Báo cáo Khoa học Bù công suất phản kháng nâng cao chất lượng điện năng lưới điện nông nghiệp

Bỏo cỏo khoa học: Bự cụng suất phản khỏng nõng cao chất lượng điện năng l-ới điện nụng nghiệp Tạp chí KHKT Nông nghiệp, Tập 1, số 2/2003 142 bù công suất phản kháng nâng cao chất l−ợng điện năng l−ới điện nông nghiệp Reactive power compensation to raise electric quality in agricultural distribution network Nguyễn Thị Hiên1 summary Calculating and choosing the place and compensation capacity based on scientific installation is a practical and imperative problem in distributing and conducting electricity. This paper presents a method to determine optimal compensation places and capacity of reactive power in distribution network. Nonlinear programming model was applied (optimum the benefits every year), and the optimal solution was received by the iterative procedure. The problem was programmed by Matlab algrothim. Keywords: Compensation, reactive, optimum. IBộ môn Điện Nông nghiệp, Khoa Cơ điện 1. Đặt vấn đề Nghiên cứu, đề xuất ph−ơng pháp tính toán bù tối −u công suất phản kháng phù hợp với l−ới điện phân phối sao cho vừa đảm bảo chất l−ợng điện áp, vừa có tính kinh tế đang là một vấn đề cần đ−ợc quan tâm bởi vì trong thực tế, việc lắp đặt các thiết bị bù ch−a mang lại hiệu quả kinh tế; dung l−ợng và vị trí đặt thiết bị bù đ−ợc chọn ch−a hợp lý nên không những không cải thiện đ−ợc chất l−ợng điện mà còn có thể làm tăng tổn hao, gây thiệt hại kinh tế. Việc tính toán, lựa chọn vị trí và dung l−ợng bù trên cơ sở khoa học là một bài toán có ý nghĩa thực tiễn và cấp thiết đối với ngành điện nói riêng và nền kinh tế nói chung. Qua nghiên cứu, phân tích các ph−ơng pháp tính bù công suất phản kháng (ph−ơng pháp bù theo điện áp, cực tiểu hàm chi phí tính toán, cực tiểu tổn thất công suất tác dụng, ... ) của Nguyễn Thị Hiên (2002) cho thấy: mỗi ph−ơng pháp đều có −u, nh−ợc điểm nhất định và thích hợp trong những điều kiện tính toán khác nhau, các mô hình đ−ợc xây dựng ch−a mang ý nghĩa tổng quát, chỉ áp dụng với mạng điện hình tia đơn giản, ch−a xét tới sự phân bố ngẫu nhiên của phụ tải ... Mô hình bù tối −u cho phép xác định vị trí và dung l−ợng đặt bù sao cho đạt đ−ợc hiệu quả kinh tế tối đa mà vẫn đảm bảo các điều kiện kỹ thuật của mạng (điện áp, dòng cho phép, ...) 2. xây dựng Mô hình toán học 2.1. Mô hình toán học Bài toán bù tối −u công suất phản kháng là xác định công suất và vị trí đặt các thiết bị bù nhằm mục tiêu đạt hiệu quả kinh tế cực đại khi thoả m^n tất cả các điều kiện kỹ thuật trong chế độ làm việc bình th−ờng của mạng điện. Chỉ tiêu hiệu Bù công suất phản kháng nâng cao chất l−ợng điện năng 143 quả kinh tế là các chi phí quy đổi, các yêu cầu kỹ thuật, là các hạn chế về độ lệch điện áp, khả năng mang tải của các phần tử trong mạng điện và công suất của các thiết bị bù. a. Hàm mục tiêu F = C∆.DA - p. )( 0 ∑∑ + bjbj Qkk → max (2.1) Trong đó: C∆ - giá 1 kWh tổn thất điện năng, lấy bằng giá bán điện trung bình, (đ/ kWh); DA - độ giảm tổn thất điện năng so với tr−ớc khi đặt bù, (kWh); DA phụ thuộc vào cấu trúc l−ới, đồ thị phụ tải công suất phản kháng, cấu trúc trạm bù: số l−ợng, vị trí, chế độ vận hành tụ bù. p - hệ số đ−ợc xác định: p = atc + kvh + kkh (2.2) Với: atc = nT 1 - hệ số thu hồi vốn đầu t− tiêu chuẩn; Tn - thời gian thu hồi vốn đầu t− tiêu chuẩn, (năm); kvh, kkh - hệ số vận hành và hệ số khấu hao thiết bị, th−ờng lấy theo phần trăm vốn đầu t− (bao gồm cả xây lắp và thiết bị). Với l−ới trung áp: Kvh = 7%, kkh = 3% ữ 5% (Trần Quang Khánh, 2000) koj - thành phần chi phí cố định của trạm tụ bù j, (đồng /trạm); kb - giá đơn vị công suất tụ bù, là hàm phụ thuộc công suất bù, là hàm phi tuyến, rời rạc của Qb, để đơn giản lấy kb = const; Qbj - công suất bù tại trạm thứ j, (kVAr); Theo L^ Văn út & cs (1999) có thể biểu diễn hàm mục tiêu bằng ma trận cấu trúc [A] : F = C∆τ- - p. )( 0 ∑∑ + bjbj Qkk → max (2.3) b. Các điều kiện ràng buộc + Điều kiện cân bằng công suất phản kháng nút: Tổng công suất phản kháng tới một nút bất kỳ trong mạng điện phải cân bằng với tổng công suất phản kháng đi ra từ nút đó Qi = Qtj - Qbj + )( k k k QQ ∆+∑ (2.4) Trong đó: Qi - công suất phản kháng đi tới nút j, với mạng điện hở i = j; Qtj - phụ tải phản kháng tại nút j, (kVAr); Tổng k lấy ứng với các nhánh nối với nút j có h−ớng công suất đi ra khỏi nút. + Điều kiện về công suất phát của tụ: 0 ≤ Qbj ≤ Qbjmax (2.5) Qbjmax - công suất bù tối đa tại nút j, xác định theo công suất phụ tải. + Điều kiện về chất l−ợng điện áp Điện áp tại các nút trong mạng điện ở bất kỳ chế độ làm việc nào đều phải nằm trong giới hạn cho phép: ∆Vcpd% ≤ ∆Vj% ≤ ∆Vcpt% (2.6) hay Umin ≤ Uj ≤ Umax (2.7) Umax, Umin - Giới hạn cho phép trên và d−ới của điện áp, (kV); i n i i bibitti R U QAQAQA ∑ = − 1 2 2])][([]][]).([][([2 Nguyễn Thị Hiên 144 + Điều kiện về dòng điện (khả năng tải của đ−ờng dây) Sau khi đặt bù, dòng điện chạy qua các nhánh phải ở trong giới hạn cho phép, nghĩa là: Ii ≤ Icpi (2.8) Icpi - dòng điện cực đại cho phép chạy qua nhánh i, giá trị này đ−ợc xác định theo tiết diện dây dẫn của mạng điện. + Các điều kiện liên quan đến vốn đầu t− (thời gian thu hồi vốn) sẽ đ−ợc xét đến nh− một điều kiện đủ để quyết định có nên đặt bù tại một nút j nào đó hay không (Nguyễn Thị Hiên, 2002). * Nhận xét: Qua sự phân tích, so sánh của Nguyễn Thị Hiên (2002) và Viện Năng l−ợng (2000) cho thấy ph−ơng pháp bù tối −u với hàm mục tiêu (2.1) và các ràng buộc (2.4) ữ (2.7) tỏ ra hợp lý hơn cả, là sự kết hợp hài hoà, chặt chẽ giữa lợi ích kinh tế với các chỉ tiêu kỹ thuật, đáp ứng đ−ợc thực tiễn của l−ới điện phân phối hiện nay ở Việt Nam. 2. 2. Ph−ơng pháp tính Mô hình với hàm mục tiêu (2.3) và hệ các ràng buộc (2.4 ữ 2.8) là mô hình quy hoạch phi tuyến, đa biến với các biến gián đoạn vì công suất của các thiết bị bù (bộ tụ) thay đổi rời rạc nên việc lựa chọn một ph−ơng pháp giải phù hợp, có hiệu quả là vấn đề quan trọng và có ý nghĩa. Qua phân tích, đánh giá một số ph−ơng pháp tính (Viện năng l−ợng, 2000; Nguyễn Thị Hiện, 2002), ph−ơng pháp lặp nhiều b−ớc tỏ ra là ph−ơng pháp khá phù hợp đối với bài toán tính toán dung l−ợng tụ bù tối −u, tuy mức độ hội tụ chậm hơn so với các ph−ơng pháp sử dụng đạo hàm cấp hai (Lagrange, Gradient ...) nh−ng −u điểm nổi bật của ph−ơng pháp là không đòi hỏi tính chính quy và liên tục của hàm mục tiêu, thuật toán đơn giản, dễ áp dụng. Tuy nhiên, khối l−ợng tính toán của ph−ơng pháp lớn, đòi hỏi phải đ−ợc thực hiện trên máy tính. 2.3. áp dụng Bài toán đ−ợc lập trình theo ngôn ngữ Matlab, áp dụng cho l−ới điện hình 1, kết quả tính toán cho trong bảng 1; Sau khi bù, l−ợng điện năng tiết kiệm hàng năm là 46114,5 kWh mang lại 41,8 triệu đồng cho ngành điện; Ph−ơng án đòi hỏi vốn đầu t−: 156,3 triệu đồng. 3. nhận xét Và kết luận Trong điều kiện của mạng điện nông nghiệp n−ớc ta hiện nay, việc tìm ra một ph−ơng pháp tính bù công suất phản kháng khoa học là một bài toán hết sức có ý nghĩa, ph−ơng pháp tính bù tối −u công suất phản kháng dựa trên chỉ tiêu tối đa các tiết kiệm mà chúng tôi xây dựng đ^ khắc phục đ−ợc một số nh−ợc điểm của các ph−ơng pháp tính tr−ớc đó, cụ thể: Ph−ơng pháp có thể áp dụng thuận tiện đối với một mạng điện hở bất kỳ, số liệu đòi hỏi không nhiều, dễ thu thập. Ph−ơng pháp và ch−ơng trình tính toán cho phép xem xét sự ảnh h−ởng đồng thời của nhiều yếu tố kinh tế - kỹ thuật, do đó nâng cao đ−ợc độ chính xác của bài toán. Việc xác định thứ tự −u tiên các nút đặt bù và giảm nhỏ số biến (nút bù) tuỳ thuộc vào khả năng đâù t− và quản lý vận hành (Nguyễn Thị Hiên, 2002) làm đơn giản rất nhiều quá trình tính toán mà không ảnh h−ởng đến tính tối −u của bài toán. Ph−ơng pháp đề xuất có thể áp dụng có hiệu quả đối với các l−ới điện trung áp ở khu vực nông nghiệp và cũng có thể mở rộng phạm vi ứng dụng đối với các l−ới điện phân phối khác. 145 Bù công suất phản kháng nâng cao chất l−ợng điện năng A C -7 0 0 ,2 3 4 1 6 1 8 2 0 2 2 1 4 A C - 7 0 3 A C - 7 0 1 ,2 A C - 7 0 1 ,2 A C - 7 0 0 ,3 A C - 7 0 0 ,3 A C -7 0 0 ,5 5 A C - 7 0 0 ,5 5 A C -7 0 0 ,4 A C -7 0 0 ,1 A C - 7 0 0 ,5 A C - 7 0 0 ,6 A C -7 0 0 ,8 A C -7 0 1, 1 A C -7 0 0 ,2 5 A C -7 0 0, 7 5 A C -7 0 0 ,2 5 A C -7 0 1 ,5 5 A C -7 0 1, 1 5 A C -7 0 0, 25 A C -7 0 1 ,1 A C -7 0 1 ,1 4 0 3 8 3 9 A C A C -5 0 0, 1 2 2 1 1 9 0 1 2 5 1 1 1 0 9 8 7 1 7 1 5 1 3 1 2 2 4 2 7 3 4 2 8 3 2 A C -7 0 0, 22 A C -7 0 0 ,3 5 A C -7 0 0 ,3 2 A C -7 0 0 ,2 A C -7 0 2 A C -7 0 0, 7 A C -3 5 0, 0 1 A C -3 5 0 ,4 6 A C -3 5 0, 5 5 A C -3 5 0 ,2 A C - 7 0 0 ,7 2 A C -7 0 0, 3 A C -7 0 1, 3 A C -7 0 0 ,8 3 3 3 7 3 6 3 5 2 3 2 9 2 5 2 6 3 0 3 1 H ìn h 1. S ơ đ ồ m ạ n g đ iệ n t ín h t o á n b ù t ố i − u c ô n g su ấ t p h ả n k h á n g Nguyễn Thị Hiên 146 Tài liệu tham khảo Nguyễn Thị Hiên (2002), Bù công suất phản kháng nâng cao chất l−ợng điện năng l−ới điện phân phối, Luận văn Thạc sỹ Khoa học kỹ thuật, Hà Nội. Trần Quang Khánh (2000), Quy hoạch điện nông thôn, Giáo trình Đại học Nông nghiệp I, Hà Nội. L^ Văn út, Tăng Thiên T−, Trần Vinh Tịnh (1999), “Đánh giá hiệu quả lắp đặt thiết bị bù trong mạng cung cấp điện”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các tr−ờng Đại học, (page 22). Viện Năng l−ợng (2000), “Nghiên cứu thiết lập quy trình bù công suất phản kháng nhằm giảm tổn thất điện năng trong l−ới phân phối”, Đề tài nghiên cứu khoa học. Bảng 1. Kết quả tính toán bù tối −u công suất phản kháng l−ới điện hình 1 Nút Công suất Pmax(kW) cosϕ ∆Utr−ớc (%) ∆Usau (%) Qbù (kVAr) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 0 0 154 85 0 156 80 188 0 153 70 148 0 358 296 115 0 80 0 126 0 264 0 292 0 0 126 144 0 225 295 164 70 154 125 153 144 200 135 526 0 0 0,85 0,80 0 0,80 0,75 0,80 0 0,85 0,80 0,78 0 0,82 0,80 0,70 0 0,85 0 0,70 0 0,85 0 0,80 0 0 0,80 0,80 0 0,70 0,80 0,85 0,70 0,85 0,85 0,80 0,80 0,80 0,80 0,70 -2,44 -2,69 -2,73 -2,91 -3,75 -3,76 -4,22 -4,36 -4,48 -4,51 -4,55 -4,91 -5,39 -5,58 --5,55 -3,12 -3,23 -3,25 -3,68 -3,72 -4,21 -4,21 -4,95 -5,07 -5,23 -5,49 -5,51 -5,51 -5,37 -5,87 -5,95 -6,03 -6,06 -5,38 -5,52 -5,63 -5,65 -1,37 -1,41 -1,45 -1,88 -2,13 -2,17 -2,35 -3,19 -3,21 -3,66 -3,80 -3,93 -3,95 -3,99 -4,35 -4,83 -5,00 -4,99 -2,30 -2,37 -2,39 -2,63 -2,67 -2,92 -2,92 -3,29 -3,40 -3,40 -3,66 -3,68 -3,68 -3,43 -3,48 -3,49 -3,51 -3,51 -3,44 -3,52 -3,57 3,58 1,37 1,41 1,45 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 260 260 120 80 0 0 130 130 0 0 0