Luận văn Tính toán lựa chọn vị trí, số lượng, dung lượng thiết bị bù hợp lý trong lưới điện phân phối

Luận văn Tính toán lựa chọn vị trí, số lượng, dung lượng thiết bị bù hợp lý trong lưới điện phân phối 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỞ ĐẦU Cùng với quá trình Công nghiệp hoá và hiện đại hoá Đất nƣớc, nhu cầu phụ tải không ngừng gia tăng. Sự xuất hiện của các khu công nghiệp đòi hỏi sự tiêu thụ công suất phản kháng tăng lên nhanh chóng, điều đó làm tăng tổn thất điện năng, công suất và chi phí truyền tải điện năng, giảm hiệu quả sử dụng mạng điện, đồng thời làm giảm hệ số công suất cos và chất lƣợng điện năng. Sự tăng tổn thất do suy giảm hệ số cos buộc các nhà kinh doanh điện năng phải áp dụng bảng giá phạt đối với các hộ dùng điện có hệ số cos thấp. Chính vì vậy nhiệm vụ bù công suất phản kháng đƣợc đặt ra không chỉ đối với hệ thống điện, mà cả các hộ dùng điện. Đề tài “Tính toán lựa chọn vị trí, số lượng, dung lượng thiết bị bù hợp lý trong lưới điện phân phối ” đƣợc thực hiện nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách nói trên. Khác với công suất tác dụng, công suất phản kháng trong hệ thống điện đƣợc sản sinh ra cũng nhƣ đƣợc tiêu thụ dƣới rất nhiều hình thức. Một số phần tử hệ thống điện chỉ tiêu thụ công suất phản kháng, một số khác vừa tiêu thụ vừa có thể sinh ra công suất này. Sự tiêu thụ và tạo ra công suất phản kháng thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Vấn đề “bù công suất phản kháng” là một vấn đề hết sức phức tạp, liên quan đến rất nhiều tham số chế độ cũng nhƣ các tham số hệ thống, mà không ngừng biến đổi theo thời gian. Đã có nhiều tác giả áp dụng các kết quả nghiên cứu của các nƣớc khác nhau trong việc giải bài toán bù công suất phản kháng. Tuy nhiên, đối với mạng điện phân phối nƣớc ta, vấn đề bù công suất phản kháng mới chỉ đƣợc đề cập đến ở một số khảo sát, đánh giá. Các cụm tụ bù đƣợc xây dựng một cách tự phát, chƣa có những nghiên cứu và tính toán một cách khoa học, nên sự làm việc của các thiết bị bù chƣa mang lại hiệu quả đáng kể, thậm chí có một số nơi khi các thiết bị bù làm việc trong mạng thì lại dẫn đến tăng tổn thất và giảm chất lƣợng điện. Trong khi thị trƣờng công suất phản kháng ở nhiều nƣớc trên thế giới diễn ra hết sức sôi động, thì ở nƣớc ta công suất phản kháng chƣa thực sự đƣợc coi là một dạng hàng hoá mà mới đƣợc trao đổi dƣới dạng phạt hệ số cos . Theo nghị định số 45/2001/NĐ-CP của chính phủ về việc sử dụng điện, nếu khách 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên hàng dùng điện với hệ số cos nhỏ hơn 0,85 thì sẽ phải trả thêm tiền mua điện năng tác dụng theo một hệ số phạt k luỹ tiến (hệ số cos càng nhỏ thì hệ số k càng lớn). Tuy nhiên trong thực tế vấn đề phạt hệ số cos thấp diễn ra hết sức tuỳ tiện và thiếu thống nhất. Điều đó cũng dễ hiểu vì thực tế cái mốc phạt cos nhỏ hơn 0,85 đƣợc đặt ra chƣa dựa trên cơ sở tính toán khoa học. Mặt khác khi khách hàng có hệ số cos lớn hơn mức quy định thì lại chƣa đƣợc đề cập đến… Đề tài sẽ tính toán và đề xuất mô hình bù công suất phản kháng, các tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điện. 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 1. Sự tiêu thụ công suất phản kháng của các thiết bị : Nhƣ đã biết, các thiết bị điện từ khi làm việc sẽ tiêu thụ từ lƣới một dòng điện bao gồm các thành phần: phụ tải, tổn thất, dòng điện tản (dòng rò) và dòng từ hoá. Tức là cùng với việc tiêu thụ một lƣợng công suất tác dụng để sinh công, các thiết bị điện còn tiêu thụ một lƣợng công suất phản kháng. Lƣợng công suất phản kháng mà các thiết bị điện tiêu thụ phụ thuộc vào đặc tính của chúng, các động cơ không đồng bộ, máy biến áp vv… là những thiết bị tiêu thụ nhiều công suất phản kháng. Theo số liệu thống kê, thì lƣợng công suất phản kháng do động cơ không đồng bộ tiêu thụ chiếm tỷ trọng lớn nhất (khoảng 65 75%), tiếp theo là máy biến áp khoảng 15 20% và các đƣờng dây 5 8%. Mức độ tiêu thụ công suất phản kháng đƣợc đánh giá bởi hệ số công suất, mà đƣợc xác định bởi tỷ số giữa công suất tác dụng (P) và công suất biểu kiến (S) cos =P/S. cos = UI P S P 3 ; (1.1) Trong thực tế vận hành giá trị cos thƣờng đƣợc xác định theo công thức cos tb = 2)(1 1 r x A A Trong đó: Ar , Ax - điện năng tác dụng và phản kháng trên thanh cái trạm biến áp P – công suất tác dụng; 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Để thuận tiện cho việc phân tích và tính toán, đôi khi ngƣời ta thƣờng dùng khái niệm hệ số tg thay cho hệ số cos , đó là tỷ lệ giữa công suất phản kháng và công suất tác dụng: tg = Q/P. Tuy nhiên hệ số tg chỉ áp dụng trong các bƣớc tính trung gian, kết quả cuối cùng lại đƣợc chuyển về hệ số cos tƣơng ứng. Khi cos của thiết bị điện càng lớn, tức là mức độ tiêu thụ công suất phản kháng càng bé, vì vậy làm cho mức độ yêu cầu về Q từ lƣới ít, nó góp phần cải thiện chế độ làm việc của lƣới. Hệ số cos của các hộ tiêu thụ lại phụ thuộc vào chế độ làm việc của các phụ tải điện. Khi hệ số cos thấp sẽ dẫn đến sự tăng công suất phản kháng, sự truyền tải công suất phản kháng trong mạng điện làm giảm sút các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật của mạng điện nhƣ: a) Làm tăng tổn thất công suất và tăng đốt nóng dây dẫn Tổn thất công suất trong mạng điện đƣợc xác định theo biểu thức. R U QP RIP 2 22 23 = Pr + Px (1.2) Khi truyền tải điện năng trong mạng điện cao áp do điện trở phản kháng lớn nên thành phần tổn hao công suất phản kháng thƣờng lớn hơn thành phần tổn thất công suất tác dụng. Đặc biệt đối với máy biến áp thành phần tổn thất công suất phản kháng chiếm tỷ lệ rất lớn. Chẳng hạn đối với máy 320 kVA 10/0,4 thì P%= 2,4 còn Q% = 3,2 . b) Tăng tiết diện dây dẫn Khả năng truyền tải của đƣờng dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng cho phép, tức là phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng. Dòng điện chạy qua dây dẫn và máy biến áp đƣợc xác định : U QP U S I 33 22 (1.3) 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Từ biểu thức trên chúng ta nhận thấy: Với cùng một điều kiện phát nóng nhất định của đƣờng dây và máy biến áp với P = const, nếu tăng lƣợng công suất phản kháng Q buộc phải tăng tiết diện dây dẫn, do đó sẽ làm tăng chi phí của mạng điện. Theo số liệu tính toán, khi hệ số công suất giảm 20% (từ 1 xuống 0,8) thì lƣợng tổn thất công suất tăng lên khoảng 1,56 lần và khối lƣợng dây dẫn tăng lên 25%. Ví dụ minh hoạ dƣới đây cho thấy ảnh hƣởng của hệ số cos đối với sự thay đổi của công suất toàn phần. cos = 1 cos = 0,8 cos = 0,7 P = 100 kW P = 100 kW P = 100 kW Q = 0 Q = 75 kVAr Q=100kVAr S = 100 kVA S = 125 kVA S = 141 kVA Kết quả tính toán ở ví dụ trên cho thấy khi hệ số cos giảm từ 1 xuống 0,7 thì giá trị công suất toàn phần tăng lên 1,41 lần. c) Làm hạn chế khả năng truyền tải công suất tác dụng Cũng từ biểu thức (1.3) trên ta thấy, nếu vẫn giữ dòng I=const thì khi Q tăng buộc phải giảm P để đảm bảo điều kiện đốt nóng cho phép của các phần tử hệ thống điện. Còn nếu vẫn giữ nguyên giá trị P = const thì nếu công suất phản kháng quá lớn sẽ có thể gây quá tải cho các thiết bị điện vì công suất toàn phần S phải tăng lên. Điều đó sẽ làm giảm tuổi thọ thậm chí có thể phá huỷ thiết bị. Việc giảm công suất tác dụng sẽ làm giảm hiệu suất truyền tải của mạng điện. d) Giảm chất lượng điện Tăng công suất phản kháng sẽ làm giảm chất lƣợng điện do tổn thất điện áp tăng và do dao động điện áp khi công suất phản kháng thay đổi. Nhƣ đã biết, tổn thất điện áp đƣợc xác định bởi biểu thức xr UU U QXPR U (1.4) 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Thành phần tổn thất phản kháng Ux tỷ lệ thuận với công suất phản kháng. Việc tăng công suất Q sẽ làm tăng đáng kể tổn thất điện áp, do đó làm giảm chất lƣợng điện. Điều đó làm tăng thêm chi phí do phải trang bị các cơ cấu điều chỉnh điện áp trong hệ thống. Khi chất lƣợng điện giảm quá mức cho phép sẽ dẫn đến sự thay đổi chế độ làm việc của các phần tử hệ thống điện. Sự thay đổi này có thể làm giảm năng suất của các thiết bị gây thiệt hại về kinh tế cho các ngành sản xuất. 2. Hiện trạng bù công suất phản kháng: 2.1.Tình hình bù công suất phản kháng ở Việt Nam. 2.1.1. Lưới điện phân phối và hệ số công suất cos . Sơ đồ mạng điện ở các địa phƣơng có dạng nhƣ trên hình 1.1. Nguồn cấp là từ thanh cái trạm 110 kV, 220 kV hay thanh cái phía cao áp của nhà máy điện bằng đƣờng dây tải điện theo cơ cấu mạch vòng hay hình tia dẫn điện đến khu vực phụ tải điện áp đƣợc hạ xuống 35 kV, 22 kV hay 10 kV, 6 kV. Nếu là 35 kV thì tồn tại các đƣờng dây 35 kV đi sâu tới phụ tải hơn và tại đó hạ xuống 22kV, 10 kV hay 6 kV. Từ thanh cái 22 kV, 10 kV, 6 kV hình thành các đƣờng dây phân phối hình tia, cũng có thể là mạch vòng nhƣng khi vận hành vẫn để ở chế độ hình tia. Từ các đƣờng dây này theo điểm phụ tải đấu đến các máy biến áp hạ xuống điện áp hạ thế 400/220 V để cấp điện cho các phụ tải hạ thế. Sau trạm hạ áp hình thành các đƣờng dây hạ thế có cấu trúc hình tia dẫn điện đến từng hộ tiêu thụ. Hình 1.1. Sơ đồ lưới điện 110 kV,220 kV 35 kV 6 22kV 0,4 kV 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong sơ đồ cấp điện nêu trên, hệ số công suất cos và bù công suất phản kháng đƣợc đề cập đến ở từng cấp điện áp. Qua khảo sát thực tế tại một số Điện lực tỉnh, các giá trị cos ở các cấp điện áp thể hiện khá rõ nét nhƣ sau: - Tại các cấp điện áp 35 kV trở lên hệ số công suất cos có giá trị thƣờng từ 0,85 trở lên. Trƣờng hợp nguồn cấp là nhà máy điện, ví dụ nhƣ tại Điện lực Ninh Bình thì cos có giá trị khoảng 0,85; còn trƣờng hợp nguồn cấp là thanh cái trạm 110kV, 220kV thì cos có giá trị cao hơn, thậm chí tới 0,92 0,95. Cũng chính vì vậy mà cos có giá trị tại các đầu nhánh đƣờng dây cấp 22kV,10kV, 6kV cũng cao, không dƣới 0,85. Do vậy các nhà quản lý Điện lực cấp tỉnh tự cảm nhận là hệ số cos dƣờng nhƣ không có vấn đề gì. - Tại cuối các nhánh đƣờng dây cấp 22kV,10kV, 6kV giá trị cos không còn cao nữa. Các máy biến áp hạ áp 22kV,10kV, 6kV xuống 0,4 kV trong nhiều trƣờng hợp vận hành non tải nên giá trị cos đầu ra đƣờng dây điện hạ thế bị tụt xuống. Và xa hơn nữa tại đầu vào của các hộ phụ tải điện áp hạ thế 0,4 kV giá trị cos khá thấp do chính các phụ tải điện (đồ điện) nhƣ quạt, điều hoà nhiệt độ, đèn Neon, tủ lạnh,....có giá trị cos thấp, tiêu thụ nhiều công suất phản kháng. Từ cuối các nhánh đƣờng dây cấp 22kV,10kV, 6kV và toàn bộ phía hạ thế do điện lực của các chi nhánh quản lý, họ chủ yếu quan tâm đến cung cấp điện liên tục và thu tiền điện, ít quan tâm đến chất lƣợng điện áp. Thực tế là do các giá trị cos từ cuối các nhánh đƣờng dây cấp 22kV,10kV, 6kV và toàn bộ phía hạ thế thấp dẫn đến phải tải công suất phản kháng để đáp ứng cho nhu cầu phụ tải. Điều đó dẫn đến tổn thất công suất trên các đƣờng dây lớn, tổn thất điện áp lớn, làm giảm điện áp tại hộ tiêu thụ, không đảm bảo chất lƣợng điện năng. Các vấn đề trình bày về chất lƣợng điện năng nêu trên nói chung ít đƣợc quán triệt ở các Điện lực và các chi nhánh, nên vấn đề bù công suất phản kháng rất ít đƣợc quan tâm. Chỉ một vài Điện lực nhƣ Hà Nội, Hải Dƣơng, Nam Định v.v… các 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên lãnh đạo quan tâm tới vấn đề này thì công việc bù công suất phản kháng có đƣợc thực thi tốt hơn, tuy chƣa triệt để; còn đại bộ phận các Điện lực tỉnh việc quan tâm đến vấn đề bù công suất phản kháng là rất ít, hoặc có chăng thực thi một cách “cƣỡng chế” do theo yêu cầu hoặc theo nghị định của Tập đoàn Điện lực Việt Nam. - Các xí nghiệp sử dụng điện công suất lớn, điện áp trung-cao thế có hệ số công suất cos thấp dƣới 0,85 (do qui định của Tập đoàn Điện lực Việt Nam ) thƣờng tiến hành lắp đặt tụ bù để tránh không bị phạt cos . Các xí nghiệp công suất điện nhỏ hay khu cơ quan hành chính, khu dân cƣ hầu nhƣ không hề đề cập đến bù công suất phản kháng vì ý thức và quan trọng hơn cả là họ không phải đóng tiền tiêu thụ công suất phản kháng mà chỉ đóng tiền điện qua công tơ điện ( tức là chỉ đóng tiền điện tiêu thụ công suất tác dụng). Các nhận xét chung nêu trên về cos và bù công suất phản kháng nêu trên đựơc thể hiện cụ thể qua điều tra thực tế. Trong phạm vi đề tài, tôi đã tiến hành khảo sát tình hình cos và bù công suất phản kháng tại Điện lực tỉnh Hải Dƣơng. 2.1.2. Thực trạng làm việc của các thiết bị bù. Nhìn chung, đại đa số các thiết bị bù công suất phản kháng hiện tại không có cơ cấu tự động điều chỉnh, vì vậy ở một số nơi vào giờ thấp điểm có hiện tƣợng dòng công suất phản kháng chạy ngƣợc, làm tăng tổn thất và quá áp cục bộ. Vị trí đặt thiết bị bù thƣờng đƣợc chọn sao cho dễ vận hành chứ không xét đến hiệu quả kinh tế của thiết bị, vì vậy chƣa tận dụng đƣợc hiệu quả làm việc của thiết bị, dẫn đến sự lãng phí. Tuổi thọ của thiết bị bù thƣờng thấp hơn nhiều so với giá trị quy định của nhà sản xuất vì điều kiện làm việc của thiết bị chƣa phù hợp. Đa số các trƣờng hợp hỏng tụ do bị nổ một pha. Nguyên nhân chủ yếu là do phần lớn tụ bù không có bộ lọc sóng hài, mà thông thƣờng sự xuất hiện của sóng hài đồng thời với sự mất đối xứng, do đó dẫn đến một trong các pha bị quá nhiệt cục bộ, làm nổ tụ. Để bảo vệ tụ bù và nâng cao tuổi thọ của chúng cần phải có sự nghiên cứu, phân tích, áp dụng các thiết bị bảo vệ phù hợp nhƣ bộ lọc sóng hài và các thiết bị giảm ảnh hƣởng của sóng hài khác. 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trên cơ sở phân tích hiện trạng sử dụng điện và hệ số công suất của mạng điện ở một số khu vực ta rút ra một số nhận xét sau: 1. Chế độ vận hành lƣới phân phối chủ yếu là vận hành hở. 2. Một thiết bù công suất phản kháng có thể đáp ứng cả ba chức năng là điều chỉnh công suất, điều chỉnh điện áp và cân bằng pha. 3. Việc bù công suất phản kháng trong lƣới phân phối là bù rải trên các xuất tuyến trung áp. 4. Trong thực tế vận hành, đồ thị thay đổi không bằng phẳng. Do vậy cần phải xác định vị trí, dung lƣợng, thời gian đóng cắt của tụ. 2.2. Vấn đề bù công suất phản kháng ở một số nƣớc trên thế giới. Vấn đề bù công suất phản kháng để là giải pháp giảm tổn thất điện năng rất đƣợc coi trọng ở các nƣớc tiên tiến. Giải pháp này đƣợc quan tâm ngay từ khâu thiết kế, lựa chọn thiết bị và dây chuyền công nghệ sản xuất. Mạng điện ở hầu hết các nƣớc phƣơng Tây đều có trang bị tụ bù để nâng cao hệ số công suất. Việc đặt thiết bị bù đƣợc thực hiện theo một số phƣơng án cơ bản sau: 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.1. Các phương án đặt thiết bị bù công suất phản kháng 1). Thiết bị bù lớn đặt trên thanh cái trạm biến áp hoặc tại các điểm nút của mạng điện (hình a). Phƣơng án này cho phép giám sát và vận hành dễ dàng thiết bị bù, tuy nhiên tổn thất trên đoạn từ thanh cái 1 đến các thiết bị dùng điện không giảm vì ở đoạn này vẫn có dòng công suất phản kháng của phụ tải chạy qua. Thêm vào đó, khi phụ tải phản kháng nhỏ thì có thể sẽ xẩy ra hiện tƣợng dƣ thừa công suất bù. Vì vậy đối với phƣơng án này ngƣời ta thƣờng phải trang bị thêm hệ thống tự động điều chỉnh dung lƣợng tụ bù. 2). Thiết bị bù tĩnh đặt trong tủ phân phối của nhóm thiết bị dùng điện (hình b). Phƣơng án này cho phép giảm tổn thất trên đoạn dây từ thanh cái trạm biến áp đến tủ phân phối của các nhóm thiết bị dùng điện, tuy nhiên hệ số công suất phụ thuộc vào số lƣợng thiết bị dùng điện. Trong trƣờng hợp có ít động cơ trong nhóm thì vẫn a) 1 2 M M M M 3 b) 1 2 M M M M 3 c) 1 2 M M M M 3 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên có khả năng dƣ thừa công suất phản kháng. Vì vậy đối với phƣơng án này cũng cần phải trang bị thêm hệ thống tự động điều chỉnh dung lƣợng tụ bù. 3). Thiết bị bù tĩnh đóng cắt ngay trên đầu vào của các thiết bị dùng điện (hình c). Theo phƣơng án này một công tắc tơ sẽ điều khiển cả động cơ và tụ bù. Khi động cơ không làm việc thì tụ bù cũng sẽ đƣợc cắt khỏi mạng, do đó sẽ không cần đến các thiết bị điều khiển. Thƣờng thì các cụm tụ bù không điều chỉnh đƣợc áp dụng nếu công suất tụ chỉ chiếm 15% công suất của máy biến áp, còn nếu công suất tụ lớn hơn 15% công suất máy biến áp thì cần phải đặt thiết bị bù có tự động điều chỉnh Để bảo vệ cho thiết bị bù ngƣời ta thƣờng dùng bộ lọc sóng hài lắp nối tiếp với bộ tụ và các máy cắt để bảo vệ chống ngắn mạch. Hiện nay đã có rất nhiều thiết bị tự động điều chỉnh dung lƣợng bù đƣợc áp dụng. Một trong những hệ thống hiện đại dùng để điều chỉnh hệ số công suất cos có tên gọi là Hershey. Hệ thống này cho phép khắc phục đƣợc hiện tƣợng thừa công suất phản kháng khi phụ tải cực tiểu, do đó ổn định đƣợc giá trị điện áp và giảm tổn thất trong mạng điện, giá trị của hệ số cos đƣợc duy trì ở mức 0,95 1. Khác với các thiết bị bù thông thƣờng, hệ thống Hershey có trang bị thêm bộ lọc sóng hài. Ngoài ra hệ thống Hershey còn đƣợc lắp đặt thiết bị tự chẩn đoán đặc biệt để cảnh báo khi khi có sự cố bất thƣờng xẩy ra trong các ngăn tụ bù. Thiết bị tự động điều chỉnh hệ số công suất AFPC (Automatic Power Factor Controller) có tên gọi là POWERWARE đƣợc áp dụng khá rộng rãi ở các nƣớc tiên tiến. Đây là loại thiết bị tự động điều chỉnh hệ số công suất có gắn bộ vi xử lý, cho phép duy trì giá trị hệ số công suất cao nhất ở mọi thời điểm trong ngày. Công ty lƣới điện Quốc gia NGC (National Grid Company) Hoa Kỳ đã tiến hành một số nghiên cứu bù và kinh doanh công suất phản kháng. Công suất phản kháng đƣợc định giá theo từng khu vực. Giá thành điện năng phản kháng đƣợc tính trung bình khoảng 2,4 $/MVArh. Tại Canada, các nghiên cứu về bù công suất phản 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên kháng đƣợc tiến hành bởi ESO (Electric System Operator) và EMO (Electric Market Operator). Tất cả các máy phát trên 10 MW đều đƣợc nối với hệ thống điện mà đƣợc kiểm soát bởi IESO (Indepedent Electric System Operator). Yêu cầu về hệ số công suất ở hệ thống này là 0,9 đối với nguồn và 0,95 đối với phụ tải. Ở Anh vào đầu những năm 1990 sau tiến trình tƣ hữu hoá hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, thị trƣờng công suất phản kháng đã bắt đầu hoạt động. Tất cả các máy phát từ 50 MW trở lên đòi hỏi phải có hệ số công suất không dƣới 0,95 và hệ số công suất phía phụ tải không dƣới 0,85. Ở Thuỵ Điển tất cả các nhà máy thuỷ điện và nhiệt điện yêu cầu phải duy trì hệ số công suất không dƣới 0,9. Riêng ở Hà Lan việc trả tiền điện phản kháng chƣa đƣợc thực hiện. Ở Bỉ việc trả tiền điện năng tác dụng đƣợc thực hiện tuỳ vào cấp điện áp: Trong khi với mạng điện truyền tải là 0,21€/MWh, còn ở mạng điện phân phối là 0,23 €/MWh, thì giá điện phản kháng là 6 €/MVArh, nếu hệ số công suất thấp hơn 0,95. Ở Argentine giá tiền phạt công suất phản kháng là 0,45 $US/MVArh. Ở Ấn Độ giá bán điện năng phản kháng khoảng 4 paise/kVArh (1$US/MVArh). Ở Australia hệ số cos đƣợc ấn định đối với các hộ dùng điện phải không dƣới 0,9 và đối với nguồn – không dƣới 0,93. Ở Nhật giá điện đƣợc phân ra 2 thành phần: thành phần cơ bản gắn với hệ số công suất theo biểu thức sau: Ccb = gP.P.(1,85-cos ) (1.5) CA= gA.A Trong đó Ccb- tiền điện cơ bản; CA- tiền điện trả theo mức tiêu thụ; gp - đơn giá công suất tác dụng Yên/kW; gA - đơn giá điện năng tác dụng Yên/kWh; P – công suất đăng ký theo hợp đồng mua bán điện, kW ; A - điện năng tiêu thụ, kWh. 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nhƣ vậy có thể thấy đại đa số các nƣớc trên thế giới đều thu tiền sử dụng điện năng phản kháng, tuy nhiên việc ấn định hệ số công suất làm cơ sở phạt tiền sử dụng công suất phản kháng ở các nƣớc khác nhau rất khác nhau. 3. Kết luận: 1. Hiện nay vấn đề bù công suất phản kháng trong mạng điện phân phối ở các địa phƣơng trong cả nƣớc chƣa đƣợc quan tâm một cách đúng mức.Việc lắp đặt thiết bị bù thƣờng chỉ là giải pháp tình thế, không có sự tính toán hợp lý vì vậy hiệu quả bù chƣa cao. Đặc biệt hầu hết các thiết bị bù không có cơ cấu tự động điều chỉnh nên làm giảm hiệu quả bù, thậm chí có thể gây thiệt hại do quá bù. 2. Vấn đề phạt hệ số cos thấp ở các địa phƣơng diễn ra không thống nhất. Công suất phản kháng và chất lƣợng điện chƣa đƣợc gắn với vấn đề kinh doanh điện năng, vì vậy dẫn đến nhiều bất cập trong việc áp dụng các biện pháp tiết kiệm điện và nâng cao hiệu quả sử dụng của các thiết bị điện. Đã đến lúc chúng ta cần phải đƣa ra những tiêu chí về chất lƣợng điện và hệ số cos tham gia trong thị trƣờng điện cạnh tranh. 3. Vấn đề bù công suất phản kháng ở mạng điện của các nƣớc phát triển trên thế giới đƣợc đặc biệt quan tâm. Một số sơ đồ bù công suất phản kháng đƣợc áp dụng là thiết bị bù tập trung, thiết bị bù phân tán và thiết bị bù đóng cắt cùng với máy công tác. ở các nƣớc khác nhau có các phƣơng thức quản lý, kinh doanh công suất phản kháng khác nhau mà chúng ta có thể nghiên cứu áp dụng trong điều kiện cụ thể ở mạng điện Việt Nam. 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG II CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN BÙ TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI Dƣới đây chúng ta sẽ phân tích một cách chi tiết một số ảnh hƣởng của sự truyền tải công suất phản kháng đối với các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của mạng điện. 2.1 Quan hệ giữa tổn thất điện năng, chi phí quy dẫn với hệ số công suất và thời gian sử dụng công suất cực đại. 2.1.1. Quan hệ giữa tổn thất điện năng với hệ số cos và thời gian TM Nhƣ đã biết, tổn thất điện năng trong mạng điện có thể đƣợc đánh giá bởi biểu thức R U QP A 2 22 R U P 2cos2 2 (2.1) Trong đó: - thời gian tổn thất công suất cực đại hàng năm, có thể biểu thị dƣới dạng hàm phụ thuộc vào thời gian sử dụng công suất cực đại TM = ( 0,124 + TM.10 - 4 ) 2 8760 (2.2) R U QP A 2 22 R U P 2cos2 2 22 342 cos 10).10124,0.(. U tTRP M (2.3) Nếu tính theo giá trị phần trăm của điện năng tiêu thụ %100% A A A với A=P.T (2.4) Biểu đồ phụ thuộc giữa tổn thất điện năng với hệ số công suất và thời gian sử dụng công suất cực đại đƣợc thể hiện trên hình 2.1. Phân tích quan hệ phụ thuộc giữa tổn thất điện năng với hệ số công suất và thời gian sử dụng công suất cực đại 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên (hình 2.1) chúng ta thấy khi hệ số công suất nhỏ hơn 0,7 thì tốc độ tăng tổn thất sẽ khá nhanh. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 2000 4000 6000 8000 0 1 2 3 4 cosfi Ton that dien nang dA%=f(cosfi,Tm) Tm, hr dA ,% Hình 2.1. Biểu đồ phụ thuộc giữa tổn thất điện năng với hệ số cos và TM 2.1.2. Quan hệ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn với hệ số công suất và TM Trƣớc hết ta xác định giá trị dòng điện chạy trên đƣờng dây cos..3.3 U P U S I (2.5) Mật độ dòng điện kinh tế c pb jkt 3 103 ; (2.6) Trong đó: p – hệ số sử dụng hiệu quả và khấu hao thiết bị; b – hệ số kinh tế thay đổi của đƣờng dây, đ/km.mm2 ; - điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn; c - giá thành tổn thất điện năng. 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Giả thiết dây dẫn đƣợc chọn theo mật độ dòng điện kinh tế, lúc đó tiết diện dây dẫn sẽ là ktj I F (2.7) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 2000 4000 6000 8000 0 5 10 15 20 25 cosfi Ham chi phi Z=f(cosfi,Tm) Tm, hr Z, tr .V ND /k m Hình 2.2. Biểu đồ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn với hệ số cos và TM Vốn đầu tƣ đƣờng dây đƣợc biểu thị bởi biểu thức K= a+ bF (2.8) với: a, b – các hệ số kinh tế cố định và thay đổi của đƣờng dây; F - tiết diện mặt cắt ngang của dây dẫn. Chi phí quy dẫn của đƣờng dây Z= pK+ A.c (2.9) Biểu đồ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn của đƣờng dây với hệ số cos và TM đƣợc thể hiện trên hình 2.2. 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Phân tích các biểu đồ phụ thuộc K=f(cos , TM) và Z=f(cos , TM) ta nhận thấy hệ số cos có ảnh hƣởng rất đáng kể đến vốn đầu tƣ và chi phí quy dẫn, việc nâng cao hệ số công suất sẽ góp phần làm giảm chi phí của mạng điện. 2.2. Phƣơng pháp nâng cao hệ số cos Tất cả các giải pháp nâng cao hệ số công suất có thể phân thành các nhóm sau: 2.2.1. Các giải pháp tổ chức-kỹ thuật * Sắp xếp hợp lý các quy trình công nghệ: Việc Sắp xếp hợp lý các quy trình công nghệ sản xuất nhằm cải thiện chế độ sử dụng năng lƣợng của các thiết bị, nhƣ hạn chế đến mức tối đa công đoạn chạy không tải. * Thiết lập chế độ làm việc bình thường cho các động cơ không đồng bộ bằng cách thay các động cơ thƣờng xuyên làm việc non tải bằng các động cơ công suất thấp hơn. Khi kmt< 0,45 thì việc thay thế bao giờ cũng có lợi, còn khi 0,45<kmt<0,7 thì việc thay thế phải so sánh kinh tế kỹ thuật mới xác định đƣợc hiệu quả kinh tế khi thay. Mối quan hệ hệ giữa hệ số mang tải kmt với hiệu suất và hệ số công suất cos là phi tuyến, nếu động cơ đƣợc chọn với gam công suất thích hợp thì không những đạt hiệu suất làm việc cao mà còn có tác dụng nâng cao cos của lƣới. * Thiết lập chế độ điện áp tối ưu: Ta dễ dàng nhận thấy công suất tiêu thụ Q tỷ lệ với bình phƣơng của U, nếu giảm điện áp U thì Q sẽ giảm đi rõ rệt. Vì vậy có thể nâng cao hệ số cos bằng cách giảm điện áp ở những động cơ làm việc non tải, thƣờng ta đổi tổ nối dây của động cơ từ tam giác ra đấu sao. * Thiết lập chế độ làm việc kinh tế của trạm biến áp Đối với các trạm biến áp có nhiều máy cần xây dựng biểu đồ làm việc hợp lý. Khi máy biến áp làm việc với phụ tải 30% công suất định mức thì nên tạm thời chuyển phụ tải sang các máy khác và cắt khỏi mạng trong khoảng thời gian nhất định. Lựa chọn các đầu phân áp tối ƣu. 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên * Dùng động cơ đồng bộ thay thế động cơ không đồng bộ Các động cơ đồng bộ tuy có giá thành đắt hơn so với động cơ không đồng bộ nhƣng có hệ số cos cao, hơn nữa việc điều chỉnh dòng điện kích từ có thể cho phép động cơ thay đổi chế độ làm việc dễ dàng vì đặc điểm của máy bù đồng bộ là có thể tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng tuỳ thuộc vào chế độ kích từ. * Dùng các thiết bị chỉnh lưu với hệ số công suất vượt trước Đối với một số mạng điện cần có sự có mặt của dòng một chiều nên áp dụng các thiết bị chỉnh lƣu có hệ số công suất vƣợt trƣớc, điều đó cho phép cải thiện hệ số cos chung của toàn mạng điện. Tất cả các giải pháp trên gọi là biên pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên. Các biện pháp này không đòi hỏi chi phí thiết bị và vật tƣ, hoặc chi phí không đáng kể, nên thƣờng cho hiệu quả kinh tế cao, tuy nhiên phạm vi điều chỉnh hệ số cos chỉ có hạn, do đó không phải bao giờ cũng có thể áp dụng đƣợc. 2.2.2. Các giải pháp kỹ thuật Các giải pháp kỹ thuật thƣờng đƣợc áp dụng để nâng cao hệ số cos là áp dụng các cơ cấu bù (còn gọi là điều hoà) công suất phản kháng. Do phụ tải trong thực tế chủ yếu mang tính điện cảm nên vec tơ dòng điện chậm hơn so với vec tơ điện áp, nếu bù đƣợc toàn bộ lƣợng công suất phản kháng thì chỉ còn lại thành phần tác dụng nên vec tơ dòng và áp sẽ trùng nhau. Có thể dùng tụ bù hoặc máy bù đồng bộ. Biện pháp này đƣợc gọi chung là bù cos . Công suất của thiết bị bù cần thiết để nâng hệ số công suất từ cos 1 lên cos 2 đƣợc xác định theo biểu thức Qb = P(tg 1 - tg 2) = P.kq, kVAr ; (2.10) Với P là công suất tác dụng của phụ tải, kW. Để tiện tính toán ngƣời ta thiết lập bảng tính sẳn hệ số kq sau 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bảng 2.1. Giá trị của hệ số kq phụ thuộc vào hệ số cos 1 hiện tại và hệ số cos 2 mong mưốn Ví dụ với hệ số cos 1=0,7, cần nâng lên giá trị cos 2=0,9 thì ta tra bảng để xác định hệ số kq=0,54. Nhƣ vậy công suất phản kháng cần thiết sẽ là Q=0,54P. Biểu đồ véc tơ công suất trƣớc và sau khi đặt thiết bị bù cos biểu thị trên hình 2.3. và biểu đồ vectơ dòng điện khi có bù công suất phản kháng đƣợc thể hiện trên hình 2.4. Phân tích biểu đồ vec tơ công suất ta thấy công suất biểu kiến sau khi bù S2 có giá trị nhỏ hơn công suất trƣớc khi bù S1, điều đó cho phép giảm dòng điện chạy trong mạch và từ đó có thể giảm đƣợc chi phí đầu tƣ cho đƣờng dây, giảm tổn thất điện năng, cuối cùng là giảm giá thành điện năng. Tuy nhiên việc đặt các cơ cấu bù công suất phản kháng đòi hỏi những chi phí nhất định, vì vậy cần phải tính toán lựa chọn dung lƣợng bù cũng nhƣ vị trí đặt hợp lý. Theo tính toán thì khi hệ số cos > 0,95 hiệu quả kinh tế của việc đặt bù hầu nhƣ không đáng kể. Để tìm lời giải cho câu hỏi nếu xẩy ra hiện tƣợng quá bù chúng ta phân tích biểu thức xác định tổn thất tổn thất công suất và điện áp khi đặt bù R U QQP P b 2 22 )( (2.11) 20 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên xr b UU U XQQ U PR U ... )( ; (2.12 Hình 2.3. Véc tơ công suất trước và sau khi bù cos Nếu chọn dung lƣợng bù Qb bằng giá trị phụ tải phản kháng Q thì có thể loại trừ đƣợc hoàn toàn thành phần tổn thất do công suất phản kháng gây nên và nhƣ vây sẽ cải thiện đƣợc các tham số chế độ của mạng điện. Việc bù công suất phản kháng đồng thời nâng cao hệ số công suất của mạng điện và tạo nên sự dự trữ công suất phản kháng cho quá trình điều chỉnh điện áp. Từ biểu thức (2.11) ta dễ dàng thấy rằng tổn thất công suất sẽ có giá trị nhỏ nhất khi công suất phản kháng của phụ tải bằng công suất của các cụm bù, tức Q= Qb và nó sẽ tăng trong cả hai trƣờng hợp Q > Qb và Q < Qb. Nhƣ vậy nếu nhƣ hiện tƣợng quá bù xẩy ra thì vẫn có dòng công suất phản kháng chạy trên đƣờng dây 1 2 S1 S2 Q Qb Q-Qb Hình 2.4. Véc tơ dòng điện khi bù cos IR- thành phần tác dụng; IX- thành phần phản kháng; IL- thành phần điện cảm; IC – thành phần điện dung; Ilv – dòng làm việc; Idd- dòng điện chạy trên đường dây 1 2 IC IL Il v Idd IR IX 21 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên (theo chiều ngƣợc lại) và vẫn có sự tổn thất điện năng. Có nghĩa là “tiền mất tật mang” chúng ta đã phí tiền cho việc đặt bù. Thế còn đối với đại lƣợng tổn thất điện áp thì sao? Xét biểu thức (2.12) ta thấy nếu Q < Qb thì thành phần Ux sẽ mang dấu (-), có nghĩa là sự có mặt của các thiết bị bù sẽ sinh ra một suất điện động (sđđ) mà có thể gây quá áp khi phụ tải cực tiểu. Nhƣ vậy, nếu dung lƣợng bù lớn hơn công suất phản kháng của phụ tải thì, nhƣ con dao hai lƣỡi, các cụm bù này sẽ gây tổn thất cho mạng điện cả về kinh tế và kỹ thuật. Từ những phân tích trên chúng ta thấy các tính năng ƣu việt của bù vô công chỉ có thể có đƣợc khi chúng đƣợc sử dụng hợp lý. Nếu chọn dung lƣợng và vị trí bù không hợp lý thì không những không cải thiện đƣợc các tham số mạng điện mà ngƣợc lại có thể làm tăng tổn thất và giảm chất lƣợng điện, gây thiệt hại không chỉ về kinh tế mà còn làm giảm các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng điện. 2.3. Đặc tính kinh tế - kỹ thuật của các nguồn công suất phản kháng 2.3.1. Động cơ đồng bộ Động cơ đồng bộ (ĐCĐB) đƣợc sử dụng nhiều trong các xí nghiệp công nghiệp nhƣ xí nghiệp luyện kim, hoá chất, luyện khoáng vv. để truyền động cho các máy công tác có chế độ làm việc lâu dài và ổn định nhƣ máy bơm, quạt, máy nén, băng tải vv. Các loại động cơ đồng bộ đƣợc chế tạo với hệ số công suất vƣợt trƣớc, do đó có thể áp dụng làm nguồn công suất phản kháng. Khả năng kỹ thuật của động cơ đồng bộ là giá trị công suất phản kháng cực đại có thể phát mà không quá nhiệt cho các cuộn dây stator và rôtor. Các tham số đặc trƣng cho chế độ làm việc của động cơ đồng bộ là - Hệ số mang tải tác dụng kP = P/Pn - Hệ số mang tải phản kháng kQ = Q/Qn - Điện áp tƣơng đối U* =U/Un Trong đó : 22 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên P, Q – phụ tải tác dụng và phản kháng; U – điện áp lƣới Pn, Qn, Un – các giá trị phụ tải và điện áp định mức. Khi điện áp nằm trong giới hạn 0,95 1,05 thì động cơ đồng bộ có thể làm việc lâu dài với công suất phản kháng định mức. Khả năng phát công suất của động cơ đồng bộ đƣợc xác định theo biểu thức QM = kQMQn kQM – giá trị cực đại của hệ số mang tải phản kháng, nó phụ thuộc vào hệ số kP và giá trị điện áp, kQM = f(kP, U*). Trong quá trình làm việc động cơ bị đốt nóng do tổn thất công suất tác dụng gây nên. Lƣợng tổn thất này phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ P = f(kP, kQ, U*) Bằng phƣơng pháp gần đúng có thể xác định tổn thất công suất tác dụng trong động cơ đồng bộ theo biểu thức P = D1kQ + D2kQ 2 (2.13) hay 2 2 21 Q Q D Q Q D P nn (2.14) Trong đó: D1, D2 – các hệ số phụ thuộc vào loại và đặc tính của động cơ đồng bộ. Đối với nhóm gồm N động cơ ])([ 2 2 21 N Q Q D Q NQ D NP nn 2 21 Q Q D Q Q D nn (2.15) Trong đó: Qn – công suất định mức của mỗi động cơ 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Q – tổng công suất phản kháng do tất cả các động cơ phát ra * Ưu điểm của động cơ đồng bộ - Có thể sử dụng làm nguồn công suất phản kháng với chi phí phụ không lớn, bởi vì khi làm việc với hệ số công suất vƣợt trƣớc công suất toàn phần của động cơ đồng bộ, mà xác định giá thành của nó tăng lên rât không đáng kể so với khả năng bù của nó (xem bảng sau). cos n 1 0,9 0,85 0,8 Sn, % 0 11 17 25 (Q/Pn).100, % 0 48 62 75 - Sự phụ thuộc giữa mômen quay vào dao động điện áp thấp (mômen quay của động cơ đồng bộ tỷ lệ với điện áp theo hàm bậc nhất, trong khi đó ở động cơ không đồng bộ – tỷ lệ theo bậc 2); - Tốc độ quay của động cơ đồng bộ không phụ thuộc vào phụ tải do đó hiệu suất làm việc cao; - Tổn thất công suất tác dụng thấp hơn so với động cơ không đồng bộ vì hệ số hiệu dụng cao. * Nhược điểm - Giá thành tƣơng đối cao, có nghĩa là suất vốn đầu tƣ bù công suất phản kháng lớn (khoảng 12,5$/kVAr); - Suất chi phí tổn thất công suất tác dụng lớn hơn nhiều so với tụ bù (khoảng 0,027 kW/kVAr, trong khi đó ở tụ khoảng 0,003-0,004 kW/kVAr); - Chiếm diện tích rộng và khi làm việc gây tiếng ồn. Chính vì những lý do đó mà động cơ đồng bộ thƣờng chỉ tận dụng ở các xí nghiệp công nghiệp, chứ ít khi sử dụng ở các trạm biến áp. 2.3.2. Tụ điện 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tụ điện là thiết bị tĩnh, đƣợc sử dụng rộng rãi để bù công suất phản kháng trong mạng điện, nó có thể đƣợc mắc ngay trên đầu của các hộ dùng điện, trên thanh cái của các trạm biến áp hoặc tại các điểm nút của mạng điện (hình 1.5). Tụ bù tĩnh có thể mắc độc lập hoặc mắc thành từng nhóm theo sơ đồ đấu tam giác hoặc đấu sao Y. Hình 2.5. Sơ đồ mắc tụ bù tĩnh Công suất phát của tụ đƣợc xác định theo biểu thức 2 2 2 .CU X U XIQ C CC (2.16) Tức là công suất của tụ tỷ lệ với bình phƣơng điện áp. Các cụm tụ bù hạ áp thƣờng có hiệu quả bù cao hơn so với tụ bù cao áp. Công suất phát của tụ tỷ lệ với giá trị điện áp 2)( c n U U QQ (2.17) Trong đó: U – điện áp thực tế tại nơi đặt tụ UC – điện áp định mức của tụ bù. Nếu chia cả tử và mẫu của phân số trong ngoặc cho điện áp định mức của lƣới Un ta sẽ đƣợc 2 * ) * ( c n U U QQ (2.18) S=P+jQ QC ~ 25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong đó: U* - điện áp tƣơng đối của mạng điện tại nơi đặt tụ U* = U/Un U*c- tỷ lệ điện áp định mức của tụ và lƣới, U*c = Uc /Un. Qn - công suất định mức của tụ bù. Chi phí quy dẫn của tụ bù đƣợc xác định theo biểu thức QtPc U U pKpKZ b Tu b ]) * ([ 2 * 0 (2.19) Z = C0.c + C1.cQ C0.c=pK0 (2.20) tPc U U pKC b Tu bc 2 * .1 ) * ( (2.21) Trong đó: K0, Kb – các hệ số kinh tế cố định và thay đổi của tụ bù; p – hệ số sử dụng hiệu quả và khấu hao thiết bị bù; c – giá thành tổn thất điện năng, Pb tổn thất công suất tác dụng trong thiết bị bù; t – thời gian làm việc của tụ bù. * Ưu điểm của tụ bù tĩnh: - Làm việc êm dịu, tin cậy do kết cấu đơn giản. - Tuổi thọ cao. - Tiêu thụ công suất tác dụng ít. - Có thể thay đổi dung lƣợng bằng cách thay đổi sơ đồ của các cụm tụ bù. * Nhược điểm: 26 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Không thể điều chỉnh trơn nên độ chính xác kém. - Gây mất ổn định cho lƣới do công suất của tụ. Qc = 3.U 2. C.10 -3 ; (2.22) Khi điện áp giảm U giảm dẫn đến Qc giảm, do đó làm tăng lƣợng tổn thất U, đại lƣợng này làm điện áp trong lƣới càng giảm hơn. Cứ thế gây ra hiện tƣợng gọi là "thác sụt áp" làm mất ổn định trong hệ thống điện. 2.4.3. Máy phát và máy bù đồng bộ Nguồn công suất phản kháng chủ yếu trong hệ thống điện là máy phát và máy bù đồng bộ. Chi phí cho sản xuất công suất phản kháng ở đây không tốn kém nhiều nhƣ đối với các nguồn công suất phản kháng khác nhƣng việc truyền tải công suất phản kháng đến các hộ dùng điện không phải bao giờ cũng có hiệu quả kinh tế. Thêm vào đó, khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện bị hạn chế do cos của các máy phát từ 0,8 0,81. Vì lý do kinh tế các máy phát chỉ đảm đƣơng một phần nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải, phần còn lại do các thiết bị bù đảm nhiệm. Việc xác định tổn thất công suất tác dụng trong máy phát và máy bù đồng bộ cũng tiến hành tƣơng tự nhƣ đối với động cơ đồng bộ. Các giá trị của các hệ số D1 và D2 cho trong sổ tay thiết kế ứng với từng loại máy phát. Đối với các máy phát công suất lớn, chi phí cho sản xuất công suất phản kháng không đáng kể, nên trong nhiều trƣờng hợp có thể không cần xét đến. Về phần mình, máy bù đồng bộ đƣợc sử dụng cho mục đích chính là sản xuất công suất phản kháng, do đó giá thành của nó phải đƣợc tính đến trong quá trình so sánh kinh tế kỹ thuật các nguồn công suất phản kháng. Vốn đầu tƣ của máy bù đồng bộ để sản xuất ra lƣợng công suất phản kháng Q đƣợc xác định theo biểu thức Q Q K K n MB (2.23) Trong đó: KMB – vốn đầu tƣ của máy bù đồng bộ; 27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Qn – công suất định mức của máy bù đồng bộ. Tổn thất công suất tác dụng trong máy bù đồng bộ gồm hai thành phần: Tổn thất cố định P1 (hay tổn thất không tải) và tổn thất thay đổi P2, phụ thuộc vào hệ số mang tải của máy. M n M n P Q Q P Q QQ P 20201 )()( (2.24) Q Q P P n 0 2 (2.25) Trong đó: Q0 – công suất phản kháng do máy bù đồng bộ phát ra trƣớc khi có xí nghiệp cần thiết kế Q – phụ tải phản kháng; PM – tổn thất công suất ngắn mạch của máy bù đồng bộ, kW; P0 – tổn thất công suất không tải của máy bù đồng bộ, kW; Q Q P P Q P Q QQ PPP n M n M n 02020 21 )()( (2.26) hay 2 22 00 2 Q Q P Q Q QP Q Q P P n M n M n (2.27) Chi phí quy đổi của máy bù đồng bộ ZMB= C1MBQ + C2MBQ 2 (2.28) với 2 0 0 0 001 2 n M M nn MB MB Q QP g Q P g Q pK C (2.29) 202 n M MMB Q P gC (2.30) 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong đó: g00- suất giá thành tổn thất không tải, đ/kW g0M- suất giá thành tổn thất ngắn mạch, đ/kW. 2.3.4. Bài toán chọn nguồn công suất phản kháng tối ưu Khi đƣa một phụ tải vào mạng thì lƣợng tiêu thụ công suất phản kháng sẽ tăng, do đó nguồn công suất phản kháng cũng phải tăng tƣơng ứng để đáp ứng chế độ làm việc bình thƣờng của mạng điện. Bài toán chọn nguồn công suất phản kháng là một trong những bài toán quan trọng, việc chọn nguồn công suất phản kháng hợp lý không những cho phép nâng cao hiệu quả kinh tế của mạng điện mà còn cải thiện các tham số kỹ thuật, chính xác hơn là các tham số chế độ của mạng điện. Việc lựa chọn nguồn công suất phản kháng đƣợc thực hiện trên cơ sở cực tiểu hoá chi phí quy dẫn. Bài toán đƣợc thiết lập nhƣ sau: Hãy xác định giá trị công suất phản kháng của nguồn thứ i Qi để tổng chi phí quy dẫn có giá trị nhỏ nhất. Hàm mục tiêu trong trƣờng hợp này có dạng Z = f(Q1, Q2 , …, QN) = min (2.31) Các điều kiện ràng buộc: - Cân bằng công suất phản kháng: QQQ M j j N i i 11 (2.32) - Các điều kiện kỹ thuật Umin U UMax (2.33) I Icp Qmin.i Qi QMax.i (2.34) Trong đó: Qi, Qj – công suất của nguồn và của các phụ tải 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên N, M – số nguồn và số phụ tải; U – điện áp thực tế tại điểm nút; Umin, UMax – giá trị giới hạn dƣới và giới hạn trên của điện áp; Icp – dòng điện cực đại cho phép của phần tử mạng điện; Qmin, QMax – giới hạn dƣới và giới hạn trên của nguồn công suất phản kháng Giá trị công suất kinh tế đƣợc xác định theo phƣơng pháp lặp gần đúng với độ chính xác cho phép. 2.4. Ảnh hƣởng của thiết bị bù đối với chất lƣợng điện năng Nhƣ đã biết việc đặt các thiết bị bù công suất phản kháng vừa với mục đích giảm tổn thất điện năng do nâng cao hệ số cos vừa nâng cao chất lƣợng điện do giảm tổn thất điện áp. Tuy nhiên, do quán tính, sự biến đổi năng lƣợng điện từ xẩy ra khi đóng cắt thiết bị bù thƣờng gây ra hiện tƣợng quá điện áp nội bộ trong mạng điện. Quá trình quá độ khi đóng công tắc tụ bù đƣợc biểu thị trên hình 2.6. Khi công tắc tụ đóng tại thời điểm mà điện áp lƣới đạt giá trị cực đại. Điện áp qua tụ tại thời điểm này có giá trị không. Do điện áp của tụ không thể thay đổi tức thời, địên áp lƣới tại vị trí đặt tụ nhanh chóng kéo xuống đến không và tăng dần khi tụ bắt đầu nạp đến giá trị điện áp lƣới. Vì nguồn điện mang tính điện cảm, điện áp tụ vƣợt trƣớc và dao động ở tần số tự nhiên của hệ thống. Các kết quả quan sát cho thấy sự biến thiên ban đầu của điện áp không hoàn toàn trở về 0 bởi vì tồn tại một điện trở giữa điểm quan sát (nơi đặt osilograph) và điểm đặt tụ. 30 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Sự vƣợt trƣớc sẽ sinh ra một sự quá áp có giá trị trong khoảng từ 1 đến 2 pu (tức bằng 1 đến 2 lần giá trị điện áp định mức của mạng điện) phụ thuộc vào sự suy giảm điện áp lƣới. Sự quá áp đƣợc truyền vào lƣới qua các máy biến áp và đƣờng dây phân phối đến các hộ dùng điện. Nếu tụ mắc trên thanh cái phía thứ cấp, thì quá điện áp có thể bị khuyếch đại ở phía phụ tải của máy biến áp (hình 2.7). Spt C2 C1 L2 L1 a) C2 C1 L2 L1 b) ĐD C Osilograph M BA Spt a, t, (ms) U, (%) 100 0 -100 0 10 20 30 40 50 b, 31 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.7. Sự khuyếch đại điện áp khi đóng cắt tụ bù (a.Sơ đồ mạch điện b.Sơ đồ thay thế c.Mắc tụ nối tiếp với cuộn dây) Tần số cắt 11 1 2 1 CL f Tần số tự nhiên của mạch cộng hƣởng phía hộ dùng điện 22 2 2 1 CL f Sự cộng hƣởng điện áp diễn ra khi f1 f2 tức là khi L1C1 = L2C2 Sự quá áp nội bộ dƣới 2 pu (đơn vị tƣơng đối so với giá trị định mức) thƣờng không gây nguy hiểm đối với cách điện, nhƣng khi đƣợc truyền vào lƣới, giá trị quá điện áp nội bộ sẽ đƣợc khuyếch đại và có thể đạt giá trị 3 4 pu trên thanh cái hạ áp, do đó có thể gây ảnh hƣởng đến chế độ làm việc của các thiết bị dùng điện thậm chí gây nguy hiểm đối với các thiết bị mắc trên thanh cái này. Các giải pháp chống quá điện áp khi đóng cắt tụ thƣờng là - Sử dụng máy cắt có bộ phận đóng đồng thời điện trở cài trƣớc; - Sử dụng máy chống sét đặt tại thanh cái của các hộ tiêu thụ; - Xây dựng bộ tụ dƣới dạng bộ lọc sóng hài: Một cuộn cảm đƣợc mắc nối tiếp với tụ sẽ làm giảm giá trị quá điện áp trên đầu vào của các hộ dùng điện đến trị số cho phép Việc sử dụng cuộn dây mắc nối tiếp với tụ (hình 1.8.c) sẽ ngăn cản sự xuất hiện của tần số cộng hƣởng. Thông thƣờng công suất của cuộn kháng đƣợc chọn trong phạm vi khoảng 5 7% , có nghĩa là sự có mặt của cuộn kháng điện sẽ làm giảm công suất của tụ đi 5 7%. Cuộn kháng điện thƣờng sinh ra một lƣợng nhiệt khá lớn, bởi vậy cần phải đƣợc làm mát tủ bằng quạt. 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.5. Đánh giá chất lƣợng điện Một trong các phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng điện thông dụng nhất là áp dụng mô hình xác suất thống kê. Giả thiết độ lệch điện áp trong mạng điện là một đại lƣợng ngẫu nhiên tuân theo luật phân phối chuẩn với hàm mật độ xác suất: 2 2 2 )( 2 1 )( v tbvv v evf ; (2.35) Trong đó: - độ lệch điện áp; tb – kỳ vọng toán của độ lệch điện áp, có thể coi là giá trị trung bình; v - độ lệch trung bình bình phƣơng của độ lệch điện áp, xác định theo phƣơng sai: T tbv dtvtv T 0 22 ))(( 1 ; (2.36) T - thời gian khảo sát Giá trị v có thể xác định theo biểu thức 100 n U v U % (2.37) U - độ lệch trung bình bình phƣơng của điện áp 6 minmax UU U ; (2.38) Un - điện áp định mức. Xác suất chất lƣợng là xác suất mà độ lệch điện áp của mạng điện nằm trong giới hạn cho phép ( vcp vcp ) 33 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên pCL=p( vcp vcp ) = cp cp v v dvvf )( = cp cp v tbv v vv v dve 2 2 2 )( 2 1 pCL = F(x2)-F(x1); (2.39) với x1 = v tbcp vv ; x2 = v tbcp vv ; (2.40) F(x) - hàm Laplace vcp , vcp - giới hạn cho phép dƣới và trên của độ lệch điện áp Giá trị độ lệch trung bình của điện áp có thể xác định theo biểu thức %100 n ntb tb U UU v Utb - giá trị trung bình của điện áp,có thể xác định theo biểu thức: 2 minmax UUU tb (2.41) Nhƣ vậy nếu biết giá trị cực đại và cực tiểu của điện áp có thể xác định đƣợc các giá trị su và Utb một cách hết sức đơn giản. Biết đƣợc xác suất chất lƣợng pCl có thể dễ dàng xác định đƣợc. Thời gian chất lƣợng: TCL = pClT ; (2.42) Điện năng chất lƣợng: ACL = pCl. A (2.43) A - tổng điện năng tiêu thụ trong thời gian xét T Trong thực tế khi có các dãy số liệu về điện áp có thể xác định các đại lƣợng Utb, su theo các quy tắc xác suất thống kê. Thiệt hại do giảm chất lƣợng điện đƣợc xác định theo biểu thức 34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Y = U Z + !2 1 2 2 U Z 2 = a1 + a2H= y0.A ; (2.44) Trong đó: a1 , a2 - các hệ số hồi quy, phụ thuộc vào loại phụ tải điện; A - tổng điện năng tiêu thụ trong năm; y0 - suất thiệt hại do giảm chất lƣợng điện; H - độ không san bằng điện áp (hay độ bất định của điện áp) Giá trị H có thể xác định theo: H = 2 tb + 2 v ; (2.45) 2.6. Kết luận: 1. Tất cả các thiết bị điện trong quá trình làm việc đều tiêu thụ một lƣợng công suất phản kháng. Giá trị công suất phản kháng tiêu thụ bởi các thiết bị điện phụ thuộc vào hệ số mang tải của chúng. Vì vậy để giảm đến mức tối thiểu sự tiêu thụ công suất phản kháng của thiết bị cần phải thiết lập quy trình vận hành hợp lý, chọn công suất định mức phù hợp. 2. Hệ số cos có ảnh hƣởng rất lớn đến các chỉ tiêu kinh tế của mạng điện, khi hệ số cos thấp sẽ dẫn đến tăng tổn thất điện năng, tăng chi phí đầu tƣ và giảm chất lƣợng điện v.v… Vì vậy việc tìm ra các giải pháp nâng cao hệ số cos trong mạng điện là vấn đề hết sức cấp thiết, đặc biệt trong bối cảnh Đất nƣớc đang bƣớc vào thời kỳ hội nhập, nhu cầu phụ tải không ngừng tăng nhanh và yêu cầu về chất lƣợng điện không ngừng gia tăng. 3. Đặt thiết bị bù công suất phản kháng là một trong những giải pháp quan trọng để nâng cao hệ số cos và chất lƣợng điện. Trong số các nguồn công suất phản kháng thì tụ điện tĩnh tỏ ra có ƣu thế về kinh tế và kỹ thuật. Tuy nhiên tụ bù rất nhạy cảm đối với sự thay đổi của các tham số chế độ cũng nhƣ các tham số hệ 35 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên thống. Vì vậy cần phải có sự nghiên cứu, tính toán áp dụng các thiết bị hợp lý để nâng cao hiệu quả kinh tế và kéo dài tuổi thọ của thiết bị. 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG III XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 3.1. Lựa chọn phƣơng pháp tính bù công suất phản kháng 3.1.1. Mô hình tính bù theo cực tiểu tổn thất công suất Giả sử công suất truyền tải đến nút i của mạng điện là Si=Pi+jQi. Khi ta đặt một giá trị công suất bù Qbi nào đó vào nút i thì khi đó tổn thất là: 10 )( 3 2 22 R U QQ i i biii i => min (3.1) Trong đó: Ri- điện trở của đƣờng dây tính từ nguồn đến điểm nút thứ i. Để làm cực tiểu giá trị tổn thất công suất ta lấy đạo hàm theo Qb và cho triệt tiêu: PSB/ QB=0, giải ra ta đƣợc QB=Q. Tức là trong điều kiện cực tiểu hoá tổn thất công suất tác dụng sẽ phải bù toàn bộ lƣợng công suất phản kháng truyền tải trên đƣờng dây. 3.1.2. Mô hình tính bù theo điều kiện cực tiểu tổn thất điện năng Giả thiết ta biết đƣợc hàm phụ thuộc của phụ tải vào thời gian (hoặc đồ thị phụ tải). Độ giảm tổn thất điện năng do bù trong suốt khoảng thời gian T sẽ là: T TB BTB T BB T dttQ T Q QTQT U R dtQQtQ U R dttPA 0 2 2 0 2 0 2 )( 1 ;...2)(.2)( (3.2) Đạo hàm A theo QB và triệt tiêu ta có: QB=QTB Nhƣ vậy trong trƣờng hợp này giá trị công suất bù tối ƣu sẽ bằng lƣợng công suất phản kháng trung bình trên đƣờng dây. 37 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.1.3. Mô hình tính bù theo điều kiện điều chỉnh điện áp Trƣớc khi bù thì tổn thất điện áp U trong mạng là: n i iiii n XQRP U U 1 2 )( 10 1 , % (3.3) Trong đó: Ri, Xi - điện trở của đoạn dây thứ i, ; Un- điện áp định mức của mạng điện, kV; n – số đoạn dây. Sau khi đặt bù thì tổn thất điện áp giảm đi một lƣợng là: n i ii n b XQ U U 1 210 1 % (3.4) n i ibi n b XQ U UE 1 210 1 (3.5) Nếu biết E ta tính đƣợc Qb, với đƣờng dây cùng tiết diện: Hình 3.1. Đồ thị phụ tải phản kháng Q(t) QMAX QB t Q(t) Q t t Hình 3.2. Sơ đồ mạng bù theo điều kiện điều chỉnh điện áp P12+jQ12 1 Qb2 0 2 n P2+jQ2 P01+jQ01 P1+jQ1 Qb1 Pn+jQn Qbn 38 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên U Q nb 210 (3.6) 3.1.4. Mô hình tính bù theo điều kiện cực tiểu các chi phí Tổng chi phí đặt bù Z = pKbQb + PbQbtbc + 3 2 22 10 )( cR U QQP b ; min; (3.7) Trong đó: p - hệ số tính đến tỷ lệ khấu hao và thời gian thu hồi vốn p= tc+ vh; ; Kb - suất vốn đầu tƣ của thiết bị bù (đối với tụ bù tỉnh giá trị này khoảng 10 $/kVAr); Pb - suất tổn thất công suất trong thiết bị bù; tb - thời gian làm việc của thiết bị bù; c - giá thành tổn thất điện năng; P - công suất tác dụng của phụ tải; Q - công suất phản kháng trong lƣới điên; Qb - công suất bù cần thiết; U- điện áp của mạng điện, có thể lấy bằng giá trị định mức; R - điện trở mạng điện tính đến điểm đặt cơ cấu bù; - thời gian tổn thất công suất cực đại. Lấy đạo hàm và giải phƣơng trình tìm đƣợc để xác định công suất bù tối ƣu. )( ..2 . 2 bbb b QQ U cR ctPpK Q Z = 0 Qb = Q - cR ctPpKU bb .2 )..(2 ; (3.8) 39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.1.5. Mô hình tính bù theo chỉ tiêu tối đa hoá các tiết kiệm Các tiết kiệm ròng đạt đƣợc từ việc giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng: E= c0. P + c . A – Kb Qbi max (3.9) Trong đó: P – lƣợng tiết kiệm công suất đỉnh; A – lƣợng tiết kiệm điện năng; 3.1.6. Mô hình tính bù theo giá trị hệ số cos 2 cần đạt được Công suất bù cần thiết để nâng hệ số cos 1 lên giá trị cos 2 đƣợc xác định theo biểu thức Qb = P(tg 1 - tg 2), kVAr ; (3.10) * Một số nhận xét về các phương pháp tính bù + Mỗi phƣơng pháp có ƣu, nhƣợc điểm riêng và thích hợp trong những trƣờng hợp tính toán nhất định, nhƣng nhìn chung các mô hình đều có hàm mục tiêu là chi phí cho bù nhỏ nhất trên cơ sở đảm bảo các điều kiện kỹ thuật của lƣơí điện, điện áp của nút nằm trong giới hạn cho phép, giảm tổn thất điện năng. + Các phƣơng pháp chủ yếu áp dụng đối với mạng hình tia đơn giản hoặc các mạng có phụ tải nối trực tiếp trên đƣờng dây. + Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chỉ đƣợc xét đến một cách độc lập ở từng phƣơng pháp. Hình 3.3. Sơ đồ tính bù theo chỉ tiêu tối đa hoá các tiết kiệm P1+jQ1 Qb1 Pn+jQn Qbn P2+jQ2 Qb2 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trên cơ sở phân tích ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp tính bù, đề tài chọn phƣơng pháp chi phí cực tiểu Z=min để xây dựng chƣơng trình tính toán bù công suất phản kháng nâng cao hệ số cos . 3.2. Phƣơng pháp giải bài toán bù công suất phản kháng Hiện nay đã có rất nhiều cách giải khác nhau để giải bài toán bù tối ƣu công suất phản kháng trong lƣới điện. - Phƣơng pháp tƣơng đƣơng liên tiếp, cho phép giải bài toán bù công suất phản kháng trong lƣới điện rất đơn giản và thuận tiện mà không cần phải lập hệ phƣơng trình; - Phƣơng pháp ma trận, ở đây đƣa vào ma trận điện trở nút để tính toán điện năng trong lƣới điện. Phƣơng pháp này tính toán bù công suất phản kháng trên cơ sở các biểu thức ma trận tƣờng minh đã làm giảm khá nhiều khối lƣợng tính toán. Phát triển của phƣơng pháp này ngƣời ta xây dựng ma trận Tôpô, thiết lập các công thức tính định thức và phần phụ đại số của ma trận điện trở nút của lƣới điện. Sử dụng các phƣơng pháp phân tích Tôpô để xây dựng công thức tính ma trận điện trở nút. Bằng phƣơng pháp đại số ma trận để xây dựng các thuật toán giải bài toán bù; - Phƣơng pháp giải bài toán bù tối ƣu công suất phản kháng trong lƣới điện kín dựa trên phƣơng pháp quy hoạch toán học, chuyển bài toán phân bố tối ƣu công suất phản kháng về bài toán quy hoạch toàn phƣơng. Thuật toán này cũng chỉ tiến hành trong điều kiện thang công suất TĐT liên tục; - Phƣơng pháp quy hoạch động giải bài toán bù có tính đến tính rời rạc của thang công suất TĐT. Trên cơ sở tiến hành quá trình thuận và ngƣợc của phƣơng pháp quy hoạch động. Trong quá trình thuận tiến hành hợp nhất các nhánh để tìm quan hệ Z n (QB n) và QBn (QB n). Trong đó Z n, QBn, QB n tƣơng ứng là tổng chi phí tính toán ở bƣớc hợp nhất thứ n, công suất TĐT đặt ở đầu cuối thứ n, tổng công suất TĐT đặt ở đầu cuối các nhánh trong bƣớc hợp nhất thứ n. Từ quan hệ QBn(QB n) tìm đƣợc trong quá trình thuận tiến hành quá trình ngƣợc của thuật toán để tìm các giá 41 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên trị công suất TĐT đặt tại các nút của lƣới điện tƣơng ứng với cực tiểu hàm tổng chi phí tính toán; - Ngoài ra còn rất nhiều phƣơng pháp khác nhƣ phƣơng pháp tổ hợp các quá trình gián đoạn, phƣơng pháp diện tích, phƣơng pháp lặp, phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng điện áp,… Cũng đề cập đến cách giải bài toán bù tối ƣu công suất phản kháng trong những ràng buộc và hàm mục tiêu khác nhau. Nhƣ vậy, hiện nay đã có rất nhiều phƣơng pháp khác nhau nghiên cứu về bài toán bù công suất phản kháng. Điều đó cho thấy bù công suất phản kháng là một vấn đề cấp thiết và vận hành lƣới điện. Những kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực này rất phong phú và đa dạng. Tuy nhiên, hàng loạt những khó khăn trong giải quyết vấn đề này khi tính toán lƣới điện thực tế vẫn chƣa đƣợc giải quyết triệt để (nhƣ khó khăn về khối lƣợng tính toán, ô nhớ, hình thức hoá,...) 3.3. Tính toán chế độ xác lập của mạng điện phân phối 3.3.1. Mô hình bài toán chế độ xác lập (CĐXL) của lưới phân phối Thành phần cơ bản của lƣới phân phối điện là một nhánh. Với giả thiết không xét đến công suất phản kháng (Qc do dung dẫn của đƣờng dây sinh ra, do đại lƣợng này tỷ lệ với bình phƣơng điện áp và chiều dài dây, ở lƣới phân phối có điện áp thấp và chiều dài ngắn nên có thể bỏ qua, thì tổng trở của một nhánh k chỉ gồm thành phần điện trở và điện kháng: Zk = Rk +jXk (3.11) Đối với nút k, dòng công suất của nút là: Sk = Pk +jQk (3.12) Xét lƣới điện 3 pha đối xứng gồm N+1 nút, trong đó có nút 0 là nút đầu xuất tuyến nối với trạm biến áp trung gian. 42 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Do đặc điểm hình học của lƣới phân phối là loại lƣới hình tia vì vậy số nhánh M=N–1 và có thể đánh số nhánh trùng với chỉ số nút cuối của nhánh đó. Một ví dụ lƣới phân phối đơn giản đƣợc thể hiện trong hình 3.4. Bài toán: Cho lƣới điện phân phối, các thông số lƣới điện đại diện bằng các tổng trở nhánh Zi, công suất phụ tải Si và điện áp nguồn U0. Yêu cầu tìm các thông số chế độ xác lập còn lại của lƣới điện, bao gồm: Điện áp các nút Ui, dòng điện trên các nhánh Ii, tổn thất điện áp (Ui), tổn thất công suất (Si) và tổn thất điện năng toàn lƣới điện ( A). Các thông số bài toán chế độ xác lập có thể biểu diễn dƣới dạng ma trận: Cho các ma trận điện trở Z, ma trận công suất nút St: Z = NZ Z Z  2 1 ; St = NS S S  2 1 (3.13) Yêu cầu xác định ma trận điện áp, dòng điện trên các nhánh: [U]= NU U U  2 1 ; [I] = NI I I  2 1 (3.14) Hình 3.4. Sơ đồ lưới phân phối đơn giản J3 6 5 2 1 3 4 0 J4 J5 J6 J2 J1 I1 I2 I5 I6 I4 I3 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Từ các giá trị điện áp nút [U] và dòng điện nhánh [I] có thể xác định các thông số còn lại của chế độ xác lập. Để giải bài toán chế độ xác lập lƣới phân phối có thể sử dụng nhiều phƣơng pháp khác nhau. Trong số các phƣơng pháp giải tích chế độ xác lập, phƣơng pháp sử dụng hai ma trận dòng nút- dòng nhánh [A] và dòng nhánh- điện áp nút [Z] tỏ ra có ƣu thế. Hệ phương trình chế độ xác lập Ma trận dòng nút- dòng nhánh [A] và ma trận dòng nhánh- điện áp nút [Z] đƣợc xây dựng trên cấu trúc hình học của lƣới phân phối. Giá trị tƣơng ứng của dòng nhánh có thể tính toán trực tiếp từ dòng nút thông qua ma trận A. Giá trị của điện áp nút có thể tính trực tiếp từ dòng nhánh qua ma trận Z. Quan hệ giữa dòng nút và điện áp nút có thể mô tả nhƣ sau: [U] = [Uo] - [Z] . [A] . [J]= [Uo] - [C] . [J] (3.15) Với ma trận C là ma trận trung gian: [C] = [Z] . [A] Các thông số lƣới điện ở chế độ xác lập có thể xác định đƣợc bằng giải hệ (3.16): JCUU U jQP J k kk k . 3 0 * (3.16) Giải hệ phương trình chế độ xác lập Từ cấu trúc hình học của lƣới phân phối xây dựng đƣợc hệ phƣơng trình (3.16) mô tả quan hệ giữa điện áp nút và dòng điện nút của phụ tải. Có thể viết lại (3.16) dƣới dạng (3.17) nhƣ sau: 44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên N i U U U U   2 1 = 0 0 0 0 U U U U   - NNNiNN iNiiii Ni Ni cccc cccc cccc cccc       21 21 222221 111211 * N i J J J J   2 1 (3.17) Hệ (3.17) là hệ N phƣơng trình dạng thức phi tuyến. Nếu tách riêng phần thực và phần ảo của các hệ số và biến: Uk = Uk r + jUk i cij = cij r + jcij i nhận đƣợc 2N phƣơng trình ở dạng đại số. Để giải hệ phƣơng trình phi tuyến điện áp nút (3.27) có thể dùng phƣơng pháp lặp Gauss-Seidel. Khi đó điện áp của nút i ở bƣớc lặp thứ k+1 đƣợc tính nhƣ sau: Từ (3.17) suy ra: U k+1 [i]=U0- 1 1 ijC i j * )1(* 3 k j jj U jQP + N ij ijC * )(* 3 k j jj U jQP (i=1..N) (3.18) Quá trình lặp sẽ dừng khi: Max i k i k UU 1 (3.19) 3.4. Mô hình toán học bù công suất phản kháng Qua sự phân tích các ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp tính bù ta nhận thấy phƣơng pháp bù theo điều kiện cực tiểu các chi phí là một phƣơng pháp phù hợp nhất bởi tính tổng quát và tính chính xác của nó. 3.4.1. Một số giả thiết khi tính toán tối ưu công suất bù Mô hình bài toán bù tối ƣu công suất phản kháng là một mô hình phức tạp, có nhiều yếu tố động. Để đơn giản hoá cho quá trình tính toán, một số giả thiết đƣợc 45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên đƣa ra nhƣ sau: - Với lƣới phân phối có nhiều trục chính, việc thay đổi CSPK tại một nút bất kỳ trên trục chính này ảnh hƣởng không đáng kể đến việc thay đổi CSPK tại các nút trên trục chính khác. - Giá trị của hệ số công suất cos là giá trị trung bình không đổi - Giá trị điện áp lƣới cũng đƣợc coi là không đổi. - Tính chất của phụ tải nhƣ nhau ở các nút (giá trị =const) - Vốn đầu tƣ của các thiết bị bù đƣợc coi là tỉ lệ thuận với công suất của chúng, các hệ số kinh tế khác coi là không đổi (không phụ thuộc vào các yếu tố kinh tế - xã hội khác) trong suốt thời gian tính toán. - Lợi ích do việc lắp đặt tụ là nhƣ nhau trong suốt thời gian vận hành. 3.4.2. Mô hình toán học bù công suất phản kháng Nhƣ đã phân tích, ta chọn mô hình tính bù dựa trên cơ sở cực tiểu hoá hàm chi phí quy dẫn (3.7) áp dụng cho tất cả các đoạn dây. Hàm mục tiêu có dạng: n i ZZZZ 1 321 )(min (3.20) Trong đó: Z1– vốn đầu tƣ quy đổi một năm cho thiết bị bù; Z2– chi phí tổn thất điện năng trong thiết bị bù; Z3– chi phí tổn thất điện năng trong đƣờng dây; n – số đoạn dây. n i J BjiiBiii i QQAQCBZ 1 2)(.min (3.21) Trong đó: 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên cPkC k B U cR A Btcvhi Btcvh i i i ..)(; )( 0 ; .10 .. 02 1 23 Với các ràng buộc: - Tổng công suất bù tại các nút không vƣợt quá giá trị bù tổng toàn lƣới: B N i Bi QQ 1 (3.22) - Công suất bù tại một nút không vƣợt khỏi phạm vi cho phép: NiQQQ MaxBiBi Min Bi 1; (3.23) - Bù để sao cho hệ số công suất cos tại các nút phía cao áp nằm trong phạm vi cho phép: niMaxiMin 1;coscoscos (3.24) Trong đó : 22 cos Biii i i QQP P (3.25) 3.4.3. Giải bài toán bù công suất phản kháng bằng phương pháp QHĐ 3.4.3.1 Thuật toán giải bài toán bù công suất phản kháng bằng phƣơng pháp quy hoạch động Giải bài toán xác định công suất và chỗ đặt TĐT trên cơ sở thuật toán quy hoạch động bao gồm 2 quá trình thuận và ngƣợc. Trong quá trình thuận thực hiện các bƣớc hợp nhất các nhánh bắt đầu từ phụ tải về tới nguồn cung cấp để tìm giá trị nhỏ nhất của hàm mục tiêu. Giả sử lƣợng công suất TĐT cần đặt là BQ . Chia BQ ra làm m mức: 47 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 0-∆ BQ ; ∆ BQ - 2∆ BQ ... m∆ BQ - BQ . Bƣớc chia này càng nhỏ độ chính xác càng cao. Nhƣng do thang công suất TĐT đƣợc sản xuất theo tiêu chuẩn nên ta chọn sao cho mức trên của mỗi bƣớc là bội số của thang công suất TĐT. * Đối với lƣới điện đƣờng dây chính (hình 3-5a) trình tự bắt đầu từ phụ tải cuối lƣới điện (nhánh 1). 0 n 2 1 0 Hình 3-5a Hình 3-5b 0 Hình 3.2c Hình 3-5 Các loại sơ đồ lƣới phân phối Bƣớc 1: Tính giá trị hàm )( 11 BQf với tất cả các giá trị có thể của 1BQ (nhánh 1 hình 3-5a). Quan hệ này đƣợc kí hiệu là )( 11 BQZ ; nghĩa là: )( 11 BQZ = )( 11 BQf 1 (3.26) Bƣớc 2: thực hiện hợp nhất nhánh 1 với nhánh 2 (hình 3-5a). Đối với mỗi mức k của BQ cần tìm tổ hợp tối ƣu của 1BQ và 2BQ thoả mãn điều kiện: );()(min 22112 BBB QQfQfZ (3.27) Thay )( 11 BQf ta có: 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên );()(min)( 2221122 BBBB QQfQZQZ Bƣớc i: ở bƣớc thứ i, đối với mức k của BQ , tìm tổ hợp tối ƣu của BiQ và tổng 11 ...21 ii BBBB QQQQ Phƣơng trình trung toán có dạng: );()(min)( 1 0 iBBiiBiiBi QQ iBi QQfQQZQZ iBBi (3.28) Bƣớc n: Sau khi thực hiện (n - 1) bƣớc hợp nhất, tiến hành hợp nhất nhánh thứ n. ở bƣớc này tìm đƣợc hàm quan hệ giữa tổng chi phí tính toán của toàn lƣới điện với tổng công suất TĐT đặt tại các nút trong lƣới. Phƣơng trình truy toán ở bƣớc n có dạng: );()(min)( 1 0 nBBnnBnnBn QQ nBn QQfQQZQZ nBBn (3.29) * Đối với lƣới điện hình tia (hình 3-5b) với các nhánh chỉ có một đầu nhánh chung với đầu các nhánh khác trong lƣới, trƣớc khi thực hiện các bƣớc hợp nhất phải tiến hành tính giá trị của hàm chi phí tính toán với tất cả các giá trị có thể có của công suất TĐT đặt ở đầu cuối mỗi nhánh. Sau đó thực hiện quá trình hợp nhất nhánh. Trƣờng hợp này phƣơng trình trung toán cho bƣớc hợp nhất thứ i có dạng: )()(min)( 1 0 BiiBiiBi QQ iBi QfQQZQZ iBBi (3.30) * Đối với lƣới phân phối hở (hình 3-5c) bao gồm m đƣờng dây chính, dọc mỗi đƣờng dây chính có n nút, n nhánh nối tiếp nhau. Nhƣ vậy đƣờng dây chính có thể coi nhƣ một lƣới điện đƣờng dây chính. Thuật toán giải đối với lƣới điện phân phối (hình 3-5c) là quá trình hợp nhất nhánh bắt đầu từ cuối mỗi đƣờng dây chính thực hiện theo thuật toán đối với lƣới điện, đƣờng dây chính . Sau khi các nhánh của mỗi 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên đƣờng dây chính đƣợc hợp nhất thành một nhánh tƣơng đƣơng, lƣới điện mới có dạng hình tia. Có thể thấy rằng đối với lƣới điện phân phối hở thuật toán giải là tập hợp của hai thuật toán giải đối với lƣới điện đƣờng dây chính và lƣới điện hình tia nhƣ đã trình bày. Trong quá trình ngƣợc sẽ xác định chính xác công suất TĐT cần đặt tại các nút để hàm chi phí tại các lƣới là nhỏ nhất. Sau khi thực hiện bƣớc hợp nhất cuối cùng ta tìm đƣợc hàm quan hệ giữa tổng chi phí tính toán của toàn lƣới điện đối với tổng công suất TĐT đặt tại các nút trong lƣới điện, sẽ xác định đƣợc tổng công suất TĐT đặt tại các nút trong toàn lƣới là bao nhiêu là tối ƣu. Từ đó căn cứ vào các quan hệ )( iBi QZ đã xây dựng trong quá trình thuận để xác định giá trị công suất TĐT cần đặt tại các nút trong lƣới. 3.4.3.2. Hình thức hoá thuật toán và sơ đồ khối. Khi thực hiện giải bài toán bù công suất phản kháng bằng phƣơng pháp quy hoạch động thực hiện trên máy tính điện tử có một số vấn đề đặt ra là làm thế nào hình thức hoá đƣợc quá trình hợp nhất, cần phải làm thế nào để máy hợp nhất các nhánh đúng thứ tự. o Nhƣ đã trình bày, quá trình thuận đƣợc thực hiện bằng cách hợp nhất các nhánh theo trình tự nhất định (từ các nhánh cụt đến các nhánh đầu). Để mô hình hóa thành sơ đồ khối thuật toán, trƣớc hết ta định nghĩa một số nhãn sau: o Nutcon[A]: là nút nối với nút A nhƣng đứng sau A tính theo chiều dòng công suất tác dụng chạy trên đƣờng dây. o Nutcha[A]: là nút nối với nút A nhƣng đứng trƣớc A tính theo chiều dòng công suất tác dụng chạy trên đƣờng dây. 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên o Anhem[A]: là nút có cùng Nutcha với nút A. Ví dụ: B = Anhem[A] thì Nutcha[B] = Nutcha[A]. Nói cách khác, B và A có cùng Nutcha. 1. Sơ đồ khối thuật toán quá trình thuận: (Tính hàm chi phí tính toán tổng ứng với tất cả các phƣơng án bù tại các nút). 2. Sơ đồ khối quá trình ngƣợc: tìm công suất và vị trí đặt bù tối ƣu (hàm chi phí tính toán đạt cực tiểu) Stop = 0 B = nut[0] Stop = 1 Stop = 1 B có nút con 0 0 1 1 B = Nutcon[B] B = nut[0] Tính bù tại B B có anh em B =Anhem[B] B = Nutcha[B] 1 STOP 0 Hình 3.6: Sơ đồ khối thuật toán quá trình thuận BEGIN 1 0 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.4.3.3 Tính toán hàm chi phí quy dẫn Từ dạng toán học của bài toán bù công suất phản kháng trong lƣới điện phân phối hở, nhận thấy rằng các đại lƣợng Ai; Ci; QBi là các hằng số ; Bi là loại biến lôgic phụ thuộc vào biến QBi. Nhƣ vậy hàm tổng chi phí quy dẫn là hàm của các biến có biến công suất thiết bị bù QBi; i =1..n. Để làm rõ khả năng tìm cực trị của hàm bằng phƣơng pháp quy hoạch động, trƣớc tiên cần nghiên cứu tính chất của hàm có thể biểu diễn ở dạng: n i Jj BjBii i QQfZ 1 min );(min (3.31) Trong đó hàm fi có dạng sau: Stop = 0 B = nut[0] Stop = 1 Stop = 1 B có nút con 0 0 1 1 B = Nutcon[B] B = nut[0] B có anh em B =Anhem[B] B = Nutcha[B] 1 0 Hình 3.7: Sơ đồ khối thuật toán quá trình ngƣợc 1 0 Tìm Qb[B] Hiển thị kết quả 52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên i i J Bi 2 BjiiBiii Bi J 2 Bjii i )0Q()QQ(AQCB )0Q()QQ(A f (3.31a) Có thể thấy rằng hàm fi chính là tổng chi phí quy dẫn cho xây lắp, vận hành thiết bị bù ở nút i và chi phí do tổn thất điện năng ở nhánh thứ i. Phân tích hàm chi phí quy dẫn dạng (3.31) và (3.31a) cho phép đƣa ra một số nhận xét sau. 1- Hàm tổng chi phí quy dẫn Z là tổng của các hàm fi; là hàm không liên tục. 2- Giá trị của hàm fi chỉ phụ thuộc vào giá trị QBi và tổng công suất tụ điện tĩnh đặt ở các nút sau i mà không phụ thuộc vào sự bố trí công suất tụ điện tĩnh giữa các nút này. Nói cách khác hàm fi không thay đổi khi QBi không thay đổi với tất cả các tổ hợp bất kỳ các QBj; iJj tƣơng ứng với tổng iJ BjQ không thay đổi. Bài toán có thể đƣa về dạng sau: n i BJiiBiiii i QQAQCBZ 1 2 min )(..min (3.32) Với các ràng buộc: B N i Bi QQ 1 (3.33) niQQQ MaxBiBi Min Bi 1; (3.34) U Ucf (3.35) Trong đó i i Jj BjBJ QQ ; Ji : là tập các nút sau nút i tính theo chiều đi của công suất tác dụng. 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ta cũng ký hiệu ijJj BjJB i i QQ ; ; iJ là tập các nút Ji không kể nút i: iJJ ii / * Xét bài toán (3.32); (3.34); (3.35) Có thể kí hiệu: 2)();( ii BJiiBiiiiBJBii QQAQCBQQZ :là hàm phụ thuộc hai biến QBi và QBJi Với mỗi nút i ta định nghĩa: Jij BJjBjj QQ BJi OPT i QQZQZ Jij BJiBj );(min)( (3.36) Ta phân tích )( BJi OPT i QZ nhƣ sau: (3.37));(min);(min );(min.min);(min maxmin maxmin BJjBjj Q BJiBii QQQ Jij BJiBjj QQQQQQ BJjBjj QQ QQZQQZ QQZQQZ JiBiBii BiBJiJiBiBii Jij BJiBj Hàm Jij BJjBjj QQZ );(min đƣợc ký hiệu: )();(min JiB OPT j Jij BJiBjj QZQQZ (3.38) Nhƣ vậy (3.17) có thể viết là: )();(min)( maxmin JiB OPT iBJiBii QQQ BJi OPT i QZQQZQZ iBii (3.39) )( BJi OPT i QZ là đặc tính tối ƣu tại nút i; )( JiB OPT i QZ là đặc tính tối ƣu tƣơng đƣơng sau nút i. 54 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bây giờ ta phân tích )( JiB OPT i QZ : a. Trƣờng hợp sau nút i là nhánh thẳng: Sau nhánh i là nhánh i’: trƣờng hợp này theo (3.38) và (3.39) ta thấy: )()( ' JiB OPT iJiB OPT i QZQZ Vậy )();(min)( ' maxmin BiBJi OPT iBJiBii QQQ BJi OPT i QQZQQZQZ iBii (3.40) b. Trƣờng hợp sau nút i là các nhánh hình tia: Phân tập Ji thành 'i và I ( 'i là một nút thực, I tập nút hợp nhất) Ta phân tích )( JiB OPT i QZ : ' );();(min);(min)( Jij Jj BJiBjjBJiBj Q Jij BJiBjj QJiB OPT i I JiBJiB QQZQQQQZQZ Trong đó: IJ là tập các nút sau tập nút I 'iJ là tập các nút sau nút 'i Hình 3.8: Sơ đồ nhánh hình tia I i i’ 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Có thể viết lại: ' );();(min.min)( 'max''min' Jij Jj BJjBjjBJjBjj QQQQQQJiB OPT i I BJiJiBBJIiBJii QQZQQZQZ )()(min.min)( ''' 'max''min' BJiJiB OPT IBJi OPT i QQQQQQJiB OPT i QQZQZQZ BJiJiBBJIiBJii (3.41) Nhƣ vậy để giải bài toán (3.32); (3.34); (3.35) ta cần phải xác định đƣợc )( B OP T n QZ (n là nhánh nối trực tiếp với nguồn). Để tìm )( B OPT n QZ ta dựa vào hai phƣơng trình truy toán (3.40) và (3.41). Phƣơng trình (3.40) để xây dựng các đặc tính tối ƣu của các nhánh thật và phƣơng trình (3.41) để xây dựng các đặc tính tối ƣu tƣơng đƣơng. 3.4.4. Xét đến ràng buộc về tổn thất điện áp. Khi xét tới ràng buộc về tổn thất điện áp thì có 2 phƣơng pháp giải quyết bài toán nhƣ sau: Cách 1: Trƣớc hết giải bài toán quy hoạch động phân bố tối ƣu công suất thiết bị bù cho các nút chƣa xét tới điều kiện về điện áp nhƣ đã trình bày ở trên. Sau khi xác định đƣợc tổng công suất bù QB tối ƣu cho toàn lƣới (hàm chi phí nhỏ nhất), tiến hành quá trình ngƣợc của thuật toán quy hoạch động xác định công suất bù tại các nút, trên cơ sở đó biết công suất truyền tải trên các nhánh kiểm tra điều kiện về điện áp. Nếu điều kiện điện áp chƣa đảm bảo thì tăng cƣờng công suất bù QB của toàn lƣới và xác định lƣợng công suất bù tại các nút dựa vào các quan hệ )( BJi OPT i QZ đã xây dựng, và lại tiến hành kiểm tra các điều kiện về tổn thất điện áp. Cứ tiếp tục tăng dần tổng công suất bù QB cho đến khi đảm bảo điều kiện về tổn thất điện áp. Cách 2: Song song với quá trình thuận của QHĐ sẽ đồng thời tính đến tổn thất điện áp trên các nhánh ứng với giá trị công suất chạy trên nhánh đó (phụ thuộc vào tổng công suất bù ở các nút phía sau nó). 56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Việc kiểm tra tổn thất điện áp không cần thiết đối với tất cả các nút của mạng mà chỉ cần kiểm tra đối với một số nút xa nguồn nhất mà ta dự đoán là tổn thất điện áp từ nguồn tới những nút đó sẽ là lớn nhất. Việc kiểm tra điện áp một số nút nhƣ vậy sẽ giảm đƣợc khối lƣợng tính toán và đặc biệt quan trọng đối với máy tính điện tử vì giảm đƣợc ô nhớ. Tuy nhiên nếu ngay từ đầu viêc dự đoán của ta là sai, tức là một số nút kiểm tra điều kiện về tổn thất điện áp đƣợc đảm bảo trong khi đó mạng vẫn còn có nút chƣa đảm bảo về điều kiện tổn thất điện áp thì ta cần phải thay nút kiểm tra điện áp là nút mà điều kiện tổn thất điện áp chƣa đảm bảo và tiến hành giải lại bài toán. Việc chỉ kiểm tra điện áp một số nút là đặc biệt có lợi đối với mạng có số nút lớn và thƣờng thƣờng có thể thấy ngay đƣợc nút nào cần kiểm tra điện áp là tƣơng đối chính xác. Tại mỗi bƣớc của quá trình quy hoạch động, ứng với tổng công suất bù của các nút kể từ nút i là QBJi sẽ ghi lại tổ hợp công suất bù ở các nút ứng với hàm chi phí nhỏ nhất và ghi lại tổn thất điện áp U cực đại từ nút i tới những nút ta kiểm tra tổn thất điện áp. Ngoài ra còn ghi lại các phƣơng án cạnh tranh đƣợc, tức là các tổ hợp khác mặc dù hàm chi phí lớn hơn nhƣng tổn thất điện áp cực đại từ nút i tới các nút cần kiểm tra lại nhỏ hơn tổ hợp có hàm chi phí nhỏ nhất: Khi hợp nhất nhánh thẳng i với i' thì tổn thất điện áp sẽ là tổng ( Ui + Ui’). Khi hợp nhất nhánh hình tia i và i' thì tổn thất điện áp sẽ là giá trị lớn nhất max( Ui; Ui’) Sau khi thực hiện bƣớc quy hoạch cuối cùng xác định đƣợc quan hệ Zn OPT (QB ; U) sẽ có đƣợc lời giải là một tổ hợp phân bố công suất bù tại các nút với hàm chi phí thực sự là nhỏ nhất sao cho vẫn đảm bảo về điều kiện tổn thất điện áp. Phƣơng pháp thứ 2 mặc dù có khối lƣợng tính toán nhiều hơn nhƣng tỏ ra có nhiều ƣu điểm hơn phƣơng pháp thứ nhất và cho lời giải chính xác hơn. Trong chƣơng trình áp dụng phƣơng pháp thứ 2 đề kiểm tra điều kiện về tổn thất điện áp. 3.4.5. Áp dụng 57 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Xét lƣới điện phân phối đơn giản nhƣ hình 3.10. Dùng phƣơng pháp quy hoạch động xác định vị trí và công suất đặt bù tại các nút của lƣới điện trên. Cho các giá trị: vh= 0,1; tc= 0,125; Un = 10kV; Kb0=2.10 6 đồng; KB = 150.10 3 đ/kVAr; t=5000h; =3000h; c = 750 đ/kWh; Pb = 0.0023 kW/kVAr. Số liệu của phụ tải và đƣờng dây cho trong bảng sau: Tên nút Ppt (kW) Qpt (kVAr) QBmax (kVAr) 1 600 600 600 2 800 800 800 3 1000 1000 1000 4 500 500 500 5 500 500 500 6 400 400 400 7 400 400 400 8 500 500 500 9 300 300 300 Số liệu đƣờng dây: 58 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên TT Nút đầu Nút cuối Loại dây L(km) Số lộ R0 ( /km) X0 ( /km) Icp(A) 1 0 2 ACO-240 3 1 0,13 0,41 605 2 0 1 AC-35 5 1 0,85 0,429 175 3 2 8 AC-70 3 1 0,46 0,408 265 4 2 3 AC-185 1,5 1 0,17 0,377 510 5 3 7 AC-35 2,5 1 0,85 0,429 175 6 3 4 AC-120 3 1 0,27 0,391 380 7 4 6 AC-35 3 1 0,85 0,429 175 8 4 5 AC-35 2 1 0,85 0,429 175 9 8 9 AC-25 2 1 1,38 0,422 130 Kết quả tính toán: - Có xét đến ràng buộc U ( Umax = 5%): QB = 4500 kVAr Z = 195.245.648 đồng Lợi nhuận: 128.768.992 đồng Umax = 0,495 kV - Không xét đến ràng buộc U: QB = 2900 Z = 163.508.080 đồng Lợi nhuận: 160.556.560 đồng Umax = 0,748 kV 3.5. Tự động điều chỉnh dung lƣợng bù công suất phản kháng. 59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.5.1. Khái quát chung Khi tính chọn tụ bù ta thƣờng tính toán với phụ tải cực đại, nên trong quá trình làm việc thƣờng tụ không làm việc hết công suất, dẫn đến hiện tƣợng bù thừa, làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng điện và làm hiệu quả kinh tế của mạng điện. Vì lẽ đó cần phải thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh dung lƣợng tụ bù cho phù hợp với phụ tải thực tế. Mô hình bù công suất phản kháng do đề tài đề xuất có xét tới tính chất không bằng phẳng của đồ thị phụ tải. + Trƣớc hết dung lƣợng bù tối ƣu ở các vị trí đặt bù đƣợc xác định theo chƣơng trình tính toán bù đã trình bày. + Sau đó trên cơ sở đồ thị phụ điển hình tiến hành xác định quy luật đóng cắt các ngăn tụ để duy trì chế độ làm việc tối ƣu của mạng điện. 3.5.1.1. Nguyên lý điều chỉnh dung lượng tụ bù Một số nguyên lý sau đƣợc áp dụng rộng rãi trong thực tế điều khiển tụ bù: * Bù theo thời gian: Một chƣơng trình đóng cắt, thay đổi các nấc tụ đƣợc thiết lập sẵn nhờ cơ cấu thời gian, chƣơng trình này đƣợc xây dựng phụ thuộc vào biểu đồ phụ tải. * Bù theo tín hiệu dòng điện: Tín hiệu điều chỉnh là dòng điện, ứng với giá trị xác định của dòng điện một số ngăn tụ đƣợc đóng vào hoặc cắt ra cho phù hợp với yêu cầu của mạng điện. * Bù theo tín hiệu điện áp: Tín hiệu điều chỉnh là mức điện áp cần thiết lập, khi quá điện áp thì một số ngăn tụ đƣợc cắt ra và khi điện áp thấp thì một số ngăn đƣợc đóng vào. Kiểu điều chỉnh nhƣ vậy luôn đảm bảo chất lƣợng điện đƣợc tốt nhất. * Bù theo hướng dòng công suất phản kháng: Khi dòng công suất phản kháng có hƣớng đi từ nguồn đến các điểm tải thì các ngăn tụ đƣợc bổ sung vào, còn khi hƣớng dòng công suất phản kháng đi ngƣợc từ các điểm tải vào hệ thống thì một số ngăn tụ sẽ đƣợc cắt ra. 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên * Sơ đồ tự động điều chỉnh dung lượng tụ bù bằng Thyristor Hiện nay trong sản xuất đã có nhiều loại thiết bị bù công suất phản kháng đƣợc điều khiển bởi Thyristor SVC (Static Var Compensator). Khác với chỉnh lƣu thông thƣờng, Thyristor cho dòng điện đi qua ở trạng thái mở, ngoài điều kiện điện áp thuận chiều còn cần có điện áp điều khiển. Có thể coi Thyristor nhƣ là một bộ ghép nối một transistor NPN và một trasistor PNP (3.9.a). Khi cực G đƣợc đặt một xung điện áp dƣơng hơn cực K, mạch sẽ thông và dòng điện sẽ chạy từ Anod sang Katod, dòng điện này đƣợc duy trì cả khi tín hiệu đặt vào cực G bị ngắt. Nếu ghép 2 Thyristor ngƣợc chiều nhau (hình 3.9.b) thì có thể khống chế đƣợc trị số hiệu dụng của dòng điện đi qua một cách liên tục nhờ thay đổi góc mở . Hình 3.9: Nguyên lý tự động điều chỉnh dung lượng bù bằng Thyristor Các hãng sản xuất đã cho ra đời nhiều loại tụ điện đƣợc trang bị các thiết bị tự động điều chỉnh nhƣ tụ bù điều khiển bằng Thyristor, bằng PLC, nhƣ loại tụ AROKON của Nga, SVC (Stastic Var Compensator) của Siemen vv. 3.5.1.2. Cơ sở xác định quy luật điều chỉnh dung lượng bù b) A G - K N P N P N P a) A G - K N P N N P P Hình 3.10: Thiết bị tự động điều chỉnh dung lƣợng tụ bù cos 61 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Quy luật điều chỉnh dung lƣợng bù đƣợc xác định trên cơ sở biểu đồ phụ tải phản kháng của mạng điện nơi đặt bù. Dung lƣợng tụ bù nền (phần A hình 3.11) Qbnền = Qmin; Dung lƣợng điều khiển (phần B hình 3.11) chính là phần phụ tải thay đổi. Việc lựa chọn phƣơng án tự động điều chỉnh đƣợc thực hiện trên cơ sở so sánh hiệu quả của cơ cấu tự động điều chỉnh thiết bị bù. Trong trƣờng hợp không có cơ cấu điều chỉnh dung lƣợng bù thì việc lựa chọn công suất thiết bị bù theo giá trị công suất cực đại sẽ dẫn đến hiện tƣợng dƣ thừa công suất phản kháng ở những thời điểm khác trong ngày. Vì vậy cách tốt nhất trong trƣờng hợp này là chọn công suất thiết bị bù theo giá trị phụ tải trung bình. Hình 3.12. Biểu đồ phụ tải phản kháng với các phương thức điều chỉnh bù a) Không có cơ cấu điều chỉnh dung lượng bù; b) Với 2 nấc điều chỉnh c) Với 3 nấc điều chỉnh Giả dụ ta có biểu đồ phụ tải phản kháng (hình 3.12). Phần công suất bù không cần điều chỉnh biểu thị bởi chỉ số 0. Nếu một thiết bị bù không điều chỉnh đƣợc lắp đặt, thì khi phụ tải lớn sẽ có một lƣợng công suất phản kháng không đƣợc điều hoà (phần A) và khi phụ tải nhỏ thì sẽ có một lƣợng công suất phản kháng dƣ thừa Hình 3.11: Biểu đồ công suất phản kháng của phụ tải t(h) Q, pu 0 24 18 12 6 0,4 0,6 0,8 1,0 0,2 B A t A B Q 0 2 1 b) t Q B 0 2 1 3 c) A B Q t 0 a) 62 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên (phần B). Trong cả 2 trƣờng hợp đều dẫn đến tổn thất công suất tác dụng, thêm vào đó, nếu diện tích của các phần gạch chéo càng lớn thì lƣợng tổn thất sẽ càng cao. Thành phần tổn thất này sẽ đƣợc loại bỏ nếu ta sử dụng cơ cấu bù có điều chỉnh. Nếu sử dụng cơ cấu điều chỉnh trơn thì có thể loại bỏ đƣợc toàn bộ thành phần tổn thất nêu trên. Đối với các cụm tụ bù, việc điều chỉnh trơn rất khó thực hiện, mà dung lƣợng bù chỉ có thể thay đổi theo từng nấc. Trên hình 3.12b biểu thị trƣờng hợp 2 nấc điều chỉnh, còn hình 3.12c là trƣờng hợp 3 nấc điều chỉnh. Phân tích các trƣờng hợp trên ta dễ dàng nhận thấy khi số nấc điều chỉnh càng tăng thì hiệu quả giảm tổn thất sẽ càng cao. Thƣờng thì phần công suất bù không điều chỉnh đƣợc xác định ứng với phụ tải phản kháng cực tiểu (nấc 0 hình 3.12). Tỷ lệ công suất bù có điều chỉnh đƣợc xác định tuỳ theo đặc tính của từng loại phụ tải. Kết quả tính toán cho thấy thành phần công suất phản kháng không điều chỉnh phụ thuộc vào chế độ sử dụng điện, hay nói cách khác là vào thời gian tổn thất cực đại . Về phần mình, tỷ lệ giảm tổn thất do sử dụng cơ cấu tự động điều chỉnh dung lƣợng bù lại phụ thuộc vào thành phần công suất phản kháng có điều chỉnh. Tỷ lệ giảm tổn thất do có sự điều chỉnh dung lƣợng bù có thể biểu thị bởi biểu thức thực nghiệm sau: aq=17,85 – 0,00293. (3.47) Hiệu quả kinh tế của cơ cấu tự động điều chỉnh dung lƣợng bù đƣợc xác định theo biểu thức C=(aq- bq) P c ; (3.48) trong đó: P – tổn thất công suất tác dụng khi không có cơ cấu điều chỉnh dung lƣợng bù, kW; - thời gian tổn thất cực đại, h/năm; c - giá thành tổn thất điện năng, đ/kWh; aq – tỷ lệ giảm tổn thất do có sự điều chỉnh dung lƣợng bù; 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên bq – tỷ phần tổn thất do không thể bù toàn phần lƣợng công suất phản kháng, phụ thuộc vào số nấc điều chỉnh và thời gian tổn thất cực đại. Bảng 3.1. Giá trị của hệ số bq phụ thuộc vào số nấc điều chỉnh và thời gian tổn thất cực đại Thời gian tổn thất thất cực đại, h/năm Tỷ phần tổn thất do không thể bù toàn phần lƣợng công suất phản kháng khi số lƣợng ngăn tụ, % 2 3 4 5 6 < 3000 6,3 5 3,7 2,5 1,5 3000 5000 4,4 3,2 2 1,3 0,9 > 5000 1,3 1,1 1 0,85 0,8 Để làm sáng tỏ những vấn đề vừa trình bày, ta xét một ví dụ cụ thể nhƣ sau: Ví dụ: Một xí nghiệp có phụ tải S = 430 kVA, hệ số cos = 0,8 một thiết bị bù công suất 195kVAr gồm 3 ngăn với điện áp 380V đƣợc lắp đặt, điện trở của mạng điện R=0,12 , thời gian tổn thất công suất cực đại = 3200h. Giá thành tổn thất điện năng 750 đ/kWh. Hãy đánh giá hiệu quả kinh tế của phƣơng án sử dụng cơ cấu có điều chỉnh dung lƣợng bù so với phƣơng án không có điều chỉnh, biết giá thành của cơ cấu điều chỉnh là 14,4.106đồng, hệ số sử dụng hiệu quả và khấu hao thiết bị p=0,22. Giải: Trƣớc hết ta xác định tổn thất công suất tác dụng trong mạng điện khi có cơ cấu bù công suất phản kháng R U QQP P b 2 22 )( kW64,10110.12,0 38,0 )195258(344 3 2 22 Tỷ lệ giảm tổn thất do có sự điều chỉnh dung lƣợng bù aq=17,85 – 0,00293. = 17,85 – 0,00293.3200= 8,474%; 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ứng với 3 ngăn tụ bù theo bảng 4.1, ta xác định đại lƣợng không bù tổn thất là bq= 3,2%. Nhƣ vậy lƣợng tiết kiệm trong trƣờng hợp có điều chỉnh dung lƣợng bù sẽ là C=(aq- bq) P c = (8,474- 3,2).101,64.3200.750.10 -8 = 12,865 triệu đồng Chi phí quy dẫn do đặt cơ cấu điều chỉnh Zdc=pVdc=0,22.14,4= 3,168 triệu đồng Lƣợng tiết kiệm do đặt cơ cấu điều chỉnh sẽ là Z= C - Zdc=12,865 – 3,17 = 9,697 triệu đồng Nhƣ vậy trong trƣờng hợp này việc đặt cơ cấu tự động điều chỉnh dung lƣợng bù sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao. 3.5.2. Xây dựng đồ thị phụ tải ngày đặc trƣng Đồ thị phụ tải đặc trưng hay còn gọi là đồ thị phụ tải mẫu đƣợc hiểu là đồ thị phụ tải biểu thị đặc điểm biến đổi chung của phụ tải trong khoảng thời gian ngày đêm, phản ánh đầy đủ các tính chất của nhóm thụ điện mà nó đại điện. Đồ thị biểu thị sự biến thiên của phụ tải trong khoảng thời gian ngày đêm gọi là đồ thị phụ tải hàng ngày. Đây là dạng đồ thị phụ tải cơ bản nhất vì thông qua đó có thể xây dựng đƣợc đồ thị phụ tải hàng tháng, hàng năm v.v. Đồ thị phụ tải đặc trƣng cho phép xác định một cách chính xác và tin cậy các tham số về chế độ làm việc của mạng điện. 3.5.2.1. Thu thập và xử lý thông tin về đồ thị phụ tải 1. Thu thập thông tin Thông tin về đồ thị phụ tải có thể thu thập bằng cách đo đếm trực tiếp hoặc gián tiếp. Số ngày tối thiểu cần thiết để lấy số liệu đƣợc xác định theo yêu cầu của mức tin cậy 2).( s k n (3.49) 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong đó: s – sai số cho phép, lấy trong khoảng từ 5 10%, tức s = 0,05 0,1; - hệ số tán xạ, phụ thuộc vào độ tin cậy cần thiết, với xác suất tin cây 95% 97% có thể lấy trong khoảng 1,5 2; kv – hệ số biến động của thông tin thu thập mẫu. )( )( PM P kv (3.50) (P) - độ lệch chuẩn của các phép đo phụ tải M(P)= P – kỳ vọng toán của các phép đo phụ tải. Để thuận tiện cho quá trình xử lý và tính toán, các thông tin về phụ tải đƣợc thu thập đồng thời với các tham số chế độ khác. Khi đo đếm cần phải phân phụ tải của các ngày theo các đặc tính nhƣ sau: ngày làm việc, ngày chủ nhật, ngày nghỉ tết, lễ, ngày đầu tuần, ngày cuối tuần vv. 2. Xử lý số liệu Việc xử lý số liệu, tính toán và xây dựng đồ thị phụ tải đƣợc thực hiện dựa trên các quy luật xác suất thống kê. Trƣớc hết số liệu sau khi thu thập cần đƣợc xử lý sơ bộ để loại bỏ những sai số có thể xuất hiện trong các phép đo và sắp xếp trong các bảng biểu thích hợp để tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình xử lý tiếp theo. Có thể coi sự phân bố xác suất của phụ tải tuân theo qui luật phân phối dạng chuẩn. f(p) = 2 ) pp ( 2 1 e 2 1 ; (3.51) Giá trị của phụ tải ở giờ thứ i đƣợc xác định nhƣ sau: P ' i = P i + Pi , kW (3.52) Trong đó: P i - kỳ vọng toán của phụ tải ở giờ thứ i. 66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Pi- giá trị hiệu chỉnh tính tới sai số của phép đo. n P ii ; (3.53) Nhƣ vậy, ứng với chuỗi thời gian ti biến thiên từ 1 đến 24 ta sẽ có chuỗi số liệu phụ tải Pi tƣơng ứng. Tiếp theo cần xử lý loại bỏ ảnh hƣởng của các yếu tố tác động theo quy luật nhƣ ngày nghỉ lễ, nghỉ cuối tuần vv. Để làm điều đó một cách hiệu quả nhất, ta qui phụ tải các ngày khác nhau về một dạng đồng nhất. Trên cơ sở phân tích các đặc điểm của các ngày ta cần phân loại chúng theo các nhóm thích hợp và chọn ngày làm việc làm cơ sở, sau đó xác định các hệ số qui đổi của các ngày tƣơng ứng theo biểu thức kij = ij iLV p P ; (3.54) Trong đó: kij - hệ số qui đổi của phụ tải ở giờ thứ i ngày loại j. Pij - kỳ vọng toán của phụ tải giờ thứ i, ngày loại j PiLV - kỳ vọng toán phụ tải giờ thứ i ngày làm việc. Khi đã có các hệ số quy đổi, ta nhân các số liệu đo đếm trong các ngày cho hệ số qui đổi tƣơng ứng để nhận đƣợc các giá trị phụ tải qui về chế độ ngày làm việc. Pi = kij Pij, kW ; (3.55) Nhƣ vậy ta sẽ nhận đƣợc n giá trị phụ tải ở mỗi giờ mà chúng chỉ khác nhau bởi thành phần dao động ngẫu nhiên của phụ tải. Giá trị của phụ tải trong suốt thời gian khảo sát đƣợc biểu thị bởi ma trận: 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên P P P P P P P P P n n n 1 1 1 2 1 2 1 2 2 2 24 1 24 2 24 . . . . . . . . . ... ... ... ... ... ... ... (3.56) Với cách làm trên chúng ta đã tính đến các yếu tố ảnh hƣởng của các ngày khác nhau trong tuần đồng thời làm tăng dãy số quan sát liên tục. Điều đó cho phép tính tới hàng loạt các yếu tố ảnh hƣởng khác đối với đồ thị phụ tải và sẽ làm tăng độ tin cậy của đồ thị. Từ dãy số trên theo biểu thức (4.6) ta xác định đƣợc phụ tải tính toán của mỗi trong số 24 h giờ và biểu thị các giá trị tìm đƣợc trên hệ trục toạ độ ta sẽ nhận đƣợc đồ thị phụ tải ngày đêm mong muốn. 3.5.2.2. Xây dựng đồ thị phụ tải đặc trưng Trên cơ sở số liệu đã đƣợc xử lý thống kê, biểu diễn mối quan hệ giữa phụ tải và thời gian trên hệ trục toạ độ với trục tung là phụ tải và trục hoành là thời gian ta sẽ nhận đƣợc đồ thị phụ tải hàng ngày (hình 4.5). Đồ thị phụ tải đƣợc xây dựng theo phƣơng pháp trên có thể coi là đồ thị phụ tải đặc trƣng của mạng điện. Nó cho phép ta áp dụng cho các mạng điện khác có tính chất tƣơng tự. Để làm đƣợc điều đó đồ thị phụ tải cần đƣợc chuyển sang hệ đơn vị tƣơng đối. Ta chọn công suất cơ bản là giá trị cực đại của phụ tải PM. Phụ tải giờ thứ i trong hệ đơn vị tƣơng đối sẽ là: Hình 3.13: Đồ thị phụ tải hàng ngày P Q 24 P Q 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên M i i P P P* và M i i Q Q Q* ; (3.57) 3.5.2.3. Kiểm định và đánh giá độ tin cậy của đồ thị phụ tải. Ngƣời ta thƣờng đánh giá độ chính xác của đồ thị phụ tải thông qua hệ số điền kín đồ thị. Hệ số điền kín đồ thị của nhóm tải j đƣợc xác định nhƣ sau: Mj i ij dkj P P k 24 24 1 (3.58) Trong đó: Pij - phụ tải ở giờ thứ i của nhóm tải j. PMj - phụ tải cực đại của nhóm j. Hệ số điền kín đồ thị tổng hợp của toàn mạng điện đƣợc xác định theo biểu thức: M j nj njdkj dk P Pk k 1 . ; (3.58) Trong đó: M - số nhóm tải; Pnj - tổng công suất định mức của nhóm tải j. Hệ số điền kín tính toán đƣợc xác định nhƣ sau: kdk = k dk + k ; (3.59) k - độ lệch trung bình bình phƣơng của hệ số điền kín đồ thị. So sánh giá trị hệ số điền kín đồ thị tại đầu nguồn, nơi cung cấp điện cho mạng quan sát và dựa vào độ lệch giữa các giá trị này để đánh giá sai số và mức độ tin cậy của đồ thị phụ tải. 69 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thu thập và xử lý số liệu, việc lắp đặt công tơ điện tử tại các nút, kết hợp với hệ thống truyền thông tin từ xa là hết sức cần thiết. Điều đó có ý nghĩa đối với bài toán vận hành kinh tế lƣới điện nói chung và bù kinh tế công suất phản kháng nói riêng. 3.5.3. Xây dựng quy luật và lựa chọn sơ đồ tự động điều chỉnh tối ƣu công suất bù 3.5.3.1. Đặt vấn đề Việc xác định công suất bù tại mỗi nút trong từng thời điểm khác nhau chính là đi tìm quy luật điều chỉnh thiết bị bù. Bài toán xác định quy luật bù tối ƣu đƣợc giải tƣơng tự nhƣ bài toán xác định vị trí và dung lƣợng bù tối ƣu mà ta đã xét ở trên ứng với 24 giờ trong ngày. Có nghĩa là ta xác định giá trị công suất bù tối ƣu phụ thuộc vào phụ tải ở mỗi giờ. Tuy nhiên, mô hình bài toán xác định quy luật bù tối ƣu công suất phản kháng hơi khác so với mô hình bài toán xác định vị trí và dung lƣợng bù tối ƣu. Trong trƣờng hợp này mô hình bài toán bù không có thành phần chi phí vốn đầu tƣ Z1, vì ở đây chúng ta chỉ xét đến chế độ làm việc kinh tế của thiết bị bù và mạng điện. Mô hình bài toán bù trong trƣờng hợp này có dạng: - Hàm mục tiêu: Z = Z2 + Z3 min Trong đó Bi N i b QctPZ 1 2 ... N i Bii QR U c Z 1 2 233 .. .10.3 . - Các ràng buộc: 0 QB i Q M B i 0 QB i Qpt i 70 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên U Ucp Trong đó: Q M B i: là công suất bù tại nút i tính trong chế độ phụ tải cực đại Qpt i: là công suất phản kháng tiêu thụ của phụ tải tại thời điểm đang xét. Bằng cách tính bù công suất phản kháng cho 24h, ta có thể xây dựng đƣợc quy luật điều chỉnh tụ bù tại các nút khác nhau trong ngày. Từ đó giúp cho việc vận hành tụ bù một cách hợp lý, mang lại hiệu quả về mặt kinh tế cũng nhƣ nâng cao đƣợc chất lƣợng điện năng của lƣới điện phân phối. 3.6. Khái quát về chƣơng trình PSS/E Chƣơng trình PSS/E là chƣơng trình mô phỏng hệ thống điện trên máy tính nhằm mục đích tính toán nghiên cứu phục vụ vận hành cũng nhƣ quy hoạch hệ thống điện. Các tính toán phân tích hệ thống mà chƣơng trình có khả năng thực hiện bao gồm:  Tính toán trào lƣu công suất.  Tối ƣu hóa trào lƣu công suất.  Nghiên cứu các loại sự cố đối xứng và không đối xứng.  Tƣơng đƣơng hóa hệ thống.  Mô phỏng quá trình quá độ điện cơ. Chƣơng trình đƣợc tổ chức theo sơ đồ khối chính nhƣ sau: 71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Các tài liệu của chương trình PSS/E: 1. Hƣớng dẫn cài đặt và các tiện ích của chƣơng trình PSS/E  Trình tự cài đặt chƣơng trình cho máy tính cá nhân (PC).  Hƣớng dẫn vẽ hình và in ấn. 2. Hƣớng dẫn sử dụng chƣơng trình PSS/E  Giới thiệu tổng quan và hƣớng dẫn sử dụng các lệnh trong chƣơng trình. PSSLF4 §•a d÷ liÖu vµo LÊy d÷ liÖu ra * §•a d÷ liÖu trµo l•u c«ng suÊt ®Çu vµo * C¸c d÷ liÖu c¬ së * §•a ra d÷ liÖu trµo l•u c«ng suÊt Chän ph•¬ng ph¸p gi¶i Th«ng b¸o kÕt qu¶ * C¸c d÷ liÖu cña HT§ * Trµo l•u c«ng suÊt HT§ * KiÓm tra c¸c giíi h¹n. * VÏ biÓu ®å Stop Thay ®æi d÷ liÖu trµo l•u c«ng suÊt 72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  Đƣa ra các thảo luận về cấu trúc của phần mềm và mô tả trình tự hoạt động từng modul tính toán. 3. Hƣớng dẫn về các ứng dụng cho chƣơng trình PSS/E  Mô tả cấu trúc của chƣơng trình trong mô phỏng hệ thống điện.  Mô tả phƣơng pháp mô phỏng hệ thống điện cho chƣơng trình PSS/E và giải thích ý nghĩa của các kết quả thu đƣợc. 4. Hƣớng dẫn sử dụng chƣơng trình vẽ đồ thị của PSS/E (PSSPLT)  Hƣớng dẫn cách vẽ các đồ thị kết quả đầu ra khi tính toán quá trình quá độ điện cơ.  Tài liệu chỉ đƣợc sử dụng khi tính toán quá trình quá độ. 5. Hƣớng dẫn sử dụng IPLAN  Hƣớng dẫn cách lập trình bằng ngôn ngữ lập trình IPLAN và cách biên dịch chƣơng trình. 6. Hƣớng dẫn tính toán tối ƣu hóa trào lƣu công suất  Giới thiệu tổng quan về thuật toán.  Hƣớng dẫn các sử dung các lệnh trong tính toán tối ƣu hóa trao lƣu công suất. 7. Phƣơng pháp tính toán trong phạm vi đề tài.  Nhập thông số của các phần tử nút, nhánh trong hệ thống điện.  Tính toán chế độ phụ tải cực đại của lƣới.  Tính toán chế độ phụ tải cực đại của lƣới khi có bù. 3.7. Kết luận: 1. Việc thiết kế, lắp đặt thiết bị bù đƣợc tính toán với phụ tải cực đại, nên trong quá trình làm việc thƣờng tụ không làm việc hết công suất, dẫn đến hiện tƣợng bù thừa, làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng điện và làm hiệu quả kinh tế của mạng điện. Vì 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên vậy để nâng cao hiệu quả bù cần phải trang bị hệ thống tự động điều chỉnh dung lƣợng tụ bù cho phù hợp với phụ tải thực tế. 2. Việc xây dựng quy luật điều chỉnh bù tối ƣu đƣợc thực hiện trên cơ sở biểu đồ phụ tải đặc trƣng. 3. Bài toán xác định quy luật bù đƣợc giải tƣơng tự nhƣ bài toán bù tối ƣu mà ta đã xét ứng với 24 giờ trong ngày. Tuy nhiên, ở đây mô hình bài toán bù không có thành phần chi phí vốn đầu tƣ mà chỉ có các thành phần chi phí tổn thất. 74 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG IV TÍNH TOÁN ĐỐI VỚI LƢỚI ĐIỆN HẢI DƢƠNG 4.1 Tính toán lƣới điện tỉnh Hải Dƣơng. Đề tài chọn điện lực Hải Dƣơng để triển khai áp dụng. Điện lực Hải Dƣơng có 11 chi nhánh với số liệu về tiêu thụ điện năng và tổn thất điện năng năm 2007 ghi trên bảng 4.1 Bảng 4.1. Tiêu thụ và tổn thất điện năng của Điện lực Hải Dương năm 2007 Số TT Tên đơn vị trực thuộc Luỹ kế năm 2007 Điện năng nhận, kWh Điện năng TP, kWh Điện năng tổn thất Tỷ lệ Tổn thất % KH TT % TH - KH 1 Hải Dƣơng 61.883.687 56.287.313 5.596.374 9,04 7,31 1,73 2 Chí Linh 28.511.766 25.281.327 3.230.439 11,33 8,31 3,02 3 Nam Sách 22.839.484 20.629.232 2.210.252 9,68 5,53 4,15 4 Thanh Hà 11.607.967 10.859.774 748.193 6,45 4,98 1,47 5 Kinh Môn 37.000.008 34.042.331 2.957.677 7,99 6,03 1,96 6 Kim Thành 20.904.700 19.034.071 1.870.629 8,95 6,01 2,94 7 Gia Lộc 17.940.415 15.834.897 2.105.518 11,74 8,15 3,59 8 Tứ Kỳ 15.854.481 15.065.421 789.060 4,98 4,45 0,53 9 Cẩm Bình 49.650.827 45.205.801 4.445.026 8,95 5,46 3,49 10 Thanh Miện 14.199.018 12.739.305 1.459.713 10,28 7,68 2,60 11 Ninh Giang 11.752.562 10.720.358 1.032.204 8,78 8,02 0,76 ĐLQL 35kV 4.443.892 4.495.750 -51.858 -1,17 0,00 -1,17 75 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐLQL 110 kV 183.332.000 179.967.750 3.364.250 1,84 0,14 1,70 XM H.Thạch 117.188.000 117.188.000 0 0,00 XM Phúc sơn 66.144.000 62.779.750 3.364.250 5,09 Tổng ĐLQL 187.775.892 184.463.500 3.312.392 1,76 Tổng ĐN<= 35kV 296.588.807 270.195.580 26.393.227 8,90 CTĐL Hải Dƣơng 479,920,807 450,163,330 29,757,477 6,20 4,70 1,50 Sau khi đi khảo sát sơ bộ, đề tài đã chọn chi nhánh điện Chí Linh, nơi đƣợc đánh giá là đối tƣợng nghiên cứu tính toán các tham số mạng điện, trong đó có hệ số cos . Sơ đồ điện chi nhánh Chí Linh, Hải Dƣơng giới thiệu trên hình 4.1. Khái quát sơ bộ về lƣới điện Chí Linh nhƣ sau: - Lƣới điện Chí Linh – Hải Dƣơng là lƣới điện phân phối hình tia - Số lƣợng phụ tải tƣơng đối lớn và đa dạng về loại phụ tải (công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt) - Nhìn chung, chất lƣợng điện năng của lƣới điện Chí Linh - Hải Dƣơng là khá tốt - Trong lƣới điện Chí Linh – Hải Dƣơng, lộ 471-E85 có chất lƣợng điện năng thấp nhất so với các lộ còn lại. - Lộ 471-E84 cũng có đầy đủ các loại phụ tải, có thể đặc trƣng cho một lƣới điện phân phối. Từ những khái quát nêu trên, quyết định chọn lộ 471-E85 để khảo sát, thu thập số liệu và tính toán. Lộ 471-E85 giới thiệu trên hình 4.2. Lộ 471-E85 có đƣờng trục chính với cấp điện áp là 22 kV, tổng độ dài 12,09 km. Từ trục chính có các rẽ nhánh để cấp điện cho các phụ tải. Mỗi phụ tải là một máy biến áp hại thế 22/0,4 kV và sau chúng là lƣới điện hạ thế cấp điện cho các gia đình, cơ quan, trạm bơm,…. Có 26 phụ tải sau : 76 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1. Thái Học 1 10. Hùng Vƣơng 2 19. Tân Hƣng Phát 2. Hải Ninh 11. Xã Thái Học 20. Bơm Hoàng Xá 3. Cấp nƣớc 3-50 12. Bơm Thái Học A 21. Đức Phúc 4. Trƣờng Cơ điên 13.Bơm xã An Lạc 22. Triều Nội 5. Thái Học 2 14. Xã An Lạc 23. Bơm Tế Sơn 6. Thái Học 3 15. Thu phí quốc lộ 183 24. Mặc Ngạn 7. Trƣờng Cơ giới 16. Nhân Hậu 25. Giang Hạ 8. Sân gôn 17. Tân Dân 26. Bơm Vạn Thắng 9. Hùng Vƣơng 1 18. Xăng dầu Tân Dân Việc thu thập số liệu đƣợc thực hiện bằng cách lắp đặt công tơ điện tử tại các trạm hạ áp thuộc lộ 471-E85, số liệu đƣợc ghi lại 24 lần trong 1 ngày (tƣơng ứng với 24h khác nhau). Thời gian đo đƣợc kéo dài trong 1 tháng. Từ đó xây dựng đƣợc đồ thị phụ tải trung bình 24h trong ngày. Sử dụng chƣơng trình PSS/E, tính toán cho chế độ phụ tải cực đại tìm đƣợc Qbmax tại mỗi nút. Số liệu về máy biến áp các trạm hạ áp và đƣờng dây ghi ở phần phụ lục. 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên cd405-3 78 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 79 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.2. Tính toán lộ 471-E85 Chí Linh 4.2.1.Số liệu về phụ tải cực đại: Số liệu về phụ tải cực đại đƣợc tính toán từ số liệu đo, kết quả ghi trên bảng 4.4 4.2.2. Kết quả tính bù kinh tế công suất phản kháng: Quá trình tính toán đƣợc thực hiện bằng chƣơng trình máy tính PSS/E , kết quả tính toán đƣợc ghi trong bảng 4.3. Các số liệu chính sử dụng trong quá trình tính toán bao gồm: vh = 0,1; tc = 0,125; Un = 22kV; K0 = 1.000.000 đồng; KB = 150.000 đ/kVAr; T = 4500h; = 3000h; = 750 đ/kWh; P0 = 0.0023 kW/kVAR. - Tổng dung lƣợng công suất bù cực đại là: Qbù max = 830 kVAr - Tổng dung lƣợng công suất bù tại các nút: Qbù = 60 kVAr Với dung lƣợng bù tại các nút nhƣ trên, tổng lợi nhuận thu đƣợc là: 81.394 (đồng/1 năm). Bảng 4.2 Các số liệu lộ 471-E85: Nút đầu Nút cuối Loại dây L (km) Số lộ R0 ( /km) X0 ( /km) Icp (A) 52 1. Thái Học 1 MBA 10.8 37 0 53 2. Hải Ninh MBA 99 163 0 54 3. Cấp nƣớc 50 MBA 242 302 0 55 9. Hùng Vƣơng 1 MBA 47 105 0 56 11. Xã Thái Học MBA 31 81 0 57 12. Bơm Thái Học A MBA 47 105 0 58 13. Bơm Xã An Lạc MBA 22 64 0 59 14. Xã An Lạc MBA 47 105 0 80 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 60 20. Bơm Hoàng Xà MBA 47 105 0 61 21. Đức Phúc MBA 9 27 0 62 22. Triều Nội MBA 47 105 0 63 25. Giang Hạ MBA 47 105 0 64 26. Bơm Vạn Thắng MBA 10.8 37.3 0 65 23. Bơm Tế Sơn MBA 23 64 0 66 24. Mạc Ngạn MBA 47 105 0 67 19. Tân Hƣng Phát MBA 17