Luận văn thạc sĩ kỹ thuật khảo sát bù công suất phản kháng trên lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối và các vấn đề tổn thất

Giới thiệu chung về lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối (LĐPP) đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng, là khâu cuối cùng của hệ thống điện LĐPP bao gồm lưới điện trung áp với điện áp từ 6 đến 22kV và lưới điện hạ áp, cung cấp điện cho các phụ tải với điện áp 380/220V.

LĐPP trung áp hiện nay sử dụng công nghệ phân phối 3 pha 3 dây, trong đó chỉ có 3 dây pha và các máy biến áp phân phối được cấp điện bằng điện áp dây Bên cạnh đó, công nghệ phân phối 3 pha 4 dây bao gồm 3 dây pha và 1 dây trung tính, với máy biến áp 3 pha được cấp điện bằng điện áp dây và máy biến áp 1 pha được cấp điện bằng điện áp riêng Trung tính của các cuộn dây trung áp được nối đất trực tiếp, đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống.

Hình 2.1 Lưới điện 3 pha 3 dây

Hình 2.2 Lưới điện 3 pha 4 dây

LV THẠC SĨ KT NÂNG CAO

Lưới phân phối điện hạ áp bao gồm các phương thức như đường dây trên không, cáp ngầm và cáp treo (cáp vặn xoắn) với hai cấp điện áp 380/220V Có hai loại sơ đồ lưới điện hạ áp chính: sơ đồ 4 dây, bao gồm 3 dây pha và 1 dây trung tính, và sơ đồ 5 dây, gồm 3 dây pha, 1 dây trung tính và 1 dây an toàn.

Hình 2.4 Lưới 4 dây: 3 pha + trung tính tru n g tín h

Hình 2.3 Lưới điện hạ áp 380/220V

Trung tính trực tiếp nối đất an toàn

Hình 2.5 Lưới 5 dây: 3pha+trung tính+dây an toàn

Đặc điểm của lưới điện phân phối

- Lưới điện phân phối có cấu trúc kín nhưng vận hành hở

Lưới điện phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng phục vụ tải, bao gồm việc duy trì chất lượng điện áp và độ tin cậy trong cung cấp điện.

- Phụ tải của lưới điện có độ đồng thời thấp.

Các vấn đề tổn thất trên lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối thường hoạt động không đối xứng và có tổn thất lớn hơn so với lưới truyền tải, với tổn thất thấp nhất khoảng 4% cho lưới phân phối và 2% cho lưới truyền tải Các tổn thất này liên quan chặt chẽ đến vấn đề kỹ thuật từ giai đoạn thiết kế đến vận hành của lưới điện Do đó, việc phân tích số liệu về tổn thất có thể giúp đánh giá sơ bộ chất lượng vận hành của lưới điện phân phối.

Tổn thất trên lưới điện phân phối được chia thành hai loại chính: tổn thất phi kỹ thuật (hay tổn thất thương mại) và tổn thất kỹ thuật Tổn thất phi kỹ thuật bao gồm bốn dạng tổn thất khác nhau.

•Trộm điện (câu, móc trộm)

• Không thanh toán hoặc chậm thanh toán hóa đơn tiền điện

• Sai sót tính toán tổn thất kỹ thuật

•Sai sót thống kê phân loại và tính hóa đơn khách hàng

Tổn thất phi kỹ thuật liên quan đến cơ chế và quy trình quản lý hành lý, trong khi tổn thất kỹ thuật trên lưới điện phân phối chủ yếu xảy ra trên dây dẫn và máy biến áp phân phối Tổn thất kỹ thuật được chia thành tổn thất công suất tác dụng và tổn thất công suất phản kháng Tổn thất công suất phản kháng chủ yếu do từ thông rò và từ trong máy biến áp, cũng như cảm kháng trên đường dây, tuy nhiên, nó chỉ làm lệch góc và ít ảnh hưởng đến tổng tổn thất điện năng Ngược lại, tổn thất công suất tác dụng có ảnh hưởng đáng kể đến tổn thất điện năng, và thành phần tổn thất điện năng do tổn thất công suất tác dụng được tính toán một cách cụ thể.

Tổn thất công suất tác dụng trên đường dây và máy biến áp tại thời điểm t, ký hiệu là ∆P(t), được tính toán theo công thức (2.1) thông qua phương pháp dòng điện đẳng trị, dựa vào đồ thị phụ tải hoặc thời gian sử dụng công suất lớn nhất Tổn thất này bao gồm tổn thất sắt do dòng điện Foucault trong lõi thép và tổn thất đồng do hiệu ứng Joule trong máy biến áp Các loại tổn thất này xuất phát từ những nguyên nhân chính khác nhau.

•Đường dây phân phối quá dài, bán kính cấp điện lớn

•Tiết diện dây dẫn quá nhỏ, đường dây bị xuống cấp, không được cải tạo nâng cấp

•Máy biến áp phân phối thường xuyên mang tải nặng hoặc quá tải

•Máy biến áp là loại có tỷ lệ tổn thất cao hoặc vật liệu lõi từ không tốt dẫn đến sau một thời gian tổn thất tăng lên

Vận hành không đối xứng liên tục gây ra tổn thất gia tăng trên máy biến áp do sự ảnh hưởng của nhiều thành phần sóng hài từ các phụ tải công nghiệp vào cuộn dây máy biến áp.

•Vận hành với hệ số cosφ thấp do thiếu công suất phản kháng

Hình 2.6 Sơ đồ tổn thất điện năng trong hệ thông điện

BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

3.1 Vấn đề bù công suất phản kháng trên lưới điện phân phối

Công suất phản kháng là yếu tố quan trọng trong các thiết bị như động cơ không đồng bộ, máy biến áp và trên đường dây điện, nơi có từ trường Mặc dù có thể giảm thiểu công suất phản kháng, nhưng việc triệt tiêu hoàn toàn là không thể, vì nó cần thiết để tạo ra từ trường trong quá trình chuyển hóa năng lượng.

-Muốn giảm tổn thất điện năng và tổn thất điện áp do từ trường gây ra thì đặt tụ điện ngay sát từ trường đó

-Đặc điểm của công suất phản kháng là biến thiên mạnh theo thời gian cũng như công suất tác dụng

-Nhu cầu công suất phản kháng chủ yếu là ở các xí nghiệp công nghiệp (cosφ=0.5÷0.8)

-Nhu cầu công suất phản kháng ở phụ tải sinh hoạt, dân dụng không nhiều (cosφ=0.9)

Như vậy để giảm tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng trên lưới phân phối trung áp ta có thể thực hiện bù kinh tế

●Lợi ích khi đặt tụ bù:

- Giảm được tổn thất công suất và tổn thất điện năng

- Chi phí đầu tư và vận hành không đáng kể

●Hạn chế: nguy cơ tự kích ở các động cơ của phụ tải, quá điện áp, cộng hưởng với các sóng hài bậc cao của dòng điện

3.2 Bù kinh tế công suất phản kháng trên lưới điện phân phối và bài toán bù kinh tế

Trong lưới điện phân phối có thể có 2 loại bù công suất phản kháng:

-Bù kỹ thuật do thiếu công suất phản kháng để đảm bảo tổn thất điện áp cho phép

-Bù kinh tế để giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng

Trong mạng điện xí nghiệp phải bù cưỡng bức để đảm bảo hệ số công suất cosφ

Giải bài toán bù công suất phản kháng bao gồm việc xác định số lượng trạm bù, vị trí lắp đặt tụ bù, công suất của từng trạm và chế độ làm việc của tụ bù nhằm tối ưu hóa hiệu quả kinh tế.

Nội dung cụ thể của bài toán bù phục thuộc vào phương thức bù:

Có hai cách đặt bù:

●Bù tập trung ở một số điệm trên trục chính lưới trung áp

●Bù phân tán ở các trạm phân phối hạ áp

Có thể có 3 cách điều khiển tụ bù:

●Tụ điều khiển theo nấc hoặc liên tục theo phụ tải

Tụ điện sẽ được cắt ra khi công suất phản kháng yêu cầu giảm xuống dưới một mức nhất định Do đó, hàm mục tiêu trong bài toán bù là tối thiểu hóa tổng đại số của các yếu tố lợi ích và chi phí.

Bài toán bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối là bài toán phức tạp vì:

Lưới phân phối điện có cấu trúc phức tạp, với mỗi trạm trung gian thường kết nối nhiều trục chính Mỗi trục này cung cấp điện cho nhiều trạm phân phối khác nhau, cho thấy sự phát triển liên tục của lưới phân phối theo không gian và thời gian.

-Chế độ phụ tải không đồng nhất, phụ tải tăng trưởng không ngừng

-Thiếu thông tin chính xác về đồ thị phụ tải phản kháng

-Công suất tụ bù là biến rời rạc, giá tiền đơn vị bù có quan hệ không tuyến tính với công suất bộ tụ

Để giải quyết bài toán bù trong bối cảnh khó khăn, cần phân chia nó thành các bài toán nhỏ hơn, áp dụng những giả thuyết khác nhau mà không làm sai lệch quá mức kết quả tính toán Điều này giúp đảm bảo rằng lời giải đạt được gần gũi với lý thuyết.

3.3 Bài toán bù kinh tế

Để xác định dung lượng bù tối ưu tại n nút, ta sử dụng các ẩn số Qb1, Qb2, , Qbn làm công suất bù Hàm chi phí Z được thiết lập nhằm tính toán và đảm bảo thỏa mãn điều kiện ràng buộc với Qbù ≥ 0 Ẩn số Qbù là nghiệm của phương trình liên quan.

∂Q ù = 0 (3.1) Trong quá trình giải, nếu xuất hiện một nghiệm có giá trị âm, giả sử Qbù,k <

0 thì nút đó không cần bù và cho nút đó bằng 0, giải lại hệ (n-1) phương trình để tìm (n-1) ẩn còn lại

●Cách thành lập hàm chi phí Z và tính toán Qbù đối với mạng điện gồm một đường dây và một phụ tải

Hàm chi phí tính toán gồm ba thành phần:

Z1 : Thành phần liên quan đến vốn đầu tư thiết bị bù:

Z1 = (avh + atc)K0.Qbù (3.2) Với K0 là gía tiền một đơn vị dung lượng bù

Hình 3.1 Sơ đồ mạng điện đơn giản

Z2 : Thành phần tổn thất điện năng trong thiết bị bù:

Z2 = C0 ΔP0.Qbù.T (3.3) Trong đó: C0 - tiền 1kWh điện năng ΔP0 – tổn thất công suất trên 1 đơn vị thiết bị bù (0.003÷0.005kW/kVAr)

Z3 : Thành phần tổn thất điện năng trong mạng điện sau khi đặt thiết bị bù:

Vì thành phần RτC giống nhau đối với mọi phương án bù nên không cần phải kể vào khi so sánh phương án và Z3 được viết như sau:

U RτC (3.5) Như vậy hàm chi phí tính toán Z có dạng:

Z = Z + Z + Z = (avh + atc)K0.Qbù + C0 ΔP0.Qbù.T + ( ù ) Rτc0 (3.6) Lấy đạo hàm ∂Z / ∂Qbù và cho bằng không: ù= (avh + atc)K0 + C0 ΔP0.T + ( ù) Rτc0= 0 (3.7) Giải được Qbù:

Trường hợp Qbù < 0 cho thấy việc lắp đặt tụ bù không hiệu quả về mặt kinh tế Đối với hệ thống đường dây liên thông với một nguồn và nhiều phụ tải, các dung lượng bù tại các nút tải 1, 2, 3 được ký hiệu lần lượt là Qb1, Qb2, Qb3.

3 dòng công suất kháng sau khi đặt thiết bị bù như sau:

Hàm chi phí tính toán Z được viết như sau:

Z = (avh + atc)K0.(Qb1 + Qb2 + Qb3 ) + C0 ΔP0.Qbù.T(Qb1 + Qb2 + Qb3) + [Q3-

Qb3) 2 R3 + (Q2 + Q3 -Qb2 -Qb3) 2 R2 + (Q1 + Q2 + Q3 - Qb1 -Qb2 -Qb2) 2 R1] (3.9)

Công suất kháng cần bù là nghiệm của hệ phương trình:

Nếu nghiệm Qb,i < 0 thì nút i không cần bù và cho Qb,i = 0 giảm đi một một trình ứng với Qb,i và giải lại

3.4 Tính toán bù kinh tế bằng phương pháp ma trận

Tổn thất công suất tính theo ma trận Zbus ΔP+jΔQ = ∑ , İ ∗ Żijİj (3.11)

Với nút 1 là nút cân bằng và Ii, Ij lần lượt là dòng điện ở nút i và j (trong đơn vị tương đối), ta có mạch tương đương như sau:

Hình 3.2 Sơ đồ dòng công suất kháng

Để biểu diễn dòng điện nút theo công suất nút, ta cần phân tích phương trình ΔP+jΔQ = ∑, İ ∗ Żijİj = ∑, (IiRE –jIiIM)(Rij +jXij)(IjRE + IjIM) Phần thực ΔP được xác định qua công thức ΔP = ∑, (IiRE Rij IjRE – IiRE Xij IjIM + IiIM Xij IjRE + IiIM Rij IjIM) Trong đó, Ii được biểu diễn dưới dạng Ii = ∗ = | | (cosδ + jsinδ), với δ là góc pha của điện áp nút Ui.

Phương trình (3.15) được viết tương tự cho dòng điện Ij ở thanh cái j bằng cách thay i = j

Thay phần thực và phần ảo của phương trình (3.15) vào (3.14) ta có được: ΔP=∑ , R [ ( )( )

(3.16) Hình 3.3 Sơ đồ phân bố tổng trở theo Zbus khi chưa bù

LV THẠC SĨ KT NÂNG CAO ΔP=∑

, P P cosδ cosδ + sinδ sinδ + P Q sinδ cosδ − sinδ cosδ + P Q sinδ cosδ − sinδ cosδ + Q Q sinδ sinδ + cosδ cosδ ]

(3.17) Áp dụng công thức lượng giác vào (3.17) ta được: ΔP=∑ [ ( )

Với (δj – δi) nhỏ có thể áp dụng gần đúng như sau: ΔP=∑ [

Ta có thể tách riện thành phần tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng gây ra với Ui ≈ Uj ≈ Uđm ΔPdoQ = ∑ , [ Q Q ] (3.20)

Biểu thức (3.20) áp dụng được cho đơn vị tương đối và đơn vị có tên

3.4.2 Các bước tính toán bù kinh tế

-Bước 1: Thành lập ma trận Zbus với thanh cái cân bằng làm chuẩn có được:

Zbus = Rbus + jXbus (3.21) Áp dụng phương pháp ráp dân từng nhánh để thành lập Zbus

-Bước 2: Viết biểu thức tổn thất công suất tác dụng do thành phần CSPK qua các nhánh của mạng điện sau khi đặt thiết bị bù tại các nút

Với Rij là phần tử của ma trận Rbus

Mạch tương đương dùng để tính tổn thất công suất tác dụng gây ra do phụ tải phản kháng sau khi bù như sau:

-Bước 3: Viết biểu thức đạo hàm riêng:

, = − ∑ R Q + ∑ R Q ù = 0 (3.23) -Bước 4: Đạo hàm riêng biểu thức Z = Z1 + Z2 + Z3 theo các biến Qbù,i có được hệ phương trình bậc nhất n ẩn số Qbù (giả sử cho n=5 với nút cân bằng là nút 1):

Z = (avh + atc)K0.(Qbù 2 + Qbù 3 + Qbù 4 + Qbù 5 ) + c.t.ΔP * (Qbù 2 + Qbù 3 + Qbù 4 +

Qbù 5 ) + c.τ.ΔP (3.24) Đạo hàm ù = 0 có dạng ∆P = ∑ (B Q ù, ) + C 0 (3.25) Đặt A = ((avh + atc)K0 + c.t ∆P * , b = , Ci = -b.∑ R Q ) + A, B ij =b.Rij

Từ ma trận Rbus viết cho mạng điện n nút với nút 1 là nút cân bằng làm chuẩn:

Hình 3.4 Sơ đồ phân bố tổng trở theo Rbus khi bù

Rn2 Rn3 Rn Rnn Đạo hàm hàm chi phí tính toán ù

= 0, các hệ số của phương trình đạo hàm riêng được xắp xếp như sau (giả sử mạng điện có 5 nút phụ tải tính toán bù kinh tế)

Stt nút Qbù 2 Qbù 3 Qbù 4 Qbù 5 Hằng số = Vế phải

Trong đó đặt A = ((avh + atc)K0 + c.t ∆P* b Nếu đóng tụ suốt năm thì t = 8760 giờ/năm

C2 = -b.∑ R Q ) + A với Qj là công suất phản kháng của phụ tải tại nút j -Bước 5: Giải hệ phương trình trên để xác định Qbù 2, Qbù 3 Qbù n

-Bước 6: Trường hợp có nghiệm âm thì bỏ qua nghiệm âm (cho =0) và giải lại hệ bằng cách bỏ qua hàng và cột của nghiệm đó

Khi Qbù 3 < 0, điều này cho thấy phụ tải 3 không cần bù Do đó, ta đặt Qbù 3 = 0 và giải lại hệ phương trình bằng cách loại bỏ hàng 3 cột 3, trong đó các trị số Ci vẫn được tính theo công thức tổng quát Quá trình này tiếp tục cho đến khi tất cả các nghiệm đều dương, với mỗi lần giải lập bảng như đã nêu.

3.5 Bù công suất kháng trên đường dây phân phối phân phối

3.5.1 Tổn thất công suất trên một đoạn của phát tuyến phân phối

Xét phụ tải kháng của đoạn ab của một phát tuyến có phụ tải tập trung và phân bố như hình 3.5:

S pb = P pb + jQ pb S tt = P tt + jQ tt l = 1(đvtđ) x(đvtđ) dx(đvtđ)

I1: dòng điện phản kháng đầu đoạn đường dây lúc phụ tải cực đại

Dòng điện phản kháng của phụ tải tập trung ở cuối đoạn đường dây đạt cực đại khi phụ tải ở mức cao nhất Tại một thời điểm bất kỳ trong đồ thị phụ tải, dòng điện phản kháng tại đầu đoạn đường dây (i1) và dòng điện phản kháng của phụ tải ở cuối đoạn đường dây (i2) có sự tương tác đáng kể.

Bù công suất phản kháng trên lưới điện phân phối

Vấn đề bù công suất phản kháng trên lưới điện phân phối

Công suất phản kháng là yếu tố quan trọng trong các thiết bị điện như động cơ không đồng bộ và máy biến áp, cũng như trên đường dây điện và trong mọi khu vực có từ trường Mặc dù yêu cầu về công suất phản kháng có thể được giảm thiểu, nhưng không thể triệt tiêu hoàn toàn, vì nó là cần thiết để tạo ra từ trường trong quá trình chuyển hóa năng lượng.

-Muốn giảm tổn thất điện năng và tổn thất điện áp do từ trường gây ra thì đặt tụ điện ngay sát từ trường đó

-Đặc điểm của công suất phản kháng là biến thiên mạnh theo thời gian cũng như công suất tác dụng

-Nhu cầu công suất phản kháng chủ yếu là ở các xí nghiệp công nghiệp (cosφ=0.5÷0.8)

-Nhu cầu công suất phản kháng ở phụ tải sinh hoạt, dân dụng không nhiều (cosφ=0.9)

Như vậy để giảm tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng trên lưới phân phối trung áp ta có thể thực hiện bù kinh tế

●Lợi ích khi đặt tụ bù:

- Giảm được tổn thất công suất và tổn thất điện năng

- Chi phí đầu tư và vận hành không đáng kể

●Hạn chế: nguy cơ tự kích ở các động cơ của phụ tải, quá điện áp, cộng hưởng với các sóng hài bậc cao của dòng điện

3.2 Bù kinh tế công suất phản kháng trên lưới điện phân phối và bài toán bù kinh tế

Trong lưới điện phân phối có thể có 2 loại bù công suất phản kháng:

-Bù kỹ thuật do thiếu công suất phản kháng để đảm bảo tổn thất điện áp cho phép

-Bù kinh tế để giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng

Trong mạng điện xí nghiệp phải bù cưỡng bức để đảm bảo hệ số công suất cosφ

Giải bài toán bù công suất phản kháng bao gồm việc xác định số lượng trạm bù, vị trí lắp đặt tụ bù, công suất của mỗi trạm và chế độ làm việc của tụ bù nhằm đạt hiệu quả kinh tế cao nhất.

Nội dung cụ thể của bài toán bù phục thuộc vào phương thức bù:

Có hai cách đặt bù:

●Bù tập trung ở một số điệm trên trục chính lưới trung áp

●Bù phân tán ở các trạm phân phối hạ áp

Có thể có 3 cách điều khiển tụ bù:

●Tụ điều khiển theo nấc hoặc liên tục theo phụ tải

Tụ điện sẽ được cắt ra khi công suất phản kháng yêu cầu giảm xuống dưới mức nhất định Do đó, hàm mục tiêu trong bài toán bù là tối thiểu hóa tổng đại số giữa các yếu tố lợi ích và chi phí.

Bài toán bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối là bài toán phức tạp vì:

Lưới phân phối điện có cấu trúc phức tạp với nhiều trạm trung gian, mỗi trạm đảm nhiệm nhiều trục chính Mỗi trục này cung cấp điện cho nhiều trạm phân phối khác nhau, và cấu trúc của lưới phân phối này luôn phát triển liên tục theo không gian và thời gian.

-Chế độ phụ tải không đồng nhất, phụ tải tăng trưởng không ngừng

-Thiếu thông tin chính xác về đồ thị phụ tải phản kháng

-Công suất tụ bù là biến rời rạc, giá tiền đơn vị bù có quan hệ không tuyến tính với công suất bộ tụ

Để giải quyết bài toán bù trong bối cảnh khó khăn, cần phân chia nó thành các bài toán nhỏ hơn, áp dụng các giả thiết khác nhau mà không làm sai lệch quá mức kết quả tính toán, nhằm đảm bảo lời giải gần gũi với lý thuyết.

Bài toán bù kinh tế

Để xác định dung lượng bù tối ưu cho n nút, ta sử dụng các ẩn số Qb1, Qb2, , Qbn là công suất bù Hàm chi phí tính toán Z được thành lập nhằm thỏa mãn điều kiện ràng buộc với Qbù ≥ 0, trong đó Qbù là nghiệm của phương trình.

∂Q ù = 0 (3.1) Trong quá trình giải, nếu xuất hiện một nghiệm có giá trị âm, giả sử Qbù,k <

0 thì nút đó không cần bù và cho nút đó bằng 0, giải lại hệ (n-1) phương trình để tìm (n-1) ẩn còn lại

●Cách thành lập hàm chi phí Z và tính toán Qbù đối với mạng điện gồm một đường dây và một phụ tải

Hàm chi phí tính toán gồm ba thành phần:

Z1 : Thành phần liên quan đến vốn đầu tư thiết bị bù:

Z1 = (avh + atc)K0.Qbù (3.2) Với K0 là gía tiền một đơn vị dung lượng bù

Hình 3.1 Sơ đồ mạng điện đơn giản

Z2 : Thành phần tổn thất điện năng trong thiết bị bù:

Z2 = C0 ΔP0.Qbù.T (3.3) Trong đó: C0 - tiền 1kWh điện năng ΔP0 – tổn thất công suất trên 1 đơn vị thiết bị bù (0.003÷0.005kW/kVAr)

Z3 : Thành phần tổn thất điện năng trong mạng điện sau khi đặt thiết bị bù:

Vì thành phần RτC giống nhau đối với mọi phương án bù nên không cần phải kể vào khi so sánh phương án và Z3 được viết như sau:

U RτC (3.5) Như vậy hàm chi phí tính toán Z có dạng:

Z = Z + Z + Z = (avh + atc)K0.Qbù + C0 ΔP0.Qbù.T + ( ù ) Rτc0 (3.6) Lấy đạo hàm ∂Z / ∂Qbù và cho bằng không: ù= (avh + atc)K0 + C0 ΔP0.T + ( ù) Rτc0= 0 (3.7) Giải được Qbù:

Khi Qbù < 0, điều này cho thấy việc lắp đặt tụ bù không mang lại hiệu quả kinh tế Trong trường hợp đường dây liên thông với một nguồn và nhiều phụ tải, các dung lượng bù Qb1, Qb2, Qb3 cần được xác định tại các nút tải 1, 2.

3 dòng công suất kháng sau khi đặt thiết bị bù như sau:

Hàm chi phí tính toán Z được viết như sau:

Z = (avh + atc)K0.(Qb1 + Qb2 + Qb3 ) + C0 ΔP0.Qbù.T(Qb1 + Qb2 + Qb3) + [Q3-

Qb3) 2 R3 + (Q2 + Q3 -Qb2 -Qb3) 2 R2 + (Q1 + Q2 + Q3 - Qb1 -Qb2 -Qb2) 2 R1] (3.9)

Công suất kháng cần bù là nghiệm của hệ phương trình:

Nếu nghiệm Qb,i < 0 thì nút i không cần bù và cho Qb,i = 0 giảm đi một một trình ứng với Qb,i và giải lại.

Tính toán bù kinh tế bằng phương pháp ma trận

Tổn thất công suất tính theo ma trận Zbus ΔP+jΔQ = ∑ , İ ∗ Żijİj (3.11)

Với nút 1 là nút cân bằng và Ii, Ij lần lượt là dòng điện ở nút i và j (trong đơn vị tương đối), ta có mạch tương đương như sau:

Hình 3.2 Sơ đồ dòng công suất kháng

Để biểu diễn dòng điện nút theo công suất nút, cần phân tích phương trình ΔP+jΔQ = ∑, İ ∗ Żijİj = ∑, (IiRE –jIiIM)(Rij +jXij)(IjRE + IjIM) Phần thực ΔP được tính bằng ΔP = ∑, (IiRE Rij IjRE – IiRE Xij IjIM + IiIM Xij IjRE + IiIM Rij IjIM) Trong đó, Ii được xác định là Ii = ∗ = | | (cosδ + jsinδ), với δ là góc pha của điện áp nút Ui.

Phương trình (3.15) được viết tương tự cho dòng điện Ij ở thanh cái j bằng cách thay i = j

Thay phần thực và phần ảo của phương trình (3.15) vào (3.14) ta có được: ΔP=∑ , R [ ( )( )

(3.16) Hình 3.3 Sơ đồ phân bố tổng trở theo Zbus khi chưa bù

LV THẠC SĨ KT NÂNG CAO ΔP=∑

, P P cosδ cosδ + sinδ sinδ + P Q sinδ cosδ − sinδ cosδ + P Q sinδ cosδ − sinδ cosδ + Q Q sinδ sinδ + cosδ cosδ ]

(3.17) Áp dụng công thức lượng giác vào (3.17) ta được: ΔP=∑ [ ( )

Với (δj – δi) nhỏ có thể áp dụng gần đúng như sau: ΔP=∑ [

Ta có thể tách riện thành phần tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng gây ra với Ui ≈ Uj ≈ Uđm ΔPdoQ = ∑ , [ Q Q ] (3.20)

Biểu thức (3.20) áp dụng được cho đơn vị tương đối và đơn vị có tên

3.4.2 Các bước tính toán bù kinh tế

-Bước 1: Thành lập ma trận Zbus với thanh cái cân bằng làm chuẩn có được:

Zbus = Rbus + jXbus (3.21) Áp dụng phương pháp ráp dân từng nhánh để thành lập Zbus

-Bước 2: Viết biểu thức tổn thất công suất tác dụng do thành phần CSPK qua các nhánh của mạng điện sau khi đặt thiết bị bù tại các nút

Với Rij là phần tử của ma trận Rbus

Mạch tương đương dùng để tính tổn thất công suất tác dụng gây ra do phụ tải phản kháng sau khi bù như sau:

-Bước 3: Viết biểu thức đạo hàm riêng:

, = − ∑ R Q + ∑ R Q ù = 0 (3.23) -Bước 4: Đạo hàm riêng biểu thức Z = Z1 + Z2 + Z3 theo các biến Qbù,i có được hệ phương trình bậc nhất n ẩn số Qbù (giả sử cho n=5 với nút cân bằng là nút 1):

Z = (avh + atc)K0.(Qbù 2 + Qbù 3 + Qbù 4 + Qbù 5 ) + c.t.ΔP * (Qbù 2 + Qbù 3 + Qbù 4 +

Qbù 5 ) + c.τ.ΔP (3.24) Đạo hàm ù = 0 có dạng ∆P = ∑ (B Q ù, ) + C 0 (3.25) Đặt A = ((avh + atc)K0 + c.t ∆P * , b = , Ci = -b.∑ R Q ) + A, B ij =b.Rij

Từ ma trận Rbus viết cho mạng điện n nút với nút 1 là nút cân bằng làm chuẩn:

Hình 3.4 Sơ đồ phân bố tổng trở theo Rbus khi bù

Rn2 Rn3 Rn Rnn Đạo hàm hàm chi phí tính toán ù

= 0, các hệ số của phương trình đạo hàm riêng được xắp xếp như sau (giả sử mạng điện có 5 nút phụ tải tính toán bù kinh tế)

Stt nút Qbù 2 Qbù 3 Qbù 4 Qbù 5 Hằng số = Vế phải

Trong đó đặt A = ((avh + atc)K0 + c.t ∆P* b Nếu đóng tụ suốt năm thì t = 8760 giờ/năm

C2 = -b.∑ R Q ) + A với Qj là công suất phản kháng của phụ tải tại nút j -Bước 5: Giải hệ phương trình trên để xác định Qbù 2, Qbù 3 Qbù n

-Bước 6: Trường hợp có nghiệm âm thì bỏ qua nghiệm âm (cho =0) và giải lại hệ bằng cách bỏ qua hàng và cột của nghiệm đó

Khi Qbù 3 < 0, điều này cho thấy phụ tải 3 không cần bù Trong trường hợp này, thiết lập Qbù 3 = 0 và giải lại hệ phương trình bằng cách loại bỏ hàng 3 cột 3, trong khi các trị số Ci vẫn được tính theo công thức tổng quát Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi tất cả các nghiệm đều dương, với mỗi lần giải lập bảng như đã mô tả.

Bù công suất kháng trên đường dây phân phối phân phối

3.5.1 Tổn thất công suất trên một đoạn của phát tuyến phân phối

Xét phụ tải kháng của đoạn ab của một phát tuyến có phụ tải tập trung và phân bố như hình 3.5:

S pb = P pb + jQ pb S tt = P tt + jQ tt l = 1(đvtđ) x(đvtđ) dx(đvtđ)

I1: dòng điện phản kháng đầu đoạn đường dây lúc phụ tải cực đại

Dòng điện phản kháng của phụ tải đạt cực đại tại cuối đoạn đường dây, trong khi dòng điện phản kháng ở đầu đoạn dây và tại phụ tải ở cuối dây có thể thay đổi theo thời gian trong đồ thị phụ tải.

I, i: dòng điện phản kháng cực đại và dòng vào thời điểm bất kỳ tại vị trí cách đầu đoạn đường dây khoảng cách x tính trong đơn vị tương đối (chiều dài đoạn đường dây bằng 1 đvtđ)

Tất cả dòng điện trên là thành phần phản kháng của dòng điện hiệu dụng Dòng điện i tại vị trí x: i = i1 – (i1 – i2)x (3.26)

Tổn thất công suất vi cấp trên đoạn dx của phát tuyến do thành phần dòng điện phản kháng tạo ra: d(ΔP) = 3.[i1 – (i1 – i2)x] 2 R.dx (3.27) Với R: điện trở của đoạn ab

Dx: chiều dài vi cấp (đvtđ)

Tổn thất công suất toàn đoạn đường dây vào một thời điểm của đồ thị phụ tải: ΔP = ∫ ΔP = 3∫ [ – ( – )x] R dx (3.28)

Tổn thất công suất tối đa xảy ra khi phụ tải đạt cực đại, do ảnh hưởng của thành phần dòng điện phản kháng, được tính bằng công thức: ΔPmax = (I + I1I2 + I)R Đặc biệt, tổn thất công suất trên đường dây sẽ được cải thiện khi có sự hiện diện của tụ bù.

Trường hợp có một bộ tụ bù:

Để giảm tổn thất công suất và điện năng trên đoạn đường dây ab có phụ tải phân bố đều và phụ tải tập trung, cần đặt tụ bù tại vị trí cách đầu a một khoảng cách x1, như được minh họa trong hình 3.6.

S pb = P pb + jQ pb S tt = P tt + jQ tt l = 1(đvtđ) x x1 Ic

Gọi i là dòng điện ở vị trí x trước khi đặt tụ bù, Ic là dòng điện của tụ bù

Dòng trong khoảng từ đầu đoạn đường dây đến vị trí đặt tụ: i , = i – Ic = i1 – (i1 – i2)x - Ic (3.30) Tổn thất công suất trên đoạn ab: ΔP ’ = 3∫ [ − ( − ) − I ] Rdx + 3∫ [ − ( − ) ] Rdx (3.31)

Để giảm tổn thất công suất sau khi bù, ta có thể tính toán lượng tổn thất bằng công thức ΔP = ΔP - ΔP’ = 3x1[(2-x1)i1Ic + x1i2Ic - I]R Nếu thay đổi vị trí đặt tụ bù từ x1 thành x, biểu thức giảm tổn thất sẽ trở thành ΔP = ΔP - ΔP’ = 3x[(2-x)i1Ic + xi2Ic - I]R Việc đặt tụ bù hợp lý sẽ giúp giảm thiểu tổn thất điện năng hiệu quả hơn.

Giảm tổn thất điện năng trong thời gian T (chẳng hạn 1 năm) cho bởi tích phân:

Giảm ΔA = 3x[(2-x)Ic∫ + xIc∫ - ∫ ]R (3.35) Giảm ΔA = 3x[(2-x)Ic I1T + xIcI2 T - T]R (3.36) Trong đó: là hệ số phụ tải phản kháng

I1, I2 dòng điện phản kháng cực đại

T: thời gian đóng tụ cố định x: vị trí đặt tụ

Vị trí tối ưu để đặt tụ nhằm giảm thiểu tổn thất điện năng được xác định bằng cách tính đạo hàm bậc nhất của sự giảm ΔA theo biến x và thiết lập nó bằng không.

Và ( ả ) = -2k (1-λ) < 0 (3.43) Suy ra vị trí đặt tụ tối ưu xopt: xopt = -

( ) (3.44) Công suất tối ưu của tụ bù như sau:

Nếu λ >1/3, cho xopt = 1 và chỉ xét:

 Chỉ có phụ tải phân bố: λ = 0

Vị trí đặt tụ bù tối ưu: xopt = (3.53)

Công suất tụ bù: Qc = Qpb (3.55)

 Chỉ có phụ tải tập trung ở cuối: λ = 1

Hệ số bù: c = (3.57) Công suất tụ bù: Qc = Qtt (3.58) 3.5.4 Giảm tổn thất điện năng có xét chi phí đặt tụ bù

Xét một đoạn đường dây có đặt một vị trí bù Tổng tiền tiết kiệm được sau khi đặt tụ bù (giả sử trong một năm):

∑$ = tiết kiệm do giảm tổn thất điện năng trong một năm

+ Tiết kiệm chi phí vận hành trong một năm của nguồn phát để bù vào tổn thất công suất tính theo phần trăm tiền đầu tư nguồn phát

- Chi phí vận hành hàng năm của tụ bù tính theo phần trăm tiền đầu tư của tụ bù

∑$ = 3RI cx[(2-x) + xλ - c].T.K1 + 3RI cx[(2-x) + xλ - c].K 2 -cQmax∑ K3

(3.60) Xác định vị trí đặt tụ bù tối ưu bằng cách lấy đạo hàm bậc nhất và cho = 0

↔ 2(1-λ)x[T.K1 +K2] = 2[T.K1 +K2]-c[TK1 + K2] (3.61) Suy ra vị trí đặt tụ: x = - [ ]

Công suất tối ưu của tụ bù:

K2 ($/kW): chi phí vận hành hàng năm 1kW công suất nguồn phát;

K3 ($/kVAr): chi phí vận hành hàng năm 1kVAr công suất tụ bù

 Giải 2 phương trình (3.62) và (3.64) để tìm x và c

 Phương trình (3.62) có dạng: x = A- Bc (3.65)

F  Phương trình (3.64) có dạng: Cx 2 + 2(D-E.c)x - F= 0 (3.66) Thay (3.65) vào (3.66) ta được:

C(A-Bc) 2 + 2(D-E.c) (A-Bc) - F= 0 C(A 2 -2ABc+B 2 c 2 )+2[AD-(AE+BD)c+EBc 2 ]-F = 0 Sắp xếp lại thành phương trình bậc 2 theo c

(B 2 C+2EB)c 2 -2[ABC+AE+BD)c+(A 2 C+2AD-F) = 0

Với: G = HGiải phương trình bậc 2: ∆ = G 2 -H

Chọn nghiệm c thỏa điều kiện: 0 < c < 1

Nếu c > 1 : có thể chọn c = 1và tính kiểm lại coφ ≤ 0.95

Trường hợp giải x > 1 thì chọn lại x = 1 (tụ đặt ở cuối đoạn) và tìm c từ (∑$) = 0, có được:

Nếu λ = 1 (chỉ có phụ tải tập trung), tụ đặt ở cuối đoạn thì cho λ = 1 vào (3.67)

Giảm tổn thất trường hợp có nhiều bộ tụ bù

3.6.1 Trường hợp hai bộ tụ ΔP ’ = 3∫ [ − ( − ) − 2I ] Rdx + 3∫ [ − ( ) − ] Rdx + 3∫ [ − ( − ) ] Rdx (3.69)

Suy ra lượng tổn thất công suất sau khi bù: ΔP = ΔP- ΔP ’ = {3cx1[(2-x1) + λx1 -3c] + 3cx2[(2-x2) + λx2 -c]}R

3.6.2 Trường hợp ba bộ tụ ΔP = ΔP- ΔP ’ = {3c(x1[(2-x1) + λx1 -5c] + x2[(2-x2) + λx2 -3c]+ x3[(2-x3) + λx3 - c])}R (3.71)

3.6.3 Trường hợp bốn bộ tụ ΔP = ΔP- ΔP ’ = {3c(x1[(2-x1) + λx1 -7c] + x2[(2-x2) + λx2 -5c]+ x3[(2-x3) + λx3 -

Trong đó: c: tỷ số tụ bù tại mỗi vị trí xi: khoảng cách thứ i của tụ đến nguồn n: tổng số tụ

3.6.5 Vị trí đặt tụ tối ưu

3.6.5.1 Xác định vị trí đặt tụ tối ưu xi,opt = - ( )

( ) (3.74) c = const λ = const xi,opt : vị trí tối ưu của tụ tại mỗi đơn vị chiều dài

3.6.5.2 Giảm tổn thất công suất tối ưu ΔPopt = 3c∑ [ − ( ) + +

3.6.5.3 Giảm tổn thất điện năng khi đặt tụ

Giảm ΔA = 3Rc∑ [ (2-xi) + xiλ - (2i-1)c]T (3.76) ( ả ) = 0 ↔ ( ả ) = 3Rc[2 ( -1)xi + 2 - (2i-1)c] = 0 (3.77)

Và ( ả ) = -2 (1- ) < 0 (3.78) Suy ra vị trí đặt tụ tối ưu xi,opt:

( ) (3.79) Công suất tối ưu của tụ bù như sau:

Trường hợp n=1 (chỉ có một tụ bù) => CT = k ( ) (3.81)

Phương trình tổng quát chi phí khi xét bất kỳ số lượng đặt tụ bù

Từ biểu thức (3.73) và (3.76) ta có được:

∑$ = 3K1Rc∑ [ (2-xi) + xiλ -(2i-1)c]T +3K2Rc∑ [ (2-xi) + xiλ - (2i-1)c] – K3CT (3.82) Xác định vị trí đặt tụ bù tối ưu bằng cách lấy đạo hàm bậc nhất cho = 0

Và (∑$) = -6Rc(1- λ)(K2+K1T ) < 0 (3.84) Suy ra vị trí đặt tụ: x = - ( ) [ ]

Áp dụng chương trình MatLap mô phỏng hệ thống điện

Giới thiệu

MATLAB là môi trường tính toán số và lập trình do công ty MathWorks phát triển, cho phép người dùng thực hiện các phép toán với ma trận, vẽ đồ thị hàm số và biểu đồ thông tin, cũng như thực hiện các thuật toán phức tạp Nó cũng hỗ trợ tạo giao diện người dùng và kết nối với các chương trình viết bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác So với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++ và Fortran, MATLAB giúp đơn giản hóa việc giải quyết các bài toán tính toán kỹ thuật.

MATLAB là một ngôn ngữ lập trình mạnh mẽ được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xử lý tín hiệu và ảnh, truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường và kiểm tra, phân tích mô hình tài chính, cũng như tính toán sinh học Với khả năng tính toán khoa học vượt trội, MATLAB trở thành công cụ quan trọng cho các chuyên gia trong các ngành này.

Ứng dụng hộp công cụ hệ thống điện trong Matlab

Hộp công cụ hệ thống điện chứa các file m và chương trình hỗ trợ tính toán cho hệ thống điện, bao gồm các ứng dụng như phân bố công suất, tối ưu hóa, tính toán ngắn mạch và ổn định hệ thống.

Các chương trình phân bố công suất có sẵn trong hộp hội thoại Power system toolbox của MatLab:

Phương pháp Gauss-Seidel nổi bật với tính đơn giản, khối lượng tính toán thấp và yêu cầu lưu trữ nhỏ Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của nó là tốc độ hội tụ chậm, đặc biệt khi kích thước lưới điện gia tăng Số bước lặp cần thiết tăng lên theo số biến, dẫn đến thời gian tính toán dài hơn so với phương pháp Newton Raphson Do đó, phương pháp này thường được áp dụng trong tính toán PF cho một số bài toán ổn định hoặc phân tích sự cố, nơi yêu cầu tính toán nhiều lần với chỉ một vài công suất nút ít thay đổi.

- Phương pháp Newton – Raphson: có ưu điểm là tốc độ và khả năng hội tụ cao và không phụ thuộc vào kích thước lưới điện

Phương pháp lý thuyết như sau:

Nếu f(x) = 0 là phương trình phi tuyến thì khai triển f(x) theo giá trị đầu x (0) như sau:

Bỏ qua số hạng bậc cao chỉ giữ lại phần tuyến tính ta có :

Giải (4.2) bằng phương pháp lặp như sau :

Tiếp tục khai triển tại x (1) rồi tính x (2) cứ như thế x ( k  1)

Phương pháp Newton – Raphson là sự mở rộng của công thức lặp Newton (4.3) cho hàm nhiều biến Trong trường hợp có n phương trình phi tuyến với n biến, ta có thể áp dụng phương pháp này để giải quyết các bài toán phức tạp hơn.

Trong đó F X ' ( ) là ma trận Jacobian của F(X)

LV THẠC SĨ KT NÂNG CAO Đặt J ( ) k F X ' ( ( ) k ) từ phương trình (4.6) ta có hệ sau :

Phương pháp Newton – Raphson có đặc tính hội tụ bậc hai, do đó giả thiết ban đầu phải gần với lời giải để cho phương pháp hội tụ

4.2.1 Phương trình công suất nút theo phương pháp Newton Raphson

Trong một hệ thống điện có n nút, tổng số nút của hệ thống sẽ là n+1, với nút 0 được xác định là nút cân bằng Các nút còn lại bao gồm ng nút sinh điện (generators hay nút PV) và nl nút tải điện (load hay nút PQ), trong đó n = ng + nl.

Giữa dòng điện nút và điện áp nút có quan hệ sau I nut Y nut U nut

Tách phần thực và phần ảo ra : k Re k km m m

Từ (4.9) và (4.10) ta có trong toạ độ cực như sau :

 cos sin  0 k k km km km km m m

 sin cos  0 k k km km km km m m

Với độ lớn điện áp chưa biết U (nl số) đối với nút PQ và góc pha chưa biết (ng

+ nl) ở cả nút PV và PQ (4.13)

Ta được 2nl + ng phương trình và bằng số biến của X Các phương trình này viết dưới dạng ma trận : P 0

Với k k sp k  km cos km km sin km  m m

         (4.15) k k sp k  km sin km km cos km  m m

         (4.16) Viết dưới dạng công thức Newton – Raphson phương trình (4.6a)

Để giải bài toán, ta bắt đầu với các thông số P ( ) k , Q ( ) k , U ( ) k , và  ( ) k ở bước k để tính ma trận J (k) Sau đó, ta tiếp tục tính  ( k  1), U ( k  1), và U ( k  1) cho bước k+1 Quá trình này lặp lại cho bước k+2 và các bước tiếp theo cho đến khi độ sai lệch điện áp giữa hai bước liên tiếp không vượt quá sai số cho phép, hoặc khi P, Q = 0 (với sai số cho phép), lúc đó quá trình tính toán sẽ kết thúc.

4.2.2 Tính toán công suất nhánh theo phương pháp Newton Raphson

Ta xác định công thức tính công suất và tổn thất công suất trên các nhánh của sơ đồ lưới điện (đường dây, máy biến áp…) ở hai đầu nhánh

Xét nhánh k-m nối giữa nút k và nút m có tổng dẫn (dọc) Y 1/Z G jB

Dòng nhánh và công suất nhánh tại đầu k và đi từ k tới m là :

S km P km jQ km 3 U I k km Y U k U k U m Y U k 2 U U k m ( k  m )

  G  jB    U k 2  U U k m cos  km  jU U k m sin  km  

Nếu tất cả các đại lượng dùng đơn vị tương đối thì bỏ các hệ số 3, ta được:

P km  U G U U k 2  k m ( cos G  km  B sin km ) (4.18)

Q km   U B U U k 2  k m ( sin G  km  B cos km )

P km  G U  k 2  U U k m cos  km   BU U k m sin  km (4.19)

Q km   GU U k m sin  km  B U  k 2  U U k m cos  km 

Nếu viết theo các phần tử ma trận tổng dẫn nút G km  G B, km  B thì ta có công thức :

P km   G km  U k 2  U U k m cos  km   B U U km k m sin  km (4.20)

Để xác định tổn thất công suất trên nhánh, ta sử dụng công thức Q km = G U U km k m sin θ km + B km (U k^2 - U U k m cos θ km) để tính công suất ở đầu m (từ m tới k) Từ đó, ta có thể tính toán tổn thất công suất một cách chính xác.

 P km  P km  P mk   G km  U k 2  U m 2  2 U U k m cos  km  km km mk km  k 2 m 2 2 k m cos km  km km km

Cả hai phương pháp đều bao gồm bốn chương trình con Chương trình lfybus được thực hiện đầu tiên, sau đó là busout và lineflow, tất cả đều được thiết kế để kết hợp với các chương trình phân bố công suất như lfnewton.

LV THẠC SĨ KT NÂNG CAO phương pháp Newton – Raphson) và chương trình lfgauss (dùng cho phương pháp Gauss – Seidel)

Mô tả các chương trình:

Chương trình lfybus cho phép người dùng tạo mô hình π từ tập tin linedata, yêu cầu nhập các thông số như đường dây, máy biến áp và đầu phân áp của máy biến áp Mục tiêu chính của chương trình là tính toán ma trận YBUS.

Chương trình lfgauss sử dụng phương pháp Gaus-Seidel để giải phân bố công suất, yêu cầu các tập tin busdata và linedata, được thiết kế cho phụ tải và máy phát (MVA và MW), điện áp thanh cái (đvtđ) và góc Trong khi đó, lfnewton áp dụng phương pháp Newton-Raphson, cũng cần các tập tin busdata và linedata, và được tối ưu hóa cho công suất phụ tải và máy phát trong đơn vị MW và MVAr, điện áp tương đối và góc tính bằng độ Công suất phụ tải và máy phát trong lfnewton được chuyển đổi sang đơn vị tương đối dựa trên Scb (MVA) đã chọn.

Busout là một chương trình cung cấp kết quả điện áp thanh cái dưới dạng bảng, hiển thị điện áp nút với trị số và góc pha Nó cũng tính toán công suất tác dụng của máy phát và phụ tải, cùng với công suất phản kháng của tụ bù hoặc cuộn kháng bù ngang Ngoài ra, chương trình còn cung cấp tổng công suất phát và tổng phụ tải.

Chương trình Lineflow cung cấp dữ liệu xuất về đường dây, hiển thị dòng công suất tác dụng và phản kháng tại các đầu đường dây, cũng như tổn thất đường dây và công suất tại mỗi nút Kết quả bao gồm cả tổn thất công suất tác dụng và phản kháng của toàn bộ hệ thống.

+ ybus: cho các trị số R, X, tính YBUS

+ decouple: lời giản phân bố công suất bằng phương pháp phân lập nhanh.

Thực hiện số liệu vào chương trình tính toán trong MatLab

Để thực hiện tính toán phân bố công suất bằng các chương trình trong Matlab, phải định nghĩa các biến sau:

- Công suất cơ bản Scb (biến: basemva)

- Độ sai số về công suất (biến accuracy)

- Hệ số tăng tốc (biến accel)

- Số lần lập tối đa (biến maxiter)

Bước đầu tiên của việc chuẩn bị số liệu là đánh số nút Nút được đánh số liên tiếp Theo đó, các tập tin số liệu yêu cầu là:

- Tập tin số liệu nút – busdata

- Tập tin số liệu nhánh – linedata

Ma trận busdata phải bao gồm các thông số sau:

- Cột (1): số thứ tự nút

- Cột (3) và (4): điện áp nút trong đvtđ

- Cột (5) và (6): công suất MW và MVAr của phụ tải

- Cột (7), (8), (9) và (10): công suất MW, MVAr, MVArmin và MVArmax của máy phát

- Cột (11): công suất kháng MVAr của tụ bù ngang

Tập tin số liệu nút – busdata:

Ma trận busdata gồm các dữ liệu sau:

Phụ tải Máy phát Bù

Mã nhập ở cột 2 để chỉ định nút phụ tải, nút có điều chỉnh điện áp và nút cân bằng như sau:

Mã 1: dùng cho nút cân bằng Thông tin cần là U và δ

Mã 0: dùng cho nút phụ tải Phụ tải được nhập là số dương MW, MVAr Giả thiết ban đầu là 1 đối với điện áp và 0 o đối với góc pha

Mã 2: dùng cho nút có điều chỉnh điện áp Thông tin được nhập là công suất tác dụng của máy phát, giới hạn min, max của công suất kháng MVAr yêu cầu

Tập tin số liệu nhánh – linedata:

Linedata là một ma trận mô tả cấu hình của lưới Đường dây được ghi nhận bằng phương pháp cặp điểm nút

Ma trận Linedata gồm các dữ liệu sau:

Nút i Nút j R (pu) X (pu) Y/2 (pu) MBA

- Nút i, Nút j, R(pu), X(pu), Y/2 (pu)

Cột (1) và (2) : số thứ tự nút ở hai đầu đường dây

Cột (3) và (4) : điện trở, cảm kháng của đường dây trong đơn vị tương đối trên công suất cơ bản đã chọn

Cột (5): ẵ dung dẫn của đường dõy trong đơn vị tương đối cụng suất cơ bản đã chọn.

Áp dụng mô hình bài toán mẫu và kết quả tính toán trên MatLab

4.4.1 Bài toán mẫu bù kinh tế bằng Zbus

Cho sơ đồ lưới điện như 4.1:

Hình 4.1 Sơ đồ tính toán khi chưa bù

LV THẠC SĨ KT NÂNG CAO Đây là chương trình bù kinh tế cho đường dây có phụ tải phân bố đều Đường dây có 19 nút, 18 nhánh

Các đoạn đường dây và máy biến áp có tổng trở bằng nhau và phụ tải các nút bằng nhau

Tổng trở mỗi đoạn đường dây trên cơ bản Scb = 100 MVA, 22 kV:

Tổng trở nhánh máy biến áp phân phối 22/0.4 kV trên cơ bản 100 MVA, 22 kV:

Qtải = 250.0000 kVAr Điện áp đường dây: 22 kV

Tiền đầu tư tụ bù K0= 5000 $/MVA

Tiền điện năng tổn thất c = 50 $/MWh

Tổn thất điện năng cho 1 đơn vị tụ bù (pu): 0.005

Thời gian tổn thất công suất cực đại: T0 = 3410 giờ/năm a/Thông số tính toán basemva = 100; accuracy = 0.000001; maxiter = 500;

Qload = 0.25 ; b/Kết quả tính toán

Bảng 1: Kết quả tính toán trên Busdata

% No Loai U goc Phu tai May phat Qbu

% P(MW) Q(MVAr) P(MW) Q(MVAr) Qmin Qmax busdata=[1 1 1 0 0 0 0 0 -30 200 0 22

Bảng 2: Kết quả tính toán trên Linedata

% dau cuoi R(dvtd) X(dvtd) Y/2(dvtd) mba linedata=[1 2 rnhanh xnhanh 0 1

Phân bố công suất chế độ ban đầu trước khi bù công suất kháng

Bảng 3: Phân bố công suất trước khi bù công suất kháng

Nut Dien ap Goc -Phu tai - -May phat - Tu bu

No dvtd Degree MW Mvar MW Mvar Mvar

Bảng 4: Dòng công suất nhánh và tổn thất

Duong day Cong suat nut & Dong nhanh Ton that May bien ap- deltaQL deltaQC tu den MW Mvar MVA MW MVAr tap MVAr MVAr

Tổng tổn thất công suất kháng deltaQL – deltaQc : 0.275

Bảng 5: Phân bố ma trận Zbus với một nút làm chuẩn (ohms)

Tính lập bù kinh tế

Số nút bù: 9 Đạo hàm chi phí tính toán delZ/delQbù i = 0, các hệ số của phương trình đạo hàm riêng được xắp xếp thành dạng bảng như sau:

Bảng 6: Bù kinh tế lần lập 1

Cot 1 Cot 2 Cot 3 Cot 4 Cot 5

Ma trận cột C ở vế phải của phương trình ma trận BxQ=C

Lời giải của phương trình ma trận: nut Qbu(MVAr)

Phân bố công suất sau khi đặt thiết bị bù |n

Bảng 12: Phân bố công suất sau khi đặt thiết bị bù

Nut Dien ap Goc -Phu tai - -May phat - Tu bu

No dvtd Degree MW Mvar MW Mvar Mvar

Bảng 13: Dòng công suất nhánh và tổn thất

Duong day Cong suat nut & Dong nhanh Ton that May bien ap- deltaQL deltaQC tu den MW Mvar MVA MW MVAr tap MVAr MVAr

Tổng tổn thất công suất kháng deltaQL – deltaQC : 0.245

Giảm tổn thất công suất trên đường dây sau khi đặt bù: 48.529 kW

Giảm tổn thất trên đường dây sau khi đặt bù: 165,483.084 kWh/năm

Sơ đồ lưới điện lắp tụ bù sau khi tính toán như hình 4.2

Hình 4.2 4.4.2 Bài toán mẫu bù kỹ thuật

Cho sơ đồ lưới điện như hình 4.3:

Spb = 6000kVA Stt = 3000kVA l = 1(đvtđ) Hình 4.3

LV THẠC SĨ KT NÂNG CAO a/ Thông số tính toán:

- Phát tuyến phân phối 22kV, dây AC-240 có r0 = 0.132Ω/km, dài 10km

- Phụ tải phân bố đều trên suốt đường dây có tổng công suất 6000kVA, coφ = 0.8

- Phụ tải tập trung ở cuối đường dây có công suất 4000 kVA, cosφ = 0.8

- Hệ số phụ tải phản kháng = 0.7

- Thời gian đóng tụ T = 8760 giờ/năm

- Tiền một kW công suất nguồn phát để bù vào tổn thất 300$/kW

- Tiền một kVAr tụ bù 6$/kVAr

-Chi phí hàng năm cho nguồn phát và tụ điện băng 10% tiền đầu tư b/ Kết quả tính toán:

- Công suất kháng phụ tải tập trung:

- Công suất kháng phụ tải phân bố:

- Tổng công suất kháng đầu phát tuyến:

- Các hàm chi phí tính toán:

- Điện trở toàn đường dây:

 Giải 2 phương trình (1) và (2) để tìm x và c

 Phương trình 1 có dạng: x = A- Bc = 1.68-1.17c (*)

 Phương trình 2 có dạng: Cx 2 + 2(D-E.c)x - F= 0 (**)

C(A-Bc) 2 + 2(D-E.c) (A-Bc) - F= 0 C(A 2 -2ABc+B 2 c 2 )+2[AD-(AE+BD)c+EBc 2 ]-F = 0 Sắp xếp lại thành phương trình bậc 2 theo c

(B 2 C+2EB)c 2 -2[ABC+AE+BD)c+(A 2 C+2AD-F) = 0

Chọn nghiệm c thỏa điều kiện: 0 < c < 1

Sơ đồ tính toán lắp đặt tụ bù như hình 4.4:

S pb = P pb + jQ pb S tt = P tt + jQ tt l = 1(đvtđ) c'00kVar Ic x= 0.53

So sánh các phương án tính toán bù

- Cả hai phương án bù kinh tế và bù kỹ thuật trên đều chú trọng bù giảm tổn thất trên lưới trung áp

Sử dụng phương pháp ma trận Zbus kết hợp với phần mềm mô phỏng MatLab, chúng ta có thể xác định vị trí lắp đặt các trạm tụ bù tại các nút tải cần thiết Phương pháp này giúp tính toán dung lượng của các trạm tụ bù và đạt được kết quả tối ưu với tổn thất điện năng thấp nhất.

Phương án tính toán bù kỹ thuật cho phép xác định vị trí lắp đặt các trạm tụ bù cách nguồn một khoảng cách hợp lý, đồng thời xác định dung lượng cần thiết cho các trạm này.

Kết luận

- Cả hai phương pháp trên ta đều xác định được dung lượng các trạm tụ bù, vị trí lắp đặt phù hợp để giảm tổn thất

Phương án bù kinh tế bằng Zbus cho phép tính toán phân bố các trạm tụ bù một cách hợp lý nhất, nhằm giảm thiểu tổn thất và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế qua nhiều lần lặp tính toán Trong khi đó, phương án bù kỹ thuật chỉ xác định được dung lượng và vị trí trạm tụ bù với một lần tính toán duy nhất, dẫn đến hiệu quả kinh tế không cao do thiếu khả năng lặp lại.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Phân tích cấu tạo và tính toán tổn thất điện năng cùng việc bù công suất phản kháng trên lưới điện phân phối là những yếu tố quan trọng giúp giảm thiểu tổn thất điện năng Những hoạt động này không chỉ tối ưu hóa hiệu quả kinh tế trong vận hành hệ thống điện mà còn nâng cao hiệu suất của lưới điện phân phối.

Phần mềm mô phỏng MatLab là công cụ hỗ trợ tối ưu trong việc tính toán lưới điện phân phối, kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn.

Lưới điện phân phối có cấu trúc phức tạp và phụ tải luôn phát triển theo không gian và thời gian, dẫn đến việc tính toán và lắp đặt các trạm bù công suất phản kháng sẽ không còn phù hợp theo thời gian.

Để tối ưu hóa hiệu suất vận hành các trạm tụ bù, cần thiết lập biểu đồ theo dõi phụ tải hàng năm và đặc biệt chú ý đến phụ tải trong ngày Việc này giúp phân tích các thời điểm thấp điểm, bình thường và cao điểm, từ đó điều chỉnh chế độ vận hành phù hợp, tránh tình trạng thừa bù vào giờ thấp điểm và thiếu bù vào giờ cao điểm.

Để đảm bảo lưới điện phân phối hoạt động ổn định, cần thiết kế và lắp đặt các trạm tụ bù kết hợp giữa tụ bù cố định và tụ bù ứng động dựa trên kết quả tính toán.

Tiêu đề	Khảo Sát Bù Công Suất Phản Kháng Trên Lưới Điện Phân Phối
Tác giả	Mai Văn Hiếu
Người hướng dẫn	TS. Hồ Văn Hiến
Trường học	Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2014
Thành phố	TP.HCM

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	0,93 MB