phân tích đánh giá và tối ưu hóa vận hành công suất phản kháng cho một phát tuyến 22kv điển hình thuộc tỉnh bình thuận

Đặc biệt là các phụ tải lớn tại các khu công nghiệp có mức tiêu thụ công suất phản kháng rất lớn do các phụ tải này đều mang tính chất điện cảm, và điều này đã làm gia tăng tổn thất điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Nhật Nam

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 Chủ tịch Hội đồng: PGS TS Vũ Phan Tú

2 Thư ký: TS Huỳnh Quang Minh

3 Phản biện 1: TS Nguyễn Ngọc Phúc Diễm 4 Phản biện 2: TS Dương Thanh Long 5 Ủy viên: PGS TS Lê Mỹ Hà

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 17/02/1994 Nơi sinh: Bình Thuận

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu về bài toán điều độ tối ưu công suất phản kháng trong hệ thống điện và phương pháp để giải quyết bài toán

- Áp dụng phần mềm ETAP để đánh giá vận hành và giải bài toán tối ưu công suất phản kháng cho một phát tuyến 22kV điển hình do Công ty điện lực Bình Thuận quản lý

- Kết luận và đưa ra hướng phát triển III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:24/12/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :TS Nguyễn Nhật Nam

Tp HCM, ngày tháng năm 2023

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Trong suốt thời gian học tập tại trường, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ từ quý thầy cô, gia đình và bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi lời cám ơn đến quý thầy cô Khoa Điện - Điện tử, Bộ môn Hệ thống Điện – Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy vô cùng tâm huyết, truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tại trường

Và đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Nhật Nam – người đã dành thời gian quý báu của mình để quan tâm, động viên và hướng dẫn em hoàn thành luận văn này Những lời khuyên bổ ích của thầy không những giúp em có thêm kiến thức trong quá trình học tập, mà còn có ý nghĩa to lớn trong cuộc sống và công việc của em hiện tại lẫn sau này

Cuối cùng, em cũng xin cám ơn gia đình đã tạo điều kiện cho em về cả vật chất lẫn tinh thần, là nguồn động lực to lớn để em nỗ lực không ngừng và từng bước chinh phục ước mơ của mình

Xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2023

Văn Công Nhật

Đề tài trình bày phương pháp ứng dụng phần mềm ETAP để giải bài toán điều độ tối ưu công suất phản kháng (ORPD) Phương pháp giải bài toán ORPD với các hàm mục tiêu khác nhau như cực tiểu tổn thất công suất thực, cải thiện độ lệch điện áp, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Đồng thời, các hàm mục tiêu bị ràng buộc bởi các thuộc tính khác nhau như giới hạn công suất phản kháng của máy phát và các bộ tụ, giới hạn điện áp nút, giới hạn nấc của máy biến áp và giới hạn đường đây truyề n tải Đề tài này sử dụng lưới điện trung áp 22 kV thuộc tỉnh Bình Thuận để mô phỏng tối ưu Qua đó có thể tìm thấy sự hiệu quả của việc ứng dụng các phần mềm tiên tiến để giải quyết các vấn đề trong hệ thống điện

ABSTRACT

This thesis presents a method for solving the problem of optimal reactive power dispatch by applying ETAP software This method can deal with different objectives of the problem such as minimizing the real power losses, improving the voltage profile and enhancing the power supply reliability At the same time, the objects are property handle various contraints for reactive power limits of generators and switchable capacitor banks, bus voltage limits, tap changer limits for transformers and transmission line limits This thesis has been simulated on the medium voltage power grid in Binh Thuan povince to evaluate otimal results Thereby, we can find the effectiveness of applying advanced software to solve problems in the electrical system

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các nghiên cứu và kết quả được trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một bản luận văn nào trước đây

Tác giả luận văn

Văn Công Nhật

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu 2

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

CHƯƠNG 2: LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 4

2.1 Lưới điện phân phối trung thế cấp điện áp 22 kV 4

2.1.1 Giới thiệu lưới điện phân phối trung thế cấp điện áp 22 kV 4

2.1.2 Đặc điểm của lưới điện phân phối trung thế cấp điện áp 22 kV 4

2.1.3 Vai trò của lưới điện phân phối 5

2.1.4 Các phần tử chính của lưới điện phân phối 5

2.1.5 Cấu trúc lưới điện phân phối 7

2.2 Đặc tính phụ tải của lưới điện phân phối 10

2.3 Chất lượng điện năng của lưới điện phân phối 11

2.4 Tổn thất và vấn đề giảm tổn thất trong lưới điện phân phối 14

2.4.1 Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong lưới điện phân phối 14

2.4.1.1 Tổn thất phi kỹ thuật 14

3.1 Công suất phản kháng trong hệ thống điện 17

3.2 Lợi ích của việc bù công suất phản kháng 17

3.3 Lựa chọn phương án vận hành lưới điện phân phối 18

3.4 Sự tiêu thụ và nguồn công suất phản kháng 19

3.4.1 Sự tiêu thụ công suất phản kháng 19

3.4.2 Nguồn phát công suất phản kháng 20

3.5 Bù kinh tế công suất phản kháng lưới điện phân phối 21

3.6 Bù công suất phản kháng trên lưới điện phân phối 21

3.6.1 Điều chỉnh hệ số công suất 21

3.6.2 Một số phương pháp bù công suất phản kháng trên lưới điện phân phối 22

4.1 Tổng quan lưới điện phân phối (lưới trung thế) của công ty Điện lực Bình

Phụ lục 1: Phụ tải trung bình tính toán 47

Phụ lục 2: Thông số đường dây 55

DANH MỤC VIẾT TẮT HTĐ: Hệ thống điện

MBA: Máy biến áp lực ĐƯTS: Đáp ứng tần số

HV: High voltage winding (cuộn dây cao áo máy biến áp) LV: Low voltage winding (cuộn dây hạ áp máy biến áp) SĐPB: Sơ đồ phân bố

EVN: Tập đoàn Điện lực Việt Nam SPC: Tổng công ty Điện lực Miền Nam SCADA: Hệ thống giám sát, điều khiển từ xa LĐPP: Lưới điện phân phối

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Sơ đồ lưới hình tia 8

Hình 2.2: Sơ đồ lưới hình tia có phân đoạn 9

Hình 2.3: Sơ đồ lưới kín vận hành hở do một nguồn cung cấp 9

Hình 2.4: Sơ đồ lưới kín vận hành hở do 2 nguồn cung cấp độc lập 9

Hình 3.1: Mạch điện đơn giản R-L 19

Hình 4.1 Sơ đồ lưới điện 471 Hàm Kiệm 30

Hình 4.2 Đồ thị phụ tải của tuyến 471 Hàm Kiệm 33

Hình 4.3: Biên độ điện áp trước khi bù và sau khi bù ở chế độ cực đại 38

Hình 4.4: Biên độ điện áp trước khi bù và sau khi bù ở chế độ bình thường 39

Hình 4.5: Biên độ điện áp trước khi bù và sau khi bù ở chế độ cực tiểu 39

Hình 4.6: Tổn thất công suất tác dụng trước và sau khi bù 40

Hình 4.7: Hệ số công suất trước và sau khi bù 40

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Độ biến dạng sóng hài điện áp 13

Bảng 2.2: Giới hạn độ nhấp nháy điện áp 14

Bảng 4.1 Thông số công suất tác dụng và công suất phản kháng 24 chu kỳ đầu trong ngày của TBA Huỳnh Thị The 31

Bảng 4.2 Thông số công suất tác dụng và công suất phản kháng 24 chu kỳ tiếp theo trong ngày của TBA Huỳnh Thị The 32

Bảng 4.3: Kết quả tổng hợp phân bố công suất 35

Bảng 4.4: Biểu giá cho năng lượng, mua sắm, vận hành và bảo dưỡng tụ bù 36

Bảng 4.5: Các tham số cài đặt để thực hiện bài toán tối ưu CSPK 36

Bảng 4.6: Vị trí tụ bù và dung lượng bù sau khi tối ưu ở chế độ phụ tải cực đại 37

Bảng 4.7: Kết quả thực hiện tối ưu CSPK cho phát tuyến 471 Hàm Kiệm ở các chế độ vận hành khác nhau 38

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Hướng tiếp cận đề tài

Với sự phát triển kinh tế - xã hội ngày càng mạnh mẽ, nhu cầu sử dụng điện cho tiêu dùng, sản xuất, kinh doanh cũng ngày càng tăng Đặc biệt là các phụ tải lớn tại các khu công nghiệp có mức tiêu thụ công suất phản kháng rất lớn (do các phụ tải này đều mang tính chất điện cảm), và điều này đã làm gia tăng tổn thất điện năng, tổn thất công suất và chi phí truyền tải điện năng, làm giảm hệ số công suất cosφ, giảm hiệu quả sử dụng điện và chất lượng điện năng Chính vì lẽ đó, các đơn vị bán điện phải áp dụng hệ số phạt đối với các hộ tiêu thụ có hệ số cosφ thấp hơn quy định Bên cạnh đó, hầu hết cấu trúc lưới phân phối đều được vận hành ở dạng hình tia, cung cấp cho phụ tải đa dạng như thương mại, công nghiệp, dân dụng,…nhu cầu phụ tải sẽ dao động theo thời gian và có thể gây ra sự mất cân bằng phân bố công suất trên đường dây, tạo nên hiện tượng sụp đổ điện áp đối với lưới điện hạ áp Khi tổn thất công suất thực trong mạng phân phối quá nhiều, điện áp tại các nút có thể phá vỡ ràng buộc điện áp Điều này có thể sẽ ảnh hưởng đến chất lượng cung cấp điện và sự ổn định của hệ thống Sự sụt giảm điện áp tại các nút và tổn thất công suất là do thiếu hụt công suất phản kháng

Vấn đề chất lượng điện năng là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu trong vận hành và quản lý Để nâng cao chất lượng điện năng, chúng ta có các giải pháp như hoàn thiện cấu trúc lưới, điều chỉnh điện áp, quy hoạch công suất phản kháng… Trong đó, quy hoạch công suất phản kháng là một nhiệm vụ rất quan trọng khi tiến hành lắp đặt và quy hoạch nguồn điện mới Quy hoạch công suất phản kháng là xác định các giá trị tối ưu của các thiết bị vận hành, đảm bảo được yêu cầu với phụ tải dài hạn, bên cạnh các yếu tố về kinh tế Công suất phản kháng ảnh hưởng đến nhiều vấn đề trong hệ thống điện như tổn thất công suất thực, cải thiện độ lệch điện áp, nâng cao độ ổn định điện áp,… Do đó, cần tìm ra một biện pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này một cách tối ưu góp phần giảm tổn thất, tiết kiệm chi phí và sử dụng điện một cách hiệu quả

Có khá nhiều cách thức để giảm tổn thất công suất và nâng cao chất lượng điện áp như tái cấu trúc lưới điện, lắp đặt tụ bù, cân bằng phụ tải, nâng cấp điện áp,… Trong đó, bù công suất phản kháng (CSPK) là một giải pháp được sử dụng khá rộng rãi để duy

trì an ninh và độ tin cậy cung cấp điện trong mạng phân phối cấu trúc hình tia Điều này có thể thực hiện được bằng cách tối ưu vị trí đặt tụ bù tại các nút khác nhau trên lưới điện

Đề tài ứng dụng phần mềm ETAP để giải bài toán tối ưu vị trí đặt tụ bù (Optimal Capacitors Placement - OCP) trong lưới điện phân phối với nhiều mức phụ tải khác nhau

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ

Bài toán tối ưu vị trí đặt tụ bù trong lưới điện phân phối đã được sử dụng khá phổ biến với nhiều giải thuật được áp dụng Nó có ý nghĩa rất quan trọng trong sản xuất và kinh doanh điện năng Mục tiêu của đề tài là ứng dụng mô hình cực tiểu chi phí vận hành để tối ưu vận hành công suất phản kháng trong lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất và nâng cao chất lượng điện năng Cụ thể luận văn cần thực hiện các nhiệm vụ sau: Dựa vào phần mềm ETAP để tìm kiếm vị trí và dung lượng tối ưu của tụ bù trong lưới điện phân phối cấu trúc hình tia nhằm giảm thiểu chi phí vận hành và gia tăng giá trị tiết kiệm ròng hàng năm của hệ thống điện;

Xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu của lưới điện thực tế có xét đến nhiều mức phụ tải khác nhau

1.3 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu 1.3.1 Phạm vi

Đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là một phát tuyến 22kV điển hình thuộc TBA 110kV Hàm Kiệm Tiếp theo luận văn giới thiệu về một số giải pháp tối ưu hóa trong vận hành công suất phản kháng gồm các nguyên lý, tính chất và đặc điểm cơ bản của phương pháp, tạo cơ sở tiếp cận các tài liệu, tiêu chuẩn liên quan được áp dụng để đánh giá tình hình thực tiễn của lưới điện Tiếp đó, luận văn sẽ trình bày kết quả mô phỏng tối ưu dựa trên ứng dụng ETAP Cuối cùng là tổng kết và đưa ra hướng phát triển của đề tài

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu (thông qua phân tích và tổng hợp) liên quan đến chủ đề tối ưu, phân tích hiện trạng lưới điện.

Luận văn cũng sử dụng phương pháp thực nghiệm, thử nghiệm thử – sai dựa trên mô hình vật lý sơ đồ mạch điện tương đương bằng phần mềm ETAP với mục đích kiểm chứng và đưa ra đánh giá khảo sát hệ thống ở một số chế độ vận hành khác nhau 1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Bù công suất phản kháng là bài toán tối ưu đa mục tiêu, được chia làm hai bài toán nhỏ là xác định vị trí đặt tụ bù tối ưu và xác định dung lượng tối ưu của tụ bù Đối với các phụ tải tại hộ tiêu thụ, giá trị hệ số công suất cosφ được quy định phải lớn hơn hoặc bằng 0.9 [1], tức là công suất phản kháng yêu cầu tại các nút tải không được quá lớn Thông thường đối với các điểm tải này, tụ bù sẽ được lắp ngay tại phụ tải để bù công suất phản kháng cho thiết bị điện Đối với đường dây phân phối, số lượng nút rất lớn nên rất khó để xác định được vị trí nút nào thích hợp nhất để lắp đặt tụ bù Về lý thuyết, các nút thích hợp để lắp đặt tụ bù là các nút thuộc các nhánh có tổn thất công suất tác dụng theo thành phần tác dụng hoặc thành phần phản kháng của dòng điện là tốt nhất Bài toán bù tối ưu công suất phản kháng trong lưới điện phân phối là bài toán xác định vị trí và dung lượng bù cần thiết của tụ bù để lắp vào lưới điện sao cho tổn thất công suất là nhỏ nhất, chất lượng điện áp ổn định nhất và chi phí hàng năm của lưới điện thấp nhất

CHƯƠNG 2: LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 2.1 Lưới điện phân phối trung thế cấp điện áp 22 kV

2.1.1 Giới thiệu lưới điện phân phối trung thế cấp điện áp 22 kV

Lưới điện phân phối (LĐPP) là một phần của hệ thống điện, làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh cái của nhà máy điện cấp điện cho phụ tải LĐPP là khâu cuối cùng của hệ thống điện đưa điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng [1][4] Tính đến nay lưới điện trung áp đã trải khắp các vùng, miền trên đất nước, tuy nhiên còn một số thôn, bản hay huyện đảo vẫn chưa được dùng điện lưới quốc gia mà họ vẫn phải dùng điện từ các thuỷ điện nhỏ hoặc máy phát điện diesel 2.1.2 Đặc điểm của lưới điện phân phối trung thế cấp điện áp 22 kV

LĐPP được phân bố trên diện rộng, thường vận hành không đối xứng và có tổn thất lớn Vấn đề tổn thất trên này liên quan chặt chẽ đến các vấn đề kỹ thuật của lưới điện từ giai đoạn thiết kế đến vận hành Do đó, trên cơ sở các số liệu về tổn thất có thể đánh giá sơ bộ chất lượng vận hành của LĐPP

Trong những năm gần đây, LĐPP của nước ta phát triển mạnh, các Công ty Điện lực cũng được phân cấp mạnh mẽ về quản lý Vì vậy, chất lượng vận hành của LĐPPTA được câng cao rõ rệt, tỷ lệ tổn thất điện năng giảm mạnh song vẫn còn rất khiêm tốn

Lưới điện trung áp chủ yếu ở các cấp điện áp 6kV, 10kV, 22kV, 35kV phân phối điện cho các trạm biến áp trung áp/hạ áp và các phụ tải cấp điện áp trung áp [1][4] Thông thường LĐPP được phân loại theo 3 dạng:

 Theo đối tượng và địa bàn phục vụ: Lưới phân phối thành phố; lưới phân phối nông thôn hay lưới phân phối xí nghiệp

 Theo thiết bị dẫn điện: Lưới điện phân phối trên không; lưới điện phân phối cáp ngầm

 Theo cấu trúc hình dáng: Lưới hở (hình tia) có phân đoạn và không phân đoạn hay lưới kín vận hành hở

2.1.3 Vai trò của lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, trạm khu vực hay thanh cái của các nhà máy điện cho các phụ tải điện

LĐPP được xây dựng, lắp đặt phải đảm bảo nhận điện năng từ một hay nhiều nguồn cung cấp và phân phối đến các hộ tiêu thụ điện

Đảm bảo cung cấp điện tiêu thụ sao cho ít gây ra mất điện nhất, đảm bảo cho nhu cầu phát triển của phụ tải Đảm bảo chất lượng điện năng cao nhất về ổn định tần số và ổn định điện áp trong giới hạn cho phép

 LĐPP có tầm quan trọng đặc biệt đối với hệ thống điện:  Trực tiếp đảm bảo chất lượng điện áp cho phụ tải

 Giữ vai trò rất quan trọng trong đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải Có đến 98% điện năng bị mất là do sự cố và ngừng điện kế hoạch lưới phân phối Mỗi sự cố trên LĐPP trung áp đều có ảnh hưởng rất lớn đến sinh hoạt của nhân dân và các hoạt động kinh tế, xã hội

 Sử dụng tỷ lệ vốn rất lớn: khoảng 50% vốn cho hệ thống điện (35% cho nguồn điện, 15% cho lưới hệ thống và lưới truyền tải)

 Tỷ lệ tổn thất điện năng rất lớn: khoảng 40-50% tổn thất điện năng xảy ra trên LĐPP Và tổn thất kinh doanh cũng chỉ xảy ra này

 LĐPP gần với người dùng điện, do đó vấn đề an toàn điện cũng là rất quan trọng

2.1.4 Các phần tử chính của lưới điện phân phối Các phần tử chủ yếu trong LĐPP bao gồm [4]:

 MBA trung gian và MBA phân phối  Thiết bị dẫn điện: Đường dây tải điện

 Thiết bị đóng cắt và bảo vệ: Máy cắt, dao cách ly, cầu chì, chống sét van, áp tô mát, hệ thống bảo vệ rơ le, giảm dòng ngắn mạch

 Thiết bị điều chỉnh điện áp: Thiết bị điều áp dưới tải, thiết bị thay đổi đầu phân áp ngoài tải, tụ bù ngang, tụ bù dọc, thiết bị đối xứng hóa, thiết bị lọc sóng hài bậc cao

 Thiết bị đo lường: Công tơ đo điện năng tác dụng, điện năng phản kháng, đồng hồ đo điện áp và dòng điện, thiết bị truyền thông tin đo lường

 Thiết bị giảm tổn thất điện năng: Tụ bù

 Thiết bị nâng cao độ tin cậy: Thiết bị tự động đóng lại, thiết bị tự đóng nguồn dự trữ, máy cắt hoặc dao cách ly phân đoạn, các khớp nối dễ tháo trên đường dây, kháng điện hạn chế ngắn mạch,

 Thiết bị điều khiển từ xa hoặc tự động: Máy tính điện tử, thiết bị đo xa, thiết bị truyền, thu và xử lý thông tin, thiết bị điều khiển xa, thiết bị thực hiện,

Mỗi phần tử trên lưới điện đều có các thông số đặc trưng (công suất, điện áp định mức, tiết diện dây dẫn, điện kháng, điện dung, dòng điện cho phép, tần số định mức, khả năng đóng cắt ) được chọn trên cơ sở tính toán kỹ thuật

Những phần tử có dòng công suất đi qua (MBA, dây dẫn, thiết bị đóng cắt, máy biến dòng, tụ bù ) thì thông số của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến thông số chế độ (điện áp, dòng điện, công suất) nên được dùng để tính toán chế độ làm việc của LĐPPTA

Nói chung, các phần tử chỉ có 2 trạng thái: Làm việc và không làm việc Một số ít phần tử có nhiều trạng thái như: Hệ thống điều áp, tụ bù có điều khiển, mỗi trạng thái ứng với một khả năng làm việc

Một số phần tử có thể thay đổi trạng thái trong khi mang điện (dưới tải) như: Máy cắt, áp tô mát, các thiết bị điều chỉnh dưới tải Một số khác có thể thay đổi khi

cắt điện như: Dao cách ly, đầu phân áp cố định MBA và đường dây nhờ các máy cắt có thể thay đổi trạng thái dưới tải

Nhờ các thiết bị phân đoạn, đường dây tải điện được chia thành nhiều phần tử của hệ thống điện

Không phải lúc nào các phần tử của lưới phân phối cũng tham gia vận hành, một số phần tử có thể nghỉ vì lý do sự cố hoặc lý do kỹ thuật, kinh tế khác Ví dụ tụ bù có thể bị cắt lúc phụ tải thấp để giữ điện áp, một số phần tử của lưới không làm việc để LĐPPTA vận hành hở theo điều kiện tổn thất công suất nhỏ nhất

2.1.5 Cấu trúc lưới điện phân phối

Cấu trúc của LĐPP bao gồm cấu trúc tổng thể và cấu trúc vận hành [4]

 Cấu trúc tổng thể: Là cấu trúc bao gồm tất cả các phần tử và sơ đồ lưới đầy đủ Muốn lưới điện có độ tin cậy cung cấp điện cao thì cấu trúc tổng thể phải là cấu trúc thừa Thừa về số phần tử, về khả năng tải của các phần tử, thừa về khả năng lập sơ đồ Ngoài ra trong vận hành còn phải dự trữ các thiết bị thay thế và vật liệu để sửa chữa Trong một chế độ vận hành nhất định chỉ cần một phần của cấu trúc tổng thể là đủ đáp ứng nhu cầu, đa phần đó là cấu trúc vận hành

 Cấu trúc vận hành: Là một phần của cấu trúc tổng thể, có thể là một hay một vài phần tử của cấu trúc tổng thể và gọi đó là một trạng thái của lưới điện

Cấu trúc vận hành bình thường gồm các phần tử và các sơ đồ vận hành do người vận hành lựa chọn Có thể có nhiều cấu trúc vận hành thỏa mãn điều kiện kỹ thuật, người ta phải chọn cấu trúc vận hành tối ưu theo điều kiện kinh tế nhất (tổn thất nhỏ nhất) Khi xảy ra sự cố, một phần tử đang tham gia vận hành bị hỏng thì cấu trúc vận hành bị rối loạn, người ta phải nhanh chóng chuyển qua cấu trúc vận hành sự cố bằng cách thay đổi các trạng thái phần tử cần thiết Cấu trúc vận hành sự cố có chất lượng vận hành thấp hơn so với cấu trúc vận hành bình thường Trong chế độ vận hành sau sự cố có thể xảy ra mất điện phụ tải Cấu trúc vận hành sự cố chọn theo độ an toàn cao và khả năng thao tác thuận lợi

P1 P2 P3 Pi Pn

Ngoài ra, cấu trúc LĐPPTA còn có thể có các dạng như:

 Cấu trúc tĩnh: Với cấu trúc này LĐPPTA không thể thay đổi sơ đồ vận hành Khi cần bảo dưỡng hay sự cố thì toàn bộ hoặc một phần LĐPPTA phải ngừng cung cấp điện Cấu trúc dạng này chính là LĐPPTA hình tia không phân đoạn và hình tia phân đoạn bằng dao cách ly hoặc máy cắt  Cấu trúc động không hoàn toàn: Trong cấu trúc này, LĐPPTA có thể thay

đổi sơ đồ vận hành ngoài tải, tức là khi đó LĐPPTA được cắt điện để thao tác Đó là lưới điện trung áp có cấu trúc kín vận hành hở

 Cấu trúc động hoàn toàn: Đối với cấu trúc dạng này, LĐPPTA có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngay cả khi lưới đang trong trạng thái làm việc Cấu trúc động được áp dụng là do nhu cầu ngày càng cao về độ tin cậy cung cấp điện Ngoài ra cấu trúc động cho phép vận hành kinh tế LĐPPTA, trong đó cấu trúc động không hoàn toàn và cấu trúc động hoàn toàn mức thấp cho phép vận hành kinh tế lưới điện theo mùa, khi đồ thị phụ tải thay đổi đáng kể Cấu trúc động ở mức cao cho phép vận hành lưới điện trong thời gian thực LĐPPTA trong cấu trúc này phải được thiết kế sao cho có thể vận hành kín trong thời gian ngắn để thao tác sơ đồ

Một số dạng sơ đồ cấu trúc LĐPPTA:

 Lưới hình tia: Lưới này có ưu điểm là rẻ tiền nhưng độ tin cậy rất thấp như Hình 2.1

 Lưới hình tia phân đoạn: Độ tin cậy cao hơn Phân đoạn lưới phía nguồn có độ tin cậy cao do sự cố hay dừng điện công tác các đoạn lưới phía sau, vì nó ảnh hưởng ít đến các phân đoạn trước (Hình 2.2)

Hình 2.1: Sơ đồ lưới hình tia

TBPĐ

TBPĐ

MCNguồn 2

Hình 2.2: Sơ đồ lưới hình tia có phân đoạn

 Lưới kín vận hành hở do một nguồn cung cấp (Hình 2.3): Có độ tin cậy cao hơn nữa do mỗi phân đoạn được cấp điện từ hai phía Lưới điện này có thể vận hành kín cho độ tin cậy cao hơn nhưng phải trang bị máy cắt và thiết bị bảo vệ có hướng nên đắt tiền Vận hành hở độ tin cậy thấp hơn một chút do phải thao tác khi sự cố nhưng rẻ tiền, có thể dùng dao cách ly tự động hay điều khiển từ xa

Hình 2.3: Sơ đồ lưới kín vận hành hở do một nguồn cung cấp

 Lưới kín vận hành hở cấp điện từ 2 nguồn độc lập (Hình 2.4): Lưới điện này phải vận hành hở vì không đảm bảo điều kiện vận hành song song lưới điện ở các điểm phân đoạn, khi thao tác có thể gây ngắn mạch

Hình 2.4: Sơ đồ lưới kín vận hành hở do 2 nguồn cung cấp độc lập

2.2 Đặc tính phụ tải của lưới điện phân phối

Tải điện là căn cứ để tính toán thiết kế cũng như vận hành HTĐ như chọn các thiết bị điện, tính toán tổn thất công suất, tổn thất điện áp, tính và chọn các rơle bảo vệ Phụ tải điện là một hàm biến đổi theo thời gian phụ thuộc vào nhu cầu của khách hàng và vì vậy chúng không tuân thủ theo một qui luật nhất định

Xác định được phụ tải chính xác cho phép tính toán thiết kế và vận hành HTĐ đáp ứng được yêu cầu thực tiễn của khách hàng sử dụng điện Vì vậy, việc xác định và dự báo phụ tải nói chung và đồ thị phụ tải nói riêng là số liệu quan trọng trong việc thiết kế cũng như vận hành HTĐ

Trước tầm quan trọng đối với việc xác định đúng phụ tải, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu nhằm xác định được phụ tải tính toán sát nhất với phụ tải thực tế và đã có nhiều phương pháp được áp dụng Các phương pháp xác định phụ tải được chia thành hai nhóm:

- Nhóm phương pháp dựa trên kinh nghiệm vận hành, thiết kế và được tổng kết lại bằng các hệ số tính toán (đặc điểm của nhóm phương pháp này là: thuận lợi nhất cho việc tính toán, nhanh chóng đạt kết quả, nhưng thường cho kết quả kém chính xác)

- Nhóm phương pháp dựa trên cơ sở của lý thuyết xác suất và thống kê (có ưu điểm cho kết quả khá chính xác, song cách tính lại rất phức tạp)

Sự thay đổi của phụ tải theo thời gian có thể được biểu diễn bằng các giá trị tức thời hay lấy theo giá trị trung bình của phụ tải trong khoảng thời gian được xét được gọi là đồ thị phụ tải và được phân thành:

i) Đồ thị phụ tải hàng ngày ii) Đồ thị phụ tải hàng tháng iii) Đồ thị phụ tải hàng năm…

Ngoài ra, đồ thị phụ tải điện được phân loại theo đại lượng đo gồm: i) Đồ thị phụ tải tác dụng P(t)

ii) Đồ thị phụ tải phản kháng Q(t) iii) Đồ thị điện năng A(t)

Trong các nghiên cứu trước đây, tính toán thông số chế độ và tổn thất của hệ thống điện hay LĐPP thường tính toán các chế độ giới hạn của hệ thống như phụ tải cực đại hay cực tiểu.Ví dụ, tính toán tổn thất công suất và tổn thất điện năng được tính theo công suất cực đại và thời gian làm việc với công suất cực đại Tmax, thời gian chịu tổn thất công suất cực đại  Tuy nhiên, giá trị của Tmax và là những giá trị giả thiết theo khảo sát đã được thực hiện từ rất lâu và hiện không còn phù hợp

Hơn nữa, khả năng tính toán của máy tính điện tử ngày nay cho phép sử dụng các chương trình tính với số lượng trạng thái và qui mô lớn Do đó, sự thay đổi của tải theo thời gian đã được xét đến bằng cách tính toán thông số chế độ của hệ thống theo đồ thị phụ tải ngày điển hình của mùa trong năm Phương pháp này xét đến thay đổi của phụ tải theo thời gian trong ngày và mùa trong năm do đó thông số chế độ được xem xét trong hầu hết các trạng thái vận hành của hệ thống trong thực tiễn

Vì vậy, việc tính toán các bài toán trong hệ thống điện nói chung và LĐPP nói riêng theo đồ thị phụ tải ngày điển hình theo mùa trong năm sẽ nâng cao được tính chính xác của kết quả tính toán Hơn nữa, thông số chế độ được xem xét trong hầu hết các chế độ của hệ thống nên đảm bảo được chất lượng điện năng của hệ thống 2.3 Chất lượng điện năng của lưới điện phân phối

Công trình điện phải được thiết kế, xây dựng và vận hành bảo đảm yêu cầu chất lượng theo quy định về điện áp, tần số, hệ số công suất, sóng hài, sự nhấp nháy của điện áp, dòng ngắn mạch và thời gian loại trừ sự cố [2]

2.3.1 Điện áp

Các cấp điện áp danh định trong hệ thống điện bao gồm 500kV, 220kV, 110kV, 35kV, 22kV, 15kV, 10kV, 6kV và 0.4kV Trong chế độ vận hành bình thường điện áp vận hành cho phép tại điểm đấu nối được phép dao động so với điện áp danh định như sau:

 Tại điểm đấu nối với khách hàng sử dụng điện là ±5%;  Tại điểm đấu nối với nhà máy điện là +10% và -5%

Trong chế độ sự cố đơn lẻ hoặc trong quá trình khôi phục vận hành ổn định sau sự cố, cho phép mức dao động điện áp tại điểm đấu nối với khách hàng sử dụng điện bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự cố trong khoảng +5% và -10% so với điện áp danh định

Trong chế độ sự cố nghiêm trọng hệ thống điện truyền tải hoặc khôi phục sự cố, cho phép mức dao động điện áp trong khoảng ±10% so với điện áp danh định

Điện áp tăng cao sẽ uy hiếp cách điện đồng thời làm giảm tuổi thọ của các thiết bị (ví dụ điện áp tăng lên 5% thì tuổi thọ của bóng đèn sẽ bị giảm đi 50%) Ngược lại, điện áp giảm sẽ làm giảm công suất và gây ra hiện tượng quá nhiệt của thiết (ví dụ điện áp giảm 5% thì quang thông của đèn giảm tới 18%, công suất động cơ giảm và tốc độ quay giảm…)

2.3.2 Hệ số công suất

Hệ số công suất có ảnh hưởng lớn đến tổn thất công suất và điện áp trong lưới điện bởi nó phản ánh lượng CSPK truyền tải trên hệ thống Vì vậy, theo Qui chuẩn quốc gia về kỹ thuật điện và Qui định hệ thống phân phối [2][3], nhà cung cấp điện năng phải bảo đảm hệ số công suất cos≥ 0.9 tại điểm đo của bên mua điện có công suất từ 80kW trở lên hoặc có MBA từ 100kVA trở lên Trong trường hợp cos< 0.9 do tải của hộ sử dụng điện thì hộ sử dụng điện phải có biện pháp bảo đảm hệ số công suất cos≥ 0.9

2.3.3 Tần số

Tần số danh định của hệ thống điện quốc gia là 50Hz với độ lệch được qui định như sau [2]:

 Trong chế độ vận hành bình thường của hệ thống điện, tần số được phép dao động từ 49.8Hz đến 50.2Hz

 Trong trường hợp sự cố đơn lẻ được phép dao động từ 49.5Hz đến 50.5Hz  Trong trường hợp hệ thống điện quốc gia bị sự cố nhiều phần tử, sự cố

nghiêm trọng hoặc trong trạng thái khẩn cấp, cho phép tần số hệ thống điện dao động trong khoảng từ 47Hz cho đến 52Hz

2.3.4 Sóng hài

Tổng độ méo sóng hài điện áp (THD) được xác định là tỷ số giữa điện áp hiệu dụng của sóng hài và giá trị hiệu dụng của điện áp cơ bản, biểu diễn bằng phần trăm như (2.1) [2] Trong đó, Ui là thành phần điện áp của sóng hài bậc i, U1 là thành phần điện áp của tần số cơ bản (50Hz)

THD = ∑Ui2

U12 100% (2.1)

Tổng độ méo sóng hài của điện áp ở điểm nối bất kỳ không được vượt quá những giá trị giới hạn cho trong Bảng 1.1

Bảng 2.1: Độ biến dạng sóng hài điện áp

TT Cấp điện áp Tổng độ méo dạng sóng hài (%) Độ méo riêng lẻ (%)

Plt = 1

2 Pst.j312

(2.2)

Trong điều kiện bình thường, giá trị độ nhấp nháy điện áp tại điểm đấu nối bất kỳ không được vượt quá giá trị giới hạn cho trong bảng sau:

Bảng 2.2: Giới hạn độ nhấp nháy điện áp

1 (110-500)kV Pst95% = 0.8; Plt95% = 0.6

Cho phép đỉnh nhọn điện áp bất thường trên lưới điện phân phối trong thời gian ngắn vượt quá tổng mức biến dạng sóng hài quy định trong bảng trên, nhưng không được gây hư hỏng thiết bị của khách hàng sử dụng lưới điện phân phối

2.4 Tổn thất và vấn đề giảm tổn thất trong lưới điện phân phối 2.4.1 Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong lưới điện phân phối

Tổn thất điện năng trong hệ thống điện luôn luôn tồn tại do nhiều nguyên nhân khác nhau: mất mát năng lượng do hiệu ứng Joule, tổn thất từ trễ và dòng Foucault trong lõi từ của máy điện, tổn thất vầng quang trên các đường dây truyền tải điện, tổn thất do sai số trong hệ thống đo đếm, tổn thất do gian lận sử dụng… Những nguyên nhân này có thể được chia thành 2 nhóm: tổn thất kỹ thuật và tổn thất phi kỹ thuật

2.4.1.1 Tổn thất phi kỹ thuật

Tổn thất kỹ thuật là tổn thất tồn tại do bản chất vật lý của các phần tử trong hệ thống điện, phản ảnh hiệu suất của hệ thống trong quá trình sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng tới nơi tiêu thụ Các thành phần chính của tổn thất kỹ thuật bao gồm:

- Tổn thất trên điện trở của mọi phần tử có dòng điện chạy qua Tổn thất trên điện trở của phần tử tỉ lệ với bình phương của dòng điện chạy qua phần tử đó theo biểu thức P = I2R Tuy nhiên cũng cần phải xét đến mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của phần tử bởi vì khi dòng điện tăng lên thì nhiệt độ của thiết bị cũng tăng

- Các tổn thất không tải do phần tử mang điện áp Tổn thất không tải xuất hiện trong các phần tử có chứa mạch từ như MBA, động cơ, điện kháng, nam châm điện, các thiết bị bù Dạng tổn thất này thường tỷ lệ xấp xỉ với bình phương của điện áp

và bao gồm các thành phần như tổn thất do hiện tượng từ trễ, tổn thất do dòng điện foucault và tổn thất do hỗ cảm giữa các phần tử

- Tổn thất vầng quang Tổn thất vầng quang xuất hiện trên các đường dây truyền tải điện do mất mát năng lượng vào việc ion hóa không khí xung quanh đường dây

2.4.1.2 Tổn thất phi kỹ thuật

Là tổn thất do sự chênh lệch giữa lượng điện năng sử dụng và lượng điện năng được tính tiền Sự chênh lệch này là do sai số của thiết bị đo đếm như công tơ, máy biến dòng, do những phụ tải không được tính tiền hoặc do trộm cắp, gian lận thương mại Tổn thất phi kỹ thuật phản ánh hiệu quả quản lý điện năng từ khâu sản xuất, truyền tải và phân phối tới khách hàng Tổn thất phi kỹ thuật bao gồm các thành phần chính:

- Tổn thất do sai số của thiết bị đo đếm Các thiết bị đo đếm bao gồm các máy biến dòng điện, máy biến điện áp, wattmet, công tơ, các thiết bị hiển thị cơ và số Tổn thất điện năng có thể xuất hiện do sai số cũng như hỏng hóc của các thiết bị này Lượng tổn thất này có thể khá lớn vì số lượng các thiết bị đo đếm được sử dụng trong HTĐ là rất nhiều

- Tổn thất do lỗi trong việc tính toán hóa đơn điện năng tiêu thụ

- Tổn thất thương mại do quản lý (do gian lận, ăn trộm điện của người sử dụng )

Bên cạnh các nguyên nhân gây ra tổn thất, cũng phải xét đến cả các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất Các yếu tố này không trực tiếp gây nên tổn thất nhưng lại ảnh hưởng nhiều đến trị số của tổn thất

2.4.1.3 Các biện pháp giảm thiểu tổn thất trong LĐPP

Khi lưới điện đã được vận hành, do những điều kiện khác nhau về vốn đầu tư khi xây dựng, về lịch sử phát triển và hình thành lưới, quá trình tăng trưởng phụ tải tỉ lệ tổn thất rất khác nhau Ngoài biện pháp cải tạo nâng cấp tiết diện đường dây, MBA, trang thiết bị (mà thường rất bị hạn chế) các biện pháp phụ thêm để giảm tổn

thất khi vận hành thường đem lại hiệu quả đáng kể Các biện pháp có thể kể đến như:

- Lắp đặt thiết bị bù và điều khiển thiết bị bù;

- Trang bị các bộ điều áp dưới tải và thiết bị tự động điều áp dưới tải để nâng cao điện áp vận hành;

- Tạo các mạch vòng nhằm cung cấp dạng lưới kín vận hành hở và điều khiển điểm cắt

Biện pháp phổ biến và hiệu quả cao của các thiết bị bù phải kể đến là bù kinh tế, các thiết bị bù được lựa chọn tối ưu theo chỉ tiêu theo hiệu quả kinh tế Khi lắp đặt thiết bị bù vào những vị trí hợp lí, chi phí cho tổn thất điện năng hàng năm giảm được nhiều trong khi vốn đầu tư không lớn Tuy nhiên, LĐPPTA có tổn thất công suất, tổn thất điện năng và tổn thất điện áp rất lớn dẫn đến chất lượng điện năng có thể không đảm bảo trong các khu vực nông thôn và miền núi bởi bán kính cung cấp điện rất lớn Vì vậy, phương pháp bù theo yêu cầu kỹ thuật như giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng hay đảm bảo yêu cầu về độ lệch điện áp cho phép là những giải pháp được quan tâm và tập trung nghiên cứu để cải thiện chất lượng điện năng đồng thời giảm tổn thất của LĐPPTA

2.5 Kết luận chương 2

Chương này đã giới thiệu tổng quan một số vấn đề cơ bản về LĐPPTA, bao gồm định nghĩa, cấu trúc, đặc điểm và vai trò của LĐPPTA Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện, vấn đề tổn thất và các phương pháp giảm tổn thất trong LĐPP cũng được tổng hợp và giới thiệu Trong đó, phương pháp giảm tổn thất bằng thiết bị bù là giải pháp có hiệu quả nhất và rất được quan tâm trong HTĐ nói chung và LĐPPTA nói riêng

Ảnh hưởng của sự thay đổi của tải tới các thông số của hệ thống cũng được trình bày và phân tích Từ đó, lựa chọn phương pháp tính toán thông số bù cũng như thông số chế độ của LĐPPTA theo xác suất của đồ thị nhằm nâng cao tính chính xác của kết quả tính toán đồng thời đảm bảo giới hạn độ lệch điện áp trong hầu hết các chế độ vận hành của hệ thống

CHƯƠNG 3: BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Năng lượng là nguồn chủ yếu của sự phát triển kinh tế xa hôi, trong đó điện năng chiếm vai trò rất quan trọng Trong quá trình cung cấp điện năng tới nơi tiêu thụ, hệ thống phải chịu tổn thất trong từng cấp, từ khâu phát điện, truyền tải cho đến phân phối điện năng Tỉ lệ điện dùng cho truyền tải và phân phối chiếm khoảng 10% trên tổng sản lượng điện năng được tạo ra Do đó giảm tổn thất trong lưới điện truyền tải và phân phối là bài toán quan trọng mà các công ty điện lực ở hầu hết các nước phát triển phải giải quyết Một trong những giải pháp hiệu quả đó là bù công suất phản kháng cho lưới điện 3.1 Công suất phản kháng trong hệ thống điện

Trong lưới điện tồn tại hai dạng công suất:

 Công suất thực (P) là công suất có ích cho phụ tải

 Công suất phản kháng (Q) là công không có ích sinh ra do tính cảm ứng của các loại phụ tải như: động cơ điện, máy biến áp, các bộ biến đổi điện áp, … Công suất phản kháng đóng vai trò tạo ra từ trường, không sinh công và gây ra những ảnh hưởng đến lưới điện như sụt áp, tổn thất công suất trên đường dây Vì vậy, để hạn chế các ảnh hưởng này cần phải có các biện pháp bù công suất phản kháng

Các biện pháp bù công suất phản kháng (hay còn gọi là nâng cao hệ số cosϕ):  Biện pháp tự nhiên: tìm cách giảm bớt lượng công suất phản kháng cần dùng,

thay đổi và cải tiến để các thiết bị điện làm việc ở chế độ hợp lý nhất, thay thế các động cơ hay máy biến thế đang làm việc non tải bằng các động cơ hay máy biến áp có dung lượng nhỏ hơn, hạn chế vận hành không tải, …

 Biện pháp nhân tạo: đặt các thiết bị bù công suất phản kháng ở các phụ tải tiêu thụ điện gồm có bù tĩnh và bù ứng động

3.2 Lợi ích của việc bù công suất phản kháng

Hầu hết các thiết bị sử dụng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q) Việc tiêu thụ công suất phản kháng này sẽ được truyền tải trên lưới điện về phía nguồn cung cấp công suất phản kháng Sự truyền tải công suất này trên đường dây sẽ làm tổn hao một lượng công suất tác dụng và làm cho sụt áp tăng lên, đồng

thời cũng làm gia tăng lượng công suất biểu kiến (S), dẫn đến chi phí để xây dựng đường dây cũng tăng theo Do đó bù công suất phản kháng mang lại các lợi ích sau:

 Giảm tổn thất công suất trong mạng điện:

Tổn thất công suất trên đường dây được tính theo công thức: ∆P= P

U (3.2)

Khi giảm Q truyền tải trên đường dây, giảm được thành phần tổn thất điện áp do Q gây ra

 Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp

Điều kiện phát nóng tức dòng điện cho phép của đường dây và máy biến áp ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền tải công suất của chúng, được mô tả bởi công thức sau:

Việc bù công suất phản kháng còn góp phần giúp người vận hành giảm được các chi phí trong đầu tư và bảo dưỡng lưới điện

3.3 Lựa chọn phương án vận hành lưới điện phân phối

Như đã phân tích ở trên, lưới phân phối là lưới điện dùng để truyền tải điện năng trực tiếp đến các khách hàng , chính vì thế việc đảm bảo vận hành lưới điện sao cho an

toàn, tin cậy và kinh tế là một việc làm hết sức quan trọng Lưới điện phân phối trong khu vực thành thị có mức độ phức tạp cao hơn nhiều so với lưới điện truyền tải nên để gia tăng độ tin cậy cung cấp điện, thông thường chúng được thiết kế mạch vòng nhưng được vận hành với cấu trúc hình tia hay còn gọi là vận hành hở

Hiện nay, ở hầu hết các phát tuyến đường dây 22kV thường được phân đoạn bằng các thiết bị đóng cắt như máy cắt, recloser, dao cắt có tải hay dao cách ly, … Để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện và tính kinh tế trong vận hành hệ thống, các thiết bị phân đoạn này thường được thay đổi trạng thái trong các điều kiện vận hành khác nhau Việc thay đổi này làm cho cấu trúc lưới điện bị thay đổi dẫn đến trào lưu công suất trong lưới điện cũng thay đổi theo

Do đó, cần phải có các điều kiện ràng buộc để để đảm bảo được các yêu cầu vận hành hệ thống như: tổng tổn thất công suất là nhỏ nhất, Điện áp tại các nút phân phối nằm trong phạm vi cho phép, chi phí vận hành nhỏ nhất…

3.4 Sự tiêu thụ và nguồn công suất phản kháng 3.4.1 Sự tiêu thụ công suất phản kháng

Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện đơn giản có tải là điện trở và điện kháng như sau[4]:

Hình 3.1: Mạch điện đơn giản R-L

Mạch điện được cung cấp bởi điện áp u(t) = 𝑈 sin 𝜔𝑡 (3.4) Dòng điện I lệch pha với điện áp u một góc 𝜑

i(t) = 𝐼 sin(𝜔𝑡 − 𝜑) hay i(t) = 𝐼 (sin 𝜔𝑡 𝑐𝑜𝑠𝜑 − sin 𝜑 𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡) (3.5) Có thể coi: 𝑖 = 𝑖 + 𝑖

𝑖 = 𝐼 𝑠𝑖𝑛𝜑 𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡 = 𝐼 𝑠𝑖𝑛𝜑 sin 𝜔𝑡 − dòng điện I là tổng của hai thành phần:

𝑖 có biên độ 𝐼 𝑐𝑜𝑠𝜑 cùng pha với điện áp u

𝑖 có biên độ 𝐼 𝑠𝑖𝑛𝜑 chậm pha so với điện áp u một góc Công suất tương ứng với hai thành phần 𝑖 và 𝑖 là:

P = U.I.cos𝜑 gọi là công suất tác dụng (3.7) Q = U.I.sin𝜑 gọi là công suất phản kháng (3.8) Từ công thức trên ta có thể viết:

P = U.I.cos𝜑 = Z.I.(I.cos𝜑) = Z.𝐼 = 𝑅 𝐼 (3.9) Q = U.I.sin𝜑 = Z.I.(I.sin𝜑) = Z.𝐼 = 𝑋 𝐼 (3.10) Trên lưới điện, CSPK được tiêu thụ ở động cơ không đồng bộ, máy biến áp, kháng điện trên đường dây tải điện và các phần tử, thiết bị có liên quan đến từ trường

Yêu cầu về CSPK chỉ có thể giảm ở mức tối thiểu chứ không thể triệt tiêu được vì cần thiết để tạo ra từ trường, yếu tố trung gian cần thiết cho quá trình chuyển hóa điện năng

3.4.2 Nguồn phát công suất phản kháng

Khả năng phát CSPK của các nhà máy điện là rất hạn chế, do cos𝜑 của nhà máy từ 0,8 – 0,9 hoặc cao hơn nữa Vì lý do kinh tế nên người ta không chế tạo các máy phát có khả năng phát nhiều CSPK cho phụ tải Các máy phát chỉ đảm đương phần nào nhu cầu CSPK, còn lại do các thiết bị bù đảm trách (Máy bù đồng bộ, tụ điện)

Ngoài ra, trong hệ thống điện nói chung phải để đến nguồn phát CSPK nữa đó là các đường dây tải điện siêu cao áp Tuy nhiên ở đây ta chỉ xét đến lưới điện phân phối nên ta lưu ý đến cấp điện áp 35kV, 22kV và các đường cáp ngầm Nguồn phát công suất phản kháng trong lưới điện phân phối là tụ điện, động cơ và máy bù

Máy bù đồng bộ là loại máy điện đồng bộ chạy không tải dùng để phát hoặc tiêu thụ CSPK Máy bù đồng bộ là phương pháp cổ truyền để điều chỉnh liên tục CSPK Các máy bù đồng bộ thường được dùng trong hệ thống truyền tải, chẳng hạn ở đầu vào các đường dây tải điện tải dài, trong các trạm biến áp quan trọng và trong các trạm biến đổi dòng đện một chiều cao áp

Nếu ta tăng dòng điện kích từ ikt lên (quá kích thích, dòng điện của máy bù đồng bộ sẽ vượt trước điện áp trên cực của nó một góc 900) thì máy phát ra CSPK Qb phát lên mạng điện Ngược lại, nếu ta giảm dòng kích từ ikt (kích thích non, E < U, dòng điện chậm sau điện áp 900) thì máy bù sẽ biến thành phụ tải tiêu thụ CSPK Vậy máy bù đồng bộ có thể tiêu thụ hoặc phát ra CSPK

3.5 Bù kinh tế công suất phản kháng lưới điện phân phối

Bài toán được phân ra là tính toán dung lượng bù và lựa chọn vị trí lắp đặt hợp lý để nhận được hiệu quả kinh tế tối đa đối với hệ thống phân phối Vấn đề cần được giải quyết là phải làm sao cho số tiền tiết kiệm được từ việc đặt tụ bù lớn hơn số tiền chi phí vào việc lắp đặt tụ bù

Trong tình hình hiện nay, khi mà lưới phân điện phối tại các tỉnh, thành phố đã và đang được nâng cấp cải tạo theo tiêu chuẩn 22kV, kết cấu lưới đang dần được hợp lý hóa để nâng cao khả năng cung cấp điện, các thiết bị đóng cắt, bảo vệ được trang bị những thiết bị có công nghệ tiên tiến thì vấn đề được quan tâm hàng đầu tại các Công ty Điện Lực là làm sao lựa chọn một phương thức vận hành hợp lý để đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật đã đề ra

3.6 Bù công suất phản kháng trên lưới điện phân phối 3.6.1 Điều chỉnh hệ số công suất

Nguyên tắc của điều chỉnh hệ số công suất là bù công suất phản kháng, tức là cung cấp tại chỗ cho phụ tải một lượng công suất phản kháng bằng cách đấu song song với tải một thiết bị bù có tổng dẫn phản kháng đơn thuần

Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất thực chất là một thiết bị cung cấp một công suất phản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng được tạo ra của thiết bị Thêm tụ điện hay cuộn dây vào quá trình để huỷ bỏ đi hiệu ứng cảm ứng hay

điện dung tương ứng được tạo ra Động cơ có tính cảm ứng có thể được bù bằng các tụ lọc, lò hồ quang điện có tính điện dung có thể bù bằng các cuộn dây

Khi thêm vào hay lấy ra các thiết bị bù công suất phản kháng có thể tạo ra sự biến động điện áp hay tạo ra các méo hài, trong trường hợp xấu nhất các thành phần bù công suất phản kháng có thể tạo ra hiện tượng cộng hưởng với hệ thống được bù, làm cho điện áp tăng cao và gây mất ổn định cho hệ thống Do vậy việc điều chỉnh hệ số PFC không thể đơn giản là việc thêm hay bớt các thành phần, mà nó cần được tính toán kỹ phù hợp với từng mức công suất tải trên thiết bị

Để tránh trường hợp trên, ứng dụng việc điều chỉnh hệ số công suất PFC bằng các thiết bị bù tự động Thiết bị này bao gồm nhiều tụ điện được đóng hay ngắt ra khỏi thiết bị được bù công suất phản kháng bằng các công tắt Các công tắt này lại được điều khiển bằng một thiết bị điều khiển trung tâm có khả năng đo hệ số công suất bằng việc đo dòng tải và điện áp của thiết bị qua các cảm biến dòng được gắn trên đường truyền dẫn điện năng, trước khi vào thiết bị Tuỳ thuộc vào tải và hệ số công suất của thiết bị, bộ điều khiển sẽ đấu nối tuần tự các tụ bù vào mạch sao cho giá trị hệ số công suất luôn ở trên giá trị được chọn

Một cách khác để điều chỉnh hệ số công suất là dùng động cơ đồng bộ, động cơ đồng bộ cung cấp một công suất phản kháng có chiều nghịch với chiều công suất phản kháng của thiết bị, tính chất tiêu thụ công suất phản kháng của động cơ đồng bộ được xem là một tính chất đặt biệt của loại động cơ này, nó được xem tương đương như một tụ đồng bộ Ngoài ra trong ngành công nghiệp điện còn có nhiều phương pháp để điều chỉnh hệ số công suất khác như bằng các thiết bị điện tử sử dụng Thyristor…

3.6.2 Một số phương pháp bù công suất phản kháng trên lưới điện phân phối 3.6.2.1 Bù cố định (Bù tĩnh)

Tụ điện tĩnh là một đơn vị hoặc một dãy đơn vị tụ nối với nhau và nối song song với phụ tải theo sơ đồ hình sao hoặc tam giác, với mục đích sản xuất ra CSPK cung cấp trực tiếp cho phụ tải, điều này làm giảm CSPK phải truyền tải trên đường dây Tụ bù tĩnh cũng thường được chế tạo không đổi (nhằm giảm giá thành) Khi cần điều chỉnh điện áp có thể dùng tụ điện bù tĩnh đống cắt được theo cấp, đó là biện pháp kinh tế nhất