Các phương pháp tính toán tổn thất điện năng

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI VÀ TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG

1.3. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG [1]

1.3.2. Các phương pháp tính toán tổn thất điện năng

Nhóm phương pháp này sử dụng thiết bị đo tực tiếp điện năng hoặc các đại lượng liên quan để tính ra điện năng chạy qua tất cả các phần tử tải điện gây tổn thất trên HTĐ. Hai phương pháp xác định TTĐN sử dụng thiết bị đo là:

- Tính toán tổn thất điện năng theo các chỉ số công tơ

Phương pháp xác định tổn thất điện năng thông dụng nhất là so sánh sản lượng điện ở đầu vào lưới và năng lượng tiêu thụ tại các phụ tải trong cùng khoảng thời gian. Theo phương pháp này, công tơ đo điện năng được đặt giữa hai đầu vào ra các phần tử hoặc giữa các điểm kết nối vào ra một khu vực lưới điện nhất định.

Hình 1.30. Đo điện năng vào ra các phần tử

Hình 1.31. Đo điện năng vào ra một lưới điện TTĐN được xác định như sau:

- Đối với cách đo theo từng phần tử, từ lượng điện năng đo được ở các vị trí vào Avào và ra Ara, TTĐN được tính đơn giản như sau:

- Đối với một khu vực lưới điện, TTĐN được tính như sau:

∑ ∑ ∑ ∑ (1.28) Trong đó:

Ang, Anh: Điện năng nhận từ Nng nguồn và tại Nnh điểm liên kết HTĐ;

Ag, At: Điện năng giao tại Ng điểm liên kết HTĐ và tại Nt phụ tải (trong khu vực lưới đang xét TTĐN).

Việc đo điện năng tại các điểm đo phải thực hiện cho cùng một chu kỳ thời gian đồng bộ trên toàn bộ các mạch vào ra của lưới điện đang xét. Muốn vậy các thiết bị đo cần được kết nối cũng như phải có khả năng lưu trữ số liệu trong một thời gian nhất định để kiểm soát tính đồng bộ của các giá trị đo. Điều này chỉ thực hiện được khi dùng các công tơ điện tử. Vì số lượng điểm đo khá nhiều, nên phương pháp này thường chỉ áp dụng được cho lưới truyền tải điện, nơi có hệ thống đo lường và giám sát tốt, không chỉ để giám sát việc cung cấp điện mà còn để đảm bảo sự vận hành tin cậy và tối ưu của HTĐ.

Phương pháp này tuy có đơn giản nhưng thường mắc phải sai số lớn do một số nguyên nhân sau:

+ Không thể lấy được đồng thời các chỉ số của các công tơ tại đầu nguồn và ở các điểm tiêu thụ cùng một thời điểm.

+ Nhiều điểm tải còn thiếu thiết bị đo hoặc thiết bị đo không phù không phù hợp với phụ tải

+ Số chủng loại đồng hồ đo rất đa dạng với nhiều mức sai số khác nhau, việc chỉnh định đồng hồ đo chưa chính xác hoặc không chính xác do chất lượng điện không đảm bảo.

Để nâng cao độ chính xác của phép đo người ta sử dụng đồng hồ đo đếm tổn thất, đồng hồ này chỉ được sử dụng ở một số mạng điện quan trọng.

- Phương pháp dùng thiết bị đo các thông số lưới điện:

Nếu không đo trực tiếp điện năng thì có thể tận dụng các thông số đo lường khác để tính toán TTĐN. Việc đo các thông số bao gồm đo dòng điện hoặc công suất trên tất cả các phần tử trên lưới điện đang xét và điện áp tại các điểm đo dòng điện tương ứng. Trị số dòng điện hoặc công suất và điện áp đo được là các hàm theo thời gian I(t), S(t) và U(t).

Hình 1.32. Xác định TTĐN bằng cách đo dòng điện hoặc công suất và điện áp Từ đó, thành phần TTĐN phụ thuộc dòng điện trên từng phần tử được xác định

∫ ( ) ∫ ( ) ∫ [ ( )( )] (1.29) hoặc:

∑ ∑ ∑ (

)

(1.30)

Trong đó:

Ri: Điện trở của phần tử thứ i;

tk: Khoảng thời gian thứ k (k 1,m) ghi nhận dòng điện tải Iik hoặc công suất Sik trên ĐTPT dạng bậc thang; tk càng nhỏ thì kết quả càng chính xác, nhưng số liệu đo cần lưu trữ càng lớn.

TTĐN trên toán lưới điện sẽ là:

∑ ( ) (1.31) Trong đó:

PUi: Thành phần tổn thất công suất phụ thuộc điện áp của phần tử i. PUi có thể là tổn thất công suất không tải MBA, tổn thất do vầng quang điện của đường dây;

Ti: Thời gian có điện áp của phần tử i;

n: Số phần tử trên lưới điện đang xét.

Phương pháp này có những đặc điểm chính sau:

+ Phương pháp này sẽ cho kết quả đủ tin cậy nếu lưới điện là ba pha đối xứng và điện áp ít thay đổi ở các vị trí vào và ra khỏi phần tử.

+ Tính TTĐN dựa trên trị số hiệu dụng của dòng điện và điện áp cho phép xét cả tổn thất do sóng hài.

+ Phải đo trên tất cả các phần tử của lưới điện đang xét, cần lượng lớn thiết bị đo nếu xét lưới điện rộng.

+ Các thông số I(t), S(t) và U(t) phải đồng bộ về mặt thời gian. Muốn vậy thiết bị đo phải được kết nối.

Do đó, cũng như phương pháp đo trực tiếp điện năng, phương pháp đo các thông số lưới điện chỉ thích hợp đối với lưới truyền tải khi hệ thống đo lường và giám sát có thể đáp ứng những yêu cầu trên đây.

b. Tính toán tổn thất điện năng theo đồ thị phụ tải điển hình

Phương pháp này đánh giá TTĐN dựa trên những trạng thái vận hành xác lập điển hình của một khu vực lưới điện nhất định.

Đối với lưới điện, giả thiết lưới điện chỉ vận hành ở một vài trạng thái xác lập điển hình. Ứng với mỗi trạng thái, giả thiết có đầy đủ số liệu về sơ đồ lưới điện, thông số các phần tử trên lưới.

Đối với nguồn và phụ tải, giả thiết biết được số liệu ĐTPT điển hình của tất cả các mạch vào ra khỏi lưới điện trong quá khứ.

Hình 1.33. Lưới điện với các điểm đo ĐTPT điển hình.

Từ giả thiết có thể thấy rằng đối với lưới truyền tải, ĐTPT của các nhà máy điện và các mạch vào ra liên kết với các lưới điện khác nhìn chung thay đổi bất định. Hơn nữa, sơ đồ và thông số các phần tử (ví dụ các thiết bị FACTS) của lưới điện cũng thay đổi nhiều trong quá trình vận hành, đặc biệt trong thị trường điện.

Bởi vậy, rất khó có thể đặc trưng sự vận hành của lưới truyền tải bởi một vài trạng thái vận hành điển hình. Tuy nhiên, đối với lưới phân phối, nhìn chung sơ đồ lưới điện và ĐTPT ít thay đổi khi xét trong một phạm vi lưới đủ nhỏ (một lộ đường dây trung áp, hoặc hạ áp), dó đó phương pháp này được trình bày cho đánh giá TTĐN trong lưới phân phối với cấu trúc một nguồn cấp.

Hình 1.34. Lưới trung áp và vị trí lấy ĐTPT điển hình

Hình trên mô tả một sơ đồ điển hình của một lưới điện trung áp, một nguồn cấp, trong đó số liệu ĐTPT của các mạch vào Png(t), Qng(t) (nguồn từ TBA trung gian) và ra Pt(t), Qt(t), Pg(t), Qg(t) (phụ tải thứ cấp các TBAPP và truyền sang lưới lân cận). Hai cách tính toán TTĐN cho lưới điển hình này như sau:

- Phương pháp tính toán TTĐ dựa t ên ĐTPT điển hình của các nút tải:

Khi đó ta biết Pt(t), Qt(t), Pg(t), Qg(t). Nếu các ĐTPT có dạng bậc thang với m bậc, thì ứng với mỗi khoảng thời gian tk, công suất của tất cả các nút tải Ptk, Qtk và nút giao điện Pgk, Qgk đều xác định. Từ đó tính toán chế độ xác lập cho lưới điện và xác định công suất chạy trên tất cả các phần tử đường dây và MBA tương ứng với tk đó. Việc tính toán chế độ xác lập có thể sử dụng một công cụ phần mềm phân tích HTĐ. Lặp lại việc tính toán chế độ xác lập này cho m bậc của ĐTPT.

Từ đó, TTĐN của lưới điện đang xét được tính như sau:

∑ ∑ ( ) (1.32) Trong đó:

nL và nB: Số nhánh đường dây và số nhánh MBA trên lưới phân phối đang xét;

ALi: TTĐN của phần tử đường dây i;

∑ ( ) (1.33)

ABj: TTĐN có tải của phần tử MBA j;

∑ ( ) (1.34)

A0Bj: TTĐN không tải của phần tử MBA j được xác định như sau:

(1.35)

- Phương pháp tính toán TTĐ dựa t ên ĐTPT điển hình của nguồn:

Khi đó ta biết ĐTPT của nguồn Png(t). Ngoài ra, giả thiết ta biết được công suất lớn nhất Ptmax hoặc điện năng tiêu thụ At của các nút phụ tải cũng như của nút giao sang lưới lân cận Pgmax hoặc điện năng giao Ag.

Phương pháp này chấp nhận một giả thiết quan trọng là ĐTPT của các nút phụ tải và nguồn có dạng giống nhau. Ngoài ra, giả thiết hệ số cos của các phụ tải lấy giá trị trung bình (costb). Với các giả thiết này, ĐTPT của các nút tải và nút giao điện được xây dựng như sau

Nếu biết Ptmax và Qtmax của nút tải, công suất tại thời gian tk của một nút tải nào đó được tính như sau: Ptk = Ptmax.mk ; Qtk = Ptk.tgtb

Nếu biết At tiêu thụ của nút phụ tải thì tính được Ptmax của phụ tải như sau:

(1.36)

Vì ĐTPT của phụ tải giống ĐTPT nguồn Png(t) nên:

∫ ( ) (1.37)

Như vậy, quá trình tính toán tổn thất được thực hiện như sau:

Bước 1: Ứng với một thời đoạn tk cuả ĐTPT nguồn điển hình, xác định Ptk và Qtk, Pgk và Qgk. Gọi các giá trị này là xấp xỉ đầu ( ), ( ) , ( ), ( ) (n = 1).

Bước 2: Tính toán chế độ xác lập của lưới điện để tính công suất cấp từ nguồn ( ). So sánh ( ) với của ĐTPT nguồn Png(t) và xác định sai số số

( )

. Cuối cùng thực hiện bước hiệu chỉnh lại giá trị công suất các nút phụ tải và nút giao Ptk và Qtk, Pgk và Qgk. Chẳng hạn đối với nút tải h nào đó, việc hiệu chỉnh ở bước lặp thứ (n+1) là:

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) (1.38) ( ) ( )

Trong đó hệ số hiệu chỉnh giá trị công suất các nút phụ tải được xác định theo trọng số các nút phụ tải như sau:

( ) ( )

∑ ( ) (1.39)

Bước 3: Lặp lại bước tính toán chế độ xác lập và kiểm tra giá trị sai số PSS

cho đến khi đạt sai số chấp nhận cho trước. Mục đích của việc hiệu chỉnh nhằm phân phối công suất nguồn điện Png.k cho các nút phụ tải đáp ứng phù hợp với giá trị điện năng và công suất Png.k của nguồn. Lưu các giá trị công suất chạy trên các phần tử của sơ đồ ứng với khoảng thời gian tk.

Bước 4: Lặp lại quá trình tính toán trên với các thời đoạn tk còn lại của ĐTPT của nguồn, ta sẽ tính được cho mỗi phần tử của lưới điện một bộ số liệu ĐTPT công suất chạy qua phần tử đó. Từ đó tính TTĐN của lưới điện.

c. Tính toán tổn thất điện năng theo đường cong tổn thất

Thực chất của phương pháp tính tổn thất theo đường cong tổn thất là tiến hành tính toán trên cơ sở biểu đồ phụ tải điển hình. Giả thiết biết được đồ thị phụ tải và cosφ của tất cả các nút, coi thanh cái nguồn cung cấp là nút cân bằng, tình toán phân bố dòng và xác định tổn thất công suất tổng ∆P ứng với mỗi thời điểm của biểu đồ phụ tải, từ đó xác định được tổn thất điện năng theo khoảng thời gian tính toán. Tức

là nếu lưới điện có cấu trúc và phương thức vận hành hoàn toàn xác định thì sẽ tồn tại một đường cong tổn thất duy nhất như hình vẽ.

Hình 1.35. Đường cong tổn thất

Ta có thể xác định được tổn thất điện năng tổng trong ngày đêm thông qua biểu đồ phụ tải công suất tổng tại thanh cái dựa vào biểu đồ phụ tải của trạm biến áp.

* Ưu điểm: Khi đã xây dựng được đường cong tổn thất thì việc xác định tổn thất điện năng dễ dàng và nhanh chóng. Từ đường cong tổn thất và biểu đồ phụ tải cho ta xác định được ΔPmax, ΔPmin và τ. Đây là công cụ rất hiệu quả để giải quyết các bài toán khác nhau liên quan đến tính kinh tế, kỹ thuật, vận hành cung cấp điện do xây dựng được họ đường cong với các giá trị khác nhau.

* hược điểm: Để xây dựng được đường cong tổn thất công suất ta phải thu thập nhiều thông tin, xây dựng biểu đồ phụ tải và tiến hành hàng loạt các phép tính xác định ΔPi, ứng với Pi, cách làm này mất nhiều thời gian và tính toán phức tạp.

Biểu đồ phụ tải là do đo đếm, số liệu thống kê điển hình tuy chính xác với số liệu cụ thể nhưng lại ít chính xác khi ứng dụng thực tế do đo đếm không đồng thời.

Không áp dụng tính cho mọi lưới điện vì mỗi lưới có một đường cong tổn thất công suất đặc trưng.

Trong một lưới điện khi cấu trúc lưới thay đổi thì ta lại có một đường cong tổn thất riêng. Muốn vậy, ta phải có một họ đường cong cụ thể như vậy sẽ rất mất thời gian và công sức

d. Tính toán tổn thất điện năng theo thời gian tổn thất công suất lớn nhất - Phương pháp tính toán theo τ

Đây là phương pháp đơn giản và sử dụng thuận tiện nhất. Trong các trạng thái, ta chọn trạng thái có ΔP lớn nhất và tính hao tổn ở trạng thái này, tổn thất

tương đương gây ra bởi dòng điện cực đại chạy trong mạng với thời gian hao tổn cực đại theo công thức: ∆A 3I2max.R.10-3τ ΔPmax.τ

Trong đó: Imax – Dòng điện cực đại chạy trong mạng, A

τ – Là thời gian hao tổn công suất cực đại, tức là nếu mạng điện liên tục tải Imax hay Pmax thì sẽ gây ra hao tổn năng lượng trong mạng vừa đúng bằng hao tổn trên thực tế.

Phương pháp này cũng gặp trở ngại là thời gian hao tổn cực đại thay đổi phụ thuộc vào tính chất phụ tải, hệ số công suất, thời gian sử dụng công suất cực đại … Vì vậy việc tính toán tổn thất điện năng theo τ cũng mắc sai số lớn. Giá trị thời gian hao tổn cực đại được xác định theo đồ thị phụ tải như sau:

 

i 2 2 i

max T

0 2 max 2 t 2

max T

0 2

. Δt I I

1 I

dt . I P

dt . t P

τ   





 (h) (1.40)

Và τ không phải bao giờ cũng có thể xác định được một cách dễ dàng, do đó trong thực tế khi không có đồ thị phụ tải người ta áp dụng một số công thức thực nghiệm để tính τ một cách gần đúng sau:

Công thức Kenzevits: τ (0,124 + Tmax.10-4)2.8760 (h) (1.41) Tmax: Thời gian sử dụng công suất cực đại, h với Tmax =

Pmax

A

Công thức Vanlander:

2

max min

max min max

max

max P

1 P

P 2P T

1 T

T T T

τ 2T 

 



 





 



 (h) (1.42)

Phương pháp này ta coi đồ thị phụ tải của công suất tác dụng và công suất phản kháng đồng thời cực đại, giả thiết này dẫn đến sai số lớn trong tính toán.

Ngoài ra phương pháp này không được sử dụng để tính toán khi điện trở của đường dây thay đổi ví dụ như dây thép.

* Ưu điểm: Tính toán đơn giản; Giá trị Imax hay Pmax xác định được nhờ khảo sát và đo đếm; Nếu một đường dây cấp điện cho các trạm tiêu thụ có tính chất giống nhau thì khối lượng đo đếm không lớn; Cho biết tình trạng làm việc của toàn lưới, xác định được phần tử nào làm việc không kinh tế.

* hược điểm: Việc xác định chính xác giá trị τ rất khó nếu không có đồ thị phụ tải; Khi không có đồ thị phụ tải ta phải xác định τ theo Tmax thông qua các công thức thực nghiệm dẫn đến kết quả tính toán có sai số lớn; Trên lưới điện có nhiều

phụ tải để xác định được giá trị của τ ứng với nhiều phụ tải sẽ tốn rất nhiều công sức và thời gian.

- Tính toán tổn thất điện năng theo hệ số tổn thất

Hệ số tổn thất LsF là tỷ lệ giữa dòng điện trung bình bình phương I2tb và bình phương của dòng điện cực đại I2max. Như vậy hệ số tổn thất điện năng LsF cũng là tỷ số giữa tổn hao công suất trung bình ∆Ptb và tổn hao công suất khi phụ tải cực đại

∆Pmax trong một khoảng thời gian xác định T.

Trong đó dòng điện trung bình bình phương I2tb là được coi là dòng điện có giá trị không đổi, khi chạy trên lưới trong suốt thời gian khảo sát T sẽ gây nên TTĐN đúng bằng tổn thất điện năng do dòng điện làm việc gây ra. Hay nói cách khác diện tích hình chữ nhật giới hạn bởi đường thẳng I2tb và đồ thị I2 theo thời gian t (h) trong khoảng thời gian T là bằng nhau. Hình dáng của đồ thị I2 theo t (h) trên hình dưới đây cũng chính là hình dáng cỉa đồ thị thể hiện sự biến đổi tổn thất công suất tác dụng P theo thời gian. Thời gian tính toán tổn thất công suất thưởng được lấy trong 1 năm với giá trị T 8760h.

Hệ số tổn thất điện năng LsF là thường được sử dụng như một phương pháp để tính toán TTĐN khi có đồ thị ngày đêm như hình sau:

Hình 1.36. Đồ thị dòng điện trung bình bình phương Itb2

Khi đó ta có: 8760 2 2

0

3 t 3 . tb.8760

A R I dt R I

   

Ở đây I2tb là dòng điện trung bình bình phương, tính trong khoảng thời gian khảo sát

T (8760 giờ) với:

8760 2

2 0

8760

t tb

I dt

I  

Ta có:

2 2

ax ax

tb tb

m m

I P

LsF I P

  

 (1.43)

Nếu nhân và chia vào công thức tính I2tb trên cho I2max thì:

2

2 2

ax ax

2 ax

3 . tb.8760 tb .3 m . . m .8760

m

A R I I I R LsF P

   I   (1.44)

Vậy nếu biết giá trị LsF, có thể xác định TTĐN trên lưới điện dựa theo công thức này.

- Hệ số tải LF Load Facto : Là tỷ số giữa công suất trung bình trên công suất cực đại của ĐTPT

(1.45)

Trong đó: AT là điện năng cung cấp trong thời gian T.

- Hệ số tổn thất LsF (Loss factor): Là tỷ số giữa tổn thất công suất trung bình trên tổn thất công suất lớn nhất ứng với công suất phụ tải cực đại

(1.46)

Trong đó: AT : là TTĐN trong thời gian T (Ví dụ 1 năm).

- Quan hệ giữa giữa Tmax,  với LF và LsF: Từ định nghĩa LF và LsF có thể suy ra những mối liên hệ sau: ;

Đối với đường dây một phụ tải:

Trong đó: Itbbp: Dòng điện trung bình bình phương: √ ∫

- Quan hệ giữa LF và LsF được xây dựng dưới dạng các hàm thực nghiệm dựa trên tính toán thực nghiệm cho các loại lưới điện và phụ tải khác nhau. Nhìn chung, ta có . Một số hàm thực nghiệm hay được sử dụng

( ) (1.47)

Trong đó: c 0,3 (lưới truyền tải), c 0,15 (lưới phân phối).