Giải pháp tính toán tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối

Giải pháp tính toán tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong lưới điện phân phối Mục Lục Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối 6 I. Tổng quan 6 II. Tính toán tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên đường dây 8 III. Tổn thất công suất trong máy biến áp 14 IV. Tổn thất điện năng trên đường dây và máy biến áp 17 Chương 2: Mô hình hóa các khâu trong mạng điện 24 1. Mô hình tải 24 2. Mô hình đường dây trên không và cáp 28 3. Mô hình máy biến áp 30 4. Mô hình các phần tử phản kháng 31 Chương 3: Vấn đề giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện 34 1. Giới thiệu chung 34 2. Vấn đề thay đổi điện áp trên lưới điện 35 3. Các giải pháp giảm tổn thất công suất 37 4. Cấu tạo bên ngoài của CP 243-1 IT 33 5. Giới thiệu các LED trạng thái 34 Chương 4: Chương trình tính toán tổn thất công suất và tổn thất điện năng 62 1. Giới thiệu 62 2. Nhắc lại về các moment thống kê 62 3. Tính toán tổn thất điện năng 63 4. Ví dụ minh họa 68 Chương 5: Viết chương trình tính toán tổn thất điện năng 1. Giới thiệu chung 82 2. Chương trình tính toán tổn thất điện năng 83 3. Tính toán thực tế 87 4. Kết luận 88 Giải pháp tính toán tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong lưới điện phân phối Mục Lục KẾT LUẬN 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 Chương 1 Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối I. Tổng quan Khi truyền tải điện năng từ thanh cái các nhà máy điện đến hộ tiêu thụ, ta cần phải dùng dây dẫn và máy biến áp, nên một phần điện năng sẽ bò tiêu hao do đốt nóng dây dẫn, do tạo nên các trường điện từ và do các hiệu ứng khác. Phần tiêu hao đó gọi là tổn thất điện năng. Trong mạng điện phân phối tổng chiều dài đường dây và số lượng MBA rất lớn, hơn nửa mạng điện phân phối có cấp điện áp thấp nên tổn thất công suất trên mạng điện phân phối là con số không nhỏ. Với những hệ thống phân phối lớn, tổn thất này có thể lên đến 15% công suất truyền tải. Theo một báo cáo của Công ty Dòch Vụ Công cộng tại New Mexico, trong khoảng từ năm 1978 đến 1988 chỉ với mức độ chiếm khoảng 8,71% tổn thất điện năng đã lên đến 299GWh. Tổn thất công suất bao gồm tổn thất công suất tác dụng (chủ yếu là đường dây) và tổn thất công suất phản kháng (chủ yếu là MBA). Tổn thất công suất dẫn đến các thiết bò phát điện phải tăng làm vốn đầu tư nguồn phát cao, gây tình trạng thiếu hụt điện năng tại nơi tiêu thụ, hiệu suất truyền tải thấp, làm tăng giá thành sản xuất cũng như truyền tải điện và không có lợi cho việc phát triển kinh tế, phục vụ dân sinh. Tổn thất công suất phản kháng tuy không ảnh hưởng trực tiếp đến mức phí tổn về nhiên liệu nhưng dẫn đến tình trạng không đủ công suất phản kháng cung cấp cho hộ tiêu thụ, do vậy tại đây cần phải trang bò thêm các thiết bò phát công suất phản kháng như tụ điện, máy bù đồng bộ. Kết quả dẫn đến chi phí đầu tư về thiết bò tăng cao, làm giá thành truyền tải điện cũng tăng cao. Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối 7 Trong mạng điện phân phối, tổn thất sinh ra do các nguyên nhân sau:  Tổn thất trên đường dây trong dây dẫn các pha.  Tổn thất trong các dây đất và trong đất.  Tổn thất trong lõi máy biến áp.  Tổn thất tăng do sự suy giảm các phần tử phản kháng.  Tổn thất tăng do các đặc tính của tải.  Tổn thất tăng do sự mất cân bằng giữa các pha trong hệ thống. Việc tính toán, chọn lựa đúng kích cỡ dây dẫn sẽ giới hạn tổn thất trong đường dây. Với các hệ thống điện hai pha và một pha sẽ làm xuất hiện thêm tổn thất trong dây đất và trong đất. Sự mất đối xứng của tải cũng sẽ làm tổn thất trong dây đất và đất tăng thêm. Tổn thất trong lõi máy biến áp phân phối sẽ rất nhạy với giá trò biên độ của điện áp hệ thống. Chất lượng của máy biến áp cũng sẽ ảnh hưởng đến tổn thất này. Do tải tiêu thụ thay đổi giữa ngày và đêm, giữa các mùa nên hệ số công suất của hệ thống cũng sẽ thay đổi. Nếu không có sự chọn lựa, tính toán đúng cho các thiết bò đóng cắt các phần tử bù công suất phản kháng sẽ dẫn đến việc tăng tổn thất trong hệ thống do hệ số công suất quá thấp. Đặc tính của tải cũng đóng vai trò quan trọng trong tổn thất của mạng điện phân phối. Trong chu trình tải đỉnh, điện áp trên đường dây có thể bò giảm xuống dưới giá trò cho phép. Điều này trở nên rất quan trọng trong việc tính toán tổn thất trong hệ thống phân phối. Ví dụ, rất nhiều các động cơ truyền động như máy bơm, máy nén, máy điều hòa nhiệt độ, quạt .v v có đặc tính tải công suất không đổi khi làm việc với điện áp khác hơn so với giá trò danh đònh từ 80% đến 110%. Điều này sẽ dẫn đến dòng điện chảy trong đường dây sẽ tăng cao hơn khi điện áp giảm, do vậy tổn thất hệ thống cũng sẽ tăng theo. Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối 8 II. Tính toán tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên đường dây Để xác đònh tổn thất công suất trên đường dây ta chỉ xét đường dây có phụ tải tập trung cuối đường dây làm đại diện cho đường dây có nhiều phụ tài tập trung, đường dây phân nhánh, lưới mạch vòng và giả thiết là tải đối xứng. Vì các dạng lưới phân phối này đều có công thức tính giống nhau. Khi tính lưới mạch vòng cũng dùng nguyên lí xếp chồng. Sau đó tính riêng cho trường hợp lưới phân bố đều và lưới có phụ tải không đối xứng. 1. Tổn thất công suất trên đường dây có phụ tải tập trung Khi có dòng điện ba pha chạy qua đường dây có tổng trở jXRZ   sẽ gây ra tổn thất công suất như sau: )1_1(;****3 2 2 22 2 2 2 2 R U QP R U S RIP   )2_1(;****3 2 2 22 2 2 2 2 X U QP X U S XIQ   Với: P, Q, S là của 3 pha U2: điện áp dây P, P [MW]; Q, Q [MVAR]; U2 [KV] ; R,X []; Thông thường khi tính toán có thể có thể chọn m là giá trò đònh mức của lưới. Khi muốn tăng độ chính xác, tổn thất tính tại đâu sẽ lấy điện áp tại điểm đó. Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối 9 2. Tổn thất công suất trên đường dây có phụ tải phân bố đều Đây là trường hợp các hệ thống điện phân phối trong thành phố, các đường dây chiếu sáng công cộng, đường dây cung cấp điện cho các xí nghiệp trong khu chế xuất… Một cách gần đúng ta có thể xem dòng điện biến thiên dạng tuyến tính dọc theo đường dây dẫn. Lấy một vi phân dl tại B ta được: Tổn thất P trong một vi phân dl là: Gọi r 0 : điện trở trên một đơn vò chiều dài dây dẫn (/km)  dr = r 0 *dl. Vậy : ;** * *3 2 dlr L lI Pd o        Toàn bộ tổn thất công suất dọc đường dây AC là: 1 U  2 U  R+jX P+jQ Hình 1_1 L l L O I b I C B A dl Hình 1_2a L lI I b *  ;**3 2 drIPd b  Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối 10          LL IRLIrdll L Ir dlr L lI P 0 22 0 2 0 2 2 0 0 2 )3_1(;***. 3 .* . *3 I:dòng tổng của phụ tải phân bố đều. So sánh (1_3) với (1_1) ta thấy tổn thất công suất trên đường dây có phụ tải phân bố đều bé hơn 3 lần tổn thất trên đường dây có cùng phụ tải nhưng tập trung ở cuối đường dây Ptập trung = 3. Pphân bố đều Từ đó có thể dùng 1 trong 2 sơ đồ thay thế tương đương Hình 1_2 b) hay c) để xác đònh tổn thất công suất lưới phân bố đều. 3. Tổn thất công suất khi tải không đối xứng Khi tải không đối xứng sẽ dẫn đến dòng điện và điện áp cũng không đối xứng cả về biên độ và góc pha. Ở đây chỉ xét sự mất đối xứng về biên độ. Để thuận tiện trong việc tính toán, người ta phân tích các thành phần không đối xứng thành các thành phần đối xứng. Đó là các thành phần thứ tự thuận   11 , IU  , thứ tự nghòch   22 , IU  và thứ tự không   00 , IU  . Ta có CBACBA IIIUUU  ,,,,, là điện áp và dòng điện của 3 pha A, B, C. Ta có các mối quan hệ sau:   CBA UaUaUU  2 1 3 1    CBA UaUaUU   2 2 3 1   CBA UUUU   3 1 0 L Z  3I  1 2 b) L Z  3 1 I  1 2 c) Hình 1_2 Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối 11   CBA IaIaII  2 1 3 1    CBA IaIaII   2 2 3 1   CBA IIII   3 1 0 với 0 120j ea  :toán tử quay pha. Trong thực tế người ta không dùng trò số dòng điện để tính tổn thất công suất mà dùng trò số của công suất để tính toán. Giả sử công suất của nguồn phát là đối xứng CBA SSS  ,, từ đó công suất của các thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghòch và thứ tự không được phân tích như sau:   )4_1(; 3 1 . * 11 CBAA SSSIUS       )5_1(; 3 1 . 2 * 22 CBAA SaSaSIUS       )6_1(; 3 1 . 2 * 00 CBAA SaSaSIUS     Việc tính toán chế độ phụ tải không đối xứng, cũng như vấn đề tính toán tổn thất công suất. Ta phải lập sơ đồ thay thế của lưới điện ứng với từng thành phần thứ tự. Từ những sơ đồ cụ thể đó ta có thể xác đònh được tổn thất công suất cho đường dây giống như ở chế độ có phụ tải đối xứng. Để xác đònh tổn thất công suất trên lưới có tải không đối xứng theo phương pháp xếp chồng ứng với từng thành phần thứ tự phải có các giả thiết như sau:  Hệ thống điện áp của nguồn cung cấp phải đối xứng và không phụ thuộc vào phụ tải đang xét.  Trò số không đối xứng thường bé nên dòng phụ tải có thể xác đònh theo điện áp đònh mức. Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối 12  Tất cả các phần tử của hệ thống được xem là tuyến tính.  Mức độ không đối xứng của các thông số chủ yếu được xác đònh theo mức không đối xứng. Do vậy giả thiết rằng tất cả các phần tử còn lại của lưới điện (ngoài phụ tải không đối xứng đang xét) có các thông số pha giống nhau. Sơ đồ thay thế thứ tự thuận dạng thông thường được dùng trong tính toán chế độ đối xứng. Các giá trò của các phần tử trong chế độ thứ tự thuận đều tương ứng với trò số của chúng trong chế độ đối xứng. Vì vậy tổn thất công suất được xác đònh như trong chế độ đối xứng. Trong sơ đồ thay thế thứ tự nghòch tất cả các phụ tải đều được thay thế bởi các nhánh tổng trở cho trước. Trò số dòng thứ tự nghòch tính toán được dựa vào sơ đồ. Đối với các phần tử của lưới điện có hỗ cảm giữa các pha và không phụ thuộc vào thứ tự pha thì điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghòch giống nhau như đường dây trên không, cáp, kháng điện, tụ điện, MBA… Trong động cơ và máy phát dòng thứ tự nghòch tạo nên từ trường quay của stator ngược chiều với rotor, do vậy điện kháng thứ tự nghòch (X2) được tính khác với điện kháng thứ tự thuận (X1). Đồng thời điện dung của đường dây trên không và cáp có thể bỏ qua trong sơ đồ thay thế. Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối 13 Sơ đồ thay thế thứ tự không được thành lập tương tự. Đối với lưới điện phân phối, điện áp khoảng 35KV nên sơ đồ đấu dây của MBA thường không nối đất trung tính và được nối /Y hay Y/ nên dòng thứ tự không rất bé, do vậy tổn thất này thường được bỏ qua. - Trên sơ đồ nguyên lí ta có công suất truyền từ A là 1 S  , qua các nút tải không đối xứng B, C có công suất CB SS  , . - Lập sơ đồ thay thế theo thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghòch và thứ tự không. - Tổn thất công suất của sơ đồ thứ tự thuận được xác đònh như phụ tải đối xứng tùy theo loại lưới. - Xác đònh công suất của thành phần thứ tự nghòch (Hình 1_3b). :; 2,21,2 ZZ  tổng trở thay thế của đường dây sơ đồ thứ tự nghòch. A B C 2 1 dmA UU   1 S  2 S  B S  C S  a) A B b) 1,2 1,2 S Z   B S 2  C S 2  2 U  C A B C 1,01,0 ;SZ   2,02,0 ;SZ   B S 0  C S 0  0 U  c) Hình 1_3 a):sơ đồ nguyên lí một sợi; b):sơ đồ thay thế thành phần thứ tự nghòch; c):sơ đồ thay thế thứ tự không [...]... đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối III Tổn thất công suất trong máy biến áp Tổn thất công suất trên mỗi MBA chiếm vài phần trăm so với công suất biến áp của nó Trong hệ thống điện nói chung và lưới phân phối nói riêng số lượng MBA áp rất lớn vì thế tổn thất trên phần tử MBA áp là con số không nhỏ Vậy ngoài vấn đề tổn thất công suất trên đường dây cần phải tính đến tổn. ..  1   , trong đó: s(1)  0,02 h   Trong đó Xm bỏ qua L là điện cảm khóa rotor (locked – rotor), R là điện trở của động cơ 33 Chương 3: Vấn đề giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện Chương 3 Vấn đề giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện I Giới thiệu: Chất lượng điện năng được xác đònh bởi hai thông số: điện áp và tần số, tăng chất lượng điện áp là đồng... tải và tình trạng làm việc của các nhà máy điện Vì vậy phải dùng phương pháp tích phân để tính tổn thất điện năng: t A   P.dt; (1 _ 22) 0 17 Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối Tuy nhiên P là một hàm số phức tạp của thời gian t rất khó tích phân Người ta thường dùng hai phương pháp sau:  Phương pháp dòng điện đẳng trò Xác đònh tổn thất điện năng trong. .. t i ; (1 _ 24 ) Trong đó: S[MVA]; R[]; Udm[KV]; tI[h] Phương pháp này trong nhiều trường hợp không làm được vì ta không biết trước đồ thò P(t) và Q(t) Vì vậy trong tính toán thường dùng phương pháp sau: 18 Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối a) Phương pháp xác đònh tổn thất điện năng theo thời gian tổn thất công suất lớn nhất: phương pháp này cho ta... Pmax Có thể phân biệt Ar và Aa: A  P2 Q2 R. m axr  2 R. m axa U2 U 20 Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối Một công thức thực nghiệm khác:   0.3Tmax  2 0.7Tmax 8760 ; 1 Tổn thất điện năng trên đường dây Tổn thất điện năng trên đường dây và phụ tải tập trung, phân bố đều được tính như sau: A  P * [KWh]; (1 _ 31) P: tổn thất công suất lớn nhất... tổn thất công suất trong MBA Tổn thất công suất trong MBA bao gồm tổn thất công suất không tải (tổn thất trong lõi thép hay tổn thất sắt) và tổn thất khi có tải (tổn thất trong dây quấn hay tổn thất đồng) Nhu cầu công suất phản kháng ở MBA công suất nhỏ là 10% Sđm của chúng, MBA lớn là 3% Sđm, còn các MBA ở siêu cao thế có thể từ 8-10% (để hạn chế dòng ngắn mạch) 1 MBA một cuộn dây Thành phần tổn thất. .. là các điện áp và tổng trở tương ứng đã quy đổi về điện áp cao Công suất:         S1  S 2  S 3  S 2  S 3  S 2  S 3  P1 jQ1 16 Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối Tổn thất công suất trong cuộn 1:  S1 P2  Q12 * R  1 U 1 2 1 P   Q * X ; (1 _ 19c) j 2 1 1 U 1 2 1 Tổn thất công suất trong MBA 3 cuộn dây và MBA... sinh hoạt thành phố thì Tmax=20003000h  Thời gian tổn thất công suất lớn nhất: ký hiệu  là thời gian nếu trong đó mạng điện luôn luôn mang tải lớn nhất sẽ gây ra một tổn thất điện năng đúng bằng tổn thất điện năng thực tế trên hệ thống điện trong một năm nghóa là: 19 Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối A  8760 R 8760 2  R 2 2  Pi ti   Qi2 ti... tải công suất phản kháng Q trên đường dây là không có lợi, và gây ra tổn thất điện áp cũng như tổn thất điện năng  Tăng tổn thất công suất tác dụng: P2  Q2 P2 Q2   R  2 R  2 R  P  QQ U2 U U Như vậy công suất tác dụng và công suất phản kháng truyền qua những phần tử tiêu thụ điện có điện trở R thì tổn thất công suất tác dụng sẽ tỉ lệ với bình phương trò số công suất phản kháng  Làm tăng tổn. .. tải của toàn trạm là S thì mỗi MBA sẽ nhận công suất là:  S   S i  n đmi S ; (1 _ 40)  S  i 1 đmi 23 Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối trong đó  S đmi  Si : phụ tải của MBA thứ i nhận được :công suất đònh mức của MBA thứ i Sau khi biế được công suất phân bố cho từng MBA, thì ta tính riêng tổn thất điện năng cho từng MBA theo cônt thức (1_37) hoặc . Giải pháp tính toán tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong lưới điện phân phối Mục Lục Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối. vậy tổn thất hệ thống cũng sẽ tăng theo. Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối 8 II. Tính toán tổn thất công suất và tổn thất điện năng. Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối 15 III. Tổn thất công suất trong máy biến áp Tổn thất công suất trên mỗi MBA chiếm vài phần trăm so với công suất