Chương 2: Phụ tải điện pdf

Chương 2: Phụ tải điện 2.1. Đặc tính của phụ tải điện 2.1.1. Khái quát chung về phụ tải Dữ kiện tối quan trọng của bài toán thiết kế cung cấp điện là phụ tải điện. Việc xác định chính xác giá trị phụ tải cho phép lựa chọn đúng thiết bị và sơ đồ cung cấp điện, đảm bảo tính kinh tế - kỹ thuật của hệ thống cung cấp điện. Các nhân tố công suất, loại và vị trí của các thiết bị tiêu thụ cho phép xác định cấu trúc sơ đồ và các tham số của các phần tử hệ thống cung cấp điện. Thường trong dữ kiện bài toán thiết kế cho biết công suất đặt của các thiết bị tiêu thụ điện, tuy nhiên sự đốt nóng các phần tử và các thiết bị điện còn phụ thuộc cả vào chệ độ làm việc của các hộ dùng điệnn vì vậy cần phải xem xét phụ tải theo cả dòng điện I, công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q và công suất toàn phần S. Việc lựa chọn các thiết bị, các phần tử của hệ thống cung cấp điện được thực hiện dựa trên kết quả tính toán phụ tải. Sai số của bài toán xác định phụ tải có thể dẫn đến việc lựa chọn sơ đồ thiếu chính xác, dẫn đến giảm sút các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của hệ thống cung cấp điện. Nếu kết quả tính toán lớn hơn so với giá trị thực thì sẽ dẫn đến sự lãng phí vốn đầu tư, các thiết bị được lựa chọn không làm việc hết công suất, dẫn đến hiệu quả thấp; Nếu kết quả tính toán nhỏ hơn giá trị thực, thì sẽ dẫn đến sự làm việc quá tải của các thiết bị, không sử dụng hết khả năng của các thiết bị công nghệ, làm giảm năng suất, làm tăng tổn thất điện năng và giảm tuổi thọ của các thiết bị điện. Như vậy bài toán xác định phụ tải là giai đoạn tối quan trọng của quá trình thiết kế cung cấp điện. Tuy nhiên, việc xác định chính xác giá trị phụ tải là không thể, vì có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng đến chệ độ tiêu thụ điện, trong dó có cả các nhân tố tác động ngẫu nhiên. Nhìn chung sai số cho phép của bài toán này khoảng ± 10%. Các tham số quan trong tham gia trong quá trình tính toán phụ tải là: - Công suất định mức là công suất thiết bị ứng với với các điều kiện chuẩn do nhà máy chế tạo ghi trên hộ chiếu của thiết bị. Đối với động cơ 16 điện, công suất định mức ghi trên nhãn hiệu máy, chính là công suất cơ trên trục cơ. Đối với các thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, khi tính toán, công suất định mức được quy về chế độ làm việc dài hạn ứng với hệ số tiếp điện định mức ε n : P’ n = P n n ε ; (2.1) ở đây P’ n là công suất định mức quy về chế độ làm việc dài hạn; ε n - hệ số tiếp điện định mức. - Công suất tiêu thụ trung bình trong một khoảng thời gian xét t được xác định từ biểu thức sau: ; t A P r tb = (2.2) A r - điện năng tác dụng và phản kháng tiêu thụ trong khoảng thời gian t. Công suất tiêu thụ trung bình đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích chế độ, xác định phụ tải tính toán và tổn hao điện năng . - Công suất cực đại là công suất lớn nhất xuất hiện trong khoảng thời gian xét. Phân biệt hai loại công suất cực đại: * Công suất cực đại ổn định (P M ) là công suất tiêu thụ lớn nhất tác động trong khoảng thời gian không dưới 30 phút. Đây là công suất để đánh giá chế độ làm việc và chọn thiết bị điện theo điều kiện đốt nóng cho phép. * Công suất cực đại đỉnh nhọn - P đnh là công suất lớn nhất xuất hiện trong khoảng thời gian ngắn (ví dụ như khi khởi động động cơ). Người ta căn cứ vào giá trị phụ tải này để kiểm tra dao động điện áp, điều kiện tự khởi động của động cơ, chọn dây chảy và tính dòng điện khởi động của rơle bảo vệ. Ngoài trị số của phụ tải đỉnh nhọn, người ta còn quan tâm đến số lần xuất hiện nó, nếu tần số xuất hiện càng lớn thì mức độ ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường của các thiết bị dùng điện khác trong mạng điện sẽ càng cao. - Công suất tính toán là công suất giả định lâu dài không đổi, tương đương với phụ tải thực tế về mặt hiệu ứng nhiệt lớn nhất. Các thiết bị điện được chọn theo công suất này sẽ đảm bảo được an toàn trong mọi trạng thái vận hành. Trong thực tế công suất tính toán thường được lấy bằng công suất cực đại ổn định (P tt =P M ). 17 Việc phân loại phụ tải sẽ cho phép lựa chọn sơ đồ cung cấp điện phù hợp, đảm bảo cho các thiết bị làm việc tin cậy và hiệu quả. Dưới góc độ tin cậy cung cấp điện, phụ tải có thể được chia thành ba loại như sau. Phụ tải loại I: Là những phụ tải mà khi có sự cố ngừng cung cấp điện sẽ dẫn đến: Nguy hiểm cho tính mạng con người; Phá hỏng thiết bị đắt tiền; Phá vỡ quy trình công nghệ sản xuất; Gây thiệt hại lớn cho nền kinh tế quốc dân; Gây ảnh hưởng không tốt về chính trị, ngoại giao. Phụ tải loại II: Là loại phụ tải mà khi có sự cố ngừng cung cấp điện sẽ dẫn đến: Thiệt hại lớn về kinh tế do đình trệ sản xuất, phá hỏng thiết bị; Gây hư hỏng sản phẩm; Phá vỡ các hoạt động bình thường của đại đa số công chúng Phụ tải loại III: Gồm tất cả các loại phụ tải không thuộc hai loại trên, tức là phụ tải được thiết kế với độ tin cậy cung cấp điện không đòi hỏi cao lắm. 2.1.2. Đặc tính của phụ tải 2.1.2.1. Đặc tính tĩnh của phụ tải Đặc tính tĩnh (Static Load Characteristics) của phụ tải biểu thị mối quan hệ phụ thuộc giữa công suất tiêu thụ và các tham số điện, tần số. Đặc tính này có thể biểu thị dưới các mô hình cơ bản là: a) Mô hình hàm mũ (Exponential Models) Đặc tính tĩnh của phụ tải dạng hàm mũ được biểu thị bởi các biểu thức: f U f f U U PP α α )()( 00 0 = (2.3) và f U f f U U QQ β β )()( 00 0 = (2.4) Trong đó: P, Q – công suất tác dụng và phản kháng tiêu thụ bởi thiết bị điện; U, f – giá trị điện áp và tần số P n , Q n , U n , f n –các tham số tiêu chuẩn (coi là tham số định mức) của thiết bị điện; α U , β U , α f , β f – các hệ số hồi quy, xác định từ các số liệu thống kê. Biểu thị dưới dạng đơn vị tương đối: f U nnn f f U U P P P α α )()( * == (2.5) Hay: f U fUP α α *** = ; (2.6) 18 Đối với công suất phản kháng: f U nnn n n f f U U P Q P Q Q β β )()( * == (2.7) Hệ số công suất phản kháng tgϕ = Q n /P n có thể biểu thị như là hàm số phụ thuộc vào hệ số phụ tải k pt : 1 1 2 −±== ptn n kP Q tg ϕ ; Ký hiệu ± biểu thị hệ số phụ tải thụ động/chủ động (lagging/leading). Sau khi thay thế giá trị tgϕ vào biểu thức (2.7) ta được: f U fUtgQ β β ϕ *** . = (2.8) Các biểu thức (2.3) ÷ (2.8) hoàn toàn phù hợp trong phạm vi biến đổi của điện áp ± 10% và của tần số ± 2,5%. Các tham số của mô hình phụ thuộc của phụ tải xác định trên cơ sở phân tích số liệu thống kê của một số thiết bị dùng điện được biểu thị trong bảng 2.1. Trong đó sáu hệ số đầu ứng với các phụ tải động lực, còn năm hệ số sau - ứng với phụ tải không động lực. Hệ số N n biểu thị tỷ phần phụ tải động lực của tải. Ví dụ, cả máy lạnh có tỷ phần phụ tải động lực là 80% và phụ tải không động lực là 20%. Trên cơ sở các mô hình trên có thể xây dựng các đường đặc tính tiêu thụ điện của các thiết bị. Đường đặc tính tĩnh của động cơ máy bơm được thể hiện trên hình 2.1. Bảng 2.1. Các tham số của mô hình phụ tải của một số thiết bị điện Thiết bị điện Các hệ số của mô hình k pt α U α f β U β f N n k pt α Un α fn β Un β fn Tủ lạnh 0,8 4 0,8 0,5 2,5 - 1,4 0,8 1 2 0 0 0 Máy giặt 0,65 0,0 8 2,9 1,6 1,8 1 - - - - - Máy rửa bát 0,99 1,8 0 3,5 - 1,4 0,8 1 2 0 0 0 Bình nóng lạnh 1 2 0 0 0 0 - - - - - Đèn sợi đốt 1 1,54 0 0 0 0 - - - - - Đèn h. quang 0,9 0,0 8 1 3 - 2,8 0 - - - - - TV màu 0,77 2 0 5,2 - 0 - - - - - 19 4,6 Máy bơm, quạt 0,8 7 0,0 8 2,9 1,6 1,8 1 - - - - - Môtơ công nghiệp (CN) nhỏ 0,8 3 0,1 2,9 0,6 - 1,8 1 - - - - - Môtơ CN lớn 0,89 0,0 5 1,9 0,5 1,2 1 - - - - - Máy bơm nông nghiệp 0,8 5 1,4 5,6 1,4 4,2 1 - - - - - Thiết bị tự dùng NMĐ 0,8 0,0 8 2,9 1,6 1,8 1 - - - - - b) Mô hình dạng đa thức (Polynomial Models) Mô hình biểu thị sự phụ tải của phụ tải vào điện áp và tần số dạng đa thức được thể hiện như sau: )1)(( 2 *2*10* fDUaUaaP p ∆+++= (2.9) Và: )1)(( 2 *2*10* fDUbUbb P Q Q q n n ∆+++= (2.10) Trong đó: a và b là các hệ số hồi quy tương ứng của phụ tải tác dụng và phản kháng: a o + a 1 + a 2 = 1 b o + b 1 + b 2 = 1 20 Hình 2.1 Đặc tính tĩnh của phụ tải động cơ máy bơm a – Phụ tải tác dụng ; b – Phụ tải phản kháng . a) b) D p – hệ số suy giảm công suất tác dụng do ảnh hưởng của tần số; D q – hệ số suy giảm công suất phản kháng do ảnh hưởng của tần số; ∆f – độ lệch tần số so với giá trị quy định. c) Mô hình kết hợp hàm mũ và đa thức Đôi khi hai mô hình trên được kết hợp với nhau để biểu thị quan hệ phụ thuộc của phụ tải vào các tham số điện áp và tần số: 0 2exp1exp * P PPP P poly ++ = và 0 2exp1exp * P QQQ Q poly ++ = (2.11) Trong đó: 2 *3*10 UaUaaP poly ++= (2.12) )1( 1*41exp 1 fDUaP p ∆+= α (2.13) )1( 2*52exp 2 fDUaP p ∆+= α (2.14) 2.1.3. Biểu đồ phụ tải Biểu đồ phụ tải phản ánh rõ nét đặc tính biến đổi của nó theo thời gian. Biểu đồ phụ tải được xây dựng cho các thiết bị độc lập, cho nhóm thiết bị hoặc cho xuất tuyến, thanh cái trạm biến áp v.v. Dạng tiêu biểu nhất của là biểu đồ phụ tải ngày đêm (biểu đồ phụ tải hàng ngày 24 tiếng). Trên hình 2.2. biểu thị dạng đặc trưng của biểu đồ phụ tải sản xuất (đường cong 1) và biểu đồ phụ tải sinh hoạt (đường cong 2). Trên cơ sở phân tích biểu đồ phụ tải ngày ta có thể dễ dàng nhận thấy phụ tải cực đại thường xuất hiện tại hai thời điểm ban ngày và ban đêm. Phụ tải không chỉ thay đổi theo thời gian trong ngày, mà còn thay đổi theo mùa, đối với vùng khí hậu nhiệt đới như ở nước ta, có thể phân biệt đồ thị phụ tải của hai mùa rõ rệt là mùa hè và mùa đông. Khác với các nước ở vùng ôn đới, nơi phụ tải ở mùa đông thường lớn hơn phụ tải mùa hè, ở Việt Nam do đặc thù của thời tiết nắng nóng mùa hè, nên phụ tải ở mùa này cao hơn nhiều so với phụ tải ở mùa đông. Theo số liệu thống kê ta có thể coi đồ thị phụ tải ngày đặc trưng của mùa hè là đồ thị đo vào tháng 7 và – cho mùa đông là tháng 12. Căn cứ 21 Hình 2.2. Biểu đồ phụ tải ngày đặc trưng: 1 – Phụ tải sản xuất; 2 – phụ tải sinh hoạt. 0 4 8 12 16 20 24 t P 1 2 vào đặc điểm biến đổi của phụ tải gần theo chu kỳ hình sin, ta có thể biểu thị sự phụ thuộc giữa phụ tải của tháng bất kỳ thứ t trong năm theo biểu thức: 2 . cos 22 127127 t PPPP P iiii it π − + + = (2.15) Trong đó: P i7 và P i12 – phụ tải giờ thứ i tương ứng ở tháng 7 (mùa hè) và tháng 12 (mùa đông). Giá trị phụ tải giờ thứ i ở tháng thứ t trong năm có xét đến sự gia tăng công suất (động học phát triển của phụ tải) được biểu thị: ] 12 )1(1[ . t aPP pitptit −+= (2.16) a p – hệ số gia tăng phụ tải trung bình hàng năm. Như vậy, đối với mỗi điểm tải ta có thể xác định được đồ thị phụ tải của 12 tháng trên cơ sở giá trị phụ tải đo được trong 24 giờ. Phương pháp trên cũng hoàn toàn có nghĩa đối với phụ tải phản kháng. Khi đã có đồ thị phụ tải ta có thể dễ dàng xác định được các tham số cần thiết cho quá trình tính toán và phân tích mạng điện: Giá trị phụ tải trung bình trong năm được xác định theo biểu thức: ∑ = + = 24 1 127 224 1 i ii tb PP P (2.17) Giá trị bình phương phụ tải trung bình: )323( 192 1 24 1 24 1 24 1 2 12127 2 7 2 ∑ ∑ ∑ = = = ++= i i i iiiitb PPPPP (2.18) Thời gian sử dụng công suất cực đại: T M = 8760.P tb .10 -2 ; (2.19) Thời gian tổn thất cực đại: 42 10 8760 − = tb P τ (2.20) Trên cơ sở các số liệu khảo sát phụ tải thực tế, các tham số của đồ thị phụ tải đặc trưng của các hộ dùng điện trong sinh hoạt và sản xuất được thể hiện trong bảng 2.2 sau: Bảng 2.2. Các tham số của đồ thị phụ tải của một số hộ dùng điện cơ bản. Loại phụ tải P tb , % T M , h τ, h Dịch vụ công cộng 49,88 4369 2180 22 Chiếu sáng căn hộ 31,35 2746 861 Chiếu sáng công sở 28,79 2522 726 Chiếu sáng đường phố 32,30 2829 914 Thiết bị gia dụng 62,32 5459 3402 Động lực nhỏ 56,05 4910 2752 Cấp nước 94,24 8255 7780 Công nghiệp luyện kim 83,13 7282 6054 Công nghiệp hóa chất 84,46 7398 6249 Chế tạo máy cái 76,95 6741 5187 Chế tạo máy 68,69 6017 4133 Công nghiệp nhẹ 75,91 6649 5048 Công nghiệp thực phẩm 82,18 7199 5916 Sản xuất giấy 85,69 7506 6432 Cơ khí xây dựng 65,93 5775 3808 Điện năng tiêu thụ được xác định theo biểu thức: A = P M .T M (2.21) Cơ cấu và giá trị của phụ tải sinh hoạt phụ thuộc vào mức sống trung bình và phương pháp sử dụng năng lượng trong sinh hoạt. Các kết quả nghiên cứu và thống kê về phụ tải sinh hoạt khu vực thành phố được biểu thị trong bảng 2.3. Bảng 2.3. Giá trị điện năng tiêu thụ trung bình trong sinh hoạt tính trên đầu người dân Sinh hoạt gia đình kWh/n g Khu vực công cộng kWh/n g Chiếu sáng 66,37 Chiếu sáng tòa nhà 54,87 Thiết bị gia dụng 123,01 Chiếu sáng đường 23,01 Nấu ăn 66,37 Phụ tải động lực nhỏ 99,12 Làm mát 21,24 Cấp nước 102,65 Nước nóng 16,81 Nhà ăn 51,33 Khác 4,42 Khác 42,48 Tổng 293,81 377,88 Như vậy tổng điện năng tiêu thụ trung bình trong sinh hoạt và công cộng trên một đầu người dân thành phố sẽ là 671,68 kWh/ng.năm. 2.2. Các phương pháp tính toán phụ tải điện 23 Sự đa dạng của các điều kiện và đặc điểm của bài toán xác định phụ tải ứng với các mục đích khác nhau dẫn đến nhiều phương pháp khác nhau trong việc tính toán phụ tải. Mặc dù đã có rất nhiều nghiên cứu xây dựng các phương pháp tính toán phụ tải, nhưng chưa thể nói được rằng bài toán này đã hoàn toàn được giải quyết. Sự khác nhau giữa các phương pháp trước hết là cơ sở mà các phương pháp dựa vào để đánh giá sự tiêu thụ điện năng, thứ hai là phương thức tiếp cận tính toán phụ tải và thủ tục hay thuật giải, tiếp đến là các dữ kiện cần thiết cho bài toán và độ tin cậy hay sai số của phương pháp. Do phụ tải điện mang đặc tính ngẫu nhiên, nên quá trình phân tích phụ tải thường dựa trên cơ sở lý thuyết xác suất thống kê, kết hợp với đặc điểm công nghệ của các thiết bị tiêu thụ điện. Nhìn chung tất cả các phương pháp tính toán phụ tải điện có thể phân thành các nhóm sau: 2.2.1. Phương pháp phân tích Các phương pháp phân tích về nguyên tắc dựa trên các đặc điểm công nghệ của quá trình sản xuất và chế độ làm việc của các thiết bị điện có xét đến các quy luật ngẫu nhiên của phụ tải. Có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng đến quá trình tiêu thụ điện, vì vậy quá trình phân tích phụ tải điện hết sức phức tạp, việc xác định phụ tải tính toán với độ chính xác cao, đòi hỏi nhiều dữ liệu và khối lượng tính toán lớn. Để đơn giản hóa bài toán, các phương pháp phân tích xác định phụ tải điện được áp dụng với một số giả thiết, mà có thể dẫn đến những sai số nhất định. Nhóm các phương pháp phân tích bao gồm: 2.2.1.1. Xác định phụ tải theo phương pháp hệ số đồng thời Với đặc tính ngẫu nhiên, các hộ dùng điện không phải lúc nào cũng được đóng trong mạng, mà ở từng thời điểm nhất định một số này được đóng, số khác lại được cắt ra. Tính chất này của phụ tải được biểu thị bởi hệ số đồng thời k đt . Phụ tải tính toán được xác định theo biểu thức: ∑ = = n i niđttt PkP 1 (2.22) Trong đó: P ni – công suất định mức của thiết bị điện thứ i; k đt – hệ số đồng thời, phụ thuộc vào số lượng thiết bị tiêu thụ điện trong mạng. Giả sử trong nhóm n thiết bị ở thời điểm xét có m thụ điện được đóng vào lưới thì hệ số đồng thời có thể xác định theo biểu thức: 24 ∑ ∑ = = = n i n m i n đt i i P P k 1 1 ; (2.23) m – số lượng thiết bị đang làm việc n – tổng số thiết bị có trong nhóm. Đối với nhóm thụ điện đồng nhất (nhóm thiết bị có công suất và chệ độ tiêu thụ điện giống nhau), hệ số đồng thời có thể xác định theo công thức: n m k đt = ; (2.24) Trong thực tế các thụ điện đóng vào lưới một cách ngẫu nhiên. Cho nên việc xác định hệ số đồng thời chỉ có thể dựa trên quan điểm xác suất thống kê. Với các đặc số: kỳ vọng toán M(m) = np và phương sai D(m) = npq, trong đó: p là xác suất đóng trung bình trong thời gian khảo sát; q =1- p là xác suất không đóng của thiết bị. Khi số lượng n khá lớn có thể coi sự phân bố của phụ tải tuân theo quy luật phân bố chuẩn, lúc đó xác suất đóng m thiết bị vào lưới được xác định theo biểu thức: ∫ = − − m mMm m n dmep 0 .2 ))(( )( 2 2 2 1 σ πσ ; (2.25) Theo quy tắc β-xích ma (quy tắc ba xích ma mở rộng) ta có giá trị cực đại của số lượng m thụ điện đóng trong mạng là m = M(m) + β t σ σ - độ lệch trung bình bình phương: npqmD == )( σ ; β t - Bội số tản hay độ lệch qui định (còn gọi là hệ số thống kê), phản ánh xác suất phụ tải nhận giá trị trong lân cận kỳ vọng toán ± β t σ. Trong tính toán phụ tải giá trị β t thường được lấy trong khoảng 1,5÷2,5. Như vậy: m = np + β t npq ; Chia hai vế của phương trình này cho n ta được n qp pk tđt . β += ; (2.26) 25 [...]... nghiệm của hệ phương trình sau: n 2 a ∑ t i + b∑ti = ∑Pi ti a ∑ti + nb = ∑Pi Pi - Giá trị phụ tải quan sát ở năm thứ i ti - Năm quan sát Giá trị của các hệ số hồi quy cũng có thể dễ dàng được xác định bởi chương trình Excel với lệnh đơn giản sau: - Đối với hệ số a dùng lệnh: “ index(linest(Pđ:Pc,tđ:tc),2)” - Đối với hệ số b dùng lệnh: “ index(linest(Pđ:Pc,tđ:tc),1)” Trong đó: tđ, tc – tọa độ các ô năm đầu... hình MAED bao gồm 3 Module (hình 2.8): + Module 1: ED “Energy Demand” sử dụng để tính toán nhu cầu năng lượng cuối cùng theo dạng và theo các ngành kinh tế cho từng năm trong chu kỳ nghiên cứu + Module 2: HEPD “Hourly Electric Power Demand” sử dụng để biến đổi nhu cầu điện năng hàng năm của từng hộ tiêu thụ chính thành nhu cầu theo giờ đặt lên hệ thống điện + Module 3: LDC “Load Duration Curve” sử dụng . Chương 2: Phụ tải điện 2.1. Đặc tính của phụ tải điện 2.1.1. Khái quát chung về phụ tải Dữ kiện tối