Chương 9 bù CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

CHƯƠNG BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 9.1 GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG MẠNG ĐIỆN 9.2 HỆ SỐ CÔNG SUẤT VÀ Ý NGHĨA CỦA VIỆC NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT 9.3 CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT 9.4 THIẾT BỊ BÙ 9.5 PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 9.6 BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG MẠNG ĐIỆN PHÂN PHỐI 9.7 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CỦA CÁC THIẾT BỊ BÙ 9.8 PHÂN PHỐI DUNG LƯỢNG BÙ PHÍA CAO, HẠ ÁP CỦA MẠNG ĐIỆN §9.1 GIẢM TỔN THẤT CƠNG SUẤT VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG MẠNG ĐIỆN 9.1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, căng thẳng gia tăng giá nhiên liệu cân lượng lại khẳng định nhiệm vụ giảm tổn thất công suất tổn thất điện mạng điện khâu quan trọng để tiết kiệm nhiên liệu Khi phân tích tổn thất điện năng, ta cần phân loại tổn thất Trong vận hành khai thác mạng điện có loại: -Tổn thất kỹ thuật; -Tổn thất kinh doanh §9.1 GIẢM TỔN THẤT CƠNG SUẤT VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG MẠNG ĐIỆN 9.1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ a) Tổn thất kỹ thuật tổn thất sinh tính chất vật lý q trình tải điện, tổn thất phụ thuộc tính chất dây dẫn vật liệu cách điện, điều kiện môi trường, dòng điện, điện áp Tổn thất kỹ thuật chia thành phần: - Tổn thất phụ thuộc dòng điện (phụ thuộc I2): tổn thất phát nóng điện trở máy phát điện, máy biến áp dây dẫn - Tổn thất phụ thuộc điện áp (phụ thuộc U hay U2), gồm có tổn thất lõi thép máy biến áp, tổn thất cuộn dây điện áp cơng tơ, tổn thất rò điện, tổn thất vầng quang điện Tổn thất kỹ thuật khơng thể triệt tiêu được, mà hạn chế mức độ hợp lý cho phép §9.1 GIẢM TỔN THẤT CƠNG SUẤT VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG MẠNG ĐIỆN 9.1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ b) Tổn thất kinh doanh (còn gọi tổn thất thương mại hay tổn thất phi kỹ thuật): tổn thất hệ thống tính tốn khơng hồn chỉnh, sai số thiết bị đo lường, số đo công tơ khơng đồng thời khơng xác, điện đo khơng vào hóa đơn khơng thu tiền, bỏ sót khách hàng khách hàng ăn cắp điện v.v… Các nghiên cứu kinh tế – kỹ thuật cho thấy, tổn thất vượt 10% điện sản xuất cosφ = 0,9 ữ 0,95 cần có chương trình giảm tổn thất, việc đầu tư vốn vào việc thu lại nhanh Khi tổn thất vượt 15% chắn có tổn thất kinh doanh, lúc cần tiến hành tính tốn tổn thất kỹ thuật để đánh giá mức độ tổn thất kinh doanh §9.1 GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG MẠNG ĐIỆN 9.1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Bảng 9.1 Phân bố tổn thất công suất mạng điện §9.1 GIẢM TỔN THẤT CƠNG SUẤT VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG MẠNG ĐIỆN 9.1.2 CÁC BIỆN PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG Các biện pháp giảm tổn thất cơng suất, tổn thất điện chia thành nhóm: a) Các biện pháp đòi hỏi vốn đầu tư - Nâng cao điện áp định mức lưới điện, thấy phụ tải tăng trưởng mạnh giá trị khoảng cách với cấp điện áp định mức cũ không đáp ứng - Bù kinh tế mạng điện phân phối tụ điện - Hồn thiện cấu trúc lưới để vận hành với tổn thất nhỏ - Cải tiến kết cấu, dùng vật liệu chất lượng cao để sản xuất thiết bị có tổn thất nhỏ Các biện pháp cần vốn đầu tư trước thực cần phải làm luận chứng kinh tế – kỹ thuật cẩn thận, bảo đảm chắn có lợi thực §9.1 GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG MẠNG ĐIỆN 9.1.2 CÁC BIỆN PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG b) Các biện pháp khơng đòi hỏi vốn đầu tư - Phân bố tối ưu công suất phản kháng hệ thống điện làm cho dòng cơng suất phản kháng vận chuyển hợp lý đường dây cho tổn thất nhỏ nhất; - Vận hành kinh tế trạm biến áp; - Vận hành kinh tế lưới trung hạ áp cấu trúc lưới cho phép; - Chọn công suất máy biến áp phù hợp với yêu cầu phụ tải, tránh tượng máy biến áp non tải; - Giảm độ không đối xứng pha mạng điện hạ áp; - Điều chỉnh điện áp vận hành mức cao cho phép; - Nâng cao hệ số công suất cosφ thân thiết bị dùng điện xí nghiệp; - Kiểm tra bảo dưỡng thường xuyên mạng điện §9.2 HỆ SỐ CƠNG SUẤT VÀ Ý NGHĨA CỦA VIỆC NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT 9.2.1 BẢN CHẤT CỦA HỆ SỐ CÔNG SUẤT Hầu hết thiết bị tiêu thụ điện phụ tải mang tính điện cảm, làm việc cần đến công suất tác dụng P công suất phản kháng Q Hệ số công suất phản kháng: K q = P = tanϕ Cơng suất tác dụng P sinh cơng, cơng suất phản kháng Q không sinh công khơng thể thiếu Vì cơng suất phản kháng Q cơng suất từ hóa máy điện xoay chiều Giá trị trung bình Q nửa chu kỳ dòng điện khơng Cho nên việc tạo cơng suất phản kháng khơng đòi hỏi tiêu tốn lượng động sơ cấp quay máy phát điện §9.2 HỆ SỐ CƠNG SUẤT VÀ Ý NGHĨA CỦA VIỆC NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT 9.2.1 BẢN CHẤT CỦA HỆ SỐ CÔNG SUẤT Lượng Q truyền tải nhiều mạng hạn chế khả tải đường dây máy biến áp Vì đường dây máy biến áp lựa chọn theo công suất toàn phần, nên Q tăng lên, tất nhiên P phải giảm Hình 9.1 minh họa nhận xét Hình 9.1 Sự thay đổi công suất tác dụng phản kháng cosφ thay đổi giữ nguyên công suất tồn phần §9.2 HỆ SỐ CƠNG SUẤT VÀ Ý NGHĨA CỦA VIỆC NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT 9.2.1 BẢN CHẤT CỦA HỆ SỐ CƠNG SUẤT Hình 9.2 Sự thay đổi công suất phản kháng công suất tồn phần cosφ thay đổi cơng suất tác dụng giữ ngun 10 §9.7 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CỦA CÁC THIẾT BỊ BÙ 9.7.2 TỐI ƯU HÓA CƠNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ BÙ c) Chi phí tổn thất điện mạng điện (đường dây máy biến áp) sau có đặt thiết bị bù: Tổn thất công suất tác dụng mạng điện sau bù công suất phản kháng P22 + (Q2 − Q b ) ΔP = R U dd (9.7-3) P2 Bởi thành phần U R dường không thay đổi theo công dd suất Qb không cần xét đến biểu thức ∆P Vì chi phí tổn thất cơng suất2 tác dụng đường dây sau ( Q2 − Qb ) bù có giá trị (9.7-4) Z3 = R.C0 τ U dd Trong đó: Q2 - phụ tải phản kháng, MVA R - điện trở mạch tải điện, Ω τ - thời gian tổn thất công suất lớn nhất, h U - điện áp danh định mạng điện, kV 80 §9.7 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CỦA CÁC THIẾT BỊ BÙ 9.7.2 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ BÙ c) Chi phí tổn thất điện mạng điện (đường dây máy biến áp) sau có đặt thiết bị bù: Hàm mục tiêu gồm có chi phí thiết bị bù, chi phí tổn thất điện thiết bị bù chi phí tổn thất điện mạng điện sau đặt bù công suất phản kháng, nghĩa bằng: ( Q2 − Qb ) Z = (a vh + a tc ).k QΔP + R.C τ (9.7-5) b + Q C b.T U dd Giải tốn tối ưu hóa công suất thiết bị bù đối mạng điện xác định giá trị công suất Qbt thiết bị bù tương ứng với cực tiểu hàm mục tiêu (9.7-5) Giá trị tối ưu Qbt xác định từ điều kiện: ∂Z = (a vh + a tc ).kΔP − + C 0.T 2.(Q ∂Q b Q − ) bt R.C0 τ 0= U dd (9.7-6) 81 §9.7 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CỦA CÁC THIẾT BỊ BÙ 9.7.2 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ BÙ c) Chi phí tổn thất điện mạng điện (đường dây máy biến áp) sau có đặt thiết bị bù: Sau giải phương trình (6) nhận Q bt = Q (a vh [ − + a tc ).k + C0 T.∆P0 ] U dd 2.R.C0 τ (9.7-7) Phương trình (9.7-7) cho phép xác định giá trị tối ưu Qbt thiết bị bù đặt góp mạng điện cho Trong cơng thức Q2 MVAr, k0 đ/MVAr, C0 đ/MWh, U kV Qbt có đơn vị MVAr Nếu Qbt có giá trị âm, trường hợp đặt thiết bị bù không hợp lý kinh tế Khi Qbt > Q2, nên bù đến hệ số cơng suất cosφ= 0,95–0,97 Bởi sau công suất phản kháng 82 ảnh hưởng không đáng kể đến tổn thất cơng suất tác dụng §9.7 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CỦA CÁC THIẾT BỊ BÙ 9.7.2 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ BÙ c) Chi phí tổn thất điện mạng điện (đường dây máy biến áp) sau có đặt thiết bị bù: Nếu cho đồ thị phụ tải phản kháng (hình 9.14) cơng thức viết sau: Q bt = Q tb Trong đó: Qtb = (a vh + a tc ).k + C0 T.∆P0 ] U dd [ − 2.R.C0 τ (9.7-8) Q1 t1 + Q t + Q3 t T T = t + t2 + t3 83 §9.7 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CỦA CÁC THIẾT BỊ BÙ 9.7.2 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ BÙ c) Chi phí tổn thất điện mạng điện (đường dây máy biến áp) sau có đặt thiết bị bù: Với giả thiết nêu trên, tối ưu hóa cơng suất thiết bị bù toán quy hoạch toán học bình phương - tìm cực tiểu hàm mục tiêu phụ thuộc vào bình phương cơng suất thiết bị bù nút Qbi Để giải toán ta lấy đạo hàm bậc hàm Z theo biến số Q b1, Qb2,…, Qbn ∂Z cho khơng: =0 ∂Q bn Từ hệ phương trình ta tìm Qb1, Qb2, …, Qbn với điều kiện ràng buộc Qbi≥0 Nếu có nghiệm nhận giá trị âm, ví dụ Q bk < 0, 84 nghĩa phụ tải k khơng nên đặt thiết bị bù §9.7 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CỦA CÁC THIẾT BỊ BÙ 9.7.2 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ BÙ Ví dụ: Mạng điện 110 kV cung cấp điện cho hai phụ tải đường dây tải điện liên thông qua hai trạm biến áp 110/10 kV Các số liệu phụ tải mạng điện cho hình 9.15 Xác định dung lượng bù kinh tế 10 kV trạm T1 T2 biết thời gian tổn thất cơng suất lớn ụ = 4500 h 85 §9.7 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CỦA CÁC THIẾT BỊ BÙ 9.7.2 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ BÙ Ví dụ: a) A 110 kV AC-120 AC-70 30 km 40 km B 2*15 MVA b) A R1 T2 10+j.10 MVA T1 20+j.20 MVA R2 B R T1 Qb1 15 MVA 10 kV R T2 10 MVAr Qb2 20 MVAr Hình 9.15 Sơ đồ mạng điện 110 kV (a) sơ đồ thay (b) 86 §9.7 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CỦA CÁC THIẾT BỊ BÙ 9.7.2 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ BÙ Giải: Từ số liệu dây dẫn máy biến áp, ta tính tổng trở phần tử mạng điện, điện trở đường dây máy biến áp: R1 = 4,05 Ω, R2 = 18,4 Ω, RT2 = 7,2 Ω, RT1 = 3,6 Ω, sơ đồ có thêm số liệu cần thiết cho việc giải toán Cho tụ điện vận hành năm T = 8760 h, với ∆P0 = 0,005; lấy avh = 0,1; atc = 0,125; giá tiền đơn vị dung lượng tụ bù k0 = 200.103 đ/MVAr Tiền kWh điện C0 = 500 đ/kWh Chi phí đặt tụ bù: (a vh + a tc ).k (Qb1 + Qb ) Z1 = = (0,1+0,125).200.103.(Qb1+Qb2) 87 = 45.103.(Qb1+Qb2) §9.7 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CỦA CÁC THIẾT BỊ BÙ 9.7.2 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ BÙ Giải: Chi phí tổn thất điện thân tụ: Z2 = C0.∆P0.T.(Qb1+Qb2) = 500.0,005.8760.(Qb1+Qb2) = 21900.(Qb1+Qb2) Chi phí tổn thất điện mạng điện: ( Q2 − Qb2 ) U dd (R + R T2 ).C0 τ+ Z3 = 500.4500 = 1102 10 ( Q1 − Q b1 ) U dd R T1 C0 τ + ( Q − Qb1 − Qb2 ) U dd R C τ 3   (10.10 − Q ) 25,6 + (20.10 − Q ) 3,6 + (30.10 − Q − Q ) b2 b1 b1 b2 4,05   Z= Z1 + Z2 + Z3 88 §9.7 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CỦA CÁC THIẾT BỊ BÙ 9.7.2 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ BÙ Giải: Ta lấy đạo hàm Z theo Qb1 Qb2 cho không: ∂Z = 45.103 + 21900 + 0,186  −7,2.(20.103 − Q b1 ) − 8,1.(30.103 − Q b1 − Q b2 )  = ∂Qb1 ∂Z = 45.103 + 21900 + 0,186  −51,2.(10.103 − Q b2 ) − 8,1.(30.103 − Q b1 − Qb2 )  = ∂Qb2 Rút gọn lại ta hai phương trình sau: ∂Z = -5,08.103 + 2,85.Q b1 + 1,51.Q b2 = ∂Q b1 ∂Z = -77,53.103 + 1,51.Q b1 + 11,03.Q b2 = ∂Q b2 Giải hệ phương trình ta có: Qb1 = -735 kVAr, Qb2 = 7313 kVAr 89 §9.7 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CỦA CÁC THIẾT BỊ BÙ 9.7.2 TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ BÙ Giải: Vì Qb1 < 0, ta bỏ phương trình ∂Z =0 ∂Q b1 cho Qb1 = vào ∂Z phương trình lại phương trình ∂Q b2 = để giải tiếp, ta có kết là: Qb2 = 7030 kVAr Hệ số công suất đoạn đường dây trước bù sau 10 ' 10 cos φ2 = = 0,96 = 0,71 bù là: cosφ2 = 2 10 + 2,97 102 + 102 Hệ số công suất đoạn đường dây trước sau bù là: 30 30 ' cos φ1 = = 0,8 cosφ1 = = 0,71 2 302 + 302 30 + 22,97 90 §9.8 PHÂN PHỐI DUNG LƯỢNG BÙ PHÍA CAO, HẠ ÁP CỦA MẠNG ĐIỆN Vấn đề đặt chi phí cho thiết bị bù mà cụ thể tụ bù khác cho hai phía cao hạ áp (chi phí cho tụ điện hạ áp cao cao áp), tụ bù đặt phía hạ áp lại có ưu điểm giúp giảm tổn hao công suất tác dụng cho lưới hạ áp cao áp dẫn đến giảm chi phí vận hành nhiều Vậy nên, việc định đặt bù phía hạ áp mạng kết toán kinh tế Giả sử đặt Qbh phía hạ áp mạng điện, vốn đầu tư chênh lệch đặt bù dung lượng phía cao áp là: ∆V = (kh − kc ).Qbh Trong đó: kh: suất vốn đầu từ cho 1kVAr tụ điện hạ áp, đ/kVAr; kc: suất vốn đầu tư cho kVAr tụ điện cao áp, đ/kVAr; 91 Q : cơng suất bù phía hạ áp, kVAr §9.8 PHÂN PHỐI DUNG LƯỢNG BÙ PHÍA CAO, HẠ ÁP CỦA MẠNG ĐIỆN Lượng chi phí vận hành tiết kiệm bù Qbh kVAr phía hạ 2 áp: Q − ( Q − Qbh ) V= ( RB + Rtd ).k β τ U Trong đó: V: lượng chi phí vận hành tiết kiệm bù Q bh phía hạ áp, đồng; Q: cơng suất phản kháng yêu cầu tải, kVAr; U: điện áp định mức hạ áp máy biến áp, kV; RB: điện trở máy biến áp qui đổi hạ áp, Ω; Rtd: điện trở tương đương lưới hạ áp, Ω; k: hệ số xét đến số ca làm việc nhà máy (1 ca k=0,4; ca k=0,55; ca k=0,75); β: chi phí cho kWh tổn thất điện năng, đ/kWh; τ: thời gian tổn thất công suất cực đại, h 92 §9.8 PHÂN PHỐI DUNG LƯỢNG BÙ PHÍA CAO, HẠ ÁP CỦA MẠNG ĐIỆN Giả sử thời gian thu hồi vốn đầu tư n (năm) sau n (năm), khơng chi phí đầu tư bỏ thu hồi lại hết mà chí có lãi bằng: F = nV − ∆V = Q − ( Q − Qbh ) U 2 ( RB + Rtd ).k β τ n − (k h − kc ).Qbh Dung lượng bù tối ưu xác định F có giá trị cực đại ∂F =0 ∂Qbh Qbh với ( kh − kc ).U M =Q− =Q− ( RB + Rtd ).2.k β τ n ( RB + Rtd ) (kh − kc ).U M = 2.k β τ n 93 93 §9.8 PHÂN PHỐI DUNG LƯỢNG BÙ PHÍA CAO, HẠ ÁP CỦA MẠNG ĐIỆN Thông thường việc xác định Rtd nhiều thời gian nên để đơn giản tính tốn lấy Rtd=λRB, với xác định sau: - Trạm đặt phân xưởng: λ=0,8 - Trạm đặt kề phân xưởng: Mạng đường dây cáp, đường dây không: λ=0,4 Mạng cái: λ=0,6 ∆Pk U dm Điện trở máy biến áp tính theo cơng thức sau: RB = S dm tra bảng sau: Điện trở máy biến áp quy phía điện áp 380 V SB, kVA 100 R B, Ω 0,034 180 320 560 750 1000 ,Ω 1800 0,018 0,0088 0,0034 0,0031 0,0021 0,00106 94 94 ... SUẤT 9. 4 THIẾT BỊ BÙ 9. 5 PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 9. 6 BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG MẠNG ĐIỆN PHÂN PHỐI 9. 7 TỐI ƯU HÓA CÔNG SUẤT CỦA CÁC THIẾT BỊ BÙ 9. 8 PHÂN PHỐI DUNG LƯỢNG BÙ PHÍA... 423, 69 kW 0,88 (1 hp = 0,7457 kW) Công suất phản kháng trước bù: Q1=423, 69. tan(arcos-10,7)=373,7 kVAr Công suất phản kháng sau bù: Q2=423, 69. tan(arcos-10 ,9) =205,2 kVAr Vậy lượng công suất phản kháng. .. đến công suất tác dụng P công suất phản kháng Q Hệ số công suất phản kháng: K q = P = tanϕ Công suất tác dụng P sinh cơng, cơng suất phản kháng Q khơng sinh cơng khơng thể thiếu Vì cơng suất phản