Khảo sát bù công suất phản kháng trên lưới điện phân phối

1 Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1. Lý do chọn đề tài: Ngành điện là một ngành then chốt cung cấp năng lượng phục vụ cho quá trình sản xuất và tiêu dùng, là một trong những ngành quan trọng nhất và luôn đi trước một bước, mang tính quyết định cho sự nghiệp phát triển kinh tế của đất nước .Bên cạnh đó đòi hỏi ngành điện phải đảm bảo tính ổn định, bền vững. Đó là vấn đề đảm bảo cung cấp chất lượng điện năng tốt nhất và giảm tổn thất điện năng ở mức thấp nhất, đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất. Vấn đề sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng là một quá trình xuyên suốt, trong đó giảm tổn thất điện năng trong hệ thống điện, đặc biệt là lưới điện phân phối luôn là mục tiêu hàng đầu. Để giải quyết vấn đề này, đòi hỏi ngành điện phải tính toán đồng bộ nhiều biện pháp khác nhau, một trong những biện pháp quan trọng và không thể bỏ qua, đó bài toán bù công suất phản kháng. Trên thực tế, việc tính toán bù công suất phản kháng trên lưới điện phân phối trung hạ áp chưa đạt hiệu quả cao do chương trình tính toán và dữ liệu tính toán chưa chính xác. Vì vậy vấn đề đặt ra là làm sao khảo sát và tính toán bù công suất phản kháng trên lưới điện phân phối trung hạ áp đạt hiệu quả cao nhất đó là lý do của đề tài. 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu các bài toán bù trên lưới điện phân phối trung áp, đưa ra các biện pháp bù công suất phản kháng mang tính thiết thực với việc sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab để tính toán mô phỏng. 1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu nhằm đưa ra các phương án tính toán bù công suất phản kháng trên lưới phân phối trung thế một cách có hiệu quả về mặt kỹ thuật và kinh tế với thực trạng thực tế. 2 Nhiệm vụ nghiên cứu: -Nghiên cứu tính toán bù công suất phản kháng trên từng trường hợp phân bố phụ tải. -Tính toán phân bố công suất, điện áp tại các nút trước và sau khi bù công suất phản kháng. -Viết chương trình Matlab để tính toán phân bố suất, điện áp và công suất phản kháng. 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài -Có thể áp dụng vào từng trường hợp lưới điện trên thực tế. -Phương pháp tính toán có độ chuẩn xác cao, sai số tính toán nhỏ. -Kết quả tính toán cho phép lựa chọn vận hành tối ưu các trạm tụ bù, dung lượng tụ, giảm tổn thất đến mức thấp nhất và đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất. 3 MBA nguôn MBA 3 pha MBA 2 pha nhánh 3 pha nhánh 2 pha MBA nguôn MBA 1 pha MBA 1 pha nhánh 2 pha+trung tính nhánh 1 pha+trung tính Chương 2 LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ CÁC VẤN ĐỀ TỔN THẤT 2.1 Giới thiệu chung về lưới điện phân phối - Lưới điện phân phối (LĐPP) là khâu cuối cùng của hệ thống điện để đưa điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng. Lưới điện phân phối bao gồm lưới điện trung áp (có điện áp 6, 10, 15, 22kV) và lưới điện hạ áp (cấp điện cho phụ tải hạ áp 380/220v). - LĐPP trung áp được sử dụng hiện nay là công nghệ phân phối 3 pha 3 dây (chỉ có 3 dây pha, các máy biến áp phân phối được cấp điện bằng điện áp dây) và công nghệ phân phối 3 pha 4 dây ( ngoài 3 dây pha còn có dây trung tính, máy biến áp phân phối được cấp điện bằng điện áp dây đối với máy biến áp 3 pha và điện áp đối với máy biến áp 1 pha, trung tính của các cuộn dây trung áp được nối đất trực tiếp). Hình 2.1 Lưới điện 3 pha 3 dây Hình 2 . 2 Lưới điện 3 pha 4 dây 4 - Lưới phân phối điện hạ áp được thực hiện bằng đường dây trên không, cáp ngầm hay cáp treo (cáp vặn xoắn), có 2 cấp điện áp là 380/220V. Có 2 loại sơ đồ lưới điện hạ áp: sơ đồ 4 dây (3 dây pha và dây trung tinh) và sơ đồ 5 dây (3 dây pha + dây trung tính + dây an toàn). MBA phân phôi TB 3 pha trung tính TB 1 pha Hình 2.4 Lưới 4 dây: 3 pha + trung tính tru n g tín h A B C U dây = 3 8 0V U ph a = 2 2 0V 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 5 2.2 Đặc điểm của lưới điện phân phối - Lưới điện phân phối có cấu trúc kín nhưng vận hành hở. - Lưới điện phân phối có nhiệm vụ chính trong việc đảm bảo chất lượng phục vụ tải (bao gồm chất lượng điện áp và độ tin cậy cung cấp điện). - Phụ tải của lưới điện có độ đồng thời thấp. 2.3 Các vấn đề tổn thất trên lưới điện phân phối Lưới điện phân phối phân bố trên diện rộng, thường vận hành không đối xứng và có tổn thất lớn hơn. Kinh nghiệm các điện lực trên thế giới cho thấy tổn thất thấp nhất trên lưới phân phối vào khoảng 4%, trong khi trên lưới truyền tải là khoảng 2%. Vấn đề tổn thất trên lưới phân phối 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 lưới điện phân phối. Tổn thất trên lưới điện phân phối bao gồm tổn thất phi kỹ thuật (tổn thất thương mại) và tổn thất kỹ thuật. Tổn thất phi kỹ thuật (tổn thất thương mại) bao gồm 4 dạng tổn thất như sau: •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 phụ thuộc vào cơ chế quản lý, quy trình quản lý hành lý.Tổn thất kỹ thuật trên lưới điện phân phối chủ yếu trên dây dẫn và các máy biến áp phân phối. Tổn thất kỹ thuật bao gồm tổn thất công suất tác dụng và tổn thất công suất phản kháng. Tổn thất công suất phản kháng do từ thông rò và gây từ trong các máy biến áp và cảm kháng trên đường dây. Tổn thất công suất phản kháng chỉ làm lệch góc và ít ảnh hưởng đến tổn thất điện năng. Tổn thất công suất tác dụng có ảnh hưởng đáng kể đến tổn thất điện năng. Thành phần tổn thất điện năng do tổn thất công suất tác dụng được tính toán như sau: ∫ ∆ A = ∆ P( t). dt (2.1) 6 Trong đó, ∆P(t) là tổn thất công suất tác dụng trên đường dây và máy biến áp tại thời điểm t. Việc tính toán tổn thất điện năng theo công thức (2.1) thông thường thực hiện theo phương pháp dòng điện đẳng trị phụ thuộc vào đồ thị phụ tải hoặc theo thời gian sử dụng công suất lớn nhất. Tổn thất công suất tác dụng 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 có các nguyên nhân chủ yếu như sau: •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 dẫn đến tăng tổn thất trên máy biến áp Nhiều thành phần sóng hài của các phụ tải công nghiệp tác động vào các cuộn dây máy biến áp làm tăng tổn thất. •Vận hành với hệ số cosφ thấp do thiếu công suất phản kháng 7 Hình 2.6 Sơ đồ tổn thất điện năng trong hệ thông điện 8 Chương 3 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 được tiêu thụ ở động cơ không đồng bộ, máy biến áp, trên đường dây điện và mọi nơi có từ trường. Yêu cầu công suất phản kháng chỉ có thể giảm tối thiểu chứ không thể triệt tiêu được vì nó cần thiết 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. - Cải thiện điện áp. - 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: 9 -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 là 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 sao cho 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: ●Đặt tụ cố định. ●Tụ điều khiển theo nấc hoặc liên tục theo phụ tải. ●Tụ được cắt ra khi công suất phản kháng yêu cầu giảm dưới mức nhất định. Như vậy hàm mục tiêu của bài toán bù là tổng đại số của các yếu tố lợi ích và chi phí đạt giá trị min. Bài toán bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối là bài toán phức tạp vì: -Lưới phân phối có cấu trúc phức tạp, một trạm trung gian thường có nhiều trục chính, mỗi trục cấp điện cho nhiều trạm phân phối và cấu trúc của lưới phân phối 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. 10 Trước khó khăn đó, để giải bài toán bù phải phân chia bài toán bù thành các bài toán nhỏ hơn và áp dụng các giả thiết khác nhau và không làm sai lệch quá mức kết quả tính toán, phải đảm bảo lời giải gần với lý thuyết. 3.3. Bài toán bù kinh tế Với các ẩn số là Q b1 , Q b2 Q bn là công suất bù đặt ở n nút, thành lập hàm chi phí tính toán Z để xác định dung lượng bù tối ưu thỏa mãn điều kiện ràng buộc với Q bù ≥ 0, ẩn số Q bù là nghiệm của phương trình: ∂Z ∂Q ù =0, ∂Z ∂Q ù =0, ∂Z ∂Q ù. =0 (3.1) Trong quá trình giải, nếu xuất hiện một nghiệm có giá trị âm, giả sử Q bù,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 Q bù đối với mạng điện gồm một đường dây và một phụ tải Hàm chi phí tính toán gồm ba thành phần: Z 1 : Thành phần liên quan đến vốn đầu tư thiết bị bù: Z 1 = (a vh + a tc )K 0 .Q bù (3.2) Với K 0 là gía tiền một đơn vị dung lượng bù. Hình 3.1 Sơ đồ mạng điện đơn giản [...]... lần giải lập bảng như trên 17 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: N I1, i1 I, i a b I2, i2 Spb = Ppb + jQpb Stt = Ptt + jQtt l = 1(đvtđ) x(đvtđ) dx(đvtđ) I2, i2 I1, i1 Hình 3.5 Gọi: I1: dòng điện phản kháng đầu đoạn đường... tiếp công suất phụ tải và máy phát trong đơn vị MW và MVAr, điện áp trong đơn vị tương đối, góc tính ra độ Công suất phụ tải và máy phát được đổi ra đơn vị tương đối trên cơ bản Scb(MVA) đã chọn + busout: chương trình cho kết quả điện áp thanh cái dưới dạng bảng Kết quả điện áp nút dưới dạng trị số và góc pha, công suất tác dụng của máy phát, phụ tải, công suất kháng của tụ bù hay cuộn kháng bù ngang... gồm tổng công suất phát và tổng phụ tải + lineflow: chương trình xuất dữ liệu về đường dây, hiển thị dòng công suất tác dụng và phản kháng đi vào ở các đầu đường dây, tổn thất đường dây cũng như công suất ở mỗi nút Kết quả cũng bao gồm tổn thất công suất tác dụng và phản kháng của toàn hệ thống + ybus: cho các trị số R, X, tính YBUS + decouple: lời giản phân bố công suất bằng phương pháp phân lập nhanh... 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 Với (3.27) R: điện trở của đoạn ab Dx: chiều dài vi cấp (đvtđ) Tổn thất công suất toàn đoạn đường dây vào một thời điểm... =( + i1i2 + )x] R dx (3.28) )R Suy ra tổn thất công suất lúc phụ tải cực đại do thành phần dòng điện phản kháng tạo ra: ΔPmax = (I + I1I2 + I )R (3.29) 3.5.2 Tổn thất công suất trên đường dây có đặt tụ bù Trường hợp có một bộ tụ bù: Xét một đoạn đường dây ab có phụ tải phân bố đều và phụ tải tập trung, để giảm tổn thất công suất và điện năng, đặt tụ bù tại vị trí cách đầu a một khoảng cách x1 như... riêng:  Chỉ có phụ tải phân bố: λ = 0 Vị trí đặt tụ bù tối ưu: xopt = (3.53) Hệ số bù: c = k (3.54) Công suất tụ bù: Qc = Qpb  Chỉ có phụ tải tập trung ở cuối: λ = 1 (3.55) 22 Vị trí đặt tụ: x = 1 (3.56) (3.57) Hệ số bù: c = Công suất tụ bù: Qc = Qtt (3.58) 3.5.4 Giảm tổn thất điện năng có xét chi phí đặt tụ bù Trường hợp có một bộ tụ bù: Xét một đoạn đường dây có đặt một vị trí bù Tổng tiền tiết kiệm... 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 Giả sử Qbù 3 < 0 có nghĩa phụ tải 3 không cần đặt bù Khi đó cho Qbù 3 = 0 và giải lại hệ phương trình trên bằng cách bỏ hàng 3 cột 3 (các trị số Ci vẫn tính theo công. .. kiểm tra, phân tích mô hình tài chính, hay tính toán sinh học MATLAB là ngôn ngữ của tính toán khoa học 4.2 Ứng dụng hộp công cụ hệ thống điện trong Matlab Hộp công cụ hệ thống điện bao gồm các file.m, các chương trình nhằm trợ giúp tính toán tiêu biểu hệ thống điện, một số chương trình như phân bố công suất, tối ưu hóa, tính toán ngắn mạch và ổn định hệ thống điện Các chương trình phân bố công suất có...11 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) T – thời gian đóng tụ Z3 : Thành phần tổn thất điện năng trong mạng điện sau khi đặt thiết bị bù: Z3 = Vì thành phần ( ù) Rτc0 (3.4) RτC giống nhau đối với mọi phương án bù nên không cần phải kể vào khi so... (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: Biên Stt Mã độ nút điện Phụ tải (2) (3) Bù Góc P (4) Q P Q (MW) áp (1) Máy phát (MVAr) (MW) (MVAr) (5) (6) (7) (8) Qmin Qmax Qbù . tổn thất điện năng trong hệ thông điện 8 Chương 3 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. 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: 9 -Bù kỹ thuật do thiếu công suất phản kháng. trên lưới điện phân phối chủ yếu trên dây dẫn và các máy biến áp phân phối. Tổn thất kỹ thuật bao gồm tổn thất công suất tác dụng và tổn thất công suất phản kháng. Tổn thất công suất phản kháng