chọn thiết bị điện, thiết bị đóng cắt, bảo vệ, bù… Khi vận hành: tải (mất an toàn) non tải (ứ đọng vốn)  Xác định phụ tải Phải xác định giai đoạn thiết kế (dự báo ngắn hạn) Đồ thị phụ tải (biểu diễn thay đổi công suất theo thời gian) hợp lý có sau vận hành  Phương pháp xác định phụ tải điện Phương pháp kỹ sư: dựa vào kinh nghiệm thiết kế, vận hành phụ tải điện đưa hệ số, đặc trưng Nhanh khó đánh giá độ tin cậy Phụ tải tính tốn (lý thuyết sác xuất, thống kê): xét ảnh hưởng nhiều yếu tố, xác phức tạp Đặt vấn đề  Phụ tải điện có tính dự báo Trước hết, cần cho tại, sau vận hành Xác định phụ tải thiết kế dự báo ngắn hạn nhu cầu điện Dự báo dài hạn phức tạp  HTCCĐ công nghiệp, nông nghiệp, đô thị … Các điều kiện sản xuất thay đổi theo thời gian ( không xác định giai đoạn thiết kế ) Quy trình cơng nghệ Nâng cao hiệu suất sử dụng thiết bị…  Sai số phụ tải điện cho phép ±10% thiết kế Khơng cần độ xác q cao Đơn giản hóa phép tính Phụ tải điện  Thiết bị tiêu thụ điện: thiết bị biến đổi điện thành dạng lượng khác phục vụ sản xuất sinh hoạt  Hộ tiêu thụ điện: tập hợp thiết bị tiêu thụ điện  Phụ tải điện: Đại lượng đặc trưng cho công suất tiêu thụ thiết bị điện hộ tiêu thụ điện Được biểu diễn thông qua đại lượng: dịng điện, cơng suất tác dụng cơng suất phản kháng  Phụ tải điện có tính tương đối: Động điện phụ tải điện lưới điện phân xưởng Phụ tải điện phân xưởng xem phụ tải lưới điện trung áp xí nghiệp Tác dụng nhiệt dòng điện lên dây dẫn  Tác dụng nhiệt: yếu tố xác định phụ tải tính toán  Xét trường hợp đơn giản: Dây dẫn trần, đồng (tiết diện ngang không đổi, vật liệu, chiều dài vơ hạn) Khơng có truyền nhiệt dọc dây, truyền dây môi trườngNhiệt độ điểm dây  Phương trình cân nhiệt QI = Qđn + Qtn 𝑄𝐼 = 𝐼 𝑅 𝑑𝑡: Nhiệt lượng dòng điện hiệu dụng I(A) chạy dây dẫn điện điện trở R(Ω) thời gian dt (s) 𝑄đ𝑛 = 𝑐 𝐺 𝑑𝜗: Nhiệt lượng đốt nóng (đn) dây dẫn khối lượng G (kg), nhiệt dung riêng c (J/kg.oC) làm tăng nhiệt độ vật dẫn 𝑑𝜗(oC) 𝑄𝑡𝑛 = 𝑞 𝑆𝑏𝑚 (𝜗 − 𝜗0 ) 𝑑𝑡: Nhiệt lượng tỏa môi trường từ diện tích bề mặt (bm) tỏa nhiệt (tn) Sbm (m2) dây dẫn chênh lệch với môi trường (𝜗 − 𝜗0 )oC với suất tỏa nhiệt q (W/m2.oC, với W = J/s) thời gian dt (s) Phương trình q trình phát nóng dây dẫn  Phương trình cân nhiệt 𝐼 𝑅 𝑑𝑡 = 𝑐 𝐺 𝑑𝜗 + 𝑞 𝑆𝑏𝑚 (𝜗 − 𝜗0 ) 𝑑𝑡 𝑑𝑡 = 𝑡 ‫׬‬0 𝑑𝑡 𝒕 = 𝒄.𝐺 𝑑𝜗 𝑅.𝐼 −𝑞.𝑆𝑏𝑚 (𝜗−𝜗0 ) = 𝜗 𝑐.𝐺 ‫𝑅 𝜗׬‬.𝐼2 −𝑞.𝑆 (𝜗−𝜗 ) 𝑑𝜗 𝑏𝑚 𝑐.𝐺 𝑅.𝐼 −𝑞.𝑆𝑏𝑚 𝜗−𝜗0 − 𝑙𝑛 𝑞.𝑆𝑏𝑚 𝑅.𝐼 −𝑞.𝑆𝑏𝑚 𝜗1 −𝜗0 𝑇0 = 𝑐.𝐺 : 𝑞.𝑆𝑏𝑚 số phát nóng dây dẫn 𝜃1 = 𝜗1 − 𝜗0 : độ tăng nhiệt độ ban đầu 𝜃 = 𝜗 − 𝜗0 : độ tăng nhiệt độ thời điểm t 𝑡= 𝑅.𝐼 −𝑞.𝑆𝑏𝑚 𝜃 −𝑇0 𝑙𝑛 𝑅.𝐼 −𝑞.𝑆𝑏𝑚 𝜃1 → 𝑅.𝐼 −𝑞.𝑆𝑏𝑚 𝜃 𝑅.𝐼 −𝑞.𝑆𝑏𝑚 𝜃1 𝑡 =𝑒 −𝑇 Phương trình q trình phát nóng dây dẫn 𝜃 = 𝑅.𝐼 𝑞.𝑆𝑏𝑚 𝜃∞ = 1−𝑒 − 𝑡 𝑇0 + 𝜃1 𝑒 1−𝑒 −𝑇 𝑡 𝜃 = 𝜃∞ − 𝑒 𝑡 𝑇0 𝑡 𝑅.𝐼 lim 𝑡→∞ 𝑞.𝑆𝑏𝑚 −𝑇 − 𝑡 + 𝜃1 𝑒 −𝑇 = 𝑅.𝐼 𝑞.𝑆𝑏𝑚 𝑡 + 𝜃1 𝑒 −𝑇 𝑡 = 𝜃∞ − 𝜃∞ − 𝜃1 𝑒 −𝑇 θ θ θ1 Đường cong phát nóng có dịng điện chạy qua Phân loại phụ tải điện  Phân loại theo dòng điện Phụ tải điện xoay chiều pha (Ud Uf) Phụ tải điện xoay chiều ba pha Phụ tải điện chiều Chú ý: Khi tính tốn thiết kế lưới điện xoay chiều ba pha phải quy đổi phụ tải pha thành phụ tải điện ba pha  Phân loại theo điện áp Phụ tải hạ áp Phụ tải trung áp Phụ tải điện áp cao Phụ tải nhận điện cấp điện áp gọi theo điện áp Có loại PT dùng điện cấp điện áp đèn chiếu sáng, có loại vận hành nhiều cấp điện áp động 10 Các phương pháp xác định Ptt Nếu 𝑛ℎ𝑞 ≤ 𝑛 > : 𝑃𝑡𝑡 = σ𝑛𝑖=1 𝑃đ𝑚𝑖 𝐾𝑡𝑖 oKti: hệ số phụ tải thứ i Tính gần Kt • Thiết bị làm việc chế độ dài hạn Kt = 0,9 • Thiết bị làm việc chế độ ngắn hạn lặp lại Kt = 0,75 Nếu 𝑛ℎ𝑞 > 300 Ksd < 0,5 xác định Kmax theo nhq = 300 Nếu 𝑛ℎ𝑞 > 300 Ksd ≥ 0,5 Ptt = 1,05.Ksd Pđm Nếu nhóm phụ tải làm việc lâu dài với ĐTPT phẳng (bơm, máy nén khí…) : Kmax = coi Ptt = Ptb = Ksd Pđm Phạm vi ứng dụng: Phương pháp cho phép xét đến độ lớn chế độ làm việc thiết bị nhóm phụ tải nên kết tính tốn xác Sử dụng phổ biến để xác định phụ tải tính tốn xí nghiệp cơng nghiệp 39 Các phương pháp xác định Ptt  Xác định phụ tải tính tốn theo hệ số đồng thời Do tính chất ngẫu nhiên nhu cầu sử dụng điện nên thời điểm định, tất thiết bị dùng điện đóng điện Vì xác định phụ tải tính tốn nút có nhiều phụ tải nối vào phải xét đến tính chất đồng thời đóng điện phụ tải thơng qua hệ số đơng thời: 𝑃𝑡𝑡−𝑛ℎó𝑚 = 𝐾đ𝑡 σ𝑛𝑖=1 𝑃𝑡𝑡𝑖 Phạm vi ứng dụng: Phương pháp dùng để xác định phụ tải tính tốn nút nhiều phụ tải TBA phân xưởng có cơng suất lớn, trạm biến áp trung gian cấp cho nhà máy, khu công nghiệp v.v… 40 Các phương pháp xác định Ptt  Xác định phụ tải tính tốn theo suất tiêu hao điện 𝑃𝑡𝑡𝑇 = 𝑀𝑇 𝑤0 𝑇 MT: số đơn vị sản phẩm sản xuất thời gian T w0: suất tiêu hao điện kWh/đơn vị sản phẩm tra sổ tay T: Thời gian khảo sát (1 ca, năm…) Xét năm: 𝑃𝑡𝑡𝑇 = 𝑀𝑇 𝑤0 𝑇𝑚𝑎𝑥 ( 𝑇𝑚𝑎𝑥 : thời gian sử dụng Pmax(giờ) Ví dụ: Tính Ptt nhóm máy nén khí có sản lượng 300.106 m3, biết suất tiêu thụ 100kWh/ 103m3, Tmax = 7000giờ Giải:𝑃𝑡𝑡 = 300.106 100 7000.103 = 4286 kW Phạm vi áp dụng: Đơn giản xác, sơ xác định Ptt hộ có ĐTPT thay đổi (quạt gió, bơm, lị điện trở) Ptt ≈ Ptb 41 Các phương pháp xác định Ptt  Xác định phụ tải tính tốn theo suất phụ tải đơn vị diện tích Ptt = p0.F p0 : Suất phụ tải/1 đơn vị diện tích (kW/m2) tra sổ tay F: Diện tích sản suất (m2) Ví dụ:Tìm phụ tải chiếu sáng phịng học có diện tích 100 m2 Giải: Tra sổ tay p0 = 15 W/m2 Ptt = 15×100 = 1500 W Phạm vi ứng dụng: Dùng tính tốn sơ phụ tải có mật độ phụ tải tương đối diện tích sử dụng điện phân xưởng dệt, trường học, bệnh viện, đặc biệt thường sử dụng để tính tốn phụ tải chiếu sáng 42 Biểu đồ phụ tải Biểu diễn thích hợp phụ tải  thiết kế hình dung cách rõ ràng phân bố phụ tải mặt bằng có sở vạch phương áp cung cấp điện cho toàn cơng trình, chọn vị trí đặt trạm biến áp, vạch tuyến đường dây  Xác định tâm phụ tải Quan điểm triết học: 𝑥0 (𝑦0 , 𝑧0 ) = σ𝑛 𝑖=1 𝑆𝑖 𝑥𝑖 (𝑦𝑖 ,𝑧𝑖 ) σ𝑛 𝑖=1 𝑆𝑖 𝑥𝑖 , 𝑦𝑖 , 𝑧𝑖 tọa độ phụ tải thứ i có cơng suất Si Phụ tải z phụ tải nhà cao tầng Tính đến thời gian làm việc: 𝑥0 (𝑦0 , 𝑧0 ) = σ𝑛 𝑖=1 𝑃𝑖 𝑇𝑖 𝑥𝑖 (𝑦𝑖 ,𝑧𝑖 ) σ𝑛 𝑖=1 𝑃𝑖 𝑇𝑖 Ti thời gian làm việc phụ tải thứ i 43 Biểu đồ phụ tải  Biểu đồ phụ tải Vịng trịn có tâm trùng với tâm phụ tải, có diện tích tỷ lệ với cơng suất phụ tải theo tỷ lệ xích tùy chọn 𝑆𝑖 = 𝑚 𝜋 𝑟𝑖2 𝑟𝑖 = 𝑆𝑖 𝑚𝜋 m:Tỷ lệ xích (kVA/cm2) ri: Bán kính vịng trịn phụ tải thứ i (cm) αcs ri xi ,yi 44 Biểu đồ phụ tải  Các thành phần phụ tải Một phụ tải lớn phân chia thành nhiều thành phần: Công nghiệp: phụ tải phân xưởng=động lực+chiếu sáng Nông thôn: phụ tải tưới tiêu + phụ tải sinh hoạt Đô thị: công nghiệp+thương mại+d/vụ+sinh hoạt+giao thông Các thành phần phụ tải biểu diễn vịng trịn biểu đồ phụ tải thơng qua góc: 𝛼𝑖 = 360.𝑃𝑖 𝑃 Pi :Công suất tiêu thụ thành phần phụ tải thứ i P: Tổng công suất tiêu thụ phụ tải 45 Dự báo phụ tải  Phân loại dự báo nhu cầu điện Dự báo ngắn hạn Từ đến năm dùng thiết kế Yêu cầu độ xác cao, cho phép sai số 5÷10% Dự báo tầm vừa Từ 5÷10 năm, dùng chủ yếu cho công tác quy hoạch Sai số cho phép từ 10÷20% Dự báo tầm xa Từ 10÷20 năm, thường mang tính chiến lược, nêu nên phương hướng phát triển chủ yếu 46 Dự báo phụ tải  Các phương pháp dự báo nhu cầu điện Phương pháp hệ số vượt trước: 𝐾 = 𝛼𝑛𝑐đ𝑚 𝛼𝑛𝑘𝑡 𝛼𝑛𝑐đ𝑚 : Tỷ lệ tăng trưởng nhu cầu điện [%] khứ 𝛼𝑛𝑘𝑡 : Tỷ lệ tăng trưởng kinh tế [%] khứ Biết K biết dự báo tỷ lệ tăng trưởng kinh tế tương lai xác định mức độ tăng nhu cầu điện tương lai tương ứng nhu cầu điện năm dự báo Độ xác thấp Phương pháp trực tiếp Tương tự p/pháp xác định phụ tải theo suất tiêu hao điện dự báo tổng sản lượng ngành kinh tế suất tiêu hao điện đơn vị sản phẩm Thích hợp với dự báo ngắn hạn, kinh tế ổn định 47 Dự báo phụ tải  Các phương pháp dự báo nhu cầu điện Phương pháp tương quan Từ số liệu khứ, lập quan hệ tổng nhu cầu điện với số kinh tế quốc dân tổng sản lượng ngành Từ đó, có dự báo tổng sản lượng ngành suy nhu cầu điện cho năm dự báo Năm Nhu cầu điện (kWh) Chỉ số (ngành) A1 N1 A2 N2 … … … Hiện AHT NHT … … … Tương lai ATLi NTLi Phương pháp so sánh đối chiếu So sánh đối chiếu với phát triển nhu cầu điện nước có hồn cảnh tương tự Đơn giản thích hợp cho dự báo ngắn hạn 48 Dự báo phụ tải  Các phương pháp dự báo nhu cầu điện Phương pháp ngoại suy theo thời gian: Nghiên cứu diễn biến nhu cầu điện q khứ tương đối ổn địnhtìm quy luật để dự báo nhu cầu điện cho tương lai Ngoại suy tuyến tính: 𝑆 𝑡 = 𝑆𝑡𝑡0 (1 + 𝛼 𝑡) oS(t): Cơng suất tính tốn sau t năm dự báo oStt0: Cơng suất tính tốn thời điểm gốc ban đầu oα: Tỷ lệ phát triển hàng năm phụ tải cực đại (tính tốn) Ngoại suy theo dạng hàm mũ 𝑆 𝑡 = 𝑆𝑡𝑡0 𝑒 𝛼.𝑡 𝑆 𝑡 = 𝑆𝑡𝑡0 (1 + 𝛼)𝑡 Kết xác, dùng cho dự báo tầm trung dài hạn tương lại thay đổi đột biến phụ tải 49 Bài tập- Xác định số thiết bị điện hiệu nhq  Biết: tb×20kW, 10 tb×15kW, 16 tb×6kW, 20 tb×3kW, tb×1kW, Ksd = 0,25  Kiếm tra để loại bỏ nhóm thiết bị có cơng suất nhỏ Pđm-nhóm = 8.20+10.15+16.6+20.3+5.1= 471kW Nhóm thiết 20kW bị Tổng CS 160kW Tỷ lệ % 33,97% 15kW 6kW 3kW 1kW 150kW 31,85% 96kW 20,38% 60kW 12,74% 5kW 1,06% 𝑃đ𝑚𝑀𝑎𝑥 𝑃đ𝑚𝑀𝑖𝑛 20 Không xét Tổng số thiết bị n = 8+10+16+20 = 54 thiết bị Tổng cơng suất Pđm-nhóm = 8.20+10.15+16.6+20.3 = 466kW  Kiểm tra tỷ số m hệ số sử dụng Ksd = 0,25 > 0,2 𝑚 = 𝑛ℎ𝑞 = 2.σ𝑛 𝑖=1 𝑃đ𝑚𝑖 𝑃đ𝑚𝑀𝑎𝑥 = 2.466 20 = > = 46 < 𝑛 = 54 thiết bị 50 Bài tập- Xác định phụ tải tính tốn  Biết: 8tb×20kW, 10tb×15kW, 16tb×6kW, 20tb×3kW, Ksd=0,16  Xác định số thiết bị hiệu Ksd = 0,16 < 0,2 n1= 18 tb(P1 = 20.8 + 15.10 = 310kW, P = Pđm-nhóm = 466kW) 𝑛∗ = 𝑛1 𝑛 = 18 54 = 0,33 𝑃∗ = 𝑃1 𝑃 = 310 466 = 0,67 ∗ Tra bảng, 𝑛ℎ𝑞 = 𝑓 𝑛∗ , 𝑃∗ = 𝑓 0,33; 0,67 = 0,65 ∗ 𝑛ℎ𝑞 = 𝑛ℎ𝑞 𝑛 = 0,65.54 = 35 tb ∗ Xác định 𝑛ℎ𝑞 theo công thức gần ∗ 𝑛ℎ𝑞 = 𝑃2 0,95 (1−𝑃∗ )2 ∗+ 𝑛∗ (1−𝑛∗ ) = 0,672 0,33 0,95 (1−0,67)2 + (1−0,33) ∗ = 0,62 𝑛 ℎ𝑞 = 𝑛ℎ𝑞 𝑛 = 0,62.54 = 33 51 Bài tập- Xác định phụ tải tính tốn  Xác định Kmax: Tra sổ tay, Kmax = f(nhq, Ksd) = f(35;0,16) = 1,4 Hoặc xác định Kmax từ công thức kinh nghiệm: Kmax = 1+1,3 1−𝐾𝑠𝑑 𝑛ℎ𝑞 𝐾𝑠𝑑 +2 = + 1,3 1−0,16 35.0,16+2 = 1,43  Xác định phụ tải tính tốn 𝑃𝑡𝑡 = 𝐾𝑚𝑎𝑥 𝑃𝑡𝑏 = 𝐾𝑚𝑎𝑥 𝐾𝑠𝑑 𝑃đ𝑚 = 1,4.0.16.466 = 104,38 kW 52 Bài tập- Xác định phụ tải tính tốn  Thơng số nhà máy khí địa phương TT Tên phân xưởng PX kết cấu kim loại PX lắp ráp khí PX đúc PX rèn PX nén khí Pđặt (kW) 2200 1500 800 1200 500 TT 10 Tên phân xưởng PX gia công gỗ PX sửa chữa khí Trạm bơm Phịng kiểm định Khu văn phịng Pđặt (kW) 200 300 150 200 100  Tra:Knc ; cos𝜑  Ptt = Knc Pđặt ; 𝑄𝑡𝑡 = 𝑃𝑡𝑡 𝑡𝑔𝜑 = 𝑃𝑡𝑡 TT 10 Tên phân xưởng PX kết cấu kim loại PX lắp ráp khí PX đúc PX rèn PX nén khí PX gia cơng gỗ PX sửa chữa khí Trạm bơm Phịng kiểm định Khu văn phòng Pđặt (kW) 2200 1500 800 1200 500 200 300 150 200 100 Knc 0,6 0,3 0,6 0,5 0,6 0,4 0,2 0,6 0,7 0,7 cos𝝋 0,7 0,5 0,7 0,6 0,7 0,6 0,5 0,7 0,7 0,8  Phụ tải tính tốn tồn nhà máy Ptt(kW) 1320 450 480 600 300 80 60 90 140 70 1−𝑐𝑜𝑠𝜑2 𝑐𝑜𝑠𝜑 Qtt(kVAr) 1347 779 490 800 306 107 104 92 143 53 PNM = Kdt (Ptt1 + Ptt2 + …+Ptt10) = 0,85.3590 = 3051,5kW QNM = Kdt (Qtt1 + Qtt2 + …+Qtt10) = 0,85.4220 = 3586,6kW 𝑆𝑁𝑀 = 2 𝑃𝑁𝑀 + 𝑄𝑁𝑀 = 3051,52 + 3586,62 = 4709,11𝑘𝑉𝐴 53 .. .Chương 2: Phụ tải điện ? ?2. 1 ĐẶT VẤN ĐỀ ? ?2. 2 KHÁI NIỆM CHUNG 2. 2.1 Phụ tải điện 2. 2 .2 Tác dụng nhiệt dòng diện lên dây dẫn 2. 2.3 Phân loại phụ tải điện ? ?2. 3 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA PHỤ TẢI ĐIỆN 2. 3.1... thành phụ tải điện ba pha  Phân loại theo điện áp Phụ tải hạ áp Phụ tải trung áp Phụ tải điện áp cao Phụ tải nhận điện cấp điện áp gọi theo điện áp Có loại PT dùng điện cấp điện áp đèn chiếu... Pđm-nhóm = 10 .20 +10.15+5.10+10.8 +20 .2 = 520 kW, n = 10+10+5+10 +20 = 55 thiết bị Không nhóm cơng suất