Các giải pháp kỹ thuật giảm tổn thất công suất và điện năng

Mục đích nghiên cứu Giảm tổn thất công suất và điện năng trong các mạng điện là biện pháp quan trọng để tiết kiệm nhiên liệu và tăng nguồn nhiên liệu cho phụ tải.. Khái niệm chung 1.1.T

Phần 1: Mở đầu

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay đất nước ta đã bước vào quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước và đặc biệt chúng ta bước vào quá trình hội nhập Quốc tế WTO

đó là thời cơ mới để đưa đất nước ta ngày càng phát triển

Để đưa đất nước ta phát triển thì phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: con người, nguồn tài nguyên thiên nhiên, vị trí địa lý, khí hậu… và đặc biệt hơn nữa nhờ có nguồn tài nguyên điện năng đã và sẽ đưa đất nước ta ngày càng văn minh tiến bộ và phát triển

Ngày nay điện năng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, giao thông vận tải, nông lâm nghiệp,thông tin liên lạc và dịch vụ vì có ưu

điểm hơn ngành năng lượng khác: sản xuất điện năng tập trung với những nguồn công suất lớn, phân phối đến tận nơi tiêu thụ với tổn hao nhỏ Điện năng rất quan trọng cho cơ khí hoá, điện khí hoá và tự động hoá là nguồn năng lượng “ cao cấp” tác động lên các nguồn tài nguyên khoáng sản không kim loại ( các loại đá, cát, muối), kim loại ( bôxit, thiếc, đồng, sắt) để tạo ra của cải vật chất cho xã hội cho sự phát triển của nên kinh tế quốc dân

Như vậy điện năng được sử dụng rất rộng rãi làm cho nguồn điện năng ngày càng bị cạn kiệt không đáp ứng đủ nhu cầu của toàn xã hội Vậy phải làm thế nào để tiết kiệm nhiên liệu và tăng nguồn điện cho phụ tải đây chính

là vấn đề cấp thiết được Đảng và Nhà nước ta đặt lên hàng đầu Qua nhiều năm nghiên cứu các nhà khoa học đã đưa ra các giải pháp để tiết kiệm nhiên liệu và tăng nguồn điện cho phụ tải

Chính vì lý do trên tôi đã mạnh dạn nghiên cứu đề tài “ Các giải pháp kỹ

thuật giảm tổn thất công suất và điện năng” với hi vọng sẽ giúp cho nguồn

điện năng chúng ta đang sử dụng không bị cạn kiệt

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Một số giải pháp kỹ thuật giảm tổn thất công suất và điện năng

2.2 Phạm vi nghiên cứu

Khảo sát về phương diện lý thuyết một số giải pháp kỹ thuật giảm tổn thất công suất và điện năng

3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

3.1 Mục đích nghiên cứu

Giảm tổn thất công suất và điện năng trong các mạng điện là biện pháp quan trọng để tiết kiệm nhiên liệu và tăng nguồn nhiên liệu cho phụ tải

3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

Muốn đạt được mục đích trên đề tài cần thực hiện nhiệm vụ sau

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các giải pháp kỹ thuật để giảm tổn thất công suất và điện năng

- Trên cơ sở lý thuyết ứng dụng các phương pháp trên vào thực tế để thấy

được ưu điểm của các phương pháp này

4 phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

PHầN 2: NộI DUNG

ChƯƠNG 1: CƠ Sở Lý LUậN

1 Khái niệm chung

1.1.Tầm quan trọng của giảm tổn thất công suất và điện năng

Giảm tổn thất công suất và điện năng trong các mạng điện là một trong các

biện pháp quan trọng để tiết kiệm nhiên liệu và tăng nguồn điện cho phụ tải

1.2 Phân loại tổn thất điện năng

Tổn thất điện năng trong mạng điện có thể chia thành hai phần: tổn thất

kỹ thuật và tổn thất thương mại

1.2.1 Tổn thất kỹ thuật trong các mạng điện là cực kỳ quan trọng, bởi vì nó dẫn đến tăng vốn đầu tư để sản xuất và truyền tải điện năng, cũng như chi phí

về nhiên liệu Tổn thất kỹ thuật được xác định theo các thông số chế độ và thông số của các phần tử trong mạng điện Tổn thất kỹ thuật gồm có tổn thất

điện năng do đốt nóng các dây dẫn trong mạng điện, tổn thất trong các máy biến áp và các tổn thất khác (tiếp xúc, dò điện )

1.2.2 Tổn thất thương mại có thể do sự không hoàn thiện của hệ thống đo

đếm điện năng sai số của các thiết bị dùng để tính điện năng, thất thu tiền

điện, gian lận v v Vì để nâng cao chỉ tiêu kinh tế của hệ thống điện cần sử dụng các giải pháp giảm tổn thất công suất hay là điện năng trong các mạng

điện

2 Các phương pháp giảm tổn thất công suất và điện năng

Các biện pháp giảm tổn thất công suất và điện năng được áp dụng trong khi thiết kế, cũng như trong khi vận hành hệ thống Dưới đây là một số giải pháp: đặt các thiết bị bù công suất phản kháng (máy bù đồng bộ, các bộ tụ tĩnh các thiết bị bù điều khiển tĩnh); vận hành kinh tế các trạm biến áp; tối ưu hoá sự phân công công suất trong các mạng kín không đồng nhất; nâng cao

điện áp danh định của mạng điện: chọn cấu trúc hợp lí của sơ đồ mạng điện; cải tạo, xây dựng các mạng điện thay thế và đặt các thiết bị bổ xung; hoàn thiện hệ thống đo đếm điện năng; nâng cao chất lượng phục vụ (kiểm tra và sửa chữa các mạng điện); điều chỉnh đồ thị phụ tải ngày và giảm các đỉnh phụ tải trong các giờ cao điểm,vv

CHƯƠNG 2: các giảI pháp kỹ thuật giảm tổn thất công

suất và điện năng

1 Giảm tổn thất công suất và điện năng bằng sử dụng các thiết bị bù

1.1 Tối ưu hóa công suất của các thiết bị bù

Tối ưu hoá công suất của các thiết bị bù là xác định công suất tối ưu và

vị trí đặt các thiết bị bù Mục tiêu của bài toán là tìm công suất của các thiết bị

bù để đạt được hiệu quả kinh tế cực đại khi thoả mãn tất cả các điều kiện kỹ thuật trong chế độ làm việc bình thường của các mạng điện và các thiết bị sử dụng điện Chỉ tiêu hiệu quả kinh tế là các chi phí quy đổi Các yêu cầu kỹ thuật và hạn chế về chế độ điện áp về khả năng tải của các phần tử trong mạng

điện về công suất và các thiết bị bù

1.1.1 Các giả thiết khi xét tối ưu hoá công suất của các thiết bị bù

1 Điện áp tại các nút trong mạng điện được lấy bằng điện áp danh định của các mạng điện Đồng thời các phương trình của chế độ xác lập là tuyến tính và dòng điện tại các nút có giá trị không đổi, nghĩa là không phụ thuộc vào điện áp nút

2 Không xét ảnh hưởng của các thiết bị bù đến chế độ điện áp

3 Không xét sự thay đổi giá của tổn thất công suất C0 khi tăng công suất của thiết bị bù, nghĩa là C0 được lấy cố định

4 Giá của các thiết bị bù được lấy tỷ lệ thuận với công suất của chúng

1.1.2 Bài toán tối ưu hoá công suất của các thiết bị bù đối với sơ đồ

đơn giản

Xét mạng điện đơn giản có sơ đồ như hình 1.1a

Các thông số cho trước:

Đường dây có điện áp danh định là Udđ và tổng trở Z = R +jX

Công suất của phụ tải S =P + j Q

a) b)

Hình 1.1 - Sơ đồ mạng điện đơn giản

a- đường dây; b - sơ đồ tính bù công suất phản kháng của đường dây Tìm công suất tối ưu Qbt của thiết bị bù đặt tại thanh góp 2 của sơ đồ Chúng ta ký hiệu công suất của thiết bị bù đặt ở thanh góp 2 (hình 1.1b)

là Qb Như vậy chi phí về thiết bị bù có thể xác định theo công thức:

Z1 = k0Qb (1.1) Trong đó k0 - suất đầu tư cho thiết bị bù, đ/kVAr

Qb- công suất của thiết bị bù kVAr

Chí phí về tổn thất công suất tác dụng trong thiết bị bù được tính theo biểu thức:

Z2 = P0.Qb.C0 (1.2) Trong đó P0 - suất tổn thất công suất tác dụng trong thiết bị bù kW/kVAr

C0 - suất chi phí về tổn thất công suất tác dụng

Tổn thất công suất tác dụng trong mạng điện sau khi bù công suất phản kháng:

dd

2 b 2 2 2U

)QQ(

.R (1.3)

Bởi vì thành phần 2

dd

2 2U

P.R dường như không thay đổi theo công suất Qb,

cho nên không cần xét đến trong biểu thức của P Vì vậy chi phí về tổn thất công suất tác dụng lên đường dây sau khi bù có giá trị:

Z3 = 2

dd

2 b 2U

)QQ

.R.C0 (1.4)

Hàm mục tiêu gồm có chi phí về thiết bị bù và chi phí về tổn thất công suất tác dụng trong mạng điện sau khi đặt bù công suất phản kháng, nghĩa là bằng:

Z = k0 Q0 + P0QbC + 2

dd

2 b 2U

)QQ

.R.C0 (1.5)

Giải bài toán tối ưu hoá công suất của thiết bị bù đối với mạng điện ở hình 1.1 là xác định giá trị công suất Qbt của thiết bị tương ứng với cực tiểu của hàm mục tiêu (1.5) Giá trị tối ưu Qbt được xác định từ điều kiện

bQ

Phương trình (1.7) cho phép xác định giá trị tối ưu Qbt của thiết bị bù

đặt của thanh góp 2 của mạng điện đã cho

Nếu như Qbt có giá trị âm (Qbt< 0), trong trường hợp này đặt thiết bị bù

là không hợp lý về kinh tế Khi Qbt > Q2, chỉ nên bù đến hệ số công suất cos

= 0.95 - 0.97 Bởi vì sau đó công suất phản kháng ảnh hưởng không đáng kể

đến tổn thất công suất tác dụng lên đường dây

Bài toán tối ưu hoá công suất của các thiết bị bù đối với mạng điện phức tạp được giải quyết tương tự

1.1.3 Đối với mạng điện phức tạp hơn sơ đồ hình 1.1a

Các thiết bị bù ở kiểu khác nhau có thể đặt ở hàng loạt nút Các bộ tụ

đặt trong các nút khác nhau có suất đầu tư khác nhau Bài toán tối ưu hoá trở nên không tuyến tính và phức tạp bởi vì phải tính đến điện áp và quan hệ phi tuyến của giá thành các thiết bị bù trong trường hợp tổng quát đây là bài toán tối ưu hoá rời rạc vì công suất của các thiết bị bù (các bộ tụ) thay đổi rời rạc

Ví dụ 1.1.

Xác định công suất bù tối ưu ở bộ tụ đặt ở thanh góp 10 kV của mạng

điện (hình 1.2.a) Công suất của phụ tải (MVA), chiều dài đường dây (km) và tiết diện dây dẫn cho trên hình 1.2 Máy biến áp hạ áp có kí hiệu TDH 25000/110 Suất tổn hao công suất tác dụng trong bộ tụ P0= 0,005 kw/kVAr Suất đầu tư cho bộ tụ K0 = 150 103 đ/kVAr Suất chi phí cho tổn thất công suất tác dụng C0 = 15.106 đ/kw

Theo bảng B.16 của phụ lục máy biến áp TDH - 25000/110 có điện trở tác dụng Rb = 2,54 om

Sơ đồ thay thế trong khi tính bù của mạng điện đã cho có dạng như hình 1.2,b

Chúng ta ký hiệu công suất của bộ tụ đặt ở thanh góp 10 kVcủa mạng

điện là Qb , MVAr Như vậy chi phí về thiết bị bù có giá trị

)QQ

.(Rđ + Rb )= 2

2 b110

)Q15

.(12,6 + 2,54)

= 2

2 b110

)Q15

)Q15

Z





=225.106 - 2.18,76.106(15Qbt) = 0

Sau khi giải phương trình trên sẽ nhận được Qbt = 9 MVAr

Như vậy công suất bù tối ưu đặt ở thanh góp 10 kV của mạng điện bằng

9 MVAr

1.2 Bù công suất phản kháng trong mạng điện phân phối

Một trong những giải pháp thường được áp dụng để giảm tổn thất công suất và điện năng trong hệ thống điện là bù công suất phản kháng trong các mạng điện phân phối Do đó xuất hiện bài toán phân phối tối ưu công suất của các thiết bị bù giữa các nút trong mạng điện

1.2.1 Xét sơ đồ mạng điện phân phối có một cấp điện áp danh định sơ

đồ (hình 1.3)

Biết tổng công suất của các thiết bị bù Qb , cần phân phối Qb giữa các

nút trong mạng điện sao cho tổn thất công suất tác dụng trong mạng đạt cực tiểu

Hình.1.3 Sơ đồ mạng điện phân phối hình tia

Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu hoá sự phân bố thiết bị phù có dạng

b1 b2 bn

   (1.8) Trong đó P - tổn thất công suất tác dụng trong mạng điện sau khi đặt các thiết bị bù; Qb1, Qb2, , Qbn - công suất phản kháng của các thiết bị bù ở các nút phụ tải; n - số nút trong mạng điện

Vì vậy có thể diễn đạt bài toán tối ưu hoá như sau

minP = minP(Qb1, Qb2, , Qbn,) (1.9)

Với các hạn chế:

điều kiện (1.10) có nghĩa là, công suất của tất cả các thiết bị bù cần phải bằng công suất tổng đã cho Hạn chế (1.11) chỉ ra rằng, công suất của các thiết bị bù không âm Điều kiện (1.12) được sử dụng để kiểm tra điện áp ở các nút Hạn chế (1.13) dùng trong trường hợp không cho phép bù công suất phản kháng ở các nút

Để giải bài toán này cần áp dụng các phương pháp quy hoạch phi tuyến

1.2.1.1 Bù công suất phản kháng đối với mạng điện gồm có n đường dây hình tia với các phụ tải ở cuối đường dây (hình1.4a)

Giả thiết cần phân phối công suất tổng của các thiết bị bù Qb giữa

các nút phụ tải để tổn thất công suất tác dụng trong mạng đạt giá trị cực tiểu

Nếu như mạng điện chỉ có hai đường dây hình tia, khi đó tổn thất công suất tác dụng các phụ tải phản kháng gây ra trong mạng được xác định theo công thức:

P = 2

ddU

2 2 2 1 2 1

1 Q ) R (Q Q ) RQ

Trong đó Q1 , Q2 - phụ tải phản kháng của hộ tiêu thụ ở các nút 1 và 2 của mạng điện; Qb1 , Qb2 - công suất phản kháng cần tìm của các thiết bị bù ở các nút 1 và 2 ; R1 R2 - điện trở tác dụng của các đường dây

Từ điều kiện (1.10) có thể viết được biểu thức

2 2 2 1 2 1

1 Q ) ( Q Q ) Q

(  b R  b R (1.17)

C«ng suÊt tèi ­u Qb1 t×m ®­îc tõ biÓu thøc:

2 2

1 1QQ

QQ



 +1 =

2

1R

R+ 1

Hay lµ:

R)QQ(

QQQQ

2 2

2 1 2 1

2 1RR

R

R 

(1.20)

Chóng ta kÝ hiÖu Q1 + Q2 = Q (1.21) Sau khi thay (1.15) vµ (1.21) vµo (1.20) nhËn ®­îc

2 2 2

bR)QQ(

QQ







= 1R

1 +

Khi đó công suất tối ưu của các thiết bị bù ở các nút mạng điện được xác định theo các công thức

Nếu như công suất tối ưu ở một nút i nào đó có giá trị âm (Qbi < 0) thì

điều đó chỉ ra rằng, đặt thiết bị bù ở nút này không hợp lí về kinh tế Khi đó cần tính lại điện trở tương đương Rtd không có đường dây thứ i và tính lại công suất của các thiết bị bù

Thuật toán xét ở trên có thể áp dụng để giải bài toán phân phối hợp lý các thiết bị phù trong mạng điện chính có các đường dây nhánh (hình1.4b)

Điện trở tương đương Rtd đối với mỗi một nút của mạng điện này được xác định theo công thức Rtdn = Rn

) 1 (

Q

Q’i-1 - phụ tải nối sau nút (i-1) của mạng điện chính

Q’b(i-1) – công suất của thiết bị bù để phân phối sau nút (i – 1)

Qbi = Qi - (Q’i-1 – Q’b(i-1)) tdi

i

R

R ; Trong trường hợp đặc biệt của mạng điện chính, khi R1= R2= = Rn= 0 nghĩa là, các phụ tải nối trực tiếp vào mạng điện chính, sự phân bố kinh tế của các thiết bị bù được xác định như sau: trước hết ta cần bù toàn bộ công suất Qn

ở nút xa nhất, sau đó nếu như Qb > Qn tiến hành bù công suất Qn-1 vv

Phương pháp xét ở trên cũng có thể áp dụng để giải bài toán phân phối các thiết bị bù trong mạng điện hỗn hợp (hình 1.4c) Để xác định điện trở tương đương của đường dây chính D1 có các nhánh cần áp dung công thức (1.28) còn đối với đương dây chính D2 không có các nhánh điện trở tương

đương có thể xác định theo công thức:

Rtđ D2 = 2

1 2 3

01 2 1 2 3 12 2 2 3 23 2 3

)QQQ(

R)QQQ(R)QQ(RQ

Hình 1.5 Sơ đồ mạng điện có 3 phụ tải

Công suất phản kháng do hệ thống cung cấp cho các phụ tải trong chế

độ phụ tải cực đại là Q = 49MVAr.Chiều dài và tiết diện các đường dây cho trên hình.1.5 Xác định sự phân phối tối ưu công suất các thiết bị bù giữa các

hộ tiêu thụ trong mạng điện

Đầu tiên : Tính điện trở tác dụng của các đường dây 1,2 và 3 Từ B.2 của phụ lục tìm được:

R01 = 0,21 om/km; r02 = 0,23 om/km; r03 = 0,65 om/km;

Như vậy điện trở tác dụng của các đường dây có giá trị

R1 = 0,21x 80 = 16,8 om

R2 = 0,23x 70 = 23,1 om

R3 = 0,65x 40 = 26 om

Tính điện trở tương đương của mạng điện

1+ 26

1 = 0,14

om1

Do đó điện trở tương đương của mạng điện có giá trị

14,7 = 24MVAr Tương tự tính được công suất tối ưu của các nút 2 và 3

Qb2 = 7MVAr ; Qb3= 2MVAr

2 Giảm tổn thất công suất và điện năng bằng chế độ vận hành kinh tế của các máy biến áp và tối ưu hoá chế độ của mạng điện

2.1 Chế độ vận hành kinh tế của máy biến áp

2.1.1 Nhận xét tổng quan về chế độ làm việc của các máy biến áp

Chế độ làm việc hợp lí về kinh tế của các máy biến áp trong các trạm là một giải pháp hiệu quả để giảm tổn thất công suất và điện năng trong hệ thống

điện

Trong các trạm biến áp cung cấp cho các hộ tiêu thụ loại I và II,

cũng như trong các trạm khu vực thường có nhiều máy biến áp Các máy biến

áp này có thể làm việc độc lập hay là song song

Khi làm việc độc lập mỗi một máy biến áp được nối vào một phân đoạn

thanh góp riêng biệt Vì vậy giảm được các dòng ngắn mạch sau các máy biến

áp Do đó giảm nhẹ sự làm việc của thiết bị và các dụng cụ đóng cắt Nhưng chế độ làm việc độc lập của các máy biến áp không kinh tế so với chế

độ làm việc song song của chúng

Chế độ kinh tế nhất của các máy biến áp tương ứng với phụ tải, tỉ lệ với

công suất danh định của chúng Sự phân phối kinh tế của các phụ tải giữa các

máy biến áp đạt được trong trường hợp, nếu như các thông số của chúng giống

nhau Nhưng trong thực tế điều kiện này thường không đạt được Các máy biến áp kiểu khác nhau cho phép làm việc song song nếu như tỉ số

các công suất của chúng không lớn hơn 1:3, các điện áp ngắn mạch khác nhau

không lớn hơn 10%, các điện áp của các đầu điều chỉnh khác nhau không lớn

hơn 0,5% và các tổ nối của các cuộn dây giống nhau Trong trường hợp này

phụ tải của các máy biến áp sẽ khác phụ tải kinh tế một ít do xuất hiện các

dòng điện cân bằng

Tổn thất công suất tác dụng trong máy biến áp gồm có tổn thất trong lõi

thép và trong các cuộn dây của máy biến áp Tổn thất công suất trong một lõi

thép không phụ thuộc vào phụ tải, còn tổn thất trong các cuộn dây phụ thuộc

vào phụ tải của máy biến áp Trong các chế độ phụ tải lớn tổn thất công suất

trong các cuộn dây lớn hơn nhiều tổn thất trong lõi thép máy biến áp, còn

trong các chế độ phụ tải nhỏ tổn thất trong lõi thép lớn đáng kể so với tổn thất

trong các cuộn dây máy biến áp Vì vậy để giảm tổn thất công suất và điện

năng cần phải cắt một phần các máy biến áp làm việc song song khi các phụ

tải nhỏ

2.1.2 Phương pháp xác định số lượng hợp lí về kinh tế của các máy biến áp

làm việc trong các trạm