I d c≥ q t= =A 2
TƠÍ ƯU HỐ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MẠNG ĐIỆN.
CHƯƠNG 7
TƠÍ ƯU HỐ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MẠNG ĐIỆN. MẠNG ĐIỆN.
$7-1 KHÁI NIỆM.
Mạng điện phải được thiết kế và vận hành một cách kinh tế nhất tức là cĩ chi phí tính tốn Z bé nhất. Muốn đạt được điều đĩ thì một yếu tố quan trọng là phải tìm mọi cách để giảm tổn thất cơng suất và tổn thẩt điện năng.Trong HTĐ tổn thất cơng suất cĩ thể đạt tới 15% hoặc lớn hơn và tương ứng sẽ cĩ một lượng tổn thất điện năng lớn.Vì vậy vấn đề giảm tổn thất cơng suất và điện năng cĩ một ý nghĩa rất lớn vì:
-Giảm được tổn thất cơng suất thì giảm được vốn đầu tư để xây dựng nguồn điện (nhà máy điện)vì khơng phải tăng cơng suất của NMĐ để phát lượng cơng suất tổn thất đĩ.
-Giảm được tổn thất điện năng thì giảm được lượng nhiên liệu tiêu hao,giảm được gía thành sản xuất điện năng.
Các biện pháp chủ yếu để giảm tổn thất cơng suất và điện năng thường được áp dụng tromg mạng điện là:
1/Nâng cao hệ số cơng suất(cosϕ)của phụ tải.
2/Phân phối cơng suất phản kháng trong HTĐ một cách hợp lý nhất (bù kinh tế ).
3/Nâng cao điện áp của mạng điện. 4/Vận hành kinh tế các trạm biến áp.
5/Tối ưu hố chế độ mạng điện khơng đồng nhất. 6/Lưạ chọn sơ đồ nối dây hợp lý.
7/Các biện pháp quản lý,tổ chức.
Sau đây ta sẽ lần lượt xét một số biện pháp chính .
$7-2 NÂNG CAO HỆ SỐ CƠNG SUẤT CỦA PHỤ TẢI. Ta nhận thấy: ∆P=(S/U)2.R =(P/U. cosϕ)2.R
Vì vậy muốn giảm tổn thất cơng suất ta phải nâng cao hệ số cơng suất của phụ tải .Trong HTĐ các phụ tải là các động cơ khơng đồng bộ(KĐB) chiếm một tỷ lệ lớn .Hệ số cơng suất của động cơ KĐB phụ thuộc vào cơng suất, tốc độ và vào hệ số phụ tải của động cơ.
Cơng suất phản kháng mà các động cơ KĐB tiêu thụ cĩ thể xác định theo biểu thức:
Qt = Qkt+(Qđm-Qkt).(Kpt)2
Trong đĩ Kpt= P/Pđm là hệ số phụ tải của động cơ.
Vì ngay khi khơng tải Qkt đã chiếm tới (60-70)%Qđm nên khi Kpt giảm thì Qt cũng giảm xuống và ngược lại. Vì vậy để giảm ta phải tìm mọi biện pháp để nâng cao hệ số cosϕ. Các biện pháp chính để nâng cao cosϕ của phụ tải là:
a/Thay các động cơ cơng suất lớn bằng các động cơ cĩ cơng suất bé hơn phù hợp với cơng suất thực tế của máy cơng tác vì như vậy tăng được hệ số phụ tải của động cơ. Thực nghiệm và tính tốn thấy rằng khi Kpt<0,45 thì việc thay động cơ hồn tồn cĩ lợi, khi Kpt>0,7 thì khơng nên thay cịn khi Kpt= 0,45-0,7 thì cần so sánh mới quyết định được.
b/Đổi cách đấu dây quấn động cơ từ ∆ sang Y.
Ta biết cơng suất phản kháng khơng tải Qkt của động cơ phụ thuộc vào bình phương điện áp vì vậy muốn giảm Qkt ta cĩ thể giảm điện áp đặt vào động cơ bằng biện pháp đổi cách đấu dây của động cơ từ ∆ sang Y. Khi đổi như vậy thì điện áp đặt vào mỗi cuộn dây của động cơ sẽ giảm đi 3 lần vì vậy cần kiểm tra lại để khi chuyển đổi động cơ khơng bị quá tải.Thực tế cho thấy khi Kpt<0,4 thì việc chuyển đổi như vậy là cĩ lợi.
c/Ngồi các biện pháp nêu trên, để nâng cao cosϕngười ta cịn cĩ thể sử dụng các biện pháp khác nưã như nâng cao chất lượng sữa chữa động cơ,thay các động cơ điện khơng đồng bộ bằng các động cơ điện đồng bộ.... $7-3 BÙ KINH TẾ CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG MẠNG ĐIỆN.
Để giảm tổn thất cơng suất và điện năng trong HTĐ người ta cĩ thể : -Phân phối cơng suất tác dụng và phản kháng trong HTĐ một cách hợp lý nhất.
-Giảm cơng suất phản kháng truyền tải trên đường dây bằng biện pháp đặt các thiết bị bù(bù kinh tế).
Giáo trình mạng điện.
7.3.1 Khái niệm.
Nhận thấy rằng phần lớn phụ tải của mạng điện là các động cơ KĐB và các MBA cĩ thấp (tiêu thụ nhiều Q) nên trên các đường dây của mạng điện phải chuyên chở một lượng cơng suất phản kháng Q lớn làm tăng các tổn thất cơng suất và tổn thất điện năng (vì ∆P= 2
22 2
P Q
U
+ .R).
Như vậy muốn giảm ∆P, ∆A ta phải giảm lượng Q chuyên chở trên đường dây bằng cách đặt các thiết bị phát cơng suất phản kháng Q (gọi là thiết bị bù) ngay tại phụ tải (hình 7.1)
Giả thiết trước khi chưa đặt thiết bị bù, lượng cơng suất phản kháng truyền tải trên đường dây là Q thì tổn thất cơng suất là:
∆P1= 2 2 2 P Q U + .R
Sau khi đặt thiết bị bù với dung lượng là Qb thì tổn thất giảm xuống chỉ cịn là : ∆P2= 2 ( )2 2 P Q Q U b + −
.R < ∆P1 do đĩ giảm được tổn thất cơng suất và tổn thất điện năng.
Thơng thường trong HTĐ cosϕ phải được nâng lên trị số 0,9-0,95 (tăng cosϕ>0,95 cũng khơng nên vì lúc đĩ ∆P chủ yếu xác định là do P chứ khơng phải Q vì vậy nâng cao lên nữa chỉ tốn Qb mà ít giảm được ∆P,∆A) .Khi giảm được Q chuyên chở trong mạng điện thì cosϕcủa mạng điện (đường dây) được nâng cao. Hiệu quả của việc nâng cao cosϕ của mạng điện là :
-Giảm được ∆P, ∆A (như đã phân tích).
-Cĩ thể giảm được cơng suất của các MBA (vì giảm lượng cơng suất phản kháng truyền qua MBA).
Hình 7-1 P+jQ Qb ∼ P +j (Q-Qb) R + jX
Trong HTĐ hai loại thiết bị bù được sử dụng phổ biến nhất là tụ điện tĩnh (TĐT) và máy bù đồng bộ (MBĐB) tuy nhiên TĐT được sử dụng nhiều hơn vì những nguyên nhân sau :
-Tổín thất cơng suất tác dụng trong MBĐB lớn hơn nhiều so với TĐT:Ở MBĐB tổn thất cơng suất tác dụng trong một đơn vị bù là (1,3-5)% cịn ở TĐT chỉ khoảng 0,5%.
-Sử dụng, vận hành TĐT dễ dàng, linh hoạt hơn nhiều so với MBĐB vì ở TĐT khơng cĩ bộ phận quay như ở MBĐB.Khi bị hư hỏng từng bộ phận, TĐT vẫn cĩ thể làm việc được trong lúc đĩ nếu MBĐB bị hư hỏng thì sẽ mất hết dung lượng bù .Ngồi ra TĐT cĩ thể làm việc trong mạng điện với cấp điện áp bất kỳ cịn MBĐB chỉ làm việc với một số cấp điện áp nhất định. Cũng cần chú ý rằng giá 1KVAR của TĐT ít phụ thuộc vào cơng suất đặt và cĩ thể coi là khơng đổi cịn giá 1KVAR của MBĐB lại phụ thuộc nhiều vào dung lượng của nĩ (cơng suất càng lớn giá càng rẻ).
7.3.2 Xác định dung lượng bù tối ưu ((((dung lượng bù kinh tế)))).
Khi đặt thiết bị bù để giảm Q ta sẽ giảm được ∆P do đĩ giảm được phí tổn do tổn thất điện năng nhưng mặt khác khi đặt thiết bị bù ta cũng phải tốn một khoản tiền để mua, lắp đặt, vận hành thiết bị bù đĩ .Việc đặt thiết bị bù sẽ cĩ lợi nếu như số tiền tiết kiệm được do giảm tổn thất điện năng khi đặt thiết bị bù lớn hơn số tiền chi phí để đặt thiết bị bù hay nĩi cách khác dung lượng thiết bị bù (TĐT) lắp đặt hợp lý nhất về mặt kinh tế là dung lượng bảo đảm chi phí tính tốn hằng năm Z be ï nhất.
Gọi Z là chi phí tính tốn tồn bộ trong một năm khi đặt bộ tụ điện tĩnh cĩ dung lượng là Qb tại mạng điện cĩ một phụ tải S =P+jQ. Giả thiết rằng cơng suất TĐT khơng thay đổi trong suốt năm. Phí tổn Z bao gồm 3 phần :
1/Phí tổn do đặt tụ điện :
Z1=(avh+atc)Kb=(avh+atc).Kb* .Qb. Trong đĩ :
avh là hệ số vận hành của TĐT, thường lấy avh = 0,1.
atc là hệ số tiêu chuẩn thu hồi vốn đầu tư (VĐT), atc =1/Ttc, Ttc thường lấy 8 năm nên atc=0,125.
b
K* là giá tiền đầu tư cho một đơn vị dung lượng tụ điện (đ/KVAR). 2/Phí tổn về tổn thất điện năng do bản thân TĐT tiêu thụ .
Z2=C0. ∆Ab= C0. ∆P*
b.T = C0. ∆P*
Giáo trình mạng điện.
Trong đĩ : C0 là giá tiền 1kWh tổn thất điện năng. ∆P*
b là tổn thất cơng suất tác dụng trong một đơn vị dung lượng bù, với TĐT lấy ∆P*
b= 0,005.
T là thời gian TĐT làm việc.Nếu đặt TĐT tại trạm biến áp khu vực thì T= 8760 giờ/năm,cịn nếu đặt tại các xí nghiệp thì T= 2500-7000 giờ/năm (2500 tương ứng với chế độ làm việc một ca,7000 giờ ứng với xí nghiệp làm việc 3 ca).
3/Phí tổn về tổn thất điện năng trong mạng điện sau khi cĩ đặt TĐT: Z3= C0. ∆A = C0∆Pτ= C0. ( )2 2 Q Q U b − τ.R
(Ở đây ta khơng xét tới thành phần tổn thất điện năng do cơng suất tác dụng gây nên vì thành phần đĩ gần như khơng đổi đối với các phương án bù khác nhau).
Trong đĩ :
- Q là phụ tải phản kháng cực đại.
-R là điện trở cuả mạch tải điện (từ nguồn cung cấp đến vị trí đặt TĐT)
- τ là thời gian tổn thất cơng suất lớn nhất.
Vậy phí tổn tính tốn tổng của mạng điện sau khi đặt TĐT là : Z=Z1+Z2+Z3=(avh+atc)K*bQb+C0.∆P*b.Qb.T+ 0( )2 2 C Q Q U R b − τ (7.1) Để xác định được cơng suất TĐT ứng với phí tổn tính tốn bé nhất ta lấy đạo hàm của Z tổng theo Qb và cho bằng khơng.
∂Ζ ∂Qb=(avh+atc)K*b+ C0.∆P*b T- 2 0( ) 2 C Q Q U b − .R.τ. Từ đĩ : Qb= Q- 2[( ) ] 0 0 2 U a a K C T P C R vh+ tc *b+ ∆ *b τ
Trong cơng thức này nếu Q tính bằng MVAR, ∆Pb* bằng đồng/MVAR, C0 bằng đồng/MWh, U bằng KV thì Qb sẽ bằng MVAR.
Chú ý: Việc tính bù kinh tế phải tiến hành cho từng nhánh độc lập. Nếu nhánh cĩ nhiều phụ tải thì phương pháp tính tốn cũng tương tự. Trong trường hợp này phí tổn tính tốn Z tổng sẽ là hàm số của cơng suất các tụ điện Qb1, Qb2....Qbn đặt ở các hộ tiêu thụ khác nhau (hình 7.2) .Để xác định được dung lượng bù kinh tế ở từng hộ tiêu thụ ta phải lấy đạo hàm của Z
trình cần cĩ bằng số cơng suất chưa biết của bộ tụ điện. Với hệ phương trình đĩ ta tìm được các dung lượng cần bù Qbi. Nếu Qbk tại hộ k nào đĩ giải ra được là âm chứng tỏ việc đặt tụ điện tại hộ k đĩ là khơng hợp lý về mặt kinh tế, vì vậy ta thay Qbk đĩ bằng khơng ở các phương trình ∂Ζ
∂Qbi= 0 và giải lại hệ phương trình một lần nữa.
Với các mạng điện kín, để xác định dung lượng bù kinh tế trước hết cần xác định sự phân bố cơng suất phản kháng trong mạng điện kín đĩ (sau khi đã cĩ đặt các thiết bị bù tại các phụ tải), cĩ thể tính gần đúng theo điện trở R. Sau đĩ lập hàm chi phí tính tốn Z và tiến hành tương tự như các trường hợp trên.
Ví dụ 7.1 :
Mạng điện 110 KV cung cấp điện cho 2 phụ tải bằng đường dây liên thơng và 2 trạm biến áp 110/11 KV ,các số liệu về phụ tải và về mạng điện cho trên hình vẽ dưới. Xác định dung lượng bù kinh tế tại thanh cái 10 KV trạm 1 và 2 biết thời gian tổn thất cơng suất lớn nhất của các phụ tải đều bằng 4500 giờ.
Giải :
Từ các số liệu của đường dây và máy biến áp ta tính được tổng trở của các phần tử của mạng điện và trên sơ đồ thay thế b chỉ ghi những số liệu cần thiết phục vụ cho bài tốn bù.Giả sử tụ điện vận hành suốt năm T=8760 giờ và Kb* = 70đ/KVAR; atc =avh =0,1 ; ∆P*b=0,005 ; C0 =0,1đ/KWh. Hàm chi phí tính tốn của mạng điện sau khi đặt thiết bị bù với dung lượng Qb1, Qb2 là: Z(Qb1,Qb2)=Z1+Z2+Z3=(avh+atc).K*b.(Qb1+Qb2)+C0.∆P*b.(Qb1+Qb2).T+ ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] 0 2 2 2 2 2 1 2 1 2 2 1 1 1 2 1 2 C U Q Qb R RB Q Qb RB Q Q Qb Qb R τ − . + + − + + − − . 1 2 n A Hình 7-2 Pn+j(Qn-Qbn) P2+j(Q2-Qb2) P1+j(Q1-Qb1)
Giáo trình mạng điện. Z=(0,1+0,1).70.(Qb1+Qb2)+0,1.0,005.8760(Qb1+Qb2)+ ( ) ( ) ( ) 01 4500 10 1102 1010 2 25 6 20 10 2 3 6 3010 2 4 05 3 3 2 3 1 3 1 2 , . . . − . , + . − . , + . − − . , b b b b Q Q Q Q
Lần lượt lấy đạo hàm Z và cho bằng khơng ta cĩ : ∂Ζ ∂Qb1= 14+4,38+2,7.10-5[−7 2 20 10( 3− )−81 30 10( − − )] 1 3 1 2 , . Qb , . Qb Qb = 0 ∂Ζ ∂Qb2=14+4,38+2,7.10-5[−51 2 10 10( 3− )−81 30 10( − − )] 2 3 1 2 , . Qb , . Qb Qb = 0
Rút gọn lại ta được hai phương trình sau : 15,2Qb1+8Qb2 = -1,36.105
8Qb1+51,2Qb2 =2,32.105
Giải hệ phương trình trên ta nhận được : Qb1 =-12500 KVAR ; Qb2 = 2250 KVAR 2 1 15MVA S1 = 20+j20 MVA A S2 = 10+j10 MVA 15MVA AC-120 AC-70 30 km 40 km 2 A R1=4,05 Ω 1 20 - Qb1 (MVAr) R2=18,4 Ω RBA2=7,2 Ω RBA1=3,6 Ω 10 - Qb2 (MVAr) a) Sơ đồ nguyên lý b) Sơ đồ thay thế tính tốn
Vì Qb1 < 0 nên tại hộ phụ tải 1 khơng cần đặt thiết bị bù, ta loại bỏ phương trình thứ nhất ( ∂Ζ
∂Qb1=0) và chỉ giữ lại phương trình thứ 2 của hệ phương trình trên trong đĩ đã cho Qb1 =0 :
51,2 Qb2 = 2,32.105 .
Từ đĩ ta tìm được dung lượng bù kinh tế tại thanh cái 10 KV của hộ thứ 2 là : Qb2 =4500 KVA
Hệ số cơng suất trước và sau khi bù bằng :
cosϕ2 = 10
10 102+ 2 = 0,71
cosϕ2/ = 10
102+5 5, 2 = 0,875
7.3.3 Bù cơng suất phản kháng trong mạng phân phối.
Trong các mạng phân phối thường đã biết được cơng suất tổng cần bù cho tồn mạng Qb (do tính tốn từ mạng cung cấp).Vì vậy trong các mạng điện phân phối bài tốn được đặt ra là cần phải phân phối tổng đĩ giữa các phụ tải sao cho tối ưu nhất tức là cĩ chi phí tính tốn Z bé nhất.Vì ở đây tổng Qb đã biết nên trong việc lập hàm Z để tìm sự phân bố tối ưu ta chỉ quan tâm đến chi phí do tổn thất điện năng sau khi đặt thiết bị bù Z3 thơi.Mặt khác Z3= C. ∆A = C .∆P.τ nên cĩ thể nĩi cực tiểu của Z3 chính là cực tiểu của ∆P.
Như vậy hàm mục tiêu cĩ dạng :
minZ = minZ3= min∆P = min∆P(Qb1,Qb2,...,Qbn) (7.2) Trong đĩ Qbi là cơng suất bù đặt tại các phụ tải i, ( i = 1-n).
Các ràng buộc là : bi n Q 1 ∑ = Qb∑ (7.3) Qbi ≥ 0 (7.4) Uimin ≤ Ui ≤ Uimax (7.5) Qbi≤ Qimax (7.6)
Điều kiện (7.3) cĩ nghĩa là cơng suất của các thiết bị bù phải bằng cơng suất tổng đã cho. Hạn chế (7.4) chỉ ra rằng cơng suất của các thiết bị bù khơng âm, cịn ràng buộc (7.5) dùng để kiểm tra điện áp các nút. Điều kiện (7.6) được đưa vào, nếu như khơng cho phép quá bù cơng suất phản kháng ở nút đã cho.
Giáo trình mạng điện.
Để giải bài tốn trên cần sử dụng các phương pháp qui hoạch phi tuyến,nhưng đối với các mạng hình tia đơn giản cĩ thể giải bài tốn này theo phương pháp sau :
Giả thiết cần phân phối cơng suất tổng các thiết bị bù cho các nút của mạng phân phối như ở hình vẽ 7.3 a.
Nếu mạng chỉ cĩ 2 đường dây hình tia thì tổn thất cơng suất tác dụng do phụ tải phản kháng gây ra là : ∆P= [( ) ( ) 2] 2 2 2 1 2 1 1 2 1 R . Q Q R . Q Q Uđm − b + − b (7.7) Ở đây : Q1, Q2 là phụ tải phản kháng của hộ tiêu thụ 1 và 2 ; Qb1,Qb2 là cơng suất cần tìm của các thiết bị bù ở nút 1 và 2 ; R1, R2 là điện trở của các đường dây 1 và 2. Từ điều kiện : Qb1+Qb2 = Qb∑ (7.8) ta cĩ : Qb2 =Qb∑-Qb1 Cho nên : ∆P = [( ) ( ) 2] 2 1 2 1 2 1 1 2 1 R . Q Q Q R . Q Q Uđm − b + − bΣ+ b
Cơng suất bù tối ưu tìm được từ phương trình : Hình 7-3a 1 Q 1-Qb1 R1 2 Q 2-Qb2 R2 i Qi-Qbi Ri n Qn-Qb1n Rn Hình 7-3c D3 Q7 Q2 Q3 Q1 D1 Q5 Q6 Q4 D2 Hình 7-3b 1 Q1 R1 2 Q2 R2 n Qn Rn Rn-1 n-1 Qn-1 i Qi Ri
∂∆ ∂ P Qb1= 22 [ ( 1 1) 1 ( 2 1) 2]