1. Khỏi niệm cosφ:
Hệ số cụng suất cosφ được tớnh như sau: P
cos = S
ϕ (7.7)
Vỡ cụng suất là đại lượng thay đổi liờn tục theo thời gian nờn cosφ cũng liờn tục thay đổi. Hệ số cosφ cú thểđược biểu thị dưới cỏc giỏ trị sau:
- Hệ số cụng suất tức thời cosφtt: Cú thểđo bằng dụng cụđo lường như cosφ
một hoặc được tớnh theo cụng thức sau: tt tt tt P (t) cos (t) = S (t) ϕ (7.8)
- Hệ số cụng suất trung bỡnh cosφtb: Được tớnh trong một chu kỳ thời gian khảo sỏt ( thường là một ca làm việc, một ngày hay một thỏng… ) theo cụng thức sau:
tb tb
tb Q cos = cos arctg
P
ϕ (7.9)
- Hệ số cụng suất tự nhiờn cosφtn: Là hệ số cụng suất trung bỡnh cosφtn tớnh trong một năm khi khụng cú thiết bị bự. Hệ số cụng suất cosφtb tự nhiờn được
101 dựng làm căn cứ để tớnh toỏn nõng cao hệ số cụng suất và bự cụng suất phản khỏng.
2. í nghĩa của việc nõng cao cụng suất cosφ:
Nếu hệ số cosφ của phụ tải càng cao thỡ lượng cụng suất phản khỏng từ hệ
thống truyền đến phụ tải sẽ càng giảm và do đú đem lại những lợi ớch sau: - Giảm được tổn thất điện ỏp, tổn thất cụng suất và tổn thất điện năng trong lưới điện: 2 2 2 max P +Q ∆P = .R U ∆A = ∆P .τ P.R+Q.X ∆U = U Khi cosφ tăng thỡ Q giảm do đú ∆P, ∆A, ∆U đều giảm.
- Tăng khả năng truyền tải của đường dõy: Khả năng truyền tải của đường dõy phụ thuộc vào điều kiện phỏt núng cho phộp, tức là phụ thuộc vào dũng điện lớn nhất cho phộp đi qua nú. Mặt khỏc: 2 2 cp P + Q I = 3.U
Với cựng một tỡnh trạng phỏt núng nhất định của đường dõy, tức là tương
ứng với một giỏ trị Icp = const, nếu ta giảm được lượng cụng suất phản khỏng Q truyền đi trờn đường dõy thỡ lượng cụng suất tỏc dụng P được phộp truyền tải sẽ
tăng lờn. Nghĩa là nếu cosφ của lưới được nõng cao thỡ khả năng truyền tải cũng sẽđược tăng lờn.
- Tăng khả năng truyền tải của mỏy biến ỏp: Mỗi mỏy biến ỏp được chế tạo với một cụng suất nhất định:
2 2 dmB
S = P + Q
Vỡ vậy khi giảm lượng cụng suất phản khỏng Q đi qua mỏy biến ỏp thỡ sẽ
làm tăng khả năng truyền tải cụng suất tỏc dụng P.
phỏt điện cũng thường được chế tạo với cụng suất nhất định. dmF dmF dmF
S = P + j.Q
Vỡ vậy khi giảm cụng suất phản khỏng Q thỡ cú thể tăng được lượng cụng suất tỏc dụng P phỏt ra. Tuy nhiờn mỏy phỏt điện thường được chế tạo với cosφ = 0,85 nờn khụng được nõng cao cosφ lờn quỏ mức vỡ sẽ làm núng mỏy ( thường chỉ tăng lờn đến 0,9).
3. Cỏc biện phỏp nõng cao hệ số cụng suất cosφ:
Để nõng cao hệ số cosφ thỡ cú hai biện phỏp sau: a. Nõng cao hệ số cosφ tự nhiờn:
- Thay đổi và cải tiến quy trỡnh cụng nghệ sao cho hợp lý nhất để tiết kiệm
điện năng tiờu thụ.
- Giảm thời gian chạy khụng tải của cỏc động cơ : Trong cỏc nhà mỏy xớ nghiệp, cụng suất phản khỏng tiờu thụ của cỏc động cơ thường chiếm từ 60 ữ 70% cụng suất phản khỏng của toàn nhà mỏy. Cụng suất phản khỏng lỳc
động cơ làm việc khụng tải thường chiếm khoảng 60ữ70% cụng suất phản khỏng định mức. Vỡ vậy hạn chế động cơ chạy khụng tải là một biện phỏp tốt để
giảm lượng tiờu thụ cụng suất phản khỏng, nhờ đú tăng hệ số cosφ. Tuy nhiờn, khi cắt động cơ cần phải cõn nhắc do lỳc đúng lại cần phải tiờu tốn điện năng để
khởi động. Thụng thường, nếu thời gian chạy khụng tải lớn hơn 10 phỳt thỡ cắt
động cơ cũn nhỏ hơn 10 phỳt thỡ khụng cần cắt.
- Thay thế cỏc động cơ thường xuyờn làm việc non tải bằng cỏc động cơ cú cụng suất nhỏ hơn. Tuy nhiờn việc thay thế động cơ phải căn cứ vào hệ số tải của động cơ:
Nếu kt≤ 0,45 thỡ nờn thay thế. Nếu kt≥ 0,7 thỡ khụng nờn thay.
Nếu 0,45 < kt < 0,7 thỡ việc thay thế phải dựa vào sự so sỏnh kinh tế, kỹ
thuật khi thay động cơ.
Lưu ý: Biện phỏp này chỉ ỏp dụng đối với cỏc động cơ làm việc riờng lẻ. - Giảm điện ỏp đầu cực đối với những động cơ thường xuyờn làm việc non
103 tải:
Khi khụng cú khả năng thay thế cỏc động cơ thường xuyờn làm việc non tải, ta cú thể thực hiện biện phỏp giảm điện ỏp đặt trờn cực động cơ để làm giảm dũng điện từ húa, nhờ đú cụng suất phản khỏng tiờu thụ bởi động cơ cũng giảm theo và nõng cao được hệ số cụng suất cosφ
Biện phỏp này cú thểđược thực hiện bằng cỏc cỏch sau: + Thay đổi đầu phõn ỏp của cỏc mỏy biến ỏp phõn xưởng. + Phõn đoạn cuộn dõy stato.
+ Đổi nối cỏc cuộn dõy stato từ nối ∆ sang nối Y: Biện phỏp này được thực hiện với cỏc động cơ bỡnh thường cú stato đấu nối ∆. Khi đú điện ỏp đầu cực động cơ giảm 3 lần, cụng suất phản khỏng giảm 3 lần. Tuy nhiờn phải lưu ý cỏc vấn đề sau:
. Mụmen quay của động cơ bị giảm 3 lần nờn phải kiểm tra xem cú bị
quỏ tải hay khụng.
. Dũng điện tăng 3 lần cú thể vượt quỏ dũng điện lớn nhất cho phộp.
. Thường chỉ ỏp dụng với cỏc động cơ cú điện ỏp dưới 1000V và hệ
số tải kt≤ 0,45.
- Nõng cao chất lượng sửa chữa, bảo dưỡng động cơ. - Đồng bộ húa cỏc động cơ khụng đồng bộ.
- Thay thế cỏc động cơ khụng đồng bộ bằng động cơ đồng bộđối với những thiết bị khụng cú yờu cầu điều chỉnh tốc độ.
- Thay thế cỏc mỏy biến ỏp thường xuyờn làm việc non tải bằng cỏc mỏy biến ỏp cú cụng suất hợp lý hơn.
- Vận hành kinh tế trạm biến ỏp sao cho tổng tổn thất của trạm là nhỏ nhất. * Kết luận: Cỏc biện phỏp này thường đũi hỏi khụng nhiều vốn đầu tư nhưng hiệu quả kinh tế bền vững. Vỡ vậy, khi muốn nõng cao hệ số cụng suất của cỏc thiết bị dựng điện thỡ trước hết cần phải tận dụng tối đa cỏc giải phỏp này, nếu hệ
b. Bự cụng suất phản khỏng để nõng cao hệ số cosφ của cỏc hộ dựng điện: Cỏc thiết bị bự cụng suất phản khỏng: - Tụđiện tĩnh. - Mỏy bự đồng bộ. - Động cơđồng bộ làm việc ở chếđộ quỏ kớch thớch.
- Động cơ khụng đồng bộ đó được đồng bộ húa làm việc ở chế độ quỏ kớch thớch
Tuy nhiờn hai thiết bị sau đắt tiền và cú tổn thất cụng suất trong quỏ trỡnh làm việc lớn dẫn đến giỏ thành/đơn vị cụng suất bự cao. Vỡ vậy chỳng chỉ được sử dụng làm thiết bị bự trong trường hợp bất đắc dĩ.
Tụđiện tĩnh: + Ưu điểm:
. Vận hành đơn giản.
. Tổn hao cụng suất và tổn hao điện năng trờn tụ điện tĩnh trong quỏ trỡnh làm việc nhỏ: 0,03ữ0,04 kW/kVAr.
. Giỏ thành một đơn vị cụng suất bự ớt phụ thuộc vào dung lượng của tụ vỡ vậy cú thể dựng nhiều tụ nhỏđể đặt gần phụ tải nhằm giảm tối đa tổn hao trờn lưới. . Tụ cú thểđặt nối tiếp hoặc song song ở mọi cấp điện ỏp và dễ dàng điều chỉnh dung lượng bự. + Nhược điểm: . Chỉ phỏt ra cụng suất phản khỏng mà khụng tiờu thụ cụng suất phản khỏng nờn khi trờn lưới dư thừa cụng suất phản khỏng thỡ khụng thể tiờu thụ được.
. Khụng điều chỉnh trơn được cụng suất phản khỏng nờn khú bự được chớnh xỏc lượng cụng suất phản khỏng cũn thiếu.
. Cụng suất phản khỏng của tụ tỉ lệ với bỡnh phương điện ỏp đặt tại
đầu cực của tụ.
105
định mức là tụ nổ
Do tụ cú những ưu điểm nổi trội nờu trờn nờn là thiết bị bự dựng chủ yếu trong lưới điện.
Mỏy bự đồng bộ: Thực chất đõy là 1 động cơđồng bộ làm việc ở chếđộ quỏ kớch thớch nhưng là thiết bị bự nờn được thiết kếđể luụn chạy khụng tải, nhờ đú mà kết cấu nhẹ, tổn thất cụng suất thấp, giỏ rẻ. + Ưu điểm: . Cú thể phỏt hoặc thu cụng suất phản khỏng. . Cú thể điều chỉnh trơn được cụng suất phản khỏng nờn dễ dàng bự chớnh xỏc. . Ít nhạy cảm với điện ỏp: Cụng suất phản khỏng tỉ lệ với bậc nhất điện ỏp đầu cực của nú. + Nhược điểm: . Đắt tiền. . Cú phần quay nờn quản lý, vận hành, sửa chữa phức tạp.
. Tổn thất cụng suất tỏc dụng trong quỏ trỡnh làm việc lớn hơn nhiều so với tụ.
. Giỏ thành cho một đơn vị cụng suất bự của mỏy bự đồng bộ phụ
thuộc nhiều vào dung lượng bự của mỏy. Mỏy cú cụng suất lớn thỡ giỏ rẻ và ngược lại, vỡ vậy chỉ dựng mỏy bự đồng bộ cú cụng suất lớn hơn 5000kVA
. Hiện nay chỉ sản xuất mỏy bự dựng ở cấp điện ỏp từ 35kV trở
xuống.
Do những ưu, nhược điểm trờn mà mỏy bự chỉ được dựng để bự cho nỳt phụ
tải trung ỏp quan trọng cú cụng suất lớn và đũi hỏi khắt khe về dung lượng bự. 4. Khỏi niệm về bài toỏn bự cụng suất phản khỏng:
Bài toỏn bự cụng suất phản khỏng là bài toỏn tỡm dung lượng bự, thiết bị bự, vị trớ đặt bự sao cho đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Cú hai loại bự cụng suất phản khỏng:
- Bự kỹ thuật được thực hiện do trong lưới thiếu cụng suất phản khỏng để đảm bảo điện ỏp cho phộp. Bự kỹ thuật được thực hiện cưỡng bức.
Trong lưới điện xớ nghiệp cụng nghiệp, phải thực hiện bự cưỡng bức đểđảm bảo hệ số cụng suất cosφ do hệ thống điện yờu cầu.
- Bự kinh tế nhằm giảm tổn thất cụng suất và tổn thất điện năng. a. Bài toỏn bự kinh tế:
Nội dung bài toỏn: Tỡm vị trớ đặt, số lượng, dung lượng thiết bị bự sao cho kinh tế nhất.
Để giải bài toỏn này, ta xõy dựng hàm mục tiờu dưới dạng hàm chi phớ tớnh toỏn hàng năm Z:
Z = Z1 + Z2 + Z3 → min Trong đú cú cỏc thành phần sau:
- Thành phần Z1 là chi phớ tớnh toỏn hàng năm cho việc lắp đặt thiết bị bự. Z1 = ( avh + atc).kb.QbΣ (7.10) Với:
avh : Hệ số vận hành thiết bị bự.
atc : Hệ số thu hồi vốn đầu tư tiờu chuẩn. kb : Giỏ một đơn vị thiết bị bự ( đ/kVAr). QbΣ: Tổng dung lượng bự lắp đặt trong lưới.
- Thành phần Z2 là chi phớ tớnh toỏn do tổn thất điện năng trong thiết bị bự.
Z2 = ∆Pb*. QbΣ.t.C (7.11)
Với:
∆Pb* : Suất tổn thất cụng suất tỏc dụng trong thiết bị bự (kW/kVAr). t : Thời gian vận hành thiết bị bự.
C : Giỏ tiền cho 1 đơn vị tổn thất điện năng ( đ/kWh).
- Thành phần Z3 là chi phớ tớnh toỏn do tổn thất điện năng trong lưới sau khi
đó đặt thiết bị bự. 2 n i bi 3 2 i i i=1 dmi (Q - Q ) Z = C. .R .τ U ∑ (7.12) Với: Qbi: Cụng suất bự tại nỳt phụ tải thứ i ( kVAr).
107 Udmi: Điện ỏp định mức tại nỳt phụ tải thứ i Lưư ý: n bΣ bi i=1 Q =∑Q
Vậy ta cú bài toỏn bự cú hàm mục tiờu:
2 n * bi vh tc b bΣ b bΣ 2 i i i=1 dmi (Q - Q ) Z = (a + a ).k .Q + ∆P .Q .t.C + C. .R .τ min U → ∑ (7.13) Với ràng buộc: bi Q 0≥ ( nếu là mỏy bự đồng bộ thỡ Qbi ≥ 5000kVAr) Cỏch giải: - Tớnh đạo hàm bậc nhất của Z theo Qbi: bi Z Q ∂ ∂ . - Giải hệ phương trỡnh bi Z 0 Q ∂ = ∂ sẽ tỡm được cỏc giỏ trị Qbi.
- Nếu cú một giỏ trị Qbi < 0, ta thay giỏ trị đú bằng 0 và giải lại hệ phương trỡnh
b. Bài toỏn bự cưỡng bức: Nội dung bài toỏn:
Khi lượng cụng suất phản khỏng do nguồn phỏt ra khụng đủ: QF < Qpt + ∆Qtt
Thỡ bắt buộc phải bự cụng suất phản khỏng với tổng cụng suất bự là:
QbΣ = Qpt + ∆Qtt - QF (7.14)
Do trong bài toỏn này lượng QbΣ là cố định nờn cỏc thành phần Z1 và Z2 là như nhau đối với mọi phương ỏn. Vỡ vậy bài toỏn bự cưỡng bức cú hàm mục tiờu: 2 n i bi i 2 i=1 dmi (Q - Q ) Z = C.τ. .R min U → ∑ (7.15) Với ràng buộc:
bi n bi bΣ i = 1 Q 0 W = Q Q 0 ≥ − = ∑ Cỏch giải:
Ta giải bài toỏn bằng phương phỏp Lagrang: - Lập hàm Lagrang: L = Z – λ.W → min - Điều kiện để hàm L đạt giỏ trị min là: b1 b1 b1 b1 b2 b2 b2 b2 bn bn bn bn bΣ b1 b2 bn L Z W Z = - λ. = - λ = 0 Q Q Q Q L Z W Z = - λ. = - λ = 0 Q Q Q Q ... L Z W Z = - λ. = - λ = 0 Q Q Q Q L = - W = Q - (Q + Q +...+ Q ) λ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ (7.16) - Giải hệ phương trỡnh trờn ta tỡm được Qbi.
5. Bài toỏn bự cụng suất phản khỏng trong hệ thống cung cấp điện: Bài toỏn bự cụng suất phản khỏng trong hệ thống cung cấp điện là bài toỏn
bự cưỡng bức nhằm đạt được cosφ theo yờu cầu của hệ thống điện: cosφyc = 0,85ữ 0,9 - Tổng dung lượng cụng suất phản khỏng cần phải bự là: ( ) bΣ tn yc t Q = tgϕ -tgϕ .P (7.17) Trong đú: Pt: Cụng suất tỏc dụng của phụ tải.
φtn: Gúc được tớnh từ hệ số cosφtn tự nhiờn.
φyc: Gúc được tớnh từ hệ số cosφyc theo yờu cầu từ hệ thống. - Vị trớ đặt thiết bị bự:
Như đó núi ở trờn, mỏy bự đồng bộ do cú cụng suất lớn nờn thường được dựng để bự tập trung ở những điểm quan trọng của hệ thống điện và thường ở
109 cấp trung ỏp. Đối với tụ bự, cú thểđược đặt ở cấp điện ỏp cao hoặc điện ỏp thấp sao cho đạt được hiệu quả cao nhất:
+ Tụ bự đặt ở phớa cao ỏp: Tụ bự được đặt tập trung ở thanh cỏi của trạm biến ỏp trung gian hoặc trạm phõn phối.
. Ưu điểm: Quản lý, vận hành dễ dàng
Cú khả năng thực hiện việc tự động húa điều chỉnh dung lượng bự.
Vốn đầu tư thấp.
Tận dụng được dung lượng bự của tụđiện.
. Nhược điểm: Khụng bự được cụng suất phản khỏng ở mạng điện ỏp thấp nờn khụng giảm được tổn thất điện ỏp và tổn thất điện năng ở mạng điện ỏp thấp.
+ Tụ bự đặt ở phớa hạ ỏp: Tụ bự cú thểđặt tập trung ở thanh cỏi hạ ỏp của trạm biến ỏp phõn xưởng, đặt thành nhúm ở tủ phõn phối động lực hoặc đặt tại từng phụ tải.
. Ưu điểm: Giảm được tổn thất điện ỏp và tổn thất điện năng nhiều hơn so với cỏch đặt tụ bự phớa hạ ỏp do bự sõu hơn.
Cho phộp chọn được mỏy biến ỏp cú cụng suất nhỏ hơn. . Nhược điểm: Khụng tận dụng được dung lượng bự của tụ.
Khú khăn trong việc quản lý, vận hành. Vốn đầu tư cao.
Trong thực tế, tựy theo tỡnh hỡnh cụ thể mà ta lựa chọn vị trớ đặt bự cho thớch hợp.
Sau khi đó xỏc định tổng dung lượng cần phải bự, ta cú cỏc bài toỏn bự cơ bản trong hệ
thống cung cấp điện như sau:
a. Phõn bố dung lượng bự trong mạng hỡnh tia: