Tài liệu Nghiên cứu bù công suất phản kháng cho lưới điện trung thế huyện mai sơn tỉnh sơn la

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THANH DŨNG NGHIÊN CỨU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƢỚI ĐIỆN TRUNG THẾ HUYỆN MAI SƠN – TỈNH SƠN LA LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN Thái Nguyên - năm 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THANH DŨNG NGHIÊN CỨU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƢỚI ĐIỆN TRUNG THẾ HUYỆN MAI SƠN – TỈNH SƠN LA NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 8.52.02.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Trƣơng Tuấn Anh Thái Nguyên – năm 2020 CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Thanh Dũng Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trƣơng Tuấn Anh Đề tài luận văn: “Nghiên cứu bù công suất phản kháng cho lưới điện trung thế huyện Mai Sơn – tỉnh Sơn La”. Ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 8.52.02.01 Tác giả, Ngƣời hƣớng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 10/10/2020 với các nội dung sau: - Đã sửa một số lỗi chính tả, lỗi chế bản trong luận văn. - Đã bổ sung kết luận chƣơng 1, chƣơng 3. - Đã chỉnh sửa một số nội dung theo ý kiến của Hội đồng bảo vệ. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 10 năm 2020 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Tác giả luận văn TS. Trƣơng Tuấn Anh Nguyễn Thanh Dũng CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS. Võ Quang Lạp i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ một bản luận văn nào trƣớc đây. Tác giả luận văn Nguyễn Thanh Dũng ii LỜI CẢM ƠN Qua một thời gian thực hiện, đến nay đề tài: “Nghiên cứu bù công suất phản kháng cho lƣới điện trung thế Huyện Mai Sơn - Tỉnh Sơn Laˮ đã đƣợc hoàn thành. Trong thời gian thực hiện, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ quý báu của các cá nhân, tập thể trong và ngoài trƣờng. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Trƣơng Tuấn Anh về sự quan tâm, giúp đỡ tôi rẩt tận tình trong phƣơng pháp và các nội dung nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện, Khoa điện, trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, sự giúp đỡ chân tình của các bạn đồng nghiệp, gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, công tác, nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Trong quá trình thực hiện, do thời gian hạn hẹp nên luận văn có thể có những thiếu sót. Tôi mong muốn nhận đƣợc những ý kiến đóng góp để luận văn đƣợc hoàn thiện thêm và kết quả nghiên cứu thực sự có ý nghĩa góp phần nâng cao chất lƣợng điện năng, giảm tổn thất điện năng cho lƣới điện trung thế huyện Mai Sơn nói riêng và lƣới điện toàn tỉnh Sơn La. Tôi xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận văn Nguyễn Thanh Dũng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ iii MỤC LỤC ............................................................................................................. iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT...................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................... ix LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................... 4 1.1. Vai trò, đặc điểm chung của lƣới phân phối.................................................... 4 1.2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng ................................................................... 5 1.3. Các nguồn phát công suất phản kháng ............................................................ 7 1.4. Các tiêu chí bù công suất phản kháng trên lƣới phân phối ............................. 10 1.4.1. Tiêu chí kỹ thuật .................................................................................. 10 1.4.1.1. Yêu cầu về cosφ ......................................................................................... 10 1.4.1.2. Đảm bảo mức điện điện áp cho phép ...................................................... 11 1.4.1.3. Giảm tổn thất công suất đến giới hạn cho phép ..................................... 13 1.4.2. Tiêu chí kinh tế .................................................................................... 14 1.5. Sơ đồ đấu nối tụ và phƣơng thức điều khiển tụ bù ........................................ 16 1.5.1. Sơ đồ đấu nối tụ bù tĩnh ........................................................................ 16 1.5.1.1. Nối tụ điện theo sơ đồ hình tam giác (Δ), sơ đồ nối dây của tụ nhƣ hình vẽ 1.4 ................................................................................................................. 16 1.5.1.2. Nối tụ điện theo sơ đồ hình sao (Y), sơ đồ nối dây của tụ nhƣ hình vẽ 1.5 .................................................................................................................. 17 1.5.1.3. Các kiểu đấu nối bộ tụ điện ba pha .......................................................... 17 1.5.2. Sơ đồ nối dây và điện trở phóng điện ................................................... 18 1.5.2.1. Sơ đồ nối dây của tụ điện điện áp cao ..................................................... 18 1.5.2.2. Sơ đồ nối dây của tụ điện điện áp thấp ................................................... 19 1.5.2.3. Bù riêng ....................................................................................................... 21 1.5.2.4. Bù nhóm ...................................................................................................... 21 1.5.2.5. Bù tập trung ................................................................................................ 22 1.5.3. Nguyên lý điều khiển các thiết bị bù sử dụng tụ điện tĩnh ....................... 23 1.5.3.1. Cơ sở điều khiển ........................................................................................ 23 iv 1.5.3.2. Điều chỉnh dung lƣợng bù ........................................................................ 23 CHƢƠNG 2 - ẢNH HƢỞNG CỦA THIẾT BỊ BÙ, CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN BÙ TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ...................................................... 26 2.1. Ảnh huởng của thiết bị bù đến thông số thiết kế ........................................... 26 2.1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................... 26 2.1.2. Các ảnh hƣởng của thiết bị bù đến thông số thiết kế của mạng điện ........ 27 2.1.2.1. Giảm ΔP và ΔA .......................................................................................... 27 2.1.2.2. Giảm tiết diện của dây dẫn trong mạng điện .......................................... 27 2.1.2.3. Giảm công suất của máy biến áp ............................................................. 30 2.1.2.4. Tăng cƣờng khả năng tải của mạng ......................................................... 30 2.2. Ảnh hƣởng của thiết bị bù đến tổn thất công suất và tổn thất điện năng ......... 31 2.2.1. Lƣới phân phối có một phụ tải ............................................................. 31 2.2.2. Lƣới phân phối có phụ tải phân bố đều trên trục chính .......................... 34 2.3. Ảnh hƣởng của thiết bị bù đến chế độ điện áp của lƣới phân phối ................. 35 2.3.1. Phân tích ảnh hƣởng của thiết bị bù CSPK đối với chất lƣợng điện áp .... 35 2.3.1.1. Tác động quá độ trong quá trình đóng cắt tụ .......................................... 35 2.3.1.2. Ảnh hƣởng cửa sóng hài lên các thiết bị điện ........................................ 38 2.3.2. Các hạn chế của công suất bù phản kháng đối với chất lƣợng điện ......... 43 2.3.3. Một số giải pháp chống quá điện áp khi đóng cắt tụ ............................... 46 2.4. Các phƣơng pháp tính toán dung luợng và vị trí bù công suất phản kháng ..... 46 2.4.1. Bù CSPK để nâng cao hệ số công suất cosφ ......................................... 46 2.4.2. Tính bù CSPK theo điều kiện cực tiểu tổn thất công suất ....................... 49 2.4.3. Tính bù CSPK theo điều kiện điều chỉnh điện áp ................................... 49 2.4.4. Tính bù CSPK theo theo phƣơng pháp bù kinh tế .................................. 50 2.4.4.1. Cực đại hóa lợi nhuận................................................................................ 51 2.4.4.2. Cực tiểu chi phí tính toán Zmin ............................................................... 52 2.4.4.3. Cực đại lợi nhuận ....................................................................................... 53 2.4.5. Phƣơng pháp tính toán lựa chọn công suất và vị trí bù tối ƣu trong mạng điện phân phối ............................................................................................... 54 2.4.5.1. Tính toán bù trên đƣờng dây có phụ tải tập trung và phân bố đều ...... 55 2.4.5.2. Xác định vị trí tối ƣu của tụ bù ................................................................ 61 2.4.6. Công cụ tính toán ................................................................................. 63 2.4.6.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 63 v 2.4.6.2. Giới thiệu về phần mềm PSS/ADEPT .................................................... 63 2.4.6.3. Các cơ sở tính toán bù CSPK bằng chƣơng trình PSS/ADEPT ........... 65 2.5. Đánh gıá hıệu quả của bù công suất phản kháng ........................................... 73 2.5.1. Ảnh hƣởng của hệ số công suất và thời gian Tm ..................................... 73 2.5.1.1. Ảnh hƣởng của hệ số cosφ đến tổn thất công suất................................. 73 2.5.1.2. Quan hệ giữa tổn thất điện năng và hệ số cosφ và thời gian Tm ......... 73 2.5.1.3. Quan hệ phụ thuộc giữa chi phí đầu tƣ với cosφ và Tm ....................... 73 2.5.1.4. Quan hệ phụ thuộc giữa chi phí tính toán với hệ số công suất và Tm 74 2.5.2. Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng ........................................... 74 2.5.2.1. Lƣợng tiết kiệm công suất do bù CSPK.................................................. 74 2.5.2.2. Khảo sát các thành phần chi phí bù CSPK ............................................. 75 CHƢƠNG 3 - TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƢỢNG BÙ TỐI ƢU CHO LƢỚİ ĐIỆN TRUNG THẾ HUYỆN MAI SƠN ............................................. 77 3.1. Hiện trạng lƣới điện trung thế huyện Mai Sơn .............................................. 77 3.1.1. Hiện trạng nguồn cung cấp điện ............................................................ 77 3.1.2. Hiện trạng lƣới điện trung thế ............................................................... 77 3.1.3. Hiện trạng bù của lƣới điện trung thế .................................................... 77 3.1.4. Hiện trạng đồ thị phụ tải các lộ đƣờng dây ............................................ 78 3.1.4.1. Xây dựng đồ thị phụ tải ngày điển hình .................................................. 78 3.1.4.2. Xây dựng đồ thị phụ tải trên phần mềm PSS/ADEPT .......................... 80 3.1.5. Hiện trạng tổn thất và thông số vận hành các lộ đƣờng dây .................... 80 3.2. Tính toán xác định vị trí và dung lƣợng bù tối ƣu cho lƣới điện trung thế huyện Mai Sơn ( lộ 378 E17.2 ).............................................................................. 83 3.3. Đề xuất các giải pháp nhằm đảm bảo vận hành tối ƣu các bộ tụ bù trên hệ thống lƣới điện trung thế huyện Mai Sơn ............................................................... 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 90 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 91 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CSPK: Công suất phảng kháng CSTD: Công suất tác dụng HTĐ: Hệ thống điện MBA: Máy biến áp KĐB: Không đồng bộ LĐPP: Lƣới điện phân phối LĐTT: Lƣới điện truyền tải ĐZ: Đƣờng dây HMT: Hàm mục tiêu vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Quan hệ giữa hệ số công suất và công suất toàn phần .....................................7 Bảng 2.1. Giá thành đƣờng dây trên không 1 mạch điện áp 110kV (106 đ/km) ...........29 Bảng 2.2. Giá trị của kkt theo phƣơng thức cấp điện. ...................................................48 Bảng 3.1. Hiện trạng nguồn cấp ....................................................................................77 Bảng 3.2. Bảng thống kê dung lƣợng bù của tụ điện ....................................................78 Bảng 3.3. Kết quả tính toán tổn thất trên lƣới lộ 378 trƣớc khi lắp tụ bù (phụ lục 3.3a, phụ lục 3.3b). .................................................................................................................82 Bảng 3.4. Kết quả tính toán tổn thất trên lƣới lộ 378 hiện trạng (đã lắp tụ bù) (phụ lục 3.4a, phụ lục 3.4b). ........................................................................................................82 Bảng 3.5. Kết quả tính toán tổn thất trên lƣới lộ 382 trƣớc khi lắp tụ bù (phụ lục 3.5a, phụ lục 3.5b). .................................................................................................................82 Bảng 3.6. Kết quả tính toán tổn thất trên lƣới lộ 382 hiện trạng (phụ lục 3.6a, phụ lục 3.6b). ..............................................................................................................................83 Bảng 3.7a. Vị trí và dung lƣợng bù cố định ở lƣới trung áp .........................................84 Bảng 3.7b. Vị trí và dung lƣợng bù đóng cắt ở lƣới trung áp .......................................85 Bảng 3.8. Kết quả tính toán tổn thất trên lƣới lộ 378 sau khi lắp tụ bù (phụ lục 3.8a, phụ lục 3.8b). .................................................................................................................85 Bảng 3.9 Kết quả lƣợng tổn thất công suất giảm đƣợc so với bù tụ nhiên ...................86 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ cung cấp đơn giản ..................................................................................5 Hình 1.2 Quan hệ giữa P và Q .........................................................................................5 Hình 1.3 Quan hệ giữa hệ số công suất và công suất toàn phần .....................................7 Hình 1.4 Tụ đấu tam giác ..............................................................................................16 Hình 1.5 Tụ đấu sao .......................................................................................................17 Hình 1.6 Sơ đồ nối dây của tụ điện điện áp cao ............................................................19 Hình 1.7 Sơ đồ đấu dây của tụ điện điện áp cao bù riêng cho động cơ ........................19 Hình 1.8 Sơ đồ nối dây tụ điện điện áp thấp .................................................................20 Hình 1.9 Bù nhóm .........................................................................................................22 Hình 1.10 Bù tập trung ..................................................................................................22 Hình 1.11 Sự phân bố CSPK theo thời gian ..................................................................23 Hình 1.12 Điều chỉnh dung lƣợng bù. ...........................................................................24 Hình 2.1. Sơ đồ mạch tải điện .......................................................................................27 Hình 2.2. Phân tính các dung lƣợng bù .....................................................................31 Hình 2.3. Lƣới phân phối có phụ tải phân bố đều .........................................................34 Hình 2.4. Mạch cộng hƣởng LC ....................................................................................44 Hình 2.5. Đƣờng dây chính có phụ tải phân bố đều và tập trung ..................................55 Hình 2.6. Đƣờng dây phụ tải tập trung và phân bố đều có một bộ tụ ...........................56 Hình 2.7. Các đƣờng biểu thị độ giảm tổn thất công suất ứng với các độ bù và các vị trí trên đƣờng dây có phụ tải phân bố đều (λ = 0) ..............................................................58 Hình 2.8. Đƣờng dây phụ tải tập trung và phân bố đều có bù 2 bộ tụ ..........................59 Hình 2.9. Đƣờng dây phụ tải tập trung và phân bố đều có bù 3 bộ tụ ..........................60 Hình 2.10. Đƣờng dây phụ tải tập trung và phân bố đều có bù 4 bộ tụ ........................60 Hình 2.11. So sánh độ giảm tổn thất đạt đƣợc khi số tụ bù n = 1,2,3 và ∞ trên đƣờng dây có phụ tải phân bố đều (λ = 0) ................................................................................63 Hình 2.12. Giao diện màn hình chính phần mềm PSS/ADEPT 5.0 ..............................65 Hình 2.13. Thiết lập thƣ viện .........................................................................................68 Hình 2.14. Thiết lập thông số đƣờng dây ......................................................................68 Hình 2.15. Thiết lập thông số MBA ..............................................................................69 ix Hình 2.16. Thẻ nhập thông số kinh tế ...........................................................................69 Hình 2.17. Thông số kinh tế cho tụ bù trung áp giờ cao điểm ......................................70 Hình 2.18. Thông số kinh tế cho tụ bù trung áp giờ thấp điểm .....................................70 Hình 2.19. Giao diện tùy chọn chƣơng trình tính toán ..................................................71 Hình 2.20. Hiển thị kết quả tính toán trên sơ đồ ...........................................................71 Hình 2.21. Hiển thị kết quả tính toán trên cửa sổ Progress View .................................72 Hình 2.22. Hiển thị kết quả tính toán trên cửa sổ Report ..............................................72 Hình 3.1. Đồ thị phụ tải những ngày điển hình năm 2019 của lộ 378 E17.2 ................79 Hình 3.2. Đồ thị phụ tải những ngày điển hình năm 2019 của lộ 382 E17.2 ................79 Hình 3.3. Thẻ phân loại phụ tải .....................................................................................80 Hình 3.4. Thẻ xây dựng đồ thị phụ tải ...........................................................................80 Hình 3.5. Cách tính toán tổn thất của lộ đƣờng dây ......................................................81 Hình 3.6. Sơ đồ lộ 378 E17.2 trên phần mềm PSS/ADEPT .........................................81 Hình 3.7. Sơ đồ lộ 382 E17.2 trên phần mềm PSS/ADEPT .........................................82 Hình 3.8. Thẻ tính toán dung lƣợng bù .........................................................................84 x LỜI NÓI ĐẦU Lý do chọn đề tài Đặc điểm của điện năng là các đặc tính của nó phụ thuộc đồng thời vào việc sản xuất, truyền tải, phân phối, các nhà chế tạo thiết bị và ngƣời vận hành sử dụng. Chất lƣợng điện là một chủ đề có ý nghĩa chiến lƣợc đối với toàn ngành điện, từ các nhân viên kỹ thuật vận hành, khai thác bảo dƣỡng, quản lý tới các nhà sản xuất và chế tạo thiết bị... Do tính chất cạnh tranh của nền kinh tế đòi hỏi chất lƣợng điện phải đƣợc thƣờng xuyên đảm bảo tốt. Hơn nữa việc sử dụng ngày càng rộng rãi các phụ tải nhạy cảm với chất lƣợng điện nhƣ máy tính, thiết bị đo lƣờng điều khiển, hệ thống thông tin liên lạc đòi hỏi phải đƣợc cung cấp điện với chất lƣợng cao. Việc suy giảm chất lƣợng điện làm cho thiết bị vận hành với hiệu suất thấp, tuổi thọ thiết bị giảm ảnh hƣởng trực tiếp đến kinh tế, tài chính không những của những hộ dùng điện mà còn ảnh hƣởng trực tiếp tới các Công ty sản xuất, quản lý và truyền tải điện năng. Phụ tải công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt, ... của lƣới phân phối thƣờng có hệ số công suất thấp. Vì vậy, ngoài công suất tác dụng lƣới điện còn phải truyền tải một lƣợng khá lớn công suất phản kháng. Việc truyền tải này làm tăng tổn thất điện năng trên các phần tử của chúng nhƣ máy biến áp, động cơ không đồng bộ, đƣờng dây, ... Điều đó làm xấu các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật vận hành lƣới điện và làm xấu chất lƣợng điện áp ở các hộ tiêu thụ điện. Vì thế bài toán giảm lƣợng công suất phản kháng truyền tải trong lƣới điện nói chung và lƣới điện các Công ty, Xí nghiệp nói riêng luôn luôn đƣợc quan tâm khi thiết kế và vận hành. Một trong những biện pháp giảm công suất phản kháng truyền tải trên lƣới điện nâng cao chất lƣợng điện năng là bù công suất phản kháng. Tuy nhiên, việc tính toán dung lƣợng bù, vị trí lắp đặt, phƣơng pháp điều khiển dung lƣợng bù nhƣ thế nào để cân bằng tải, duy trì điện áp định mức và đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất là những bài toán chƣa có lời giải chính xác. Vị trí đặt thiết bị bù không đƣợc tính toán lựa chọn hợp lý mà thuờng 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. 1 Mục đích nghiên cứu của luận văn: - Nghiên cứu bù công suất phản kháng và các phƣơng pháp tính toán vị trí bù tối ƣu trong lƣới điện trung thế. Trên cơ sở đó, xây dựng các chƣơng trình Tính toán xác định vị trí và dung lƣợng bù tối ƣu cho lƣới điện trung thế; - Ứng dụng vào thực tế, xác định vị trí bù tối ƣu cho lƣới điện trung thế huyện Mai Sơn. Từ đó, đánh giá hiệu quả của phƣơng pháp bù hiện nay đồng thời đề xuất giải pháp bù cho lƣới điện trung thế huyện Mai Sơn. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu chung của đề tài là các lƣới điện phân phối thuộc phạm vi xây dựng, quản lý của các địa phƣơng, có phƣơng thức quản lý, vận hành độc lập. Trong điều kiện thời gian hạn hẹp, chúng tôi tập trung nghiên cứu với lƣới điện trung thế huyện Mai Sơn - tỉnh Sơn La. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu các phƣơng pháp bù trong lƣới điện trung thế, mô hình toán và chƣơng trình tính toán xác định vị trí và dung lƣợng bù tối ƣu trong lƣới điện trung thế. Đánh giá hiện trạng và đề xuất giải pháp bù cho lƣới điện trung thế huyện Mai Sơn. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp sử dụng cơ sở lý thuyết và phần mềm PSS/ADEPT để: (1) mô hình hóa bài toán, (2) đề xuất giải pháp cho bài toán và (3) mô phỏng kiểm chứng bài toán. Nội dung luận văn Với mục tiêu nêu trên, luận văn đƣợc trình bày gồm các chƣơng sau: Chương 1. Giới thiệu chung 1.1. Vai trò, đặc điểm chung của lƣới phân phối 1.2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng 1.3. Các nguồn phát công suất phản kháng 1.4. Các tiêu chí bù công suất phản kháng trên luới phân phối 1.5. Sơ đồ đấu nối tụ và phƣơng thức điều khiển tụ bù Chương 2. Ảnh hưởng của thiết bị bù, các phương pháp tính toán bù trong lưới điện phân phối 2.1. Ảnh huởng của thiết bị bù đến thông số thiết kế 2 2.2. Ảnh hƣởng của thiết bị bù đến tổn thất công suất và điện năng 2.3. Ảnh hƣởng của thiết bị bù đến chế độ điện áp của lƣới phân phối 2.4. Các phƣơng pháp tính toán dung luợng và vị trí bù công suất phản kháng, công cụ tính toán bù 2.5. Đánh giá hiệu quả của bù công suất phản kháng Chương 3. Tính toán xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu cho lưới điện trung thế huyện Mai Sơn 3.1. Hiện trạng lƣới điện trung thế huyện Mai Sơn 3.2. Tính toán xác định vị trí và dung lƣợng bù tối ƣu cho lƣới điện trung thế huyện Mai Sơn 3.3. Đề xuất các giải pháp nhằm đảm bảo vận hành tối ƣu các bộ tụ bù trên hệ thống lƣới điện trung thế huyện Mai Sơn Kết luận, kiến nghị 3 CHƢƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Vai trò, đặc điểm chung của lƣới phân phối Lƣới điện phân phối là một phần của hệ thống điện, làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh cái của nhà máy điện cấp điện cho phụ tải. LĐPP là khâu cuối cùng của hệ thống điện đƣa điện năng trực tiếp đến ngƣời tiêu dùng. Tính đến nay lƣới điện phân phối đã trải khắp các xã trên đất nƣớc, tuy nhiên còn một số thôn, bản vẫn chƣa đƣợc dùng điện lƣới quốc gia mà họ vẫn phải dùng điện từ các thuỷ điện nhỏ hoặc máy phát điện diesel. Do vậy việc nghiên cứu tổng thể về lƣới phân phối hiện nay là rất cần thiết trong đó việc nghiên cứu bù CSPK để giảm tổn thất công suất, giảm tổn thất điện năng, cải thiện điện áp, hệ số công suất, cân bằng tải, hạn chế tối đa các dao động điện áp lớn do các phụ tải tiêu thụ CSPK thay đổi nhiều và các nhiễu loạn trên lƣới do ảnh hƣởng của sóng hài bậc cao nhằm cải thiện chất lƣợng cung cấp và tăng hiệu quả kinh tế là một vấn đề thời sự đang đƣợc ngành điện quan tâm. Đặc điểm chung của lƣới phân phối: a. Chế độ vận hành bình thƣờng của lƣới phân phối là vận hành hở, hình tia hoặc dạng xƣơng cá. Để tăng cƣờng độ tin cậy cung cấp điện một số khu vực cũng có cấu trúc mạch vòng nhƣng vận hành hở. b. Trong mạch vòng các xuất tuyến đƣợc liên kết với nhau bằng dao cách ly hoặc thiết bị nối mạch vòng các thiết bị này vận hành ở vị trí mở trong trƣờng hợp cần sửa chữa hoặc sự cố đƣờng dây thì việc cung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài nhờ việc chuyển đổi nguồn cung cấp bằng thao tác đóng dao cách ly phân đoạn hoặc tự động chuyển đổi nhờ các thiết bị nối mạch vòng. Phụ tải lƣới phân phối đa dạng và phức tạp, các phụ tải sinh hoạt, dịch vụ, nông nghiệp, công nghiệp hầu hết cùng trong một hộ phụ tải. So với mạng hình tia, mạch vòng có chất lƣợng điện tốt hơn, đó chính là lý do tồn tại mạch vòng, song lại gây phức tạp về vấn đề bảo vệ rơle, cấu trúc mạch vòng chỉ thích hợp cho những máy biến áp có công suất lớn và có số lƣợng trạm trên mạch vòng ít. Mặt khác cùng với một giá trị đầu tƣ thì hiệu quả khai thác mạch vòng kín so với mạch hình tia là thấp hơn. Ngoài ra chất lƣợng phục vụ của mạng hình tia đã liên tục đƣợc cải thiện đặc biệt là những 4 thập niên gần đây với sự xuất hiện của các thiết bị có công nghệ mới và các thiết bị tự động, việc giảm bán kính cung cấp điện, tăng tiết diện dây dẫn và bù công suất phản kháng cho nên chất lƣợng điện mạng hình tia đã đƣợc cải thiện lên rất nhiều. Kết quả của các nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành đã đƣa đến kết luận nên vận hành lƣới phân phối theo dạng hình tia bởi các lý do: - Vận hành đơn giản; - Trình tự phục hồi lại lƣới sau sự cố dễ dàng hơn; - Ít gặp khó khăn trong việc lập kế hoạch cắt điện cục bộ. Với các lý do trên nên trong phần tiếp theo của nội dung luận văn chỉ tập trung đi sâu tìm hiểu việc bù công suất phản kháng trên lƣới phân phối hở và các lợi ích của việc bù công suất phản kháng. 1.2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng Xét sự tiêu thụ năng lƣợng trong một mạch có điện trở và điện kháng: U R U P+jQ p+jq Hình 1.1 Sơ đồ cung cấp đơn giản Mạch đƣợc cung cấp bởi điện áp: u = Umsinωt; (1.1) Dòng điện i lệch pha với u một góc φ: i = Imsin(ωt- φ); hay i = Im(sinωt.cosφ - sinφ.cosωt); (1.2) i1 = Imsinωt.cosφ (1.3) i2 = Imsinφ.cosωt = Imsinφ.sin(ωt-π/2) (1.4) UIcos 0 UIsin P UI S Q Hình 1.2 Quan hệ giữa P và Q 5 Nhƣ vậy dòng điện i là tổng của 2 dòng điện thành phần: i = i1+i2 (1.5) i1 có biên độ Imcosφ cùng pha với điện áp; i2 có biên độ Imsinφ chậm pha so với điện áp một góc π/2 Công suất tƣơng ứng với hai thành phần i1 và i2 là: P: gọi là công suất tác dụng; Q: gọi là công suất phản kháng; Ta cũng có thể viết: P = U.I.cosφ = Z.I.(Icosφ) = ZI2.R/Z = R.I2; (1.6) Q = U.I.sinφ = Z.I.(Isinφ) = ZI2.X/Z = X.I2; (1.7) Nhƣ vậy: Công suất tác dụng (CSTD) là công suất có hiệu lực biến năng lƣợng điện thành các dạng năng lƣợng khác và sinh ra công. Công suất phản kháng (CSPK) của một nhánh nói lên cƣờng độ của quá trình dao động năng lƣợng. CSPK đƣợc tiêu thụ ở động cơ KĐB, MBA, đƣờng dây tải điện và mọi nơi có từ trƣờng. Yêu cầu CSPK chỉ có thể giảm đến tối thiểu chứ không thể triệt tiêu đƣợc vì nó cần thiết để tạo ra từ trƣờng, yếu tố cần thiết trong quá trình chuyển hoá điện năng. Sự tiêu thụ CSPK trên lƣới điện có thể đƣợc phân chia một cách gần đúng nhƣ sau: - Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 60-65%; - Máy biến áp tiêu thụ 22-25%; - Đƣờng dây tải điện và các phụ tải khác 10%. Nhƣ vậy động cơ không đồng bộ và máy biến áp là hai loại máy điện tiêu thụ nhiều CSPK nhất. Công suất tác dụng P là công suất đƣợc biến thành công nhƣ cơ năng hoặc nhiệt năng trong các máy dùng điện, còn CSPK Q là công suất từ hoá trong máy điện xoay chiều, nó không sinh ra công. Quá trình trao đổi CSPK giữa máy phát điện và phụ tải là quá trình dao động. Việc tạo ra CSPK cung cấp cho các phụ tải không nhất thiết phải lấy từ nguồn mà có thể cung cấp trực tiếp cho các phụ tải từ tụ điện hay máy bù đồng bộ... 6 Nhu cầu công suất phản kháng chủ yếu là ở các Công ty, Xí nghiệp công nghiệp, cosφ của chúng dao động từ 0,5 đến 0,8 nghĩa là cứ 1 kW công suất tác dụng thì chúng yêu cầu từ 0,75 đến 1,7 kVAr công suất phản kháng. Bởi vì, trong xí nghiệp công nghiệp phụ tải chủ yếu là các động cơ KĐB và MBA... do vậy muốn giảm công suất phản kháng phải chú ý đến các phụ tải này. Nhu cầu công suất phản kháng ở các hộ phụ tải sinh hoạt, dân dụng không nhiều vì cosφ của chúng thƣờng lớn hơn 0,9. Nhu cầu công suất phản kháng ở các MBA công suất nhỏ là 10% công suất định mức của chúng, ở MBA lớn là 3%, còn các MBA siêu cao áp có thể là từ 8- 10% để hạn chế dòng ngắn mạch. Ví dụ sau đây minh họa ảnh hƣởng của hệ số công suất đến công suất toàn phần: 100kW 100kW 75kVAr 100kW 100kVAr Hình 1.3 Quan hệ giữa hệ số công suất và công suất toàn phần Bảng 1.1 Quan hệ giữa hệ số công suất và công suất toàn phần Cosφ = 1,0 Cosφ = 0,8 Cosφ = 0,7 P = 100kW P = 100kW P = 100kW Q=0 Q = 75kVAr Q = 100kVAr S = 100kVA S = 125kVA S = 141kVA 1.3. Các nguồn phát công suất phản kháng Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện là rất hạn chế do cosφ của các máy phát từ 0,8-0,85 và cao hơn nữa. Vì lý do kinh tế ngƣời ta không chế tạo các máy phát có khả năng phát nhiều CSPK cho phụ tải. 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 (máy bù đồng bộ, tụ điện,...). Trong hệ thống phải tính đến một nguồn công suất phản kháng nữa, đó là các đƣờng dây, đặc biệt là các đƣờng cáp và đƣờng 7 dây siêu cao áp. Tuy nhiên ở đây ta chỉ xét đến lƣới phân phối, do vậy chỉ lƣu ý đến các trƣờng hợp đƣờng dây 35 kV dài và các đƣờng cáp ngầm. Tuy nhiên CSPK phát ra từ các phần tử này cũng không đáng kể nên nguồn phát CSPK chính trong lƣới phân phối vẫn là tụ điện, động cơ đồng bộ và máy bù. Các ƣu nhƣợc điểm của các nguồn công suất phản kháng: a) Ƣu điểm của tụ điện: - Chi phí tính theo 1VAr của tụ điện rẻ hơn máy bù đồng bộ, ƣu điểm này càng nổi bật khi dung lƣợng càng tăng. - Tổn thất công suất tác dụng trong tụ điện rất nhỏ, khoảng 0,05-0,1 W/kVAr; trong khi đó máy bù đồng bộ tƣơng đối lớn, khoảng 3-15 W/kVAr tuỳ theo công suất định mức của máy. - Tụ điện vận hành đơn giản, độ tin cậy cao hơn máy bù đồng bộ. - Tụ điện lắp đặt đơn giản, có thể phân ra nhiều cụm để lắp rải trên lƣới phân phối, hiệu quả là cải thiện tốt hơn đƣờng cong phân bổ điện áp. Không cần ngƣời trông nom vận hành. Việc bảo dƣỡng, sửa chữa đơn giản. b) Nhƣợc điểm của tụ điện so với máy bù đồng bộ: - Máy bù đồng bộ có thể điều chỉnh trơn còn tụ điện điều chỉnh từng cấp. - Máy bù có thể phát ra hay tiêu thụ CSPK, tụ điện chỉ phát ra CSPK. - Công suất phản kháng do tụ điện phát ra phụ thuộc vào điện áp vận hành, thời gian vận hành, tuổi thọ ngắn, dễ hƣ hỏng (khi bị ngắn mạch, quá áp). c) Các nhƣợc điểm của tụ điện ngày nay đã đƣợc khắc phục: Để điều chỉnh trơn dung lƣợng công suất phản kháng ngƣời ta sử dụng thiết bị bù tĩnh SVC (Static VAr Compensator). - Để có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng ngƣời ta dùng SVC, tổ hợp TSC và TCR (Thyristor Controlled Reactor). - Để bảo vệ quá áp và kết hợp điều chỉnh tụ bù theo điện áp ngƣời ta đặt các bộ điều khiển đóng cắt tụ theo điện áp. - Với các ƣu điểm vƣợt trội so với máy bù đồng bộ, ngày nay ngƣời ta thƣờng dùng các bộ SVC để bù công suất phản kháng. 8