Hiện nay [13] cũng đề xuất phương pháp lắp đặt trạm biến áp nhưng chỉ áp dụng cho lưới điện phân phối hình tia. Từ hàm tổn thất công suất trên lưới điện lưới hình tia đơn giản như công thức (3.1)
- Khi bù công suất phản kháng thì chỉ tác động đến Q mà không ảnh hưởng nhiều đến dung lượng của trạm biến áp.
- Khi tăng điện áp vận hành tức là tác động vào U2 nhưng chỉ tăng đến giới hạn điện áp tối đa của thiết bị khách hàng.
- Giảm r0 bằng cách tăng tiết diện dây, chi phí lớn. Chỉ giảm được quá tải trên đường dây nhưng không nâng cao được dung lượng của các trạm biến áp.
Các phương pháp vừa nêu không làm tăng công suất của hệ thống. Khi tải tăng công suất, phải tăng công suất MBA. Nếu chỉ tăng công suất đặt MBA thì phải giải quyết giảm tổn thất bằng các phương pháp trên.
Nếu cấy thêm trạm biến áp phù hợp kết hợp tái cấu hình thì sẽ tác động lên công thức (3.1) ở công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q và thay đổi chiều dài L. Trong đó P, L là 2 đại lượng không giải quyết được ở các giải pháp cũ. Tuy nhiên việc cấy thêm trạm biến áp gặp khó khăn là vị trí, công suất gặp khó khăn. Trong đó vị trí là khó nhất, đặc biệt là các dự án cải tạo cho những công trình yêu cầu tính thẩm mỹ cao.
Chính vì vậy, việc cấy thêm trạm và kết hợp tái cấu hình lưới hạ thế là phù hợp nhất với bài toán khi yêu cầu vừa tăng công suất vừa giảm tổn thất. Tuy nhiên, cách giải bài toán luôn phụ thuộc vào tình huống cụ thể. Hiện nay đối với các lưới điện hạ thế có các trạm biến áp được lắp đặt ngay trong các khu vực phụ tải với đáp ứng công suất của phụ tải đó. Nhưng với sự lắp đặt đó cũng dẫn đến sự quá tải trên các tuyến dây do phụ tải tăng công suất do nhu cầu tăng lên. Chính vì vậy, để giảm quá tải trên các đường dây thường sẽ tăng cường công suất của các trạm biến áp bằng cách thay thế trạm lớn hơn, nhưng phương pháp này thường không mang lại hiệu quả về kinh tế. Trong thực tế để tăng cường công suất cho các trạm biến áp người ta thường lắp đặt thêm trạm mới để cùng vận hành với các trạm hiện hữu nhằm tăng cường công suất cũng như giảm thiểu việc mất điện cho các phụ tải.
Để khai thác hiệu quả công suất của các trạm trong một vùng phụ tải rộng lớn, người ta thường liên kết các trạm gần với nhau để vận hành nhằm tăng cường độ tin cậy cung cấp điện cũng như điều động công suất giữa các trạm với nhau. Như vậy, trong một vùng phụ tải với nhiều trạm biến áp độc lập cung cấp cho mỗi khu vực thì người ta liên kết để trở thành một hệ thống thông qua các khóa điện và vận hành đóng/ mở các khóa điện này. Việc tăng cường công suất cho các trạm biến áp để hiệu
quả về kinh tế. Lúc này, trong một hệ thống người ta lựa chọn một hoặc vài vị trí và dung lượng phù hợp để lắp đặt. Tuy nhiên, khi lựa chọn đặt trạm mới tăng cường công suất theo phương pháp này thì tổn thất công suất có thể cao hơn so với việc đặt tại mỗi khu vực cần tăng cường công suất. Nhưng tổn thất công suất chênh lệch này không đáng kể so với việc quá tải của đường dây vì khoảng cách tương đối gần cũng như về chi phí lắp đặt nhiều trạm trong một khu vực.
Để đáp ứng mục tiêu giảm quá tải trên các đường dây và mang lại hiệu quả kinh tế. Lưới điện phân phối hiện nay không có khả năng đóng cắt nhiều lần trong thời gian khảo sát do chi chí chuyển tải quá lớn so với mức giảm tổn thất điện năng. Để giảm chi phí vận hành và tránh gây mất điện khi chuyển tải trong lưới điện phân phối, các điều độ viên chỉ khi cho phép thay đổi cấu hình lưới điện thì khi thật cần thiết với mục tiêu như giảm tổn thất công suất toàn hệ thống, chống quá tải trên các nhánh của lưới điện, tái cấu trúc để khôi phục lưới điện sau sự cố… Nhưng với mục tiêu giảm tổn thất công suất của lưới điện phân phối được nghiên cứu và xem xét phải phù hợp với chi phí vận hành trên lưới điện phân phối. Đề tài kết hợp việc hạ trạm biến áp bổ sung nhằm tăng cường công suất nguồn cho khu vực kết hợp với tái cấu hình lưới điện hạ thế nhằm giả quá tải và tăng cường công suất phù hợp với nhu cầu thực tế của phụ tải.
Xét lưới điện phân phối đơn giản như Hình 3.5. Với 3 vị trí có lắp đặt thêm trạm biến áp 22/0,4kV cho phép không làm mất tính tổng quát khi mô tả tất cả các trường hợp vị trí khóa mở và vị trí khóa đóng.
Hình 3.1. Lưới điện kín và hở
Xét lưới điện đơn giản có các trạm biến áp và chiều dương được chọn là ngược chiều kim đồng hồ như Hình 3.5. Nếu khóa diện MN đóng, LĐPP đang ở trạng thái vận hành mạch vòng. Gọi dòng điện trên các nhánh thứ i là Ii (i=1..n). Khi mở khóa MN, nếu giả thiết dòng điện trên các nhánh thuộc OM giảm đi một lượng IMN, thì
dòng điện trên các nhánh thuộc ON sẽ tăng lên một lượng là IMN. Khi đó, hàm tổn thất công suất tác dụng ∆P cho lưới điện kín và cho lưới điện hở của LĐPP được viết tại biểu thức (3.5) và biểu thức (3.6). Tổn hao công suất của LĐPP trước khi tái cấu hình lưới [13]
�
(3.5)
(3.6)
So sánh tổn thất công suất tác dụng của LĐPP vận hành mạch vòng và vận hành hở được biểu diễn theo biểu thức (3.6)
∆Pho − ∆Pkin = i=n i∈OM i − 2IMNIi + I2MN ) + i=n i∈NO i + 2IMNIi + I2MN ) −i=n i∈OM 2 i i I2 i=n i∈NO = i=n i∈OM R i ( −2IiIMN + IMN ) + i=n i∈NO i i MN 2 2 2 2 = I 2 MN i=n i=n i=n i=n − 2IMN R iIi + R MNIMN i∈OM i∈NO ho kin 2 Loop i=n i=n i∈OM i∈NO (3.7)
Với RMNLoop là tổng điện trở các nhánh trong vòng kín MN
Mặt khác, do phân bố công suất trên lưới điện mạch hở, dòng điện trên các nhánh không phụ thuộc vào tổng trở của nhánh của lưới điện mà chỉ phụ thuộc vào công suất tiêu thụ tại các phụ tải. Vậy có thể giả thiết rằng tồn tại một lưới điện có tổng trở nhánh thuần trở vẫn đảm bảo tổn hao công suất tác dụng như lưới điện thông thường và được tính như (3.8). Do đó, khi đóng khóa điện trên nhánh MN của lưới điện này, theo định luật K2 thì
∑��∈�� �� � + �� - ∑��∈�� = 0 Vì vậy khi thay (3.6) vào (3.5) sẽ được
2
Từ công thức (3.9) cho thấy
(3.8) (3.9) ∆��í� = ∑�∈�� ��2 + �� + ∑∈(− )22 ∆�ℎở = ∑�∈�� � (� − �� )2 + ∑∈ ( + )2 ∑ R ( I ∑ R ( I ∑ RI − R MN MN − ∑ R i iI2 ∑ 2 ∑ R ( 2I I + IMN ) − R MN MNI + R MNI MN − R MNI MN ∑ R i + R MN + ∑ R i i∈∑OM i− ∈∑NO R iIi = IMN MN MN ∑ R i i MN MN − ∑ R i iI Hay ∆P − ∆P − 2I I + R I R ∆�ℎở − ∆�í� =��� �� ��� = δ > 0 => ∆ℎở > ∆í
- Độ lệch tổn hao công suất trên lưới điện kín và lưới điện hở phụ thuộc vào giá
2
tổn hao công suất trên lưới hở bằng với tổn hao trên lưới kín. Hay nói cách khác, tổn thất trên lưới điện hở sẽ đạt giá bé nhất. Tuy nhiên, thực tế trường hợp này hầu như không thể xảy ra nên tổn hao công suất lưới điện hở chỉ có khả năng giảm gần đến giá trị tổn hao lưới điện kín vì rất khó phân bố công suất trên mạch vòng có dòng IMN=0.
- Do lưới điện hở luôn có tổn hao hơn lưới điện kín trong cả trường hợp có trạm biến áp nên việc xác định được vị trí trạm biến áp có dung lượng phù hợp làm cho tổn hao lưới điện kín bé nhất và có giá trị là δ, thì sẽ tạo điều kiện đảm bảo tìm thấy một cấu hình vận hành lưới điện hở tiến đến giá trị tổn hao δ.
- Việc xác định cấu hình lưới điện hở từ cấu trúc lưới điện kín có trạm biến áp thực chất là quá trình mở các khóa điện, điều này chỉ tác động đến phần độ lệch tổn hao công suất δ giữa hai lưới điện kín và hở. Hay nói cách khác, việc xác định cấu hình khi có cấy thêm trạm biến áp để hàm mục tiêu F mô tả tại (3.7) trên lưới điện kín vẫn đúng cho mục tiêu bài toán lúc ban đầu.
TA TB T16
CA Tram A CB Tram B C16 Tram C
B1 QA B2 QB B3 Q16 Q11 Q12 Q13 Q29 Q21 Q22 Q23 Q24 Q 31 Q 32 Q33 Q34 C11 T11 C12 T12 C13 T13 C29 SK11 C22 T21 C9 T22 C23 T23 C24 SK2 C 31 T31 C 32 T32 C33 T33 C34 SK3 Q25 Q26 Q30 Q32 Q35 Q36 Q37 Q38 Q31 Q39 29.1 30.1
C25 KV11 C26 KV12 C30 KV13 C32 SUKIEN1 C35 KV21 C36 KV22 C37 KV23 C38 SUKIEN2 C31 KV31 C39 KV32 29.2 KV33 30.2 SUKIEN3
L11 x1 L12 x1 L13 x1 L21 x1 L36 x1 L37 x1 L31 x1 L32 x1 L29 x1
Khu vuc 1 Khu vuc 2 Khu vuc 3
Hình 3.2. Sơ đồ thực tế của 3 nhóm phụ tải Hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất và chống quá tải F = LBImax + Ploss (3.10)
Với tổn thất công suất của hệ thống bằng tổng tổn thất trên các nhánh.
� � � � 2 + � 2
�2 LBImax Dòng điện quá tải.
Trong đó
ΔPi Tổn thất công suất tác dụng trên nhánh thứ i Nbr Tổng số nhánh
Pi, Qi Công suất tác dụng và công suất phản kháng trên nhánh thứ i Vi, Ii Điện áp nút kết nối của nhánh và dòng điện trên nhánh thứ i Ploss Tổn thất công suất tác dụng của hệ thống
ki Trạng thái của của các khóa điện, nếu ki = 0, khóa điện thứ i mở và ngược lại.
Với giới hạn
Trong phạm vi luận văn, trạm biến áp chọn loại có công suất nhỏ được sử dụng để tối ưu cấu hình lưới khi cấy thêm trạm biến áp, và giới hạn công suất của các trạm biến áp được xác định như sau
�����,��� ≤ , ≤ ,��� , �ớ� = 1, 2, … , � (3.11) Dòng điện chạy qua các nhánh phải luôn nằm trong giới hạn cho phép của đường dây
|�� | ≤ ,��� , �ớ� = 1, 2, … , ��� (3.12) Điện áp các nút phải được giữ trong giới hạn vận hành cho phép
��,��� ≤ | | ≤ ,��� , �ớ� = 1, 2, … , ���� (3.13) Như vậy, có thể thấy rằng việc xác định cấu hình vị trí đặt trạm với mục tiêu là tổn thất công suất là bé nhất có thể thực hiện bằng kỹ thuật trao đổi nhánh. Các bước thực hiện như sau
Bước 1 Máy biến áp bổ sung. Xác định vị trí lắp đặt trạm biến áp tương ứng với mạch vòng.
Bước 2 Xác định vòng kín có chứa khóa mở ban đầu ở cấu hình vận hành hình tia.
Bước 3 Giải bài toán phân bố công suất, tính toán hàm mục tiêu tổn thất bé nhất (với ràng buộc chống quá tải, ràng buộc về điện áp).
Bước 4 Thay thế khóa đang mở trong vòng kín bằng một khóa khác trong vòng kín có dòng điện bé nhất, để tạo cấu hình ban đầu.
Bước 5 Xét từng cấu hình i khôi phục ban đầu.
Bước 6 Xét từng khóa điện j trong cấu hình khôi phục ban đầu đang xét.
Bước 7 Thay khóa điện đang xét bằng các khóa điện trong vòng kín tương ứng. Bước 8 Giải bài toán phân bố công suất, tính toán hàm mục tiêu tổn thất bé nhất (với ràng buộc chống quá tải, ràng buộc về điện áp).
Bước 9 Xác định cấu hình có hàm mục tiêu tốt nhất khi thay khóa mở bằng các khóa ở vòng kín tương ứng.
Bước 10 Cập nhật cấu hình cấu hình khôi phục ban đầu đang xét bằng cấu hình lựa chọn tốt nhất khi thay đổi khóa điện, thay thế và cập nhật cấu hình tốt nhất có lựa chọn.
Bước 11 Lặp lại bước 7 cho đến khi các khóa điện trong cấu hình lựa chọn ban đầu đang xét được thay thế hết.
Bước 12 Lặp lại bước 6 cho đến khi các cấu hình lựa chọn ban đầu được xét hết.
CHƯƠNG 4 VÍ DỤ KIỂM TRA 4.1 Lưới điện 7 nhánh, 1 nguồn
Lưới điện có 1 vòng kín gồm 7 nhánh đường dây Lưới điện hạ áp 0,4 kV có 1 vòng kín nhưng vận hành hở như Hình 3.7 gồm 7 khóa điện là 2-3; 4-5; 6-7; 8-9; 10- 11; 12-13; 13-14. Với điện trở các nhánh là 0.02Ω và các phụ tải tại các nút 3, 5, 7, 9, 11, 13. Công suất của các tải được thể hiện ở Bảng 4.1. Trạm biến áp hiện hữu là 400kVA, dòng điện nhánh cho phép sau trạm biến áp là 95A.
Hình 4.1. Mạng 1 nguồn có 7 nhánh
B ng 4.1.ả Số liệu của phụ tải
Ở điều kiện vận hành bình thường thì có khóa 6-7 là mở với tổn thất công suất là 2,48kW. Tổn thất công suất được thể hiện ở Bảng 4.2. Với dung lượng biến áp hiện tại thì máy biến áp quá tải và đường dây sau trạm biến áp cũng quá tải. Dòng điện sau máy biến áp là 116A, quá tải so với dòng cực đại của dây dẫn cho phép như Hình 4.2.
Tải Nút Công suất
P (kW) Q (kVAr) Load11 11 70 50 Load13 13 60 50 Load3 3 85 70 Load5 5 80 70 Load7 7 60 45 Load9 9 30 20 Tổng 385 305
Hình 4.2. Dòng đi n trên các nhánh c a lệ ủ ưới đi nệ
B ng 4.2.ả Tổn thất công suất của lưới điện khi vận hành bình thường
Ở đây cần có các giải pháp để giảm tổn thất công suất thông qua tái cấu hình lưới điện. Tính phân bố công suất các vòng kín tìm ra nhánh dòng điện là bé nhất, xác định được khóa mở của nhánh đó trong vòng kín, tức khóa mở nào có dòng điện là bé nhất trong vòng kín. Dữ liệu tính toán được thể hiện ở Bảng 4.3.
Đường dây Nút đầu Nút cuối Loại Pha Chiều ΔP (W)
Line11-12 12 11 Line ABC 1.000 458
Line1-2 1 2 Line ABC 1.000 674
Line14-1 1 14 Line ABC 1.000 950
Line3-4 3 4 Line ABC 1.000 156
Line5-6 5 6 Line ABC 1.000 0
Line7-8 8 7 Line ABC 1.000 62
Line9-10 10 9 Line ABC 1.000 181
B ng 4.3.ả Dòng điện tính toán khi đóng khóa điện 5-6, đường dây 7-6.
Hình 4.3. Cấu hình lưới điện khi vận hành kín
Như vậy, từ Bảng 4.3 cho thấy đường dây 7-8, tức khóa 8-9 có dòng điện là bé nhất, như Hình 4.3. Lúc này để lưới điện vận hành tối ưu thì mở khóa 8-9. Kết quả được thể hiện ở Hình 4.4 và khi thực hiện TOPO của PSS- ADEPT cũng cho kết quả tương tự, như Hình 4.5. Tuy nhiên, dòng điện nhánh sau trạm biến áp lúc này là 117A, quá tải so với dòng điện cho phép của dây dẫn là 95A.
Đường dây Từ nút Đến nút Dòng điện
Line11-12 12 11 35 Line1-2 2 1 63 Line14-1 1 14 54 Line3-4 4 3 36 Line5-6 6 5 11 Line7-8 8 7 6 Line9-10 10 9 14
Hình 4.4. Lưới điện khi vận hành hình tia, khóa mở 8-9
Hình 4.5. Cấu hình lưới khi tính bằng TOPO
Khi vận hành lưới điện với khóa mở 8-9, tương ứng đường dây 7-8. Kết quả cho thấy tổn thất công suất giảm xuống chỉ còn gần 2,406 kW so với ban đầu là 2,48
kW. Như vậy, kết quả này cho thấy khi mở khóa điện có dòng điện bé nhất khi vận hành mạch kín đã cho tổn thất của toàn lưới điện là bé nhất sẽ cho tổn thất toàn lưới