Phương pháp bù tối ưu trong mạng điện phân phối

gA ðơn giá ñiện năng tác dụng Yên/kWh A ðiện năng tiêu thụ, kWh τ Thời gian tổn thất công suất cực ñại hàng năm TM Thời gian sử dụng công suất cực ñại TM b Hệ số kinh tế thay ñổi của ñ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-
 -

LÊ TRUNG THÀNH

PHƯƠNG PHÁP BÙ TỐI ƯU TRONG

MẠNG ðIỆN PHÂN PHỐI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-
 -

LÊ TRUNG THÀNH

PHƯƠNG PHÁP BÙ TỐI ƯU TRONG

MẠNG ðIỆN PHÂN PHỐI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS TRẦN QUANG KHÁNH

HÀ NỘI - 2014

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan bản luận văn tốt nghiệp: “Phương pháp bù tối ưu

trong mạng ñiện phân phối” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy

giáo TS Trần Quang Khánh ðể hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng

những tài liệu ñược ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép

sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 26 tháng 11 năm2013

Học viên thực hiện

Lê Trung Thành

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn sâu sắc TS Trần Quang Khánh người ñã

trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn của mình

Xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn ñiện, khoa

Cơ ðiện, các thầy giáo, cô giáo Viện ñào tạo sau ñại học trường ðHNN Hà Nội ñã hướng dẫn và giúp ñỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Xin trân trọng cảm ơn gia ñình, bạn bè, ñồng nghiệp ñã tạo ñiều kiện giúp ñỡ tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn

Lê Trung Thành

MỤC LỤC

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN BÙ

2.1 Quan hệ giữa tổn thất ñiện năng, chi phí quy dẫn với hệ số công

2.1.1 Quan hệ giữa tổn thất ñiện năng với hệ số cosϕ và thời gian TM 14

2.1.2 Quan hệ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn với hệ số công suất và TM 15

CHƯƠNG III XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BÙ CÔNG SUẤT

3.4 Mô hình toán học bù công suất phản kháng 42

3.5.3 Xây dựng quy luật và lựa chọn sơ ñồ tự ñộng ñiều chỉnh tối ưu

3.6.4 Ứng dụng phần mềm Matlab bù công suất phản kháng trên lưới

CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN ðỐI VỚI MẠNG ðIỆN VĨNH TƯỜNG -

4.3 Tính toán bù công suất phản kháng cho mạng ñiện huyện Vĩnh

4.3.1 Chương trình tính toán cosφ trên các nút của mạng ñiện lộ E- 373 81

4.3.2 Chương trình tính toán cosφ trên các nút của mạng ñiện lộ E-374 82

4.3.3 Tính toán bù công suất phản kháng tối ưu cho lưới ñiện Huyện

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ar, Ax ðiện năng tác dụng và phản kháng trên thanh cái trạm biến áp

P Công suất tác dụng

Ccb Tiền ñiện cơ bản

CA Tiền ñiện trả theo mức tiêu thụ

gp ðơn giá công suất tác dụng Yên/kW

gA ðơn giá ñiện năng tác dụng Yên/kWh

A ðiện năng tiêu thụ, kWh

τ Thời gian tổn thất công suất cực ñại hàng năm

TM Thời gian sử dụng công suất cực ñại TM

b Hệ số kinh tế thay ñổi của ñường dây, ñ/km.mm2

ρ ðiện trở suất của vật liệu làm dây dẫn

C∆ Giá thành tổn thất ñiện năng

F Tiết diện mặt cắt ngang của dây dẫn

Pn , Qn ,Un Các giá trị phụ tải và ñiện áp ñịnh mức

KQM Giá trị cực ñại của hệ số mang tải phản kháng

Qn Công suất phản kháng ñịnh mức của mỗi ñộng cơ

U ðiện áp thực tế tại nơi ñặt tụ

Uc ðiện áp ñịnh mức của tụ bù

U* ðiện áp tương ñối của mạng ñiện tại nơi ñặt tụ

U*c Tỷ lệ ñiện áp ñịnh mức của tụ và mạng

Qn Công suất ñịnh mức của tụ bù

K0, K b Các hệ số kinh tế cố ñịnh và thay ñổi của tụ bù

Pb Tổn thất công suất tác dụng trong thiết bị bù

t Thời gian làm việc của tụ bù

KMB Vốn ñầu tư của máy bù ñồng bộ

∆PM Tổn thất công suất ngắn mạch của máy bù ñồng bộ

P0 Tổn thất công suất không tải của máy bù ñồng bộ

g00 Suất giá thành tổn thất không tải

g0M Suất giá thành tổn thất ngắn mạch

Qi,Q j Công suất của nguồn và của các phụ tải

N, M Số nguồn và số phụ tải

Umin,Umax Giá trị giới hạn dưới và giới hạn trên của ñiện áp

Icp Dòng ñiện cực ñại cho phép của phần tử mạng ñiện

Qmin, Qmax Giới hạn dưới và giới hạn trên của nguồn công suất phản kháng

V ðộ lệch ñiện áp

Vtb Kỳ vọng toán của ñộ lệch ñiện áp

σv ðộ lệch trung bình bình phương của ñộ lệch ñiện áp

vcp- , v cp+ Giới hạn cho phép dưới và trên của ñộ lệch ñiện áp

Utb Giá trị trung bình của ñiện áp

a1 , a2 Các hệ số hồi quy

y0 Suất thiệt hại do giảm chất lượng ñiện

Ri ðiện trở của ñường dây tính từ nguồn ñến ñiểm nút thứ i

Ri, X i ðiện trở của ñoạn dây thứ i

n Số ñoạn dây

Kb Suất vốn ñầu tư của thiết bị bù

Pb Suất tổn thất công suất trong thiết bị bù

tb Thời gian làm việc của thiết bị bù

Qb Công suất bù cần thiết

δP Lượng tiết kiệm công suất ñỉnh

δA Lượng tiết kiệm ñiện năng

Z1 Vốn ñầu tư quy ñổi một năm cho thiết bị bù

Z2 Chi phí tổn thất ñiện năng trong thiết bị bù

Z3 Chi phí tổn thất ñiện năng trong ñường dây

aq Tỷ lệ giảm tổn thất do có sự ñiều chỉnh dung lượng bù

S Sai số cho phép

β Hệ số tán xạ

kv Hệ số biến ñộng của thông tin thu thập mẫu

σ(P) ðộ lệch chuẩn của các phép ño phụ tải

Pi Kỳ vọng toán của phụ tải ở giờ thứ i

δPi Giá trị hiệu chỉnh tính tới sai số của phép ño

kij Hệ số qui ñổi của phụ tải ở giờ thứ i ngày loại j

Pij Phụ tải ở giờ thứ i của nhóm tải j

PMj Phụ tải cực ñại của nhóm j

Pnj Tổng công suất ñịnh mức của nhóm tải j

QMBi Là công suất bù tại nút i tính trong chế ñộ phụ tải cực ñại

DANH MỤC HÌNH

3.16 Giao diện cửa sổ function M-file của phần mềm Matlab 71

MỞ đẦU

1 đặt vấn ựề

Cùng với quá trình Công nghiệp hoá và hiện ựại hoá đất nước, nhu cầu phụ tải không ngừng gia tăng Sự xuất hiện của các khu công nghiệp ựòi hỏi sự tiêu thụ công suất phản kháng tăng lên nhanh chóng, ựiều ựó làm tăng tổn thất ựiện năng, công suất và chi phắ truyền tải ựiện năng, giảm hiệu quả sử dụng mạng ựiện, ựồng thời làm giảm hệ số công suất cosϕ và chất lượng ựiện năng

Sự tăng tổn thất do suy giảm hệ số cosϕ buộc các nhà kinh doanh ựiện năng phải áp dụng bảng giá phạt ựối với các hộ dùng ựiện có hệ số cosϕ thấp Chắnh vì vậy nhiệm vụ bù công suất phản kháng ựược ựặt ra không chỉ ựối với hệ thống ựiện, mà cả các hộ dùng ựiện

đề tài ỘPhương pháp bù tối ưu trong mạng ựiện phân phốiỢ ựược

thực hiện nhằm ựáp ứng nhu cầu cấp bách nói trên Khác với công suất tác dụng, công suất phản kháng trong hệ thống ựiện ựược sản sinh ra cũng như ựược tiêu thụ dưới rất nhiều hình thức Một số phần tử hệ thống ựiện chỉ tiêu thụ công suất phản kháng, một số khác vừa tiêu thụ vừa có thể sinh ra công suất này Sự tiêu thụ và tạo ra công suất phản kháng thay ựổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Vấn ựề Ộbù công suất phản khángỢ là một vấn ựề hết sức phức tạp, liên quan ựến rất nhiều tham số chế ựộ cũng như các tham số hệ thống, mà không ngừng biến ựổi theo thời gian đã có nhiều tác giả áp dụng các kết quả nghiên cứu của các nước khác nhau trong việc giải bài toán bù công suất phản kháng Tuy nhiên, ựối với mạng ựiện phân phối nước ta, vấn

ựề bù công suất phản kháng mới chỉ ựược ựề cập ựến ở một số khảo sát, ựánh giá Các cụm tụ bù ựược xây dựng một cách tự phát, chưa có những nghiên cứu và tắnh toán một cách khoa học, nên sự làm việc của các thiết bị bù chưa mang lại hiệu quả ựáng kể, thậm chắ có một số nơi khi các thiết bị bù làm việc trong mạng thì lại dẫn ựến tăng tổn thất và giảm chất lượng ựiện Trong khi thị trường công suất phản kháng ở nhiều nước trên thế giới diễn ra hết sức sôi

ñộng, ở nước ta công suất phản kháng chưa thực sự ñược coi là một dạng hàng hoá , mà mới ñược trao ñổi dưới dạng phạt hệ số cosϕ Theo nghị ñịnh

số 45/2001/Nð-CP của chính phủ về việc sử dụng ñiện, nếu khách hàng dùng ñiện với hệ số cosϕ < 0,8 thì sẽ phải trả thêm tiền mua ñiện năng tác dụng theo một hệ số phạt k luỹ tiến (hệ số cosϕ càng nhỏ thì hệ số k càng lớn) Tuy nhiên trong thực tế vấn ñề phạt hệ số cosϕ thấp diễn ra hết sức tuỳ tiện và thiếu thống nhất ðiều ñó cũng dễ hiểu vì thực tế mốc phạt cosϕ < 0,8 ñặt ra chưa dựa trên cơ sở tính toán khoa học Mặt khác khi khách hàng có hệ số cosϕ lớn hơn mức quy ñịnh thì lại chưa ñược ñề cập ñến…

ðề tài sẽ tính toán và ñề xuất mô hình tính bù theo ñiều kiện cực tiểu các chi phí và theo giá trị cosϕ2 cần ñạt ñược

2 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết ñể xây dựng thuật toán, xây dựng mô hình tính toán cho mạng ñiện phân phối

- Dùng phần mềm mô phỏng ñể kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

Về khoa học: Luận văn góp phần chuẩn hóa quá trình ñánh giá chất

lượng ñiện và ñưa ra phương phát tính toán bù tối ưu trong mạnh ñiện

Về thực tiễn: Với kết quả thu ñược của ñề tài ñã góp phần:

- Giải quyết một phần những khó khăn về vấn ñề tính toán bù công suất

phản kháng trong mạng ñiện phân phối

4 Phạm vi và nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu chính của luận văn ñề cập ñến những vấn ñề sau:

- Nghiên cứu về các phương pháp bù trong mạng ñiện phân phối , tính toán và mô phỏng trong phần mềm MATLAB

- Nghiên cứu các thông số của mạng ñiện phân phối, xây dựng mô hình thuật toàn và phân tích số liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG

MẠNG ðIỆN PHÂN PHỐI

1.1 Sự tiêu thụ công suất phản kháng của các thiết bị

Như ñã biết, các thiết bị ñiện từ khi làm việc sẽ tiêu thụ từ mạng một dòng ñiện bao gồm các thành phần: phụ tải, tổn thất, dòng ñiện tản và dòng từ hoá Tức là cùng với việc tiêu thụ một lượng công suất tác dụng ñể sinh công, các thiết bị ñiện còn tiêu thụ một lượng công suất phản kháng Lượng công suất phản kháng mà các thiết bị ñiện tiêu thụ phụ thuộc vào ñặc tính của chúng, các ñộng cơ không ñồng bộ, máy biến áp , là những thiết bị tiêu thụ nhiều công suất phản kháng Theo số liệu thống kê, thì lượng công suất phản kháng

do ñộng cơ không ñồng bộ tiêu thụ chiếm tỷ trọng lớn nhất khoảng (65 ÷ 75%), tiếp theo là máy biến áp khoảng (15÷20%) và các ñường dây (5÷ 8 %) Mức ñộ tiêu thụ công suất phản kháng ñược ñánh giá bởi hệ số công suất,

mà ñược xác ñịnh bởi tỷ số giữa công suất tác dụng (P) và công suất biểu kiến(S):

cosϕ - Hệ số công suất

cosϕ = 1

1+Ax

Ar ;

Trong ñó:

Ar, Ax - ðiện năng tác dụng và phản kháng trên thanh cái trạm biến áp;

ðể thuận tiện cho việc phân tích và tính toán, ñôi khi người ta thường dùng khái niệm hệ số tgϕ thay cho hệ số cosϕ , ñó là tỷ lệ giữa công suất phản kháng và công suất tác dụng tgϕ = Q/P Tuy nhiên hệ số tgϕ chỉ áp dụng trong các bước tính trung gian, kết quả cuối cùng lại ñược chuyển về hệ số cosϕ tương ứng Khi cosϕ của thiết bị ñiện càng lớn, tức là mức ñộ tiêu thụ công suất phản kháng càng bé, vì vậy làm cho mức ñộ yêu cầu về Q từ lưới ít,

nó góp phần cải thiện chế ñộ làm việc của lưới Hệ số cosϕ của các hộ tiêu thụ lại phụ thuộc vào chế ñộ làm việc của các phụ tải ñiện Khi hệ số cosϕ thấp sẽ dẫn ñến sự tăng công suất phản kháng, sự truyền tải công suất phản kháng trong mạng ñiện làm giảm sút các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của mạng ñiện như:

1.1.1 Làm tăng tổn thất công suất và tăng ñốt nóng dây dẫn

Tổn thất công suất trong mạng ñiện ñược xác ñịnh theo biểu thức

∆P = 3I2 R = P

2+Q2

U2 R = ∆Pr + ∆Px ; (1.2) Trong ñó:

∆P - Tổn thất công suất tác dụng

∆Pr, ∆P x - Thành phần tổn thất công suất tác dụng, phản kháng

Khi truyền tải ñiện năng trong mạng ñiện cao áp do ñiện trở phản kháng lớn nên thành phần tổn hao công suất phản kháng thường lớn hơn thành phần tổn thất công suất tác dụng ðặc biệt ñối với máy biến áp thành phần tổn thất công suất phản kháng chiếm tỷ lệ rất lớn Chẳng hạn ñối với máy biến áp: 320 kVA - 10/0,4 thì ∆P%= 2,4 còn ∆Q% = 3,2

1.1.2 Tăng tiết diện dây dẫn

Khả năng truyền tải của ñường dây và máy biến áp phụ thuộc vào ñiều kiện phát nóng cho phép, tức là phụ thuộc vào dòng ñiện cho phép của chúng Dòng ñiện chạy qua dây dẫn và máy biến áp ñược xác ñịnh:

I = S

3U =

P2+Q23U ; (1.3)

Từ biểu thức trên chúng ta nhận thấy: Với cùng một ñiều kiện phát nóng nhất ñịnh của ñường dây và máy biến áp với P = const, nếu tăng lượng công suất phản kháng Q buộc phải tăng tiết diện dây dẫn, do ñó sẽ làm tăng chi phí của mạng ñiện Theo số liệu tính toán, khi hệ số công suất giảm 20% (từ 1 xuống 0,8) thì lượng tổn thất công suất tăng lên khoảng 1,56 lần và khối lượng dây dẫn tăng lên 25% Ví dụ minh hoạ dưới ñây cho thấy ảnh hưởng của hệ số cosϕ ñối với sự thay ñổi của công suất toàn phần

Bảng 1.1: Ảnh hưởng của hệ số công suất ñến công suất toàn phần

Kết quả tính toán ở ví dụ trên cho thấy khi hệ số cosϕ giảm từ 1 xuống 0,7 thì giá trị công suất toàn phần tăng lên 1,41 lần

1.1.3 Làm hạn chế khả năng truyền tải công suất tác dụng

Cũng từ biểu thức (1.3) trên ta thấy, nếu vẫn giữ dòng I= const thì khi

Q tăng buộc phải giảm P ñể ñảm bảo ñiều kiện ñốt nóng cho phép của các phần tử hệ thống ñiện Còn nếu vẫn giữ nguyên giá trị P = const thì nếu công suất phản kháng qúa lớn sẽ có thể gây quá tải cho các thiết bị ñiện vì công suất toàn phần S phải tăng lên ðiều ñó sẽ làm giảm tuổi thọ thậm chí có thể phá huỷ thiết bị Việc giảm công suất tác dụng sẽ làm giảm hiệu suất truyền

tải của mạng ñiện

1.1.4 Giảm chất lượng ñiện

Tăng công suất phản kháng sẽ làm giảm chất lượng ñiện do tổn thất ñiện áp tăng và do dao ñộng ñiện áp khi công suất phản kháng thay ñổi Như ñã biết

∆U = PR+QX

U = ∆Ur+ ∆Ux ; (1.4) Trong ñó:

Ux, ∆U r - Thành phần tổn thất phản kháng, tác dụng

Thành phần tổn thất phản kháng Ux tỷ lệ thuận với công suất phản kháng Việc tăng công suất Q sẽ làm tăng ñáng kể tổn thất ñiện áp, do ñó làm giảm chất lượng ñiện ðiều ñó làm tăng thêm chi phí do phải trang bị các cơ cấu ñiều chỉnh ñiện áp trong hệ thống Khi chất lượng ñiện giảm quá mức cho phép sẽ dẫn ñến sự thay ñổi chế ñộ làm việc của các phần tử hệ thống ñiện

Sự thay ñổi này có thể làm giảm năng suất của các thiết bị gây thiệt hại về kinh tế cho các ngành sản xuất

1.2 Hiện trạng bù công suất phản kháng

1.2.1.Tình hình bù công suất phản kháng ở Việt Nam

1.2.1.1 Lưới ñiện phân phối và hệ số công suất cosϕ

Sơ ñồ mạng ñiện ở các ñịa phương có dạng như trên hình 1.1 Nguồn cấp là từ thanh cái trạm 110 kV, 220 kV hay thanh cái phía cao áp của nhà máy ñiện bằng ñường dây tải ñiện theo cơ cấu mạch vòng hay hình tia dẫn ñiện ñến khu vực phụ tải ñiện áp ñược hạ xuống 35 kV, 22 kV hay 10 kV,

6 kV Nếu là 35 kV thì tồn tại các ñường dây 35 kV ñi sâu tới phụ tải hơn và tại ñó hạ xuống 22kV, 10 kV hay 6 kV Từ thanh cái 22 kV, 10 kV, 6 kV hình thành các ñường dây phân phối hình tia, cũng có thể là mạch vòng nhưng khi vận hành vẫn ñể ở chế ñộ hình tia Từ các ñường dây này theo ñiểm phụ tải ñấu ñến các máy biến áp hạ xuống ñiện áp hạ thế 400/220 V ñể cấp ñiện cho

Hình 1.1 Sơ ñồ lưới ñiện

Trong sơ ñồ cấp ñiện nêu trên, hệ số công suất cosϕ và bù công suất phản kháng ñược ñề cập ñến ở từng cấp ñiện áp Qua khảo sát thực tế tại một

số ðiện lực các tỉnh, giá trị cosϕ ở các cấp ñiện áp thể hiện rõ nét như sau:

- Tại các cấp ñiện áp 35 kV trở lên hệ số công suất cosϕ có giá trị thường từ 0,85 trở lên Trường hợp nguồn cấp là nhà máy ñiện, ví dụ như tại ðiện lực Phú thọ thì cosϕ = 0,85; còn trường hợp nguồn cấp là thanh cái trạm 110kV, 220kV thì cosϕ có giá trị cao hơn, thậm chí tới 0,92 ÷ 0,95 Cũng chính vì vậy mà cosϕ có giá trị tại các ñầu nhánh ñường dây cấp 22kV,10kV, 6kV cũng cao, không dưới 0,85 Do vậy các nhà quản lý ðiện lực cấp tỉnh tự cảm nhận là hệ số cosϕ dường như không có vấn ñề gì

- Tại cuối các nhánh ñường dây cấp 22kV, 10kV, 6kV giá trị cosϕ không còn cao nữa Các máy biến áp hạ áp 22kV,10kV, 6kV xuống 0,4 kV trong nhiều trường hợp vận hành non tải nên giá trị cosϕ ñầu ra ñường dây ñiện hạ thế bị tụt xuống Và xa hơn nữa tại ñầu vào của các hộ phụ tải ñiện áp

hạ thế 0,4 kV giá trị cosϕ khá thấp do chính các phụ tải ñiện (ñồ ñiện) như quạt, ñiều hoà nhiệt ñộ, ñèn Neon, tủ lạnh, v.v có giá trị cosϕ thấp, tiêu thụ

nhiều công suất phản kháng Từ cuối các nhánh ựường dây cấp 22kV,10kV, 6kV và toàn bộ phắa hạ thế do ựiện lực của các chi nhánh quản lý, họ chủ yếu quan tâm ựến cung cấp ựiện liên tục và thu tiền ựiện, ắt quan tâm ựến chất lượng ựiện áp Thực tế là do các giá trị cosϕ từ cuối các nhánh ựường dây cấp 22kV,10kV, 6kV và toàn bộ phắa hạ thế thấp dẫn ựến phải tải công suất phản kháng ựể ựáp ứng cho nhu cầu phụ tải điều ựó dẫn ựến tổn thất công suất trên các ựường dây lớn, tổn thất ựiện áp lớn, làm giảm ựiện áp tại hộ tiêu thụ, không ựảm bảo chất lượng ựiện năng

- Các vấn ựề trình bày về chất lượng ựiện năng nêu trên nói chung ắt ựược quán triệt ở các điện lực và các chi nhánh, nên vấn ựề bù công suất phản kháng rất ắt ựược quan tâm Chỉ một vài điện lực như Hà Nội, Hải Dương, đà nẵng v.v , các nhà lãnh ựạo quan tâm tới vấn ựề này thì công việc

bù công suất phản kháng có ựược thực thi tốt hơn, tuy chưa triệt ựể Còn ựại

bộ phận các điện lực của các tỉnh việc quan tâm ựến vấn ựề bù công suất phản kháng là rất ắt, hoặc có chăng thực thi một cách Ộcưỡng chếỢ do theo yêu cầu hoặc theo nghị ựịnh của Tập ựoàn điện lực Việt Nam

- Các xắ nghiệp sử dụng ựiện công suất lớn, ựiện áp trung - cao thế có

hệ số công suất cosϕ thấp dưới 0,85 (do qui ựịnh của Tập ựoàn điện lực Việt Nam) thường tiến hành lắp ựặt tụ bù ựể tránh không bị phạt cosϕ Các xắ nghiệp công suất ựiện nhỏ hay khu cơ quan hành chắnh, khu dân cư hầu như không hề ựề cập ựến bù công suất phản kháng vì ý thức và quan trọng hơn cả

là họ không phải ựóng tiền tiêu thụ công suất phản kháng mà chỉ ựóng tiền ựiện qua công tơ ựiện Các nhận xét chung nêu trên về cosϕ và bù công suất phản kháng nêu trên ựựơc thể hiện cụ thể qua ựiều tra thực tế Trong phạm vi

ựề tài, tôi ựã tiến hành khảo sát tình hình cosϕ và bù công suất phản kháng tại điện lực huyện Vĩnh Tương - tỉnh Vĩnh Phúc

1.2.1.2 Thực trạng làm việc của các thiết bị bù

Nhìn chung, ñại ña số các thiết bị bù công suất phản kháng hiện tại không có cơ cấu tự ñộng ñiều chỉnh, vì vậy ở một số nơi vào giờ thấp ñiểm có hiện tượng dòng công suất phản kháng chạy ngược, làm tăng tổn thất và quá

áp cục bộ Vị trí ñặt thiết bị bù thường ñược chọn sao cho dễ vận hành chứ không xét ñến hiệu quả kinh tế của thiết bị, vì vậy chưa tận dụng ñược hiệu quả làm việc của thiết bị, dẫn ñến sự lãng phí Tuổi thọ của thiết bị bù thường thấp hơn nhiều so với giá trị quy ñịnh của nhà sản xuất vì ñiều kiện làm việc của thiết bị chưa phù hợp ða số các trường hợp hỏng tụ do bị nổ một pha Nguyên nhân chủ yếu là do phần lớn tụ bù không có bộ lọc sóng hài, mà thông thường sự xuất hiện của sóng hài ñồng thời với sự mất ñối xứng, do ñó dẫn ñến một trong các pha bị quá nhiệt cục bộ, làm nổ tụ

ðể bảo vệ tụ bù và nâng cao tuổi thọ của chúng cần phải có sự nghiên cứu, phân tích, áp dụng các thiết bị bảo vệ phù hợp như bộ lọc sóng hài và các thiết bị giảm ảnh hưởng của sóng hài khác Trên cơ sở phân tích hiện trạng sử dụng ñiện và hệ số công suất của mạng ñiện ở một số khu vực ta rút ra một số nhận xét sau:

1 Chế ñộ vận hành mạng phân phối chủ yếu là vận hành hở

2 Một thiết bị bù công suất phản kháng có thể ñáp ứng cả ba chức năng

là ñiều chỉnh công suất, ñiều chỉnh ñiện áp và cân bằng pha

3 Việc bù công suất phản kháng trong mạng phân phối là bù rải trên các xuất tuyến trung áp

4 Trong thực tế vận hành, ñồ thị phụ tải thay ñổi không bằng phẳng

Do vậy cần phải xác ñịnh vị trí, dung lượng, thời gian ñóng cắt của tụ

1.2.2 Vấn ñề bù công suất phản kháng ở một số nước trên thế giới

Vấn ñề bù công suất phản kháng ñể là giải pháp giảm tổn thất ñiện năng rất ñược coi trọng ở các nước tiên tiến Giải pháp này ñược quan tâm

ngay từ khâu thiết kế, lựa chọn thiết bị và dây chuyền công nghệ sản xuất Mạng ñiện ở hầu hết các nước phương Tây ñều có trang bị tụ bù ñể nâng cao

hệ số công suất Việc ñặt thiết bị bù ñược thực hiện theo một số phương án cơ bản sau:

Hình a Thiết bị bù ñặt trên thanh cái trạm biến áp

Hình b Thiết bị bù ñặt trong tủ phân phối

Hình c Thiết bị bù ñặt ở ñầu vào của các thiết bị dùng ñiện

Hình 1.2 Các phương án ñặt thiết bị bù công suất phản kháng

1) Thiết bị bù lớn ñặt trên thanh cái trạm biến áp hoặc tại các ñiểm nút của mạng ñiện (hình a) Phương án này cho phép giám sát và vận hành dễ dàng thiết bị bù, tuy nhiên tổn thất trên ñoạn từ thanh cái 1 ñến các thiết bị dùng ñiện không giảm vì ở ñoạn này vẫn có dòng công suất phản kháng của phụ tải chạy qua Thêm vào ñó, khi phụ tải phản kháng nhỏ thì có thể sẽ xẩy

ra hiện tượng dư thừa cơng suất bù Vì vậy đối với phương án này người ta thường phải trang bị thêm hệ thống tự động điều chỉnh dung lượng tụ bù

2) Thiết bị bù tĩnh đặt trong tủ phân phối của nhĩm thiết bị dùng điện (hình b) Phương án này cho phép giảm tổn thất trên đoạn dây từ thanh cái trạm biến áp đến tủ phân phối của các nhĩm thiết bị dùng điện, tuy nhiên hệ

số cơng suất phụ thuộc vào số lượng thiết bị dùng điện Trong trường hợp cĩ

ít động cơ trong nhĩm thì vẫn cĩ khả năng dư thừa cơng suất phản kháng

Vì vậy đối với phương án này cũng cần phải trang bị thêm hệ thống tự động điều chỉnh dung lượng tụ bù

3) Thiết bị bù tĩnh đĩng cắt ngay trên đầu vào của các thiết bị dùng điện (hình c)

Theo phương án này một cơng tắc tơ sẽ điều khiển cả động cơ và tụ bù Khi động cơ khơng làm việc thì tụ bù cũng sẽ được cắt khỏi mạng, do đĩ sẽ khơng cần đến các thiết bị điều khiển

Thường thì các cụm tụ bù khơng điều chỉnh được áp dụng nếu cơng suất

tụ chỉ chiếm 15% cơng suất của máy biến áp, cịn nếu cơng suất tụ lớn hơn 15% cơng suất máy biến áp thì cần phải đặt thiết bị bù cĩ tự động điều chỉnh

ðể bảo vệ cho thiết bị bù người ta thường dùng bộ lọc sĩng hài lắp nối tiếp với bộ tụ và các máy cắt để bảo vệ chống ngắn mạch

Hiện nay đã cĩ rất nhiều thiết bị tự động điều chỉnh dung lượng bù được áp dụng Một trong những hệ thống hiện đại dùng để điều chỉnh hệ số cơng suất cosϕ cĩ tên gọi là Hershey Ngồi ra hệ thống Hershey cịn được lắp đặt thiết bị tự chẩn đốn đặc biệt để cảnh báo khi khi cĩ sự cố bất thường xẩy ra trong các ngăn tụ bù

Thiết bị tự động điều chỉnh hệ số cơng suất AFPC (Automatic Power Factor Controller) cĩ tên gọi là POWERWARE được áp dụng khá rộng rãi ở các nước tiên tiến ðây là loại thiết bị tự động điều chỉnh hệ số cơng suất cĩ gắn bộ vi xử lý, cho phép duy trì giá trị hệ số cơng suất cao nhất ở mọi thời

ñiểm trong ngày

Công ty lưới ñiện Quốc gia NGC (National Grid Company) Hoa Kỳ ñã tiến hành một số nghiên cứu bù và kinh doanh công suất phản kháng Công suất phản kháng ñược ñịnh giá theo từng khu vực Giá thành ñiện năng phản kháng ñược tính trung bình khoảng 2,4 $/MVArh Tại Canada, các nghiên cứu về bù công suất phản kháng ñược tiến hành bởi ESO (Electric System Operator) và EMO (Electric Market Operator) Tất cả các máy phát trên 10

MW ñều ñược nối với hệ thống ñiện mà ñược kiểm soát bởi IESO (Indepedent Electric System Operator) Yêu cầu về hệ số công suất ở hệ thống này là 0,9 ñối với nguồn và 0,95 ñối với phụ tải Ở Anh vào ñầu những năm

1990 sau tiến trình tư hữu hoá hệ thống truyền tải và phân phối ñiện năng, thị trường công suất phản kháng ñã bắt ñầu hoạt ñộng

Tất cả các máy phát từ 50 MW trở lên ñòi hỏi phải có hệ số công suất không dưới 0,95 và hệ số công suất phía phụ tải không dưới 0,85 Ở Thụy ðiển tất cả các nhà máy thủy ñiện và nhiệt ñiện yêu cầu phải duy trì hệ số công suất không dưới 0,9 Riêng ở Hà Lan việc trả tiền ñiện phản kháng chưa ñược thực hiện Ở Bỉ việc trả tiền ñiện năng tác dụng ñược thực hiện tuỳ vào cấp ñiện áp: Trong khi với mạng ñiện truyền tải là 0,21€/MWh, còn ở mạng ñiện phân phối là 0,23 €/MWh, thì giá ñiện phản kháng là 6 €/MVArh, nếu hệ

số công suất thấp hơn 0,95 Ở Argentine giá tiền phạt công suất phản kháng là 0,45 $US/MVArh Ở Ấn ðộ giá bán ñiện năng phản kháng khoảng paise/kVArh (1$US/MVArh) Ở Australia hệ số cosϕ ñược ấn ñịnh ñối với các hộ dùng ñiện phải không dưới 0,9 và ñối với nguồn – không dưới 0,93 Ở Nhật giá ñiện ñược phân ra 2 thành phần: thành phần cơ bản gắn với hệ số công suất theo biểu thức sau:

Ccb=gp.P.(1,85-cosϕ ) ; (1.5)

CA= g A.A ;

Trong ựó

Ccb - Tiền ựiện cơ bản

CA - Tiền ựiện trả theo mức tiêu thụ

gp - đơn giá công suất tác dụng Yên/kW

gA - đơn giá ựiện năng tác dụng Yên/kWh

P - Công suất ựăng ký theo hợp ựồng mua bán ựiện, kW

A - điện năng tiêu thụ, kWh

Như vậy có thể thấy ựại ựa số các nước trên thế giới ựều thu tiền sử dụng ựiện năng phản kháng, tuy nhiên việc ấn ựịnh hệ số công suất làm cơ sở phạt tiền sử dụng công suất phản kháng ở các nước khác nhau rất khác nhau

1.3 Kết luận

- Hiện nay vấn ựề bù công suất phản kháng trong mạng ựiện phân phối

ở các ựịa phương trong cả nước chưa ựược quan tâm một cách ựúng mức.Việc lắp ựặt thiết bị bù thường chỉ là giải pháp tình thế, không có sự tắnh toán hợp

lý vì vậy hiệu quả bù chưa cao đặc biệt hầu hết các thiết bị bù không có cơ cấu tự ựộng ựiều chỉnh nên làm giảm hiệu quả bù, thậm chắ có thể gây thiệt hại do quá bù

- Vấn ựề phạt hệ số cosϕ thấp ở các ựịa phương diễn ra không thống nhất Công suất phản kháng và chất lượng ựiện chưa ựược gắn với vấn ựề kinh doanh ựiện năng, vì vậy dẫn ựến nhiều bất cập trong việc áp dụng các biện pháp tiết kiệm ựiện và nâng cao hiệu quả sử dụng của các thiết bị ựiện

đã ựến lúc chúng ta cần phải ựưa ra những tiêu chắ về chất lượng ựiện và hệ

số cosϕ tham gia trong thị trường ựiện cạnh tranh

- Vấn ựề bù công suất phản kháng ở mạng ựiện của các nước phát triển trên thế giới ựược ựặc biệt quan tâm Một số sơ ựồ bù công suất phản kháng ựược áp dụng là thiết bị bù tập trung, thiết bị bù phân tán và thiết bị bù ựóng cắt cùng với máy công tác ở các nước khác nhau có các phương thức quản lý, kinh doanh công suất phản kháng khác nhau mà chúng ta có thể nghiên cứu

áp dụng trong ựiều kiện cụ thể ở mạng ựiện Việt Nam

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN BÙ TRONG MẠNG ðIỆN PHÂN PHỐI

Dưới ñây chúng ta sẽ phân tích một số ảnh hưởng của sự truyền tải công suất phản kháng ñối với các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của mạng ñiện

2.1 Quan hệ giữa tổn thất ñiện năng, chi phí quy dẫn với hệ số công suất

và thời gian sử dụng công suất cực ñại

2.1.1 Quan hệ giữa tổn thất ñiện năng với hệ số cosϕϕϕϕ và thời gian T M

Như ñã biết, tổn thất ñiện năng trong mạng ñiện có thể ñược ñánh giá bởi biểu thức

∆A =P

2+Q2

U2 Rτ=

P2

U2cos2ϕRτ ; (2.1) Trong ñó:

τ - Thời gian tổn thất công suất cực ñại hàng năm, có thể biểu thị dưới dạng hàm phụ thuộc vào thời gian sử dụng công suất cực ñại TM

Hình 2.1 Biểu ñồ phụ thuộc giữa tổn thất ñiện năng với hệ số cosϕϕϕϕ và T M

2.1.2 Quan hệ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn với hệ số công suất và T M

Trước hết ta xác ñịnh giá trị dòng ñiện chạy trên ñường dây

I = S

3U =

P3.U.cosϕ (2.5) Mật ñộ dòng ñiện kinh tế

jkt = p.b.10

33ρτc∆ ; (2.6)

Trong ñó:

jkt - Mật ñộ dòng ñiện kinh tế

P - Hệ số sử dụng hiệu quả và khấu hao thiết bị;

b - Hệ số kinh tế thay ñổi của ñường dây, ñ/km.mm2;

ρ - ðiện trở suất của vật liệu làm dây dẫn;

C∆ - Giá thành tổn thất ñiện năng

τ - Thời gian sử dụng công suất cực ñại hàng năm

Giả thiết dây dẫn ñược chọn theo mật ñộ dòng ñiện kinh tế (jkt), lúc ñó tiết

diện dây dẫn sẽ là: F = I

jkt ; (2.7) Trong ñó:

F - Tiết diện mặt cắt ngang của dây dẫn

I - Dòng ñiện

Hình 2.2 Biểu ñồ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn với hệ số cosϕϕϕϕ và T M

- Z : Chi phí quy dẫn

- Tm : Thời gian sử dung công suất cực ñại

- Cosfi : Hệ số công suất

Vốn ñầu tư ñường dây ñược biểu thị bởi biểu thức:

K=a+bF; (2.8) với: a, b - Các hệ số kinh tế cố ñịnh và thay ñổi của ñường dây;

F - Tiết diện mặt cắt ngang của dây dẫn

Chi phí quy dẫn của ñường dây

Z = pK+∆A.c∆; (2.9) Biểu ñồ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn của ñường dây với hệ số cosϕ và TM ñược thể hiện trên hình 2.2 Phân tích các biểu ñồ phụ thuộc K=f(cosϕ , TM)

và Z=f(cosϕ , TM) ta nhận thấy hệ số cosϕ có ảnh hưởng rất ñáng kể ñến vốn ñầu tư và chi phí quy dẫn, việc nâng cao hệ số công suất sẽ góp phần làm giảm chi phí của mạng ñiện

2.2 Phương pháp nâng cao hệ số cosϕϕϕϕ

Tất cả các giải pháp nâng cao hệ số công suất có thể phân thành các nhóm sau:

2.2.1 Các giải pháp tổ chức-kỹ thuật

* Sắp xếp hợp lý các quy trình công nghệ: Việc Sắp xếp hợp lý các quy

trình công nghệ sản xuất nhằm cải thiện chế ñộ sử dụng năng lượng của các

thiết bị, như hạn chế ñến mức tối ña công ñoạn chạy không tải

* Thiết lập chế ñộ làm việc: Việc thiết lập chế ñộ làm việc bình thường

cho các ñộng cơ không ñồng bộ bằng cách thay các ñộng cơ thường xuyên làm việc non tải bằng các ñộng cơ công suất thấp hơn Khi kmt < 0,45 thì việc thay thế bao giờ cũng có lợi, còn khi 0,45 < kmt <0,7 thì việc thay thế phải so sánh kinh tế kỹ thuật mới xác ñịnh ñược hiệu quả kinh tế khi thay Mối quan

hệ hệ giữa hệ số mang tải kmt với hiệu suất và hệ số công suất cosϕ là phi tuyến, nếu ñộng cơ ñược chọn với gam công suất thích hợp thì không những ñạt hiệu suất làm việc cao mà còn có tác dụng nâng cao cosϕ của lưới

* Thiết lập chế ñộ ñiện áp tối ưu:

Ta dễ dàng nhận thấy công suất tiêu thụ Q tỷ lệ với bình phương của U, nếu giảm ñiện áp U thì Q sẽ giảm ñi rõ rệt Vì vậy có thể nâng cao hệ số cosϕ bằng cách giảm ñiện áp ở những ñộng cơ làm việc non tải, thường ta ñổi tổ nối dây của ñộng cơ từ tam giác ra ñấu sao

* Thiết lập chế ñộ làm việc kinh tế của trạm biến áp

ðối với các trạm biến áp có nhiều máy cần xây dựng biểu ñồ làm việc hợp lý Khi máy biến áp làm việc với phụ tải ≤ 30% công suất ñịnh mức thì nên tạm thời chuyển phụ tải sang các máy khác và cắt khỏi mạng trong khoảng thời gian nhất

* Dùng ñộng cơ ñồng bộ thay thế ñộng cơ không ñồng bộ

Các ñộng cơ ñồng bộ tuy có giá thành ñắt hơn so với ñộng cơ không ñồng bộ nhưng có hệ số cosϕ cao, hơn nữa việc ñiều chỉnh dòng ñiện kích từ

có thể cho phép ñộng cơ thay ñổi chế ñộ làm việc dễ dàng vì ñặc ñiểm của máy bù ñồng bộ là có thể tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng tuỳ thuộc vào chế ñộ kích từ

* Dùng các thiết bị chỉnh lưu với hệ số công suất vượt trước

ðối với một số mạng ñiện cần có sự có mặt của dòng một chiều nên áp dụng các thiết bị chỉnh lưu có hệ số công suất vượt trước, ñiều ñó cho phép

cải thiện hệ số cosϕ chung của toàn mạng ñiện Tất cả các giải pháp trên gọi

là biên pháp nâng cao hệ số cosϕ tự nhiên Các biện pháp này không ñòi hỏi chi phí thiết bị và vật tư, hoặc chi phí không ñáng kể, nên thường cho hiệu quả kinh tế cao, tuy nhiên phạm vi ñiều chỉnh hệ số cosϕ chỉ có hạn, do ñó không phải bao giờ cũng có thể áp dụng ñược

2.2.2 Các giải pháp kỹ thuật

Các giải pháp kỹ thuật thường ñược áp dụng ñể nâng cao hệ số cosϕ là

áp dụng các cơ cấu bù (còn gọi là ñiều hoà) công suất phản kháng Do phụ tải trong thực tế chủ yếu mang tính ñiện cảm nên véc tơ dòng ñiện chậm hơn so với véc tơ ñiện áp, nếu bù ñược toàn bộ lượng công suất phản kháng thì chỉ còn lại thành phần tác dụng nên véc tơ dòng và áp sẽ trùng nhau Có thể dùng

tụ bù hoặc máy bù ñồng bộ Biện pháp này ñược gọi chung là bù cosϕ Công suất của thiết bị bù cần thiết ñể nâng cao hệ số công suất từ cosϕ1 lên cosϕ 2 ñược xác ñịnh theo biểu thức:

Qb = P(tg 1 - tg 2) = P.k q ; (kVAr) (2.10) Với P là công suất tác dụng của phụ tải, kW

ðể tiện tính toán người ta thiết lập bảng tính sẳn hệ số kq sau

Bảng 2.1:Bảng tính toán hệ số k p

Ví dụ: Với hệ số cosϕ1= 0,7, cần nâng lên giá trị cosϕ2 = 0,9 thì ta tra bảng ñể xác ñịnh hệ số kq = 0,54 Như vậy công suất phản kháng cần thiết sẽ

là Q = 0,54P Biểu ñồ véc tơ công suất trước và sau khi ñặt thiết bị bù cosϕ biểu thị trên hình 2.3 và biểu ñồ véc tơ dòng ñiện khi có bù công suất phản kháng ñược thể hiện trên hình 2.4 Phân tích biểu ñồ véc tơ công suất ta thấy công suất biểu kiến sau khi bù S2 có giá trị nhỏ hơn công suất trước khi bù S 1, ñiều ñó cho phép giảm dòng ñiện chạy trong mạch và từ ñó có thể giảm ñược chi phí ñầu tư cho ñường dây, giảm tổn thất ñiện năng, cuối cùng là giảm giá thành ñiện năng

Tuy nhiên việc ñặt các cơ cấu bù công suất phản kháng ñòi hỏi những chi phí nhất ñịnh, vì vậy cần phải tính toán lựa chọn dung lượng bù cũng như vị trí ñặt hợp lý Theo tính toán thì khi hệ số cosϕ > 0,95 hiệu quả kinh tế của việc ñặt bù hầu như không ñáng kể ðể tìm lời giải cho câu hỏi nếu xẩy ra hiện tượng quá bù chúng ta phân tích biểu thức xác ñịnh tổn thất tổn thất công suất và ñiện áp khi ñặt bù

Hình 2.4 Véc tơ dòng ñiện khi bù cosϕϕϕϕ

IR -Thành phần tác dụng; Ix -Thành phần phản kháng;

IL -Thành phần ñiện cảm; Ic -Thành phần ñiện dung;

ILV -Dòng làm việc ; Idd -Dòng ñiện chạy trên ñường dây; Nếu chọn dung lượng bù Qb bằng giá trị phụ tải phản kháng Q thì có thể loại trừ ñược hoàn toàn thành phần tổn thất do công suất phản kháng gây nên và như vây sẽ cải thiện ñược các tham số chế ñộ của mạng ñiện Việc bù công suất phản kháng ñồng thời nâng cao hệ số công suất của mạng ñiện và tạo nên sự dự trữ công suất phản kháng cho quá trình ñiều chỉnh ñiện áp

Từ biểu thức (2.11) ta dễ dàng thấy rằng tổn thất công suất sẽ có giá trị nhỏ nhất khi công suất phản kháng của phụ tải bằng công suất của các cụm

bù, tức Q= Qb và nó sẽ tăng trong cả hai trường hợp Q > Q b và Q < Q b Như vậy nếu như hiện tượng quá bù xẩy ra thì vẫn có dòng công suất phản kháng chạy trên ñường dây (theo chiều ngược lại) và vẫn có sự tổn thất ñiện năng

Có nghĩa là “tiền mất tật mang” chúng ta ñã phí tiền cho việc ñặt bù

Thế còn ñối với ñại lượng tổn thất ñiện áp thì sao? Xét biểu thức (2.12)

ta thấy nếu Q < Qb thì thành phần U x sẽ mang dấu (-), có nghĩa là sự có mặt của các thiết bị bù sẽ sinh ra một suất ñiện ñộng (sññ) mà có thể gây quá áp khi phụ tải cực tiểu Như vậy, nếu dung lượng bù lớn hơn công suất phản kháng của phụ tải thì, như con dao hai lưỡi, các cụm bù này sẽ gây tổn thất

cho mạng ñiện cả về kinh tế và kỹ thuật

Từ những phân tích trên chúng ta thấy các tính năng ưu việt của bù vô công chỉ có thể có ñược khi chúng ñược sử dụng hợp lý Nếu chọn dung lượng và vị trí bù không hợp lý thì không những không cải thiện ñược các tham số mạng ñiện mà ngược lại có thể làm tăng tổn thất và giảm chất lượng ñiện, gây thiệt hại không chỉ về kinh tế mà còn làm giảm các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng ñiện

2.3 ðặc tính kinh tế - kỹ thuật của các nguồn công suất phản kháng

2.3.1 ðộng cơ ñồng bộ

ðộng cơ ñồng bộ (ðCðB) ñược sử dụng nhiều trong các xí nghiệp công nghiệp như xí nghiệp luyện kim, hoá chất, luyện khoáng vv ñể truyền ñộng cho các máy công tác có chế ñộ làm việc lâu dài và ổn ñịnh như máy bơm, quạt, máy nén, băng tải vv… Các loại ñộng cơ ñồng bộ ñược chế tạo với hệ số công suất vượt trước, do ñó có thể áp dụng làm nguồn công suất phản kháng Khả năng kỹ thuật của ñộng cơ ñồng bộ là giá trị công suất phản kháng cực ñại có thể phát mà không quá nhiệt cho các cuộn dây stator và rôtor Các tham số ñặc trưng cho chế ñộ làm việc của ñộng cơ ñồng bộ là

Pn , Q n , U n - Các giá trị phụ tải và ñiện áp ñịnh mức

Khi ñiện áp nằm trong giới hạn (0,95 ÷ 1,05) thì ñộng cơ ñồng bộ có thể làm việc lâu dài với công suất phản kháng ñịnh mức Khả năng phát công suất của ñộng cơ ñồng bộ ñược xác ñịnh theo biểu thức

QM = k QMQ n ;

KQM – Giá trị cực ñại của hệ số mang tải phản kháng, nó phụ thuộc vào

hệ số kP và giá trị ñiện áp, k QM = f(k P , U*)

Trong quá trình làm việc ñộng cơ bị ñốt nóng do tổn thất công suất tác dụng gây nên Lượng tổn thất này phụ thuộc vào chế ñộ làm việc của ñộng cơ

D1, D2 - Các hệ số phụ thuộc vào loại và ñặc tính của ñộng cơ ñồng bộ ðối với nhóm gồm có N ñộng cơ

Qn - Công suất ñịnh mức của mỗi ñộng cơ

Q - Tổng công suất phản kháng do tất cả các ñộng cơ phát ra

* Ưu ñiểm của ñộng cơ ñồng bộ

- Có thể sử dụng làm nguồn công suất phản kháng với chi phí phụ không lớn, bởi vì khi làm việc với hệ số công suất vượt trước công suất toàn phần của ñộng cơ ñồng bộ, mà xác ñịnh giá thành của nó tăng lên rất không ñáng kể so với khả năng bù của nó (xem bảng sau)

Bảng 2.2: Ảnh hưởng của hệ số công suất ñến tổn thất công suất

~

S = P+jQ

- Sự phụ thuộc giữa mômen quay vào dao ñộng ñiện áp thấp (mômen quay của ñộng cơ ñồng bộ tỷ lệ với ñiện áp theo hàm bậc nhất, trong khi ñó ở ñộng cơ không ñồng bộ – tỷ lệ theo bậc 2);

- Tốc ñộ quay của ñộng cơ ñồng bộ không phụ thuộc vào phụ tải do ñó hiệu suất làm việc cao;

- Tổn thất công suất tác dụng thấp hơn so với ñộng cơ không ñồng bộ

2.3.2 Tụ ñiện

Tụ ñiện là thiết bị tĩnh, ñược sử dụng rộng rãi ñể bù công suất phản kháng trong mạng ñiện, nó có thể ñược mắc ngay trên ñầu của các hộ dùng ñiện, trên thanh cái của các trạm biến áp hoặc tại các ñiểm nút của mạng ñiện

Tụ bù tĩnh có thể mắc ñộc lập hoặc mắc thành từng nhóm theo sơ ñồ ñấu tam giác ∆ hoặc ñấu sao Y

Tức là công suất của tụ tỷ lệ với bình phương ñiện áp Các cụm tụ bù

hạ áp thường có hiệu quả bù cao hơn so với tụ bù cao áp Công suất phát của

tụ tỷ lệ với giá trị ñiện áp

Q = Qn( U

Uc )2 ; (2.17) Trong ñó:

U - ðiện áp thực tế tại nơi ñặt tụ

U* - ðiện áp tương ñối của mạng ñiện tại nơi ñặt tụ U* = U/Un U*c - Tỷ lệ ñiện áp ñịnh mức của tụ và mạng , U*c = Uc /Un

Chi phí quy dẫn của tụ bù ñược xác ñịnh theo biểu thức

Z = pK0+[pK b(U

* Tu

U* )

2 + c∆∆Pbt ; (2.21) Trong ñó:

K0, K b - Các hệ số kinh tế cố ñịnh và thay ñổi của tụ bù

P - Hệ số sử dụng hiệu quả và khấu hao thiết bị bù

c∆ - Giá thành tổn thất ñiện năng

Pb - Tổn thất công suất tác dụng trong thiết bị bù

t - Thời gian làm việc của tụ bù

* Ưu ñiểm của tụ bù tĩnh:

- Làm việc êm dịu, tin cậy do kết cấu ñơn giản

- Tuổi thọ cao

- Tiêu thụ công suất tác dụng ít

- Có thể thay ñổi dung lượng bằng cách thay ñổi sơ ñồ của các cụm tụ bù

* Nhược ñiểm:

- Không thể ñiều chỉnh trơn nên ñộ chính xác kém

- Gây mất ổn ñịnh cho lưới do công suất của tụ

Qc = 3.U2 ωC.10-3 ; (2.22)

Khi ñiện áp giảm U giảm dẫn ñến Qc giảm, do ñó làm tăng lượng tổn thất U, ñại lượng này làm ñiện áp trong lưới càng giảm hơn Cứ thế gây ra hiện tượng gọi là "thác sụt áp" làm mất ổn ñịnh trong hệ thống ñiện

2.3.3 Máy phát và máy bù ñồng bộ

Nguồn công suất phản kháng chủ yếu trong hệ thống ñiện là máy phát

và máy bù ñồng bộ Chi phí cho sản xuất công suất phản kháng ở ñây không tốn kém nhiều như ñối với các nguồn công suất phản kháng khác nhưng việc truyền tải công suất phản kháng ñến các hộ dùng ñiện không phải bao giờ cũng có hiệu quả kinh tế Thêm vào ñó, khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy ñiện bị hạn chế do cosϕ của các máy phát từ (0,8 ÷ 0,81)

Vì lý do kinh tế các máy phát chỉ ñảm ñương một phần nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải, phần còn lại do các thiết bị bù ñảm nhiệm Việc xác ñịnh tổn thất công suất tác dụng trong máy phát và máy bù ñồng bộ cũng tiến hành tương tự như ñối với ñộng cơ ñồng bộ Các giá trị của các hệ số D1

và D2 cho trong sổ tay thiết kế ứng với từng loại máy phát ðối với các máy phát công suất lớn, chi phí cho sản xuất công suất phản kháng không ñáng kể, nên trong nhiều trường hợp có thể không cần xét ñến Về phần mình, máy bù ñồng bộ ñược sử dụng cho mục ñích chính là sản xuất công suất phản kháng,

do ñó giá thành của nó phải ñược tính ñến trong quá trình so sánh kinh tế kỹ thuật các nguồn công suất phản kháng Vốn ñầu tư của máy bù ñồng bộ ñể sản xuất ra lượng công suất phản kháng Q ñược xác ñịnh theo biểu thức

K = KMB

Qn Q ; (2.23) Trong ñó:

KMB - Vốn ñầu tư của máy bù ñồng bộ

Qn - Công suất ñịnh mức của máy bù ñồng bộ

Tổn thất công suất tác dụng trong máy bù ñồng bộ gồm hai thành phần: Tổn thất cố ñịnh ∆P1 (hay tổn thất không tải) và tổn thất thay ñổi ∆P2 , phụ thuộc vào hệ số mang tải của máy

Q0 - Công suất phản kháng do máy bù ñồng bộ phát ra trước khi có

xí nghiệp cần thiết kế

Q - Phụ tải phản kháng

∆PM - Tổn thất công suất ngắn mạch của máy bù ñồng bộ, kW

∆P0 - Tổn thất công suất không tải của máy bù ñồng bộ, kW

C2MB = g 0M ∆PM

Q2n ; (2.30) Trong ñó:

g00 - Suất giá thành tổn thất không tải, ñ/kW

g0M - Suất giá thành tổn thất ngắn mạch, ñ/kW

2.3.4 Bài toán chọn nguồn công suất phản kháng tối ưu

Khi ñưa một phụ tải vào mạng thì lượng tiêu thụ công suất phản kháng

sẽ tăng, do ñó nguồn công suất phản kháng cũng phải tăng tương ứng ñể ñáp ứng chế ñộ làm việc bình thường của mạng ñiện Bài toán chọn nguồn công suất phản kháng là một trong những bài toán quan trọng, việc chọn nguồn công suất phản kháng hợp lý không những cho phép nâng cao hiệu quả kinh

tế của mạng ñiện mà còn cải thiện các tham số kỹ thuật, chính xác hơn là các tham số chế ñộ của mạng ñiện Việc lựa chọn nguồn công suất phản kháng ñược thực hiện trên cơ sở cực tiểu hoá chi phí quy dẫn Bài toán ñược thiết lập như sau: Hãy xác ñịnh giá trị công suất phản kháng của nguồn thứ i Qi ñể tổng chi phí quy dẫn có giá trị nhỏ nhất Hàm mục tiêu trong trường hợp này

có dạng

Z = f(Q1, Q 2 , …, Q N) = min ; (2.31)

Các ñiều kiện ràng buộc:

- Cân bằng công suất phản kháng: