Tìm hiểu bài toán bù công suất phản kháng và tính toán áp dụng cho lưới điện phân phối tại việt nam

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT CSPK Công suất phản kháng CSTD Công suất tác dụng ĐTPT Đồ thị phụ tải EVN Electricity of Vietnam Tập đoàn Điện lực Việt Nam ERAV Electricity Regu

TÌM HIỂU BẢI TOÁN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

VÀ TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

TẠI VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội, Năm 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Phạm Ngọc Dương

TÌM HIỂU BẢI TOÁN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

VÀ TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

TẠI VIỆT NAM

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của

cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Lã Minh Khánh

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Học viên

Phạm Ngọc Dương

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CSPK Công suất phản kháng

CSTD Công suất tác dụng

ĐTPT Đồ thị phụ tải

EVN Electricity of Vietnam (Tập đoàn Điện lực Việt Nam)

ERAV Electricity Regulatary Authority of VN (Cục điều tiết điện lực) HTĐ Hệ thống điện

LF Load Factor (Hệ số phụ tải)

LsF Loss Factor (Hệ số tổn thất)

LĐPP Lưới điện phân phối

LĐTT Lưới điện truyền tải

TBA Trạm biến áp

TTCS Tổn thất công suất

TTĐN Tổn thất điện năng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng dữ liệu ví dụ

Bảng 2.1 Số liệu "bán điện năng theo từng thành phần phụ tải (2009)"

tỉnh Hải Dương

Bảng 3.1 Bảng thông số máy biến áp của xuất tuyến 478E81 Đồng

Niên, Hải Dương Bảng 3.2 Bảng thông số đường dây của xuất tuyến 478E81 Đồng Niên,

Hải Dương Bảng 3.3 Kết quả tính toán tổn thất điện năng xuất tuyến 478E81 Đồng

Niên, Hải Dương

Bảng 3.4 Kết quả tính toán tổn thất điện năng khi đặt bù tại 2/3 chiều

dài đường dây xuất tuyến 478E81 Đồng Niên, Hải Dương Bảng 3.5 Kết quả tính toán tổn thất điện năng khi đặt bù tại cuối đường

dây xuất tuyến 478E81 Đồng Niên, Hải Dương Bảng 3.6 Kết quả tính toán tổn thất điện năng khi đặt bù tại hai vị trí 2/5

và 4/5 chiều dài đường dây của xuất tuyến 478E81 Đồng Niên, Hải Dương

Bảng 3.7 Kết quả tính toán tổn thất điện năng khi đặt bù tại giữa và

cuối đường dây của xuất tuyến 478E81 Đồng Niên, Hải Dương

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.0 Xuất tuyến sơ cấp với phụ tải gộp lại (hay tập trung) và các tải

phân bố đều, và dạng phân bố dòng điện trước khi lắp đặt tụ Hình 1.1 Giảm tổn thất với một bộ tụ điện

Hình 1.5 Giảm tổn thất với hai bộ tụ điện

Hình 1.6 So sánh việc giảm tổn thất có thể đạt được từ n = 1, 2, 3

và ∞ bộ tụ, với λ=0

Hình 1.7 So sánh việc giảm tổn thất có thể đạt được từ n=1, 2, 3

và ∞ bộ tụ, với λ=1/4

Hình 1.8 Quan hệ giữa tỉ lệ bù tụ tổng và hệ số phụ tải phản kháng đối

với tải phân bố đều (λ=0, α=1)

Hình 1.9 Giảm tổn thất điện năng với kích cỡ bộ tụ bất kỳ, được lắp đặt

tại vị trí tối ưu (F LD' =0,2) Hình 1.11 Giảm tổn thất điện năng với kích cỡ bộ tụ bất kỳ, được lắp đặt

tại vị trí tối ưu (F LD' =0,6) Hình 1.12 Giảm tổn thất điện năng với kích cỡ bộ tụ bất kỳ, được lắp đặt

tại vị trí tối ưu (F LD' =0,8)

Hình 1.13 Giảm tổn thất điện năng với kích cỡ bộ tụ bất kỳ, được lắp đặt

tại vị trí tối ưu (F LD' =1,0) Hình 1.14 Các ảnh hưởng của hệ số công suất đối với giảm tổn thất điện

năng nhờ việc lắp đặt bộ tụ điện trên một phân đoạn đường dây có phụ tải phân bố đều (λ=0)

Hình 1.15 Các ảnh hưởng của hệ số công suất đối với giảm tổn thất điện

năng nhờ việc lắp đặt bộ tụ điện trên một phân đoạn đường dây có phụ tải phân bố đều (λ=1/4)

Hình 1.16 Các ảnh hưởng của hệ số công suất đối với giảm tổn thất điện

năng nhờ việc lắp đặt bộ tụ điện trên một phân đoạn đường dây có phụ tải phân bố đều (λ=1/2)

Hình 1.17 Các ảnh hưởng của hệ số công suất đối với giảm tổn thất điện

năng nhờ việc lắp đặt bộ tụ điện trên một phân đoạn đường dây có phụ tải phân bố đều (λ=3/4)Hình 3.4 Đồ thị phụ tải ngày của lưới điện phân phối Tây Hồ, Hà Nội năm 2009 Hình 1.18 Sơ đồ một sợi của các phụ tải phản kháng xuất tuyến sơ cấp

ba pha 22kV không đồng nhất được biểu diễn theo tỉ lệ Hình 1.19 Hàm dòng phản kháng chuẩn hóa F(x) tương ứng với xuất

tuyến xem xét ở bảng 1.1 Hình 1.20 Vị trí lắp đặt tụ và các giá trị định mức của dòng phản kháng

được đánh số ký hiệu Hình 2.1 Tỷ lệ điện năng tiêu thụ của từng thành phần phụ tải năm

2009 của tỉnh Hải Dương Hình 2.2 Đồ thị phụ tải ngày điển hình tỉnh Hải Dương

Hình 2.3 Giao diện phần mềm PSS/ADEPT 5.0

Hình 2.4 Sơ đồ xuất tuyến lộ 478E81 Đồng Niên - Hải Dương trên

phần mềm PSS/ADEPT Hình 2.5 Thư viện thiết lập

Hình 2.6 Thiết lập thông số nguồn

Hình 2.7 Thiết lập thông số phụ tải

Hình 2.8 Thiết lập thông số dây dẫn

Hình 2.9 Thiết lập thông số dây dẫn

Hình 3.1 Biểu đồ so sánh giá trị tổn thất điện năng của xuất tuyến

478E81 Đồng Niên, Hải Dương

Hình 3.2 Biểu đồ so sánh giá trị tổn thất điện năng của xuất tuyến

478E81 Đồng Niên, Hải Dương

MỤC LỤC

Trang

TRANG PHỤ BÌA

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN

KHÁNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI

11

1.1 Yêu cầu giảm tổn thất điện năng trong lưới phân phối 11

1.3 Tính toán xác định việc lắp đặt tối ưu của tụ điện trong trường hợp

tải phân bố đều

17

CHƯƠNG II - CÁC QUY TRÌNH VÀ CÔNG CỤ TÍNH TOÁN

TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG CHO BÀI TOÁN BÙ CÔNG SUẤT

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Mạng lưới điện của Việt Nam đang ngày càng phát triển cùng với sự phát triển của nền kinh tế Các phụ tải điện đang ngày càng gia tăng, các nhà máy thủy điện và nhiệt điện đang được đầu tư xây dựng để đáp ứng nhu cầu tăng cao của phụ tải, các lưới điện cũng được xây dựng, cải tạo, nâng cấp khá nhiều Tuy nhiên sự tăng trưởng của phụ tải điện nhanh khiến cho nguồn điện và lưới điện phát triển không theo kịp Các nhà máy điện được xây dựng nhiều nhưng các lưới điện, nhất là lưới phân phối lại rất ít khi xây dựng mới, chủ yếu là nâng cấp cải tạo từ các lưới điện hiện có Các lưới phân phối thường phân bố trên diện rộng, nhiều nhánh nhiều nút phụ tải, vì vậy khi truyền năng lượng trên đường dây đến các hộ tiêu thụ sẽ gây nên tổn thất công suất, tổn thất điện năng, làm giảm chất lượng điện

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lưới phân phối là vấn đề về tổn thất điện năng Lưới phân phối bao gồm nhiều nhánh nhiều nút, phân bố trên diện rộng gây nên tổn thất điện năng khá lớn kèm với đó là chất lượng điện năng giảm Các lưới phân phối đặc biệt ở các vùng sâu vùng xa có tổn thất điện áp rất lớn (10-15%) Uđm Tổn thất điện áp quá lớn sẽ làm hiệu quả làm việc của các thiết bị trong lưới giảm

đi, cùng với đó là chi phí do tổn thất cũng tăng lên rất lớn Vì vậy vấn đề việc giảm tổn thất điện áp, giảm tổn thất công suất phản kháng nâng cao chất lượng điện năng

Việc bù công suất phản kháng mang lại hiệu quả đáng kể, tuy nhiên bài toán

bù kinh tế công suất phản kháng đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật cần được quan tâm giải quyết, trong đó có vấn đề về phương pháp xác định vị trí và dung lượng bù tối

ưu

Bài toán bù đặt ra hai vấn đề là xác định vị trí đặt bù và dung lượng bù tại mỗi

vị trí đó là bao nhiêu Đây là vấn đề được nghiên cứu khá nhiều trên thế giới nhưng

ở Việt Nam không có nhiều tài liệu đề cập đến vấn đề này Tuy nhiên đề giải bài toán bù tổng quát với tất cả các hàm mục tiêu về tổn thất công suất, tổn thất điện áp,

… là điều không đơn giản Cách giải quyết bài toán này thường tập trung vào các hàm mục tiêu đơn giản là giảm tổn thất công suất hay điều chỉnh điện áp hay các phương pháp gần đúng

2 Mục đích nghiên cứu

Luận văn thực hiện nghiên cứu nhằm tìm hiểu bài toán bù kinh tế công suất phản kháng cho lưới điện phân phối, nội dung của phương pháp gần đúng nhằm xác định nhanh vị trí và dung lượng bù tối ưu trên các xuất tuyến của lưới điện phân phối

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Thực hiện tính toán cho một lưới điện phân phối của Việt Nam

Tính toán tổn thất điện năng trước bù và sau bù, trên cơ sở đó xác định được dung lượng và vị trí bù tối ưu nhằm giảm tối đa tổn thất điện năng

Nghiên cứu phần mềm PSS/ADEPT để tính chế độ xác lập của lưới phân phối

và ứng dụng modul CAPO để tính toán bù tối ưu cho một lưới phân phối của Việt Nam

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Xác định phương pháp tính toán vị trí và dung lượng bù tối ưu nhằm giảm tối

đa tổn thất điện năng trong khi bài toán bù tổng quát hết sức phức tạp

5 Nội dung chính của luận văn

Việc tính toán vị trí và dung lượng bù bằng bài toán bù tổng quát là hết sức phức tạp và không có khả thi trong điều kiện của lưới điện Việt Nam Luận văn trình bày phương pháp gần đúng xác định vị trí và dung lượng bù và áp dụng phần mềm PSSADEPT đang được sử dụng ở các Điện lực sở tại để tính toán vị trí và dung lượng bù tối ưu, đồng thời áp dụng tính toán cho lưới điện phân phối lộ 487E81 Đồng Niên, Hải Dương

Luận văn được thực hiện và bố trí thành các phần như sau:

CHƯƠNG I

1.1 Yêu cầu giảm tổn thất điện năng trong lưới phân phối

1.1.1 Khái niệm tổn thất điện năng

điện Trong đó, tổn thất điện năng ∆A trên một lưới điện trong một khoảng thời gian T là hiệu giữa tổng điện năng nhận vào Anhận và tổng điện năng giao đi Agiaocủa lưới điện trong khoảng thời gian T đó Tổng điện năng giao, nhận của lưới điện

là tổng đại số lượng điện giao, nhận được xác định bởi hệ thống đo đếm điện năng tại các điểm ranh giới của lưới điện đó và tại nơi khách hàng sử dụng điện (các hộ tiêu thụ) Dựa theo quyết định số 288/QĐ-EVN-KTLĐ-KD&ĐNT ngày 18/02/2008 của Tập đoàn Điện lực Việt Nam

∆A = Anhận - Agiao (kWh) (1.1) Thời gian xác định tổn thất điện năng thông thường là 1 năm (T=8760h)

1.1.2 Phân loại tổn thất điện năng

Tổn thất điện năng trên lưới điện bao gồm tổn thất kỹ thuật ∆AKT và tổn thất phi kỹ thuật ∆APKT:

∆A = ∆AKT + ∆APKT (1.2) Trong đó tổn thất kỹ thuật là lượng điện năng tiêu hao trên mạng lưới điện do tính chất vật lý của quá trình truyền tải điện năng, có thể chia thành 2 loại:

- TTĐN phụ thuộc vào dòng điện (I2): lượng điện năng tiêu hao do phát nóng trên các phần tử khi có dòng điện đi qua Tổn thất điện năng do phát nóng chủ yếu trên điện trở tác dụng của đường dây và các cuộn dây trong MBA Đây là hai thành phần chính của tổn thất kỹ thuật

- TTĐN phụ thuộc vào điện áp (U2): bao gồm tổn thất vầng quang điện, tổn thất do rò điện, tổn thất không tải của MBA, tổn thất trong mạch từ của các thiết bị

đo lường Trong đó tổn thất không tải của MBA là thành phần lớn nhất và có thể xác định thông qua số liệu của các TBA

Tổn thất phi kỹ thuật là lượng điện năng tổn thất do nguyên nhân thuộc về quản lý, do hệ thống tính toán, đo đạc không hoàn chỉnh, sai số của các thiết bị đo, công tơ, do điện năng được đo nhưng không vào hóa đơn và không thu được tiền,

do bỏ sót khách hàng Nó chỉ có thể giải quyết được bằng các biện pháp hành chính

Như vậy, để xác định tổn thất kỹ thuật, có 3 thành phần chính cần phải tính toán: TTĐN do phát nóng trên điện trở tác dụng của đường dây, do phát nóng trên điện trở tác dụng của các cuộn dây MBA (phụ thuộc vào dòng điện và có thể xác định dựa trên tính toán chế độ xác lập của lưới điện) và TTĐN trong lõi thép của các MBA (không phụ thuộc vào phụ tải và được xác định từ tổn thất công suất không tải)

Lưới điện phân phối bao gồm lưới trung áp (từ 1kV đến 35kV) và lưới điện hạ

áp (dưới 1kV) TTĐN trên lưới điện trung áp gồm tổn thất trên đường dây và trong trạm biến áp nối từ các trạm biến áp trung gian 110/220 kV đến các trạm biến áp phân phối TTĐN trên lưới điện hạ áp được xác định trên các đường dây từ trạm biến áp phân phối đến các công tơ đo đếm tại các hộ tiêu thụ trực tiếp

1.1.3 Các biện pháp giảm tổn thất điện năng

Xét quá trình chuyển hóa năng lượng từ nguồn đến các hộ tiêu thụ gây nên lượng tổn thất điện áp ∆U trên các phần tử của mạng:

U (1.3) Tổn thất công suất:

][10

2

2 2

kW R

U

Q P

∆ (1.4) Tổn thất điện năng:

][10

2 2

kWh R

U

Q P P

∆ τ τ (1.4) Trong đó:

P, Q là công suất tác dụng, công suất phản kháng cực đại truyền tải trên mạng,

kW, kVAr

U là điện áp ứng với công suất truyền tải P, Q, kV

R, X là điện trở, điện kháng của mạng, Ω

τ là thời gian tổn hao công suất cực đại, h

Như vậy để giảm tổn thất điện năng có thể giảm P, Q, R hay tăng U Tuy nhiên P là công suất tác dụng là công suất yêu cầu cần phải đáp ứng của phụ tải, không thể giảm được Có thể giảm R bằng cách xây dựng thêm các lưới, tăng tiết diện dây truyền tải trong quá trình thiết kế Cách này đòi hỏi vốn đầu tư cao Có thể tăng U truyền tải, cách này áp dụng trong quá trình thiết kế, đối với các lưới đang vận hành việc tăng U đòi hỏi phải cải tạo lại toàn bộ lưới điện và vấp phải vấn đề kinh tế

Việc giảm công suất phản kháng Q truyền tải trên đường dây là một biện pháp tốt Có thể thực hiện bằng việc đặt các thiết bị bù trên đường dây Các thiết bị bù thường không quá đắt, có thể áp dụng vào các lưới đang vận hành, có thể bù tại phụ tải hay bù trên đường dây

Tuy nhiên việc bù công suất phản kháng cũng gặp phải những khó khăn nhất định như xác định dung lượng bù, vị trí bù, phải cân đối giữa tính kinh tế và kỹ thuật để bù có hiệu quả

1.2.1 Bù kinh tế công suất phản kháng

Bù công suất phản kháng có thể có 2 loại:

Bù kỹ thuật (bù cưỡng bức): được thực hiện chủ yếu ở các xí nghiệp công nghiệp để đảm bảo cosφ luôn ở mức cho phép Cách này nhằm làm giảm yêu cầu công suất phản kháng của phụ tải, đảm bảo cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống Khi hệ thống điện thiếu công suất phản kháng thì việc bù kỹ thuật là bắt buộc

Bù kinh tế: đặt bù công suất phản kháng trong hệ thống điện để giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng nâng cao hiệu quả kinh tế của lưới

Bù kinh tế không thể tách rời hoàn toàn bù kỹ thuật, vì bù kinh tế là giảm nhẹ

bù kỹ thuật và hai loại bù này cần được phối hợp với nhau tạo thành một thể thống nhất làm lợi cho toàn hệ thống, đó là mục tiêu của bài toán bù tối ưu công suất phản kháng

Lợi ích khi đặt bù:

- Giảm được công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ max của hệ thống diện do đó giảm được dự trữ công suất tác dụng hoặc tăng độ tin cậy của hệ thống

- Giảm được tổn thất điện năng

- Cải thiện được chất lượng điện áp

- Giảm nhẹ tải cho máy biến áp trung gian và đường trục trung áp giảm được yêu cầu công suất phản kháng, tăng tuổi thọ cho thiết bị

- Chi phí khi đặt bù:

- Vốn đầu tư và chi phí vận hành cho trạm bù

- Tổn thất điện năng trong tụ bù

Giải bài toái bù công suất phản kháng là xác định: số lượng trạm bù, vị trí đặt của chúng trên lưới phân phối, công suất bù và chế độ làm việc của tụ bù sao cho đạt hiệu quả kinh tế cao nhất

1.2.2 Bài toán bù tổng quát

Bài toán bù tối ưu công suất phản kháng là xác định công suất và vị trí đặt các thiết bị bù nhằm mục tiêu đạt hiệu quả kinh tế cực đại khi thỏa mãn tất cả các điều kiện kỹ thuật trong chế độ làm việc bình thường của mạng điện Chỉ tiêu hiệu quả kinh tế là các chi phí quy đổi, các yêu cầu kỹ thuật là các hạn chế về độ lệch điện

áp, khả năng mang tải của các phần tử trong mạng điện và công suất của các thiết bị

bù

a Một số giả thiết trong bài toán bù

Mô hình bài toán bù tối ưu công suất phản kháng là một mô hình phức tạp, có nhiều yếu tố động Để có thể xây dựng mô hình và giải bài toán, một số giả thiết được đưa ra :

Với lưới phân phối có nhiều trục chính, việc thay đổi công suất phản kháng tại một nút bất kỳ trên trục chính này ảnh hưởng không đáng kể đến việc thay đổi công suất phản kháng tại các nút trên trục chính khác

Chỉ khi các cụm tụ bù được lắp rải trên lưới phân phối mới đạt được hiệu quả kinh tế

Giá trị của hệ số công suất cosφ là giá trị trung bình (ở thời điểm cực đại) và giả thiết không đổi trong suốt quá trình tính toán Điện áp lưới cũng được coi là không đổi

Tính chất của phụ tải (τ) như nhau ở mọi nút

Giá của các thiết bị bù được lấy tỷ lệ thuận với công suất của chúng, các hệ số kinh tế khác được coi là không đổi (không phụ thuộc vào các yếu tố kinh tế - xã hội khác) trong thời gian tính toán

Lợi ích thu được từ việc lắp đặt tụ bù là như nhau trong suốt thời gian vận hành

b Hàm mục tiêu:

Mục tiêu chính của bài toán bù tối ưu là cực đại hóa lợi ích thu được khi đặt thiết bị bù, bao gồm các lợi ích thu được trừ đi chi phí đặt bù Hàm này phải đạt giá trị cực đại :

F = B – C - CΔQ  max, [đồng/năm] (1.15)

B là lợi ích thu được do giảm tổn thất điện năng so với trước khi đặt bù

B = CΔ.DA [đồng/năm] (1.16)

CΔ là giá 1 kWh tổn thất điện năng, lấy bằng giá bán điện trung bình, đ/kWh

DA là độ giảm tổn thất điện năng so với trước khi đặt bù, kWh

DA phụ thuộc vào cấu trúc lưới, đồ thị phụ tải công suất phản kháng, cấu trúc trạm bù : số lượng, vị trí, chế độ vận hành tụ bù

C là chi phí hàng năm của việc lắp đặt tụ bù

+ Vốn đầu tư cho 1 trạm bù :

V bj = k 0j + k b (Q b ).Q bj [đồng] (1.17)

+ Vốn đầu tư cho n trạm tụ bù :

) ).

( (

1 1

bj b b n

j oj n

atc = 1/Tn là hệ số thu hồi vốn đầu tư tiêu chuẩn

Tn là thờig ian thu hồi vốn đầu tư tiêu chuẩn, năm

kvh, kkh là hệ số vận hành và hệ số khấu hao thiết bị, thường lấy theo phần trăm vốn đầu tư (bao gồm cả xây lắp và thiết bị)

Để đơn giản ta có thể viết : kb(Qb) = kb = hằng số

Ta có thể viết lại hàm mục tiêu :

−

=C∆ DA p k oj k b Q bj

F . > max (1.23)

c Các điều kiện ràng buộc:

Điều kiện cân bằng công suất phản kháng nút :

Tổng công suất phản kháng tới một nút bất kỳ trong mạng điện phải cân bằng với tổng công suất phản kháng đi ra từ nút đó:

Qi là công suất phản kháng đi tới nút j, với mạng điện hở i = j

Tổng k lấy ứng với các nhánh nối với nút i có hướng tới công suất đi ra khỏi nút

Điều kiện về công suất phát của tụ

0 ≤ Q bj ≤ Q bjmax (1.25)

Qbjmax là công suất bù tối đa tại nút j, xác định theo công suất phụ tải

Điều kiện về chất lượng điện áp

Điện áp tại các nút trong mạng điện ở bất kỳ chế độ làm việc nào đều phải nằm trong giới hạn cho phép :

ΔV cpd % ≤ ΔV j % ≤ ΔV cpt % (1.26)

Hay U min ≤ U j ≤ U max (1.27)

Umax, Umin là giới hạn cho phép trên và dưới của điện áp, kV

Điều kiện về dòng điện (khả năng tải của đường dây)

Sau khi đặt bù, dòng điện chạy qua các nhánh phải ở trong giới hạn cho phép, nghĩa là :

I i ≤ I cpi (1.28)

Icpi là dòng điện cực đại cho phép chạy qua nhánh i, giá trị này được xác định theo tiết diện dây dẫn của mạng điện

Các điều kiện liên quan đến vốn đầu tư (thời gian thu hồi vốn)

Sẽ được xét đến như một điều kiện đủ để quyết định có nên đặt bù tại một nút

j nào đó hay không

Việc giải bài toán bù tổng quát với đầy đủ các hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc là một bài toán phức tạp Trên thực tế người ta thường giải bài toán bù với một hàm mục tiêu đơn giản hoặc dựa vào phương pháp kinh nghiệm

Hiện nay có nhiều phương pháp tính bù cho lưới phân phối, mỗi phương pháp

có một số giả thiết nhất định để đơn giản việc tính toán và dĩ nhiên khả năng áp dụng cũng bị rằng buộc theo các điều kiện giả định đó Chúng ta sẽ lần lượt xem xét một số phương pháp tính toán Ở đây chúng ta xem xét các phương pháp tính bù với

tụ điện được lắp rải trên lưới, vì như đã trình bày ở các phần trước, việc bù rải trên lưới mang nhiều hiệu quả trong việc cải thiện phân bố điện áp và nâng cao hệ số cosφ cục bộ cho các phụ tải tốt hơn là bù tập trung

Trước hết chúng ta xem xét trường hợp đơn giản là phụ tải tập trung và phân

bố đều

Hình 1.0 biểu diễn một xuất tuyến thực tế gồm nhiều phân đoạn với các phụ tải phân bố đều và tập trung Mỗi phân đoạn đường dây biểu thị một phần của xuất tuyến nằm giữa các thiết bị đóng ngắt, thiết bị điều chỉnh điện áp hay các điểm quan trọng khác Để thuận tiện ta giả thiết phụ tải hay dòng điện đường dây và tổn thất

I2R gồm hai thành phần:

(1) thành phần cùng pha hay thành phần tác dụng của dòng điện;

(2) thành phần lệch pha hay thành phần phản kháng của dòng điện

Vì tổn thất do thành phần cùng pha hay tác dụng của đường dây khi đặt tụ bù ngang không có tác dụng lớn do đó chúng sẽ không được xem xét Điều này có thể kiểm tra như sau:

Giả thiết tổn thất I2R được gây ra bởi dòng điện đường dây chậm sau I chạy qua mạch có điện trở R được biểu diễn như sau:

Trước hết chúng ta xem xét trường hợp đơn giản là phụ tải tập trung và phân

bố đều:

I2R = (I cosΦ)2R + (I sinΦ)2R (1.29) Sau khi thêm tụ vào với dòng Ic, kết quả là dòng điện đường dây mới I1 và tổn thất mới I1 R, do vậy:

I1 R = (I cosΦ)2R + (I sinΦ - Ic)2R (1.30) Vậy tổn thất giảm do tụ:

∆Pls = I2R - I1 R (1.31)

Thế (1.29) và (1.30) vào (1.31) ta cú:

∆Pls = 2(I sinΦ)IcR - Ic R (1.32) Như vậy chỉ cú thành phần lệch pha hay thành phần phản khỏng của dũng điện

là IsinΦ được tớnh vào trong việc giảm tổn thất I2R như là kết quả của việc lắp đặt thờm tụ điện

Giả sử chiều dài của phõn đoạn đường dõy là 1 đơn vị chiều dài như trờn hỡnh 1.0 Dạng dũng điện ở một thời điểm cho trước trờn xuất tuến là hàm số của khoảng cỏch tớnh từ điểm đầu xuất tuyến Do đú tổn thất vi phõn I2R của phõn đoạn vi phõn

dx tại vị trớ x cú thể biểu diễn:

dPls = 3[ I1 - (I1 - I2)x]2Rdx (1.33)

Tải tập trung Tải phân bố đều

dx

Phân bố dòng i=I 1 - (I 1 - I 2 )x

Hỡnh 1.0 Xuất tuyến sơ cấp với phụ tải gộp lại (hay tập trung) và cỏc tải phõn

bố đều, và dạng phõn bố dũng điện trước khi lắp đặt tụ

Do đú tổng tổn thất I2R của xuất tuyến là:

R I I I I Rdx x I I I dP

P

x x

ls

1 0 1 1

0

++

Pls - tổng tổn thất I2R của xuất tuyến trước khi thờm tụ;

I1 - dũng phản khỏng tại điểm đầu của phõn đoạn;

I2 - dũng phản khỏng tại điểm cuối của phõn đoạn;

R - điện trở tổng của phõn đoạn;

x - khoảng cách mỗi đơn vị từ điểm đầu của phân đoạn

1.3.1 Gi ảm tổn thất nhờ lắp đặt tụ

Việc lắp thêm một bộ tụ điện trên xuất tuyến sơ cấp gây ra việc phá vỡ tính liên tục của đường phân bố tải phản kháng, làm thay đổi dạng phân bố của dòng phản kháng, và kết quả là giảm tổn thấ như biểu diễn ở hình 1.1

Do vậy, phương trình tổn thất sau khi lắp đặt thêm một bộ tụ có dạng:

Rdx I

x I I I Rdx

I x I I I

x x c

x

x ls

2 2

1 1

1 2

2 1 0 1 '

])(

[3]

)(

[3

P

P P P

'

−

=

∆ (1.37) Thay (1.34) và (1.35) vào phương trình (1.37) ta có:

R I I I I

R I I I x I I x x

ls

)(

])

2[(

3

2 2 2 1 2 1

2 2 1 1 1 1

++

∆

2

1 1 1

2 1 1 1 2

1 2 1 2

I I

I x I

I x I

I I I

1 1 2 1

.+)-2(++1

-3

=

λ λ

C=0,1

C=0,5

C=0,9

C=0,2 C=0,8

C=0,3 C=0,7 C=0,4 C=0,6

Hình 1.2 Độ giảm tổn thất là một hàm số của vị trí lắp đặt tụ và tỉ số bù tụ cho một

phân đoạn đường dây có các phụ tải phân bố đều, (λ=0)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,1

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Hình 1.4 Độ giảm tổn thất là một hàm số của vị trí lắp đặt tụ và tỉ số bù tụ cho một phân đoạn đường dây với tổ hợp của các phụ tải phân bố đều và tập trung,

(λ=1/2)

Gọi: 2

++1

1

=

λ λ

α (1.43) Phương trình (1.42) có thể biểu diễn như sau:

]-.+)-2[(

3

=

ΔP ls α cx1 x1 c x1λ c c (1.44) Các hình (1.2) đến (1.4) cho thấy việc giảm tổn thất có thể hoàn thành bằng cách thay đổi việc lắp đặt một bộ tụ điện đơn với các cỡ dung lượng cho trước đối với các tỉ số bù tụ dọc theo xuất tuyến cho các tải khác nhau Ví dụ như tải phân bố đều (λ=1), hay tổng hợp của tập trung và phân bố đều (0<λ<1) Dùng các hình này cho các trường hợp cho sẵn, các hệ số sau đây phải được biết trước:

1 Tổn thất ban đầu cho dòng phản kháng;

x I I I

Rdx I

x I I I Rdx I x I I I P

c x

x

c x

x x c

x

o x ls

2 2

1 1 1

2 2

1 1 2

2 1 1 '

] - ) - ( 3

] - ) - ( 3 ]

2 - ) - ( 3

2

2 1 1

[(

])

cx α

[(

] )

[(

] )

I 1 I 2

Tải tập trung Tải phân bố đều

])

[(

])

[(

])

[(

{

c λ x x x

c λ x x x

c λ x x x

c λ x x x

c α

P ls

+-2+3-+-2+

-+5-+-2+7-+-23

=Δ

4 4 4

3 3 3

2 2 2

1 1 1

P

1

] 1) - (2i - ) - 2 [(

3α λ (1.50) Với : c – tỷ số bự tại mỗi vị trớ lắp đặt được xỏc định ở phương trỡnh (1.40)

xi – khoảng cỏch mỗi đơn vị của vị trớ lắp đặt bộ tụ thứ i kể từ nỳt nguồn

n – tổng số bộ tụ

1.3.2 V ị trớ lắp đặt tối ưu bộ tụ điện

Vị trớ lắp đặt tối ưu bộ tụ điện thứ i cú thể xỏc định bằng cỏch lấy đạo hàm bậc nhất của phương trỡnh (1.50) theo xi và cho bằng 0

)(

)

(

c i λ

X i opt

12

-1-2 11

= (1.51)

Xi.opt – vị trí lắp đặt tối ưu của bộ tụ thứ i trên mỗi đơn vị chiều dài

Thay phương trình (1.51) vào (1.50), giảm tổn thất tối ưu có thể tìm được là :

LS

ic c

c i c i c

P

1

2 2

2 2

1

) - 1 ( 4

- 1 ) - 1 ( 2

-) 1 - 2 ( - - 1

1 3

λλλ

λλ

1

2

)12

)1(

; ∑

=

++

=

n

i

n n

n i

1

2

6

)12)(

1(

) 1 ( )

1 ( 4 6

) 1 2 )(

1 ( 1

1 3

2 2

2 2

n nc nc

n n

nc c n n c

.

n nc cn n

2+

=

n

c (1.55) Phương trình 1.55 có thể gọi là quy tắc 2/(2n+1) Ví dụ khi n=1, dung lượng tụ

bù là 2/3 của tổng phụ tải phản kháng được lắp đặt tại:

)1(3

2

1 = −λ

x (1.56) Khoảng cách từ nguồn đến điểm cuối của xuất tuyến và giảm tổn thất đỉnh là:

)1(9

Do vậy giảm tổn thất tối ưu: P LS opt p.u

có thể quan sát được một bộ tụ điện dung lượng 2/3 của tổng công suất phản kháng của phụ tải và lắp đặt ở vị trí 2/3 kể từ nguồn cung cấp làm giảm tổn thất 89%

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

n=2

n=1

n=3 n=

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,1

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

n=2

n=1

n=3 n=4

Hình 1.7 So sánh việc giảm tổn thất có thể đạt được từ n=1, 2, 3

và ∞ bộ tụ, với λ=1/4

Trong trường hợp hai bộ tụ, với mức độ bù bằng 4/5 tổng công suất phản kháng và lắp đặt ở khoảng cách 4/5 kể từ nguồn thì độ giảm tổn thất tối đa là 96% Hình 3.20 cho các đường cong tương tự của tổ hợp của các phụ tải tập trung và phân bố đều

(λ=1/4)

1.3.3 Giảm tổn thất điện năng nhờ các tụ điện

Giảm tổn thất điện năng mỗi đơn vị trên một phân đoạn đường dây ba pha với

tổ hợp của các phụ tải phân bố đều và tập trung nhờ lắp đặt các tụ bù ngang cố định là:

T c i F

x F x x

2 [(

T - tổng thời gian tụ điện bù ngang cố định được nối vào;

∆EL - độ giảm tổn thất điện năng p.u

Vị trí tối ưu để các tụ điện bù ngang cho độ giảm tổn thất điện năng tối đa có thể tìm được nhờ vi phân phương trình (1.58) theo xi và cho kết quả bằng 0, do đó:

])12(2)1(2[3)

c i F

x F

c x

EL

LD i

LD i

−

−+

)1(2

)12(1

1

LD opt

i

F

c i x

'

12

+

= (1.62)

Từ phương trình (1.62) có thể thấy rằng, nếu tổng số số lượng các bộ tụ điện đạt đến không xác định thì dung lượng tụ điện tổng tối ưu bằng với hệ số phản kháng của tải

Nếu chỉ có một bộ tụ được sử dụng, dung lượng tụ tối ưu để đạt độ giảm tổn thất điện năng tối đa là:

để đạt được độ giảm tổn thất điện năng tối đa trên một phân đoạn đường dây có phụ tải phân bố đều với λ=0, α=1

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

3

LD LD

opt

F

n nc cn nF

c EL

λα

T F n

n C C F

C T

LD

T T

12

) 1 4 ( 1

3

' 2

2 2 '

Trên cơ sở phương trình (1.64), các độ giảm tổn thất điện năng tối ưu với một

số cỡ tụ lắp đặt tại vị trí tối ưu cho các hệ số phản kháng phụ tải thay đổi, có thể tính toán được và kết quả được vẽ ở các hình từ (1.9) đến (1.14) Điều quan trọng cần lưu ý là đối với tất cả các giá trị của λ, khi hệ số phản kháng của phụ tải là 0,2

hay 0,4 thì việc sử dụng tụ cố định với tỷ số hiệu chỉnh 04 và 0,8 và kết quả giảm tỏn thất điện năng là không

Các hình từ (1.8) đến (1.13) cho thấy hiệu quả của các hệ số phản kháng của phụ tải khác nhau trên các độ giảm tổn thất điện năng tối đa của một xuất tuyến với các phụ tải khác nhau

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Hình 1.9 Giảm tổn thất điện năng với kích cỡ bộ tụ bất kỳ, được lắp đặt

tại vị trí tối ưu (F LD' =0,2)

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Hình 1.10 Giảm tổn thất điện năng với kích cỡ bộ tụ bất kỳ, được lắp đặt tại

vị trí tối ưu (F' = 0 , 4)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,1

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,1

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

F' LD =0,8 F' LD =0,6

F' LD =0,4 F' LD =0,2

Hình 1.14 Các ảnh hưởng của hệ số công suất đối với giảm tổn thất điện năng nhờ việc lắp đặt bộ tụ điện trên một phân đoạn đường dây có phụ tải phân bố đều (λ=0)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,1

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Hình 1.15 Các ảnh hưởng của hệ số công suất đối với giảm tổn thất điện năng nhờ việc lắp đặt bộ tụ điện trên một phân đoạn đường dây có phụ tải phân bố đều

(λ=1/4)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,1

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9