Đánh giá tổn thất điện năng do sóng hài trên lưới điện hạ áp sinh hoạt trong các tòa nhà chung cư

Việc sử dụng ngày càng nhiều các thiết bị điện gia dụng sử dụng các linh kiện điện tử trong điện sinh hoạt đã đem lại sự hiệu quả và tiện nghi trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Ứng dụng inverter cho điều hòa, tủ lạnh giảm tiêu hao điện năng của các thiết bị này. Đèn huỳnh quang và đèn LED hiện nay đã trở thiết bị chiếu sáng chính trong các tòa nhà.

PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 467 ĐÁNH GIÁ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG DO SÓNG HÀI TRÊN LƯỚI ĐIỆN HẠ ÁP SINH HOẠT TRONG CÁC TÒA NHÀ CHUNG CƯ Phạm Xuân Hào, Nguyễn Hồng Phi, Bạch Quốc Khánh, Nguyễn Văn Minh Đại học Bách khoa Hà Nội ĐẶT VẤN ĐỀ Việc sử dụng ngày nhiều thiết bị điện gia dụng sử dụng linh kiện điện tử điện sinh hoạt đem lại hiệu tiện nghi sống hàng ngày Ứng dụng inverter cho điều hòa, tủ lạnh giảm tiêu hao điện thiết bị Đèn huỳnh quang đèn LED trở thiết bị chiếu sáng tịa nhà Các thiết bị dùng nguồn ổn áp ti vi, máy vi tính tạo ổn định cho thiết bị làm việc Tuy nhiên thiết bị nguồn phát sinh sóng hài đưa vào hệ thống điện Từng thiết bị sinh lượng sóng hài nhỏ, nhiên nơi có mật độ phụ tải cao hệ thống cung cấp điện (HTCCĐ) tòa nhà chung cư cao tầng, đặc biệt phụ tải cao điểm, lượng sóng hài bơm vào lưới điện trở nên đáng kể Một tác động sóng hài làm gia tăng phát nóng làm tăng tổn thất điện (TTĐN) phần tử tải điện tiêu thụ điện Sóng hài làm gia tăng điện trở phần tử tải điện hiệu ứng mặt ngồi Sóng hài làm gia tăng trị số hiệu dụng dòng điện chạy dây dẫn Từ thơng sóng hài sinh làm gia tăng phát nóng lõi thép động máy biến áp Sóng hài bậc ba bội số nguyên bậc ba vào mạch trung tính làm gia tăng tổn thất dây trung tính… Việc gia tăng TTĐN lưới điện khiến tăng hóa đơn mua điện đơn vị quản lý điện khu chung cư Việc gia tăng phát nóng phụ phụ tải động làm gia tăng hóa đơn dùng điện khách hàng dùng điện Do việc đánh giá gia tăng TTĐN lưới điện phụ tải tác dụng ngày nhiều sóng hài sinh từ thiết bị điện sinh hoạt cho nhìn rõ tác động sóng hài, đặc biệt khu vực lưới điện có mật độ phụ tải cao HTCCĐ tòa nhà chung cư Cho đến nay, chưa có nhiều đánh giá cụ thể TTĐN sóng hài HTCCĐ tịa nhà Việt Nam, báo cáo xây dựng mơ hình tính tốn TTĐN cho HTCCĐ tịa nhà có xét đến tác động sóng hài từ phụ tải điện sinh hoạt TTĐN tính tốn sóng sóng hài Việc tính tốn thực cho trường hợp tòa nhà PACKEXIM (như ví dụ Việt Nam) giả thiết sóng hài thiết bị sinh hoạt ứng với trường hợp sóng hài lớn từ [3] cảnh báo tác động sóng hài đến TTĐN 468 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 HTCCĐ tịa nhà Việc mơ lưới điện tính tốn TTĐN sóng sóng hài thực Matlab có xét đến đặc điểm thiết kế HTCCĐ nhà nhà cơng cộng PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN Hai vấn đề tốn đánh giá TTĐN sóng hài phương pháp mơ tính tốn lưới điện tần số sóng hài phương pháp đánh giá tổn thất điện HTCCĐ a Về đánh giá TTĐN, có nhiều phương pháp nêu [1] Đối với HTCCĐ tòa nhà chung cư bao gồm máy biến áp phân phối lưới điện hạ áp cấp cho phụ tải phạm vi tịa nhà giả thiết đồ thị phụ tải (ĐTPT) phụ tải có hình dạng đồng có dạng ĐTPT điển hình phụ tải sinh hoạt Do đó, theo [1], phương pháp đánh giá TTĐN phù hợp cho đối tượng HTCCĐ tính TTĐN theo ĐTPT điển hình Theo phương pháp này, giả thiết ĐTPT tất phụ tải có dạng giống Từ xác định công suất phụ tải khoảng thời gian (từng giờ) tính tốn trào lưu cơng suất rút tổn thất công suất (TTCS) phần tử lưới điện tương ứng với khoảng thời gian Lặp lại tính tốn cho tất khoảng thời gian khác chu kỳ khảo sát ĐTPT (chẳng hạn 24g cho ĐTPT ngày) Như TTĐN phụ thuộc dòng điện phần tử (đường dây máy biến áp) lưới điện xác định theo công thức sau: ∆ = ∆ ( )=∑ ∆ ∆ (1) Trong đó: Pi: TTCS phần tử khoảng thời gian ti; T: Chu kỳ thời gian ĐTPT TTĐN toàn lưới điện tổng hợp sau: ∆ =∑ ∆ +∑ ∆ +∆ (2) Trong đó: nL nB: Số nhánh đường dây số nhánh MBA lưới phân phối xét; ALi: TTĐN phần tử đường dây i; ABj A0Bj: TTĐN có tải khơng tải phần tử MBA j Trong báo cáo này, việc phân tích tính tốn trào lưu cơng suất lưới điện để tính TTCS phần tử lưới điện cho khoảng thời gian lập trình Matlab sử dụng phương pháp lặp quét xuôi (forward sweep) quét ngược (backward sweep) sử dụng tính tốn phân tính lưới phân phối [5] với sơ đồ khối sau: PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 469 Hình 1: Sơ đồ khối tính tốn TTCS HTCCĐ tịa nhà tần số b Về tính tốn lưới điện tần số sóng hài, báo cáo sử dụng phương pháp phân tích sóng hài trực tiếp [4], phần tử lưới điện mô theo mơ hình thơng số tập trung tần số sóng hài Máy biến áp: Z = R √h + jX h (3) Mơ hình đường dây có xét hiệu ứng bề mặt: = 1+ , , + ℎ (4) Mơ hình phụ tải thụ động: R =( , , ) [Ω, kV, kW]; X = ( , , ) [Ω, kV, kVAr] (5) Việc tính tốn dịng điện sóng hài phần tử tải điện tính tốn theo phương pháp phân tích trực tiếp sử dụng ma trận tổng dẫn nút tần số sóng hài: [Ih] = [Yh][Vh] (6) Trong Ih]: Ma trận [1 × n] nguồn dịng điện bậc sóng hài h n nút Các nút khơng có tải sinh sóng hài lấy giá trị Các nút có tải sinh sóng hài lấy giá trị dịng điện bậc sóng hài h [Yh]: Ma trận [ × ] tổng dẫn hệ thống tần số h: ⋮ [ ]= ⋮ … ⋱ … ⋱ … … ⋮ ⋱ … ⋮ ⋱ … ⋮ ⋮ (7) 470 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Trong đó: yhki: Tổng dẫn nút i k bậc h (tổng dẫn phần tử lưới điện nối nút i nút k); yhii: Tổng dẫn riêng nút i bậc h (tổng dẫn tải tải thụ động nối vào nút i); [Vh]: Ma trận [1 × n] điện áp nút bậc sóng hài h Việc tính tốn TTCS lưới điện bậc sóng hài h lập trình Matlab bao gồm tính tốn điện áp nút bậc sóng hài theo (6) phương pháp khử Gauss suy dòng điện nhánh lưới điện bậc sóng hài h để từ rút TTCS ứng nhánh tải thụ động với bậc sóng hài Trong phần này, ma trận nguồn dịng sóng hài bơm vào lưới [Ih] xây dựng cho thời đoạn ứng với ĐTPT phụ tải phát sóng hài Việc tính TTĐN lưới điện bậc sóng hài h thực theo (1) với TTCS lưới điện bậc sóng hài h tính cho thời đoạn ứng với ĐTPT phụ tải phát sóng hài Việc tính TTĐN tất bậc sóng hài tổng hợp TTĐN bậc sóng hài Sơ đồ khối bước tính tốn Hình Hình 2: Sơ đồ khối tính tốn TTĐN sóng hài gây HTCCĐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Tính tốn TTĐN sóng hài gây với HTCCĐ tòa nhà PACKEXIM gồm 18 tầng, tầng 12 hộ, với ĐTPT ngày điển hình chia làm mùa (đơng hè) a Số liệu lưới điện: HTCCĐ tòa nhà PACKEXIM lấy điện từ TBAPP cấp đến tủ phân phối điện TPPC Lưới có dạng liên thơng đến tủ phân phối cụm tầng TPPCT đến tủ phân phối tầng TPPT Hình PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 471 Hình 3: HTCCĐ tịa nhà PACKEXIM từ TBAPP đến phụ tải tủ phân phối điện tầng Bảng Số liệu lưới điện Đường dây Máy biến áp phân phối Nhánh CU/PVC (mm2) R ( / km) X ( / km) 22/0,4 kV, 1250 kVA L0 4(1,300) 0,0601 0,06 0,12 P0 = 1,5(W), I0 = 1,5% L1 4(1,95) + E(1,50) 0,193 0,06 0,12 PN = 14(W), uN = 6% L2 4(1,50) + E(1,25) 0,387 0,06 0,12 b Số liệu phụ tải: Các số liệu phụ tải điển hình cho hộ Phụ tải chiếu sáng đánh giá dựa diện tích chiếu sáng yêu cầu chiếu sáng theo Quy chuẩn xây dựng QCXDVN 05:2008/BXD Hệ số đồng thời Kđt theo bảng Điều hòa đánh giá theo diện tích sử dụng Một tủ lạnh, TV máy tính để bàn Bảng Thơng số tải phát thải sóng hài hộ Thơng số Đèn Điều hòa Tivi Tủ lạnh PC P(kW) 0,7 1,5 0,08 0,1 0,2 cosφ 0,6 0,98 0,66 0,6 0,53 S(kVA) 0,7 + 0,93333j 1,5 + 0,30459 j 0,08 + 0,09106j 0,1 + 0,13333j 0,2 + 0,32j Thời gian sử dụng T 18 23g 6, 11 13g 18 24g 11 13g 18 24g 24g 19 23g Kđt 0,9 0,8 1 472 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Từ ĐTPT điển hình phụ tải hộ, xây dựng ĐTPT điển hình hộ Hình Hình 4: Tổng hợp ĐTPT điển hình ngày hè đông hộ Phụ tải nút (tủ điện tầng  18): = đ 12 (hệ số đồng thời Kđt = 0,63 theo IEC) c Tính TTĐN với sóng (50Hz): Sử dụng phương pháp tính tốn TTĐN theo ĐTPT điển nêu Mục 2, báo cáo tính kết sau: Bảng TTCS HTCCĐ tòa nhà theo khoảng thời gian Mùa thu đông Mùa xuân hè T (h) (0  11); (13  18); (23  24) 11  13 18  19 19  23 ΔP(W) 281,84 456,55 4143,40 6468,30 T (h) (0  6); (23  24) (6  11); (13  18) ΔP(W) 4192,5 281,84 11  13 18  19 19  23 4792,9 15831 12172 Tống tổn điện LĐTN sóng bản: ΔA1 = 29,05 MWh d Tính TTĐN sóng hài: Xây dựng ma trận [Ih] cho bậc sóng hài: Phổ sóng hài thiết bị sinh hoạt phát thải sóng hài thay đổi đa dạng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo đặc điểm sử dụng thiết bị điện Với ý nghĩa cảnh báo vấn đề TTĐN lưới điện sóng hài từ thiết bị sinh hoạt, báo cáo tham khảo phổ sóng hài với tỷ lệ lớn [3] Bảng đây: PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 473 Bảng Phổ sóng hài thiết bị [3] Thiết bị I1 I3 I5 I7 I9 I11 I13 I15 Đèn 100% 35% 27% 10% 2,5% 3,5% 1,5% 1,5% Điều hòa 100% 28% 48% 58% 14% 33% 9,5% 1,5% Tivi 100% 55,1% 36,8% 20,3% 11,4% 10,8% 0% 0% Tủ lạnh 100% 11% 4,7% 11% 7,1% 7,1% 0% 0% PC 100% 52,8% 43,5% 31,6% 19,3% 8,4% 0% 0% Từ ĐTPT sử dụng thiết bị phát thải sóng hài cho Bảng 2, ứng với khoảng thời gian ĐTPT ngày điển hình (Hình 4), dịng điện sóng hài ứng với bậc sóng hài h tổng hợp cho nút tải (tủ phân phối tầng, nút 926 Hình 5) Hình 5: Sơ đồ đánh số HTCCĐ nhà phân tích tổn thất sóng hài Trên sơ đồ Hình 5, xây dựng ma trận tổng dẫn [Yh], phần tổng dẫn riêng có xét đến phụ tải thụ động vị trí cụm tầng (nút đến 8) bao gồm chiếu sáng sợi đốt hệ thống động thơng gió, thang máy Với quy trình tính tốn TTĐN Hình 2, kết TTCS đường dây ΔPdd gia tăng TTCS phụ tải thụ động ΔPpt tổng kết bảng Bảng TTCS HTCCĐ tịa nhà sóng hài theo khoảng thời gian Mùa thu đông T (h) (0  11); (13  18); (23  24) 11  13 18  19 19  23 ΔPdd (W) 2,37 29,22 785,87 1782,85 ΔPpt (W) 196,44 2843,9 80624,35 179752,30 ΔP (W) 198,81 2873,12 81410,28 181533,80 474 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Mùa xuân hè T (h) (0  6); (23  24) (6  11); (13  18) 11  13 18  19 19  23 ΔPdd (W) 2979,02 2,37 3365,80 6142,29 8607,37 ΔPpt (W) 238053,8 196,44 273065,8 537318,9 766315,2 ΔP (W) 241032,3 198,809 276424,4 543465,6 774926,3 Tổng tổn thất điện đường dây sóng hài năm ΔAh = 14,23 MWh Gia tăng tiêu hao điện phụ tải Ah = 1241,96 MWh KẾT LUẬN Báo cáo xây dựng mơ hình tính tốn TTĐN HTCCĐ tòa nhà chế độ xác lập bậc sóng hài Kết cho thấy TTĐN sóng hài gây đường dây chiếm 0,67% tổng điện tiêu thụ Khi lắp tụ bù, TTĐN đường dây không đổi gia tăng tổn hao điện phụ tải giảm mạnh Do tham khảo cân nhắc giải pháp giảm gia tăng TTĐN phụ tải có sóng hài TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Đình Long, Nguyễn Sỹ Chương, Lê Văn Doanh, Bạch Quốc Khánh, Hoàng Hữu Thận, Phùng Anh Tuấn, Định Thành Việt, Sách tra cứu chất lượng điện năng, NXB Bách khoa, 2013 [2] Thomas Key, JihSheng Lai, Costs and benefits of harmonic current reduction for swtichmode power supplies in a commercial office building [3] A.Priyadharshini, N.Devarajan, AR.Uma saranya, R.Anitt, Survey of Harmonics in Non Linear Loads, International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE), Volume1, Issue1, April 2012 [4] Jos Arrillaga, Bruce C Smith, Neville R Watson, Alan R Wood, Power system harmonic analysis, John Wiley & Sons, 1997 [5] W.H.Kersting, Distribution System Modeling and Analysis, CRC Press LLC, 2002 [6] Tài liệu tập huấn QCVN 12:2014/BXD Hệ thống điện nhà nhà công cộng [7] Thiết kế phần điện tòa nhà PACKEXIM [8] Angelo Baggini, Handbook of Power Quality, ISBN: 9870470065617, April 2008 [9] IEC 610047, Electromagnetic Compatibility (EMC), part 4: Limits, Section 7: General guide on harmonics and inter – harmonics measurements and instrumentation for power supplly systems and equipment connected thereto, 1991  ... giá TTĐN sóng hài phương pháp mơ tính tốn lưới điện tần số sóng hài phương pháp đánh giá tổn thất điện HTCCĐ a Về đánh giá TTĐN, có nhiều phương pháp nêu [1] Đối với HTCCĐ tòa nhà chung cư bao... n] điện áp nút bậc sóng hài h Việc tính tốn TTCS lưới điện bậc sóng hài h lập trình Matlab bao gồm tính tốn điện áp nút bậc sóng hài theo (6) phương pháp khử Gauss suy dòng điện nhánh lưới điện. .. nguồn dịng điện bậc sóng hài h n nút Các nút khơng có tải sinh sóng hài lấy giá trị Các nút có tải sinh sóng hài lấy giá trị dịng điện bậc sóng hài h [Yh]: Ma trận [ × ] tổng dẫn hệ thống tần số