Nâng cao hệ số công suất cosφ đươ ̀ ng dây

CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG

2.1.4. Nâng cao hệ số công suất cosφ đươ ̀ ng dây

Hệ số công suất thấp gây ra bởi các phu ̣ tải đô ̣ng cơ cảm ứng, cùng với tính cảm củ a đường dây. Điều này gây ra su ̣t áp lớn và tổn thất điê ̣n năng nhiều hơn trên dường dây. Tụ điê ̣n bù ngang trên đường dây được dùng ở những nơi cần điều chỉnh cosφ cao hơn trên cơ sở của viê ̣c đo hê ̣ số công suất trên đường dây phân phối. Các nơi tiêu thu ̣ có đô ̣ng cơ bắt buô ̣c phải đă ̣t tu ̣ điê ̣n, cosφ ở cuối đường dây được yêu cầu từ 0,85 đến 0,95, các phu ̣ tải có cosφ thấp bi ̣ trả thêm chi phí mua công suất phản kháng. Sự tiêu thụ CSPK không hợp lý do cấu trúc lưới, phương thức vận hành không tối ưu và phụ tải các pha không đối xứng làm cho hệ số công suất giảm thấp. Chính vì vậy trước khi nghiên cứu bù nhân tạo, cần phải nghiên cứu bù tự nhiên để khắc phục các thiếu sót trong quản lý, vận hành, phân phối, tiêu thụ điện… để hạn chế tiêu thụ CSPK quá mức, sau đó mới nghiên cứu bù nhân tạo theo các phương thức sau:

a. Bù bằng tụ điện tĩnh: máy bù đồng bộ có nhiều ưu điểm như: không chịu ảnh hưởng điện áp mạng điện trong việc sản xuất ra CSPK, nó chỉ phụ thuộc vào dòng điện kích từ mà thôi; có thể sản xuất hoặc tiêu thụ CSPK; dòng kích từ có thể điều chỉnh liên tục nên nó điều chỉnh điện áp rất bằng phẳng; … nhưng suất đầu tư lớn, cấp điện áp bé, tiêu thụ công suất lớn, khó lắp đặt, vận hành phức tạp, nên chỉ khi bù trên 5000kVAr dùng máy bù đồng bộ mới bảo đảm kinh tế.

Đối với lưới trung áp thường bù rải với dung lượng mỗi cụm nhỏ (300-600)kVAr nên dùng tụ điện tĩnh để bù CSPK. Bởi vì tụ điện tĩnh có suất đầu tư bé và không phụ thuộc công suất đặt; thời gian thiết kế, thi công nhanh; tiêu thụ công suất nhỏ; chi phí vận hành bảo dưỡng thấp; vị trí lắp đặt rất linh hoạt, có thể đặt sâu gần ngay phụ tải, cải thiện đường cong phân bố điện áp tốt; vận hành đơn giản, ít sự cố; nâng cấp mở rộng dễ dàng.

b. Bù ngang: bù dọc còn gọi là bù thông số đường dây có tác dụng làm giảm điện kháng tổng của đường dây nhằm tăng khả năng tải, thường sử dụng cho lưới truyền tải.

Đối với LĐPP có nhu cầu CSPK, thường dùng tụ điện tĩnh mắc song song với đường dây để cung cấp CSPK, hay dòng điện nhằm chống lại thành phần lệch pha của dòng điện yêu cầu do tải cảm. Nghĩa là bù ngang làm thay đổi đặc tính của một tải cảm do nó phát ra dòng điện sớm pha chống lại thành phần chậm pha của dòng tải phản kháng tại điểm đặt tụ bù. Khi thực hiện bù ngang trên đường dây, thì độ lớn của dòng điện nguồn có thể giảm đi, hệ số công suất được cải thiện và do đó sụt áp giữa nơi phát và nơi nhận cũng giảm theo. Vì vậy đối với LĐPP, sử dụng phương thức bù ngang bằng tụ điện tĩnh để bù CSPK trực tiếp cho phụ tải.

c. Bù cố định và điều chỉnh theo chế độ làm việc: Bù cố định là bù chung cho mọi chế độ, nghĩa là các thiết bị bù đấu cứng vào LĐPP và được tính toán sao cho thoả mãn mọi chế độ vận hành, trong vận hành các thiết bị bù này không điều chỉnh được.

Bù điều chỉnh là đặt bù cho từng chế độ vận hành, nghĩa là các thiết bị bù có thể thay đổi khả năng làm việc theo yêu cầu của từng chế độ, trong vận hành các thiết bị bù này có thể điều chỉnh công suất được.

Bù cố định có suất đầu tư rất thấp, ít sự cố, nhưng chỉ tính toán công suất bù ở chế độ cực tiểu để tránh hiện tượng quá bù. Vì vậy không đáp ứng được CSPK ở các chế độ khác. Bù điều chỉnh thì đáp ứng được nhu cầu CSPK ở mọi chế độ nhưng có suất đầu tư rất cao và dễ xảy ra sự cố.

Hiện nay LĐPP vận hành có hệ số Pmin/Pmax rất thấp, vì vậy cần phải kết hợp cả bù cố định và bù điều chỉnh. Một bộ phận thiết bị bù nối cứng để đáp ứng nhu cầu CSPK ở mọi chế độ (thường tính toán ở chế độ cực tiểu). Một bộ phận thiết bị bù nối qua bộ điều khiển để thay đổi dung lượng bù, nhằm đáp ứng CSPK cho các chế độ khác nhau. Phương thức bù này sẽ có hiệu quả cao nhất vì thiết bị bù thích nghi được với các chế độ khác nhau của hệ thống, nên giảm tối đa tổn thất công suất. Hiện nay có thể chọn bộ điều khiển đơn giản đóng-cắt hữu cấp nên giảm được đáng kể chi phí lắp đặt, vận hành cũng như giảm được suất sự cố.

Tóm lại, sau khi thực hiện bù tự nhiên, cần xem xét bù nhân tạo cho LĐPP theo phương thức dùng tụ điện tĩnh bù ngang, kết hợp bù cố định với bù điều chỉnh theo chế độ làm việc.

d. Bù tự nhiên lưới điện phân phối: Cấu trúc LĐPP và phương thức vận hành hệ thống không hợp lý, phụ tải các pha bất đối xứng sẽ làm tăng tổn thất và tiêu thụ CSPK lớn hơn thực tế. Chính vì vậy cần phải nghiên cứu bù tự nhiên trước khi thực hiện bù nhân tạo để khắc phục các thiếu sót trong quản lý, vận hành, phân phối, tiêu thụ điện… nhằm hạn chế tiêu thụ CSPK quá mức, biện pháp này không đòi hỏi vốn đầu tư mà phụ thuộc tính toán và quản lý vận hành LĐPP. Tuỳ theo tình hình cụ thể mà lựa chọn và phối hợp các biện pháp sau đây:

 Điều chỉnh điện áp:

- Chọn dây dẫn dự phòng có xét tới phát triển trong tương lai khi thiết kế, xây dựng đường dây LĐPP, đảm bảo cho việc phát triển phụ tải 10 – 15 năm.

- Điều chỉnh đồ thị phụ tải để tránh chênh lệch quá lớn giữa thời gian cao và thấp điểm bằng các biện pháp quản lý kinh doanh như giá điện theo thời gian cao thấp điểm.

- Tính toán chọn nấc phân áp cho các trạm biến áp, vận hành với điện áp cao Uđm

đến 1,1 Uđm ở các trạm nguồn. Dùng các máy biến áp có điều chỉnh điện áp dưới tải.

 Nghiên cứu các phương thức vận hành tối ưu:

Lựa chọn cấu trúc sơ đồ cung cấp điện hợp lý, đưa các trạm biến áp phân phối vào sâu phụ tải để giảm bán kính cung cấp điện của lưới điện hạ áp. Biện pháp này chủ yếu sử dụng trong giai đoạn quy hoạch, thiết kế và có ảnh hưởng lớn đến toàn bộ hệ thống cung cấp điện. Khi các trạm biến áp quá tải cần cấy thêm trạm hơn là nâng công suất các trạm biến áp.

Cân bằng phụ tải: Đa số hệ thống điện phân phối là 3 pha, được thiết kế để vận hành ở chế độ cân bằng. Khi phụ tải các pha không cân bằng làm tăng các thành phần thứ tự nghịch và thứ tự không của dòng điện. Các thành phần này gây tác động xấu như: làm tăng các loại tổn thất trong động cơ và máy phát, gây dao động mômen quay ở các máy điện xoay chiều, gia tăng độ gợn sóng trong các bộ chỉnh lưu, làm cho các thiết bị điện hoạt động không đúng chức năng, làm tăng bão hoà từ cho các máy biến áp và dòng trung tính vượt quá mức cho phép. Một số thiết bị (bao gồm nhiều loại thiết bị bù) làm việc phụ thuộc vào việc vận hành cân bằng để hạn chế các sóng hài.

Tất cả các vấn đề trên sẽ gây nên sự tiêu thụ CSPK không hợp lý ở các phụ tải. Vì vậy cần phải thường xuyên cân bằng phụ tải trên các pha để khắc phục các vấn đề trên nhằm giảm bớt sự tiêu thụ công suất phản kháng.

Hoán chuyển các máy biến áp non tải với máy biến áp quá tải để đảm bảo các máy biến áp vận hành không bị non tải, không tải hay quá tải, giúp cho sự tiêu thụ CSPK của máy biến áp hợp lý hơn, bởi vì thành phần CSPK tiêu thụ để tản từ trong máy biến áp phụ thuộc vào tải.

 Nâng cao hệ số công suất tự nhiên:

Hệ số công suất tự nhiên là hệ số công suất trung bình tính cho cả năm khi không có thiết bị bù. Hệ số công suất tự nhiên được dùng làm căn cứ để tính toán nâng cao hệ số công suất và bù CSPK.

Thay đổi và cải tiến quy trình công nghệ để thiết bị điện làm việc ở chế độ hợp lý nhất. Sử dụng các thiết bị có hiệu suất cao.

Sử dụng động cơ đồng bộ trong những trường hợp có thể: đối với những thiết bị có công suất lớn, không yêu cầu điều chỉnh tốc độ như máy bơm, quạt gió, máy nén khí … thì nên dùng động cơ đồng bộ, vì động cơ này có nhiều ưu điểm so với đồng cơ không đồng bộ như: hệ số công suất cao, khi cần có thể làm việc ở chế độ quá kích từ để trở thành máy bù CSPK cho lưới. Mômen quay tỷ lệ bậc nhất với điện áp, nên ít phụ thuộc vào dao động của điện áp. Khi tần số nguồn không thay đổi, tốc độ quay của động cơ phụ thuộc vào phụ tải, do vậy năng suất làm việc của máy cao. Tuy nhiên động cơ này có nhược điểm là cấu tạo phức tạp, giá thành cao.

Giảm điện áp của những động cơ làm việc non tải: bằng cách đổi dây quấn stato từ  sang Y; thay đổi cách phân nhóm của dây quấn stato; thay đổi đầu phân áp để hạ

thấp điện áp của mạng điện phân xưởng. CSPK tiêu thụ của động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp U, do vậy nếu giảm U thì Q giảm đi rõ rệt, hệ số công suất được nâng lên.

Hạn chế động cơ làm việc non tải hay không tải: các máy công cụ trong quá trình gia công chuyển từ động tác này sang động tác khác thì thường chạy không tải, làm cho hệ số công suất rất thấp. Vì vậy cần phải hạn chế bằng cách hướng dẫn, huấn luyện công nhân có các thao tác hợp lý; Đặt bộ hạn chế chạy không tải trong sơ đồ khống chế động cơ.

Nâng cao chất lượng sửa chữa động cơ để đảm bảo động cơ sau khi sửa chữa vẫn duy trì tính năng như trước: tổn thất trong động cơ không tăng lên, hệ số công suất không giảm…

Sau khi thực hiện bù tự nhiên cho phụ tải, thông thường hệ số công suất vẫn còn thấp, nên cần phải xem xét đầu tư bù nhân tạo.

e. Bù kinh tế lưới điện phân phối: Trong LĐPP, sự lưu thông của dòng CSPK gây ra tổn thất công suất và tổn thất điện năng, một trong những biện pháp giảm tổn thất này là phân bố lại dòng CSPK bằng cách bù CSPK, bù cho mục đích này gọi là bù kinh tế. Bù kinh tế chỉ được thực hiện khi nó thực sự mang lại lợi ích, nghĩa là lợi ích kinh tế mà nó mang lại phải lớn hơn chi phí lắp đặt và vận hành trạm bù.

 Bù tối ưu theo phương pháp phân tích động theo dòng tiền tệ:

Để xác định dung lượng bù tối ưu, cần phải xây dựng hàm mục tiêu, đó là hàm lợi ích thu được khi đặt bù, bao gồm các lợi ích thu được trừ đi các chi phí do đặt bù.

Hàm này phải đạt giá trị cực đại và có 6 thành phần [1, tập 1, tr. 300]:

Z = Z1 + Z2 + Z3 + Z4 - Z5 - Z6 . Ý nghĩa của các thành phần như sau:

Thành phần Z1 là lợi ích thu được do giảm tổn thất điện năng so với trước khi bù.

) .

. ( .

1 T . N g P g Q

Z  e p   q 

Trong đó:

 T là thời gian làm việc của tụ điện [giờ/năm].

 gp và gq là giá điện năng tác dụng và phản kháng bình quân tại khu vực tính bù [đ/kWh], [đ/kVArh].

 

 



 







 N 

n

n

e r

N i

1 1

1 là thời gian quy đổi về thời gian hiện tại Với: * N là thời gian tính toán [năm]

* r là tỷ suất chiết khấu tính toán * i là tỷ số lạm phát

 P và Q là độ giảm tổn thất công suất so với trước khi bù [kW], [kVAr]:

 

 

U R Q Q R Q

U Q Q P Q

P

P Truocbu Saubu b 2. . b b .

. 2

2 2

2  2  













    X

U Q Q X Q

U Q Q Q Q

Q

Q Truocbu Saubu b 2. . b b .

. 2

2 2

2 2 

 

 











Nếu xét mạng phức tạp hình tia, hiệu quả làm giảm tổn thất do đặt dung lượng bù Qbj tại nút j bất kỳ có thể viết được ở dạng tổng quát như sau:

 









D i

bj bj i i

i Q Q Q

U

P R2 . 2. . 2

 









D i

bj bj i i

i Q Q Q

U

Q X2 . 2. . 2

Với: * Qi , Ui là phụ tải phản kháng cực đại và điện áp cuối nhánh i [kVAr], [kV]

* Ri, Xi là điện trở và điện kháng của nhánh i []

* D là đường đi của dòng điện từ nguồn đến nút j

   



 



   



  



 i D

bj bj

i i

i q

D i

bj bj

i i

i p

e Q Q Q

U g X

Q Q

U Q g R

N T

Z1 . . . 2. 2. . 2 . 2. 2. . 2

Thành phần Z2 là lợi ích thu được trên hệ thống điện do giảm được yêu cầu công suất tác dụng ở thời điểm đỉnh của phụ tải vì giảm được tổn thất công suất tác dụng do bù:

Z2 = P . cp . ktđ . Ne

Trong đó:

 P là độ giảm tổn thất tác dụng do đặt dung lượng bù Qbj tại nút j so với trước khi bù (P tính như Z1).

 cp là chi phí đầu tư cho 1kW công suất nguồn điện [đ/kW].

 ktđ là hệ số tham gia vào đỉnh.

Thành phần Z3 là lợi ích thu được ở trạm khu vực hay trạm trung gian do giải phóng được công suất máy biến áp:

Z3 = S . cs . Ne

Trong đó:

 S là độ giảm công suất biểu kiến của trạm trong năm do đặt dung lượng bù Qbj tại nút j so với trước khi bù [kVA/năm]:

S P2Q2  P2(QQbj)2

 cS là chi phí đầu tư cho 1kVA công suất trạm [đ/kVA].

Ngoài ra đối với đường dây cũng có lợi ích từ việc trì hoãn đầu tư nâng cấp tiết diện.

- Thành phần Z4 là lợi ích của hệ thống điện do đặt bù tính từ thanh cái cao áp của trạm khu vực trở lên do đặt dung lượng bù Qbj tại nút j: Z4 = Cq . Qbj . Ne

Trong đó:

 Cq là lợi ích năm của hệ thống điện do đặt bù [đ/kVAr.năm].

- Thành phần Z5 là chi phí lắp đặt và vận hành thiết bị bù tại nút j:

Z5 = (qo + Ne.Cbt).Qbj

Trong đó:

 qo là suất đầu tư tụ bù [đ/kVAr], qo phụ thuộc cấp điện áp và loại bù cố định hay điều chỉnh.

 Cbt: là suất chi phí bảo trì hàng năm của tụ bù tại nút j [đ/kVAr.năm], chi phí này mỗi năm bằng 3% nguyên giá tài sản cố định của trạm bù tại nút j.

Vậy Cbt = 3% . qo

 Z5 = (qo + Ne.3%.qo).Qbj = (1 + 0,03.Ne).qo.Qbj

- Thành phần Z6 là chi phí tổn thất điện năng bên trong thiết bị bù có dung lượng Qbj tại nút j: Z6 = Pb . T . gp . Ne . Qbj

Trong đó:

 Pb là suất tổn thất công suất bên trong tụ bù [kW/kVAr]

Trong 6 thành phần nêu trên, tuỳ theo tình hình cụ thể và lưới điện tính toán, có thể giản ước bớt một số thành phần mà không ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán. Ta cũng thấy rằng các thành phần Z2, Z3, Z4 là lợi ích trên lưới hệ thống và lưới truyền tải [1, tập 1, tr. 303]. Đối với LĐPP chỉ có thành phần lợi ích Z1, do đó hàm mục tiêu tính toán bù cho LĐPP sẽ là:

Zpp = Z1 – Z5 – Z6 =

   



 



   

  



 i D

bj bj

i i

i q

D i

bj bj

i i

i p

e Q Q Q

U g X

Q Q

U Q g R

N

T. . . 2 . 2. . 2 . 2 . 2. . 2 -

- (1 + 0,03 . Ne) . qo . Qbj - T . Pb. gp . Ne . Qbj =

 



 



 

 



 



  

 

2 2

2 . .

. .

. bj

D

i i D i

i q

i i p

e Q

U g X

U g R

N T

 e o b p e bj

i i

i i q

D

i i

i i p

e N q T P g N Q

U Q g X

U Q g R

N

T . 1 0 , 03 . . . . . .

. . .

. . . 2

D 2

2 



 



      

 



 

  





Trong biểu thức Zpp có hệ số của Qbj2 nhỏ hơn không, do đó Zpp đạt cực đại khi:

0





bj pp

Q Z

, từ đó tính được giá trị Qbj tối ưu tại nút j là:

 

 

 



 







 



 



 



















D

i i

i q

D

i i

i p

e

e p b o

e D

i i

i i D

i

q i

i i p

e bj

U g X

U g R

N T

N g P T q U N

X g Q

U R g Q

N T Q

2 2

2 2

. .

. . . 2

. . . .

. 03 , 0 . 1

. . .

. . . 2

Xét trong khoảng thời gian tính toán N năm, với hệ số chiết khấu r% và lạm phát i%, mà Zpp = Z1–Z5–Z6 > 0 tức là NPV > 0 thì phương án khả thi về mặt tài chính, nghĩa là có thể đầu tư lắp đặt tụ bù tại nút j. Vậy điều kiện để đầu tư lắp đặt tụ bù tại nút j là: Zpp > 0 

 



 



 











 



 





















D

i i

i D

i

q i i e

e p b o

e D

i i

i i D

i

q i

i i p e bj

U g X

U N R

T

N g P T q U N

X g Q

U R g Q

N T Q

2 2

2 2

. .

.

. . . .

. 03 , 0 . 1

. . .

. . 2

Để xác định vị trí bù tối ưu cho LĐPP, có thể dùng các chương trình tính toán bằng máy tính.

Phương pháp này khác với phương pháp trong lý thuyết PSS/ADEPT trình bày tại mục 4.5.1 ở chỗ xem biến tụ là biến liên tục, điều kiện ràng buộc theo dung lượng tụ. Trong khi đó, PSS/ADEPT xem biến tụ là biến rời rạc, thay đổi theo phân cấp và ràng buộc theo điều kiện kinh tế.

 Tính toán dung lượng bù tối ưu công suất phản kháng phía hạ áp:

Để đảm bảo điều kiện kinh tế, chỉ bù CSPK sau các trạm biến áp có công suất từ 250kVA trở lên. Dung lượng tủ tụ bù, dung lượng các module tụ bù cố định, tụ bù điều chỉnh; số module tụ bù cố định, tụ bù điều chỉnh và số cổng rơle điều khiển như Bảng 2.1.