5. Bố cục của luận văn
2.3. Tối ưu hóa lắp đặt thiết bị bù
2.3.1. Khái niệm công suất phản kháng
Một mạch điện có tải là điện trở R và điện kháng X được cung cấp bởi điện áp: u = Um sint như hình vẽ 1-1:
Z X R
Dòng điện i lệch pha với u một góc : i = Im sin(t - ) hay i = Im (sint cos - sin cost) = i’ + i”
i’ = Im cos sint và i” = Im sin cost = - Im sin sin(t-/2)
Như vậy dòng điện i là tổng của hai thành phần: + i’ có biên độ Im cos cùng pha với điện áp
+ i” có biên độ Im sin chậm pha so với điện áp một góc /2. Cơng suất tương ứng với hai thành phần i’ và i” là:
P = U.I cos gọi là công suất tác dụng Q = U.I sin gọi là CSPK
Từ tam giác tổng trở hình 1-1 ta có thể viết:
P = U.I cos = (Z.I).(I.cos) = Z.I2.R/Z = R.I2
Q = U.I sin = (Z.I).(I.sin) = Z.I2.X/Z = X.I2
Vậy CSPK của một nhánh nói lên cường độ của q trình dao động năng lượng. Ta có thể biểu diễn quan hệ S, P, Q như hình 2.2:
U.I cos P U
U.I U.I sin
Hình 2.2. Tam giác công suất
Các thành phần mang tính điện kháng hay điện dung trong mạng điện sẽ sử dụng CSPK.
2.3.2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng
CSPK được tiêu thụ ở động cơ không đồng bộ, máy biến áp, trên đường dây tải điện và mọi nơi có từ trường. Yêu cầu CSPK chỉ có thể giảm đến tối thiểu chứ khơng thể triệt tiêu được, vì nó cần thiết để tạo ra từ trường, yếu tố trung gian trong q trình chuyển hố điện năng.
Sự tiêu thụ CSPK được phân chia như sau:
- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 60 đến 65% - Máy biến áp tiêu thụ khoảng 22 đến 25%
- Đường dây tải điện và các phụ tải khác tiêu thụ khoảng 10%.
a) Động cơ không đồng bộ là thiết bị tiêu thụ CSPK chính trong lưới điện. CSPK tiêu thụ trong động cơ khơng đồng bộ gồm có 2 thành phần:
- Một phần nhỏ CSPK được sử dụng để sinh ra từ trường tản trong mạch điện sơ cấp và thứ cấp, được tính theo cơng thức sau:
S Q
− = dm o dm dm dm dm I I tg P P Q cos 1 . Trong đó:
+ P là công suất tải thực tế của động cơ.
+ Pđm, cosđm, Iđm là cơng suất, hệ số cơng suất, dịng điện định mức của động cơ. + đm là hiệu suất của động cơ theo định mức.
+ Io là dịng điện khơng tải.
- Phần lớn cơng suất cịn lại dùng để sinh ra từ trường khe hở, được tính theo cơng thức: dm dm dm dm o P I I Q cos =
b) Máy biến áp tiêu thụ CSPK nhỏ hơn động cơ khơng đồng vì khơng có khe hở khơng khí. CSPK tiêu thụ trong máy biến áp gồm có 2 thành phần:
- Một phần CSPK dùng để từ hố lõi thép khơng phụ thuộc vào tải, được tính theo cơng thức: 100 % dm o o S i Q = Trong đó:
+ Sđm là công suất định mức của máy biến áp.
+ io là dịng điện khơng tải tính theo % của dịng điện định mức máy biến áp.
- Một phần CSPK khác dùng để tản từ trong máy biến áp, thành phần này phụ thuộc
tải, được tính theo cơng thức: Qtt uN Sdm
100 % 2 = với:
+ là hệ số mang tải của máy biến áp. + uN% là điện áp ngắn mạch phần trăm.
c) Đèn huỳnh quang: các đèn huỳnh quang vận hành có một chấn lưu để hạn chế dịng điện. Tuỳ theo điện cảm của chấn lưu, hệ số công suất nằm trong khoảng 0,3- 0,5; Tuy CSPK tiêu thụ trong đèn nhỏ, nhưng số lượng đèn sử dụng nhiều, nên tổng CSPK tiêu thụ khá lớn. Ngày nay các đèn huỳnh quang hiện đại có bộ khởi động điện tử, hệ số công suất gần bằng 1, tuy nhiên các bộ khởi động điện tử này sinh ra các sóng hài.
2.3.3. Các biện pháp giảm thấp nhu cầu CSPK
Trong thực tế thường áp dụng những phương pháp mà không dùng thiết bị chuyên bù để giảm thiểu nhu cầu tiêu thụ CSPK như:
- Điều chỉnh q trình cơng nghệ cho việc nâng cao hệ số cos φ.
- Hạn chế sử dụng những động cơ đồng bộ trong những trường hợp có thể.
- Nghiên cứu và thực hiện các biện pháp điều hòa phụ tải, nâng cao hệ số cao thấp điểm, hệ số điền kín phụ tải, đảm bảo cho các đường dây và trạm biến áp không vận hành không tải, non tải hay quá tải.
- Nghiên cứu sắp xếp, điều chỉnh q trình sản xuất trong xí nghiệp để đảm bảo cho các thiết bị tiêu thụ điện (động cơ, máy biến áp, máy hàn…) không bị thường xuyên không tải hoặc non tải.
- Sử dụng các thiết bị có hiệu suất cao.
- Nghiên cứu các phương thức vận hành tối ưu.
Xu hướng hiện nay càng ngày càng quan tâm đến giải quyết vấn đề vận hành tối ưu HTĐ, sử dụng các thiết bị điện có hiệu suất cao giảm mức tiêu thụ năng lượng, tăng cường quản lý việc tiêu thụ và sử dụng điện năng.
2.3.4. Các lợi ích thu được khi lắp đặt thiết bị bù
- Giảm được CSTD yêu cầu ở chế độ cực đại của HTĐ do đó giảm được dự trữ CSTD
của HTĐ.
- Giảm nhẹ tải cho các máy biến áp trung gian và các đường trục trung áp do giảm
chuyển tải CSPK.
- Giảm được TTĐN.
- Cải thiện chất lượng điện áp cung cấp cho các phụ tải. - Cải thiện hệ số công suất.
- Cân bằng tải.
- Trì hỗn hoặc giảm bớt chi phí tài chính cho việc cải tạo, phát triển lưới.
2.3.5. Bù kỹ thuật và bù kinh tế CSPK
Việc đặt thêm các thiết bị tạo ra CSPK tại gần nơi tiêu thụ sẽ làm giảm được sự truyền CSPK trên đường dây. Đó chính là các thiết bị bù CSPK. Các thiết bị bù CSPK được dùng phổ biến nhất là các tụ điện tĩnh và các máy bù đồng bộ. Sự phát triển của kỹ thuật đã cho phép gần đây người ta chế tạo những phương tiện bù điều chỉnh nhanh trong phạm vi rộng đó là thiết bị bù dọc và bù ngang có điều khiển (SVC, TSVC). Các thiết bị này chủ yếu được sử dụng trong lưới truyền tải. Các thiết bị bù được đặt phục vụ các mục đích khác nhau, có thể phân ra làm hai loại chính bù kỹ thuật và bù kinh tế.
- Bù kỹ thuật: Chủ yếu nhằm đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cho HTĐ. Trong nhiều HTĐ cần bù một lượng CSPK nhất định để đảm bảo cân bằng CSPK do thiếu hụt giữa nguồn phát và nơi tiêu thụ. Đó cũng cịn là điều kiện cần để đảm bảo ổn định hệ thống (tránh bị sụp đổ điện áp do mất ổn định). Bù công suất trên lưới hệ thống gắn liền với việc điều chỉnh điện áp. Sử dụng các phương tiện bù còn là một biện pháp phối hợp hiệu quả để điều chỉnh điện áp. Các thiết bị bù đóng vai trị các nguồn phát CSPK được phân bố trong HTĐ, nhờ đó cân bằng CSPK có thể đảm bảo theo từng khu vực, có thể điều chỉnh được theo sự biến động theo biểu đồ phụ tải ngày đêm.
- Bù kinh tế: Có mục tiêu rõ ràng là nâng cao hiệu quả kinh tế của mạng điện. Nếu chi phí vào thiết bị bù nhỏ hơn lợi ích thu được do giảm TTĐN giảm đầu tư cơng suất nguồn và trạm thì nên đặt thiết bị bù kinh tế. Như vậy, bù kinh tế là khơng bắt buộc và chỉ bù khi có hiệu quả kinh tế cao.
Do tính phức tạp của LĐPP có số lượng nút, nhánh lớn nên bài tốn bù tối ưu CSPK trong LĐPP trong đa số trường hợp chỉ giải quyết một cách cục bộ, việc giải quyết bài toán bù phổ biến ở những dạng sau:
1. Lựa chọn cơng suất và vị trí đặt thiết bị bù trong mạng điện khi đã tính đến sự giảm tổn thất chính ở mạng cung cấp.
2. Lựa chọn cơng suất và vị trí thiết bị bù ở LĐPP khi tính tốn sự thay đổi tổn thất chỉ ở trong nó.
3. Lựa chọn cơng suất và vị trí thiết bị bù ở LĐPP có tính đến hiệu quả giảm TTCS và TTĐN ở cấp điện áp cao. Cách giải quyết này có thể sử dụng khi thiết kế mạng điện có nhiều cấp điện áp khác nhau.
Bài toán bù khi lựa chọn thiết bị bù phát triển theo 2 xu hướng:
- Lựa chọn thiết bị bù trong điều kiện thiết kế, khi đó thiết bị bù và những phần tử của mạng được lựa chọn đồng thời.
- Lựa chọn thiết bị bù trong điều kiện vận hành, khi mà các thông số của các phần tử mạng và chế độ vận hành đã biết.
Bài toán bù cho lưới điện phân phối chủ yếu chỉ xét đến thành phần hiệu quả kinh tế do giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối mang lại.