Tài liệu Nghiên cứu xây dựng chương trình đánh giá hiệu quả các phương án giảm tổn thất điện năng, áp dụng cho lưới điện phân phối thành phố đà lạt.

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG, ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ ĐÀ LẠT Học viên: Nguyễn Phạm Hiếu Nhân Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60.52.02.02 Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN Khóa: K33ĐL Tóm tắt – Giảm tổn thất điện năng là một công tác quan trọng của ngành điện lực Việt Nam. Tuy nhiên, việc thực hiện công tác này chưa quan tâm đúng mức đến chi phí kinh tế. Luận văn trình bày một hướng mới cho công tác này đó là đưa ra một tập hợp các kết quả thể hiện mối tương quan giữa chi phí đầu tư nhằm mục đích giảm tổn thất điện năng và chi phí tương đương có được do công tác này mang lại. Do đó, chúng ta có nhiều cơ hội lựa chọn được phương án phù hợp hơn với thực tế khả năng đầu tư nhưng vẫn đảm bảo được tính hiệu quả. Bên cạnh đó, việc xác định được điểm đầu tư hiệu quả nhất trong việc giảm tổn thất lưới điện sẽ giúp hạn chế việc lãng phí nguồn vốn. Từ khóa – tối ưu đa mục tiêu, bù công suất phản kháng, tổn thất công suất. RESEARCH PROJECT: REDUCING POWER LOSSES EFFECTIVE APPLYING TO DALAT CITY'S ELECTRICITY GRID CONTEXT Abstract - Reduce power losses is an important task of the electric power industry in Vietnam. However, the implementation of this work is not yet properly concern to economic cost. The thesis presents a new direction for this work which is bringing out a collection of results demonstrated correlation between investment costs intended to reduce power losses and cost the equivalent of having been caused by this work brings. Therefore, we have many opportunities to select options that better fit the fact likely to invest but still ensure effectiveness. Besides, determining the most effective investment score in reducing losses of grid will help to limit the waste of ability. Keywords – Multi-objecttives optimization, load compensation ,power loss. MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ...............................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................2 5. Bố cục của luận văn ................................................................................................2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI &TỔN THẤT TRÊN LƯỚI ĐIỆN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI .....................................................................3 1.1. Tổng quan về lưới điện phân phối ............................................................................3 1.2. Đặc điểm lưới điện phân phối ..................................................................................3 1.2.1. Sơ đồ hình tia .....................................................................................................3 1.2.2. Sơ đồ mạch vòng ...............................................................................................4 1.3. Tổn thất và nguyên nhân gây tổn thất ......................................................................5 1.3.1. Tổn thất kỹ thuật ................................................................................................5 1.3.2. Tổn thất thương mại ..........................................................................................6 1.4. Bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối ................................................7 1.4.1. Bù công suất phản kháng ...................................................................................7 1.4.2. Yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế ..........................................................................8 1.4.2.1. Tiêu chí kỹ thuật .........................................................................................8 1.4.2.2. Tiêu chí về kinh tế ......................................................................................9 1.4.3. Các phương pháp bù công suất phản kháng ......................................................9 1.4.3.1. Bù nối tiếp (Bù dọc) ...................................................................................9 1.4.3.2. Bù song song (Bù ngang) ...........................................................................9 1.4.4. Phương thức bù công suất phản kháng ..............................................................9 1.4.5. Phân tích ảnh hưởng của tụ bù đến tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng của lưới phân phối xét trong một số trường hợp đơn giản ...............................10 1.4.5.1. Lưới phân phối có một phụ tải .................................................................10 1.4.5.2. Lưới điện phân phối có phụ tải phân bố đều trên trục chính ....................13 1.5. Kết luận chương 1 ..................................................................................................15 CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU ĐA MỤC TIÊU .16 2.1. Giới thiệu bài toán tối ưu nhiều mục tiêu ...............................................................16 2.2. Tối ưu Pareto ..........................................................................................................17 2.2.1. Khái niệm ........................................................................................................17 2.2.2. Định nghĩa về đường cong Pareto ...................................................................17 2.2.3. Mô hình toán học về đường cong Pareto .........................................................17 2.2.3.1. Định nghĩa về ưu thế ................................................................................17 2.2.3.2. Đường cong Pareto ...................................................................................18 2.3. Thuật toán NSGA-II ...............................................................................................19 2.4. Kết luận chương 2 ..................................................................................................22 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐA MỤC TIÊU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ...................23 3.1. Tổng quan về chương trình.....................................................................................23 3.2. Giới thiệu về chương trình PSS/ADEPT ................................................................24 3.2.1. Các chức năng và ứng dụng của PSS/ADEPT ................................................24 3.2.2. Các bước thực hiện trên PSS/ADEPT để tính toán vị trí bù tối ưu trên lưới điện .......................................................................................................................24 3.2.3. Nhận xét về bài toán CAPO của phần mềm PSS/ADEPT ..............................31 3.3. Giới thiệu về phần mềm MATLAB .......................................................................31 3.3.1. Giao diện làm việc của chương trình MATLAB .............................................32 3.3.2. Các hàm thông dụng trong chương trình MATLAB .......................................32 3.4. Giới thiệu về phần mềm MATPOWER .................................................................34 3.4.1. Dữ liệu đầu vào của MATPOWER .................................................................35 3.4.1.1. Dữ liệu về nút ...........................................................................................35 3.4.1.2. Dữ liệu về máy phát .................................................................................36 3.4.1.3. Dữ liệu về nhánh.......................................................................................36 3.4.2. Các hàm thông dụng của MATPOWER .........................................................37 3.5. Xây dựng chương trình đề xuất ..............................................................................38 3.5.1. Xây dựng bài toán bù kinh tế mạng điện .........................................................38 3.5.2. Hàm tối ưu đa mục tiêu trong MATLAB ........................................................40 3.6. Cấu trúc chương trình đa mục tiêu .........................................................................42 3.6.1. Dữ liệu đầu vào................................................................................................42 3.6.2. Cấu trúc chương trình đa mục tiêu ..................................................................43 3.7. Kết luận chương 3 ..................................................................................................46 CHƯƠNG 4. ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐA MỤC TIÊU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ LẠT .............................................................................................................47 4.1. Giới thiệu lưới phân phối 22kV tại thành phố Đà Lạt............................................47 4.1.1. Khái quát chung ...............................................................................................47 4.1.2. Giới thiệu tuyến phân phối trung áp 22kV 472 Đà Lạt ...................................47 4.2. Tính toán bù kinh tế cho lưới bằng PSS/ADEPT ...................................................50 4.3. Tính toán đa mục tiêu bù kinh tế cho lưới bằng chương trình đề xuất ..................52 4.4. Kết luận chương 4 ..................................................................................................54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 56 PHỤ LỤC .................................................................................................................... 57 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂ THẠC SĨ (bản sao) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU - EVN: Tập đoàn Điện lực Việt Nam. - MBA: Máy biến áp. - NSGA-II: Fast Non -dominated Sorting Genetic Algorithm - PSS/ADEPT: Power System Simulator/Advanced Distribution Engineering Productivity Tool - GA: Genetic Algorithm - TTCS : Tổn thất công suất. - TTĐN: Tổn thất điện năng - TU: Biến điện áp đo lường - TI: Biến dòng điện đo lường - ΔA: Tổn thất điện năng. - ΔP: Tổn thất công suất tác dụng. - ΔQ: Tổn thất công suất phản kháng. DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang 4.1. Thông số phát tuyến 22kV 48 4.2. Kết quả tính toán CAPO bằng PSS/ADEPT 52 4.3. Kết quả tính toán bằng chương trình tối ưu 52 4.4. Các phương án bù cho lưới điện 53 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. Sơ đồ hệ thống phân phối hình tia Sơ đồ hệ thống phân phối mạch vòng Bù công suất phản kháng Vị trí lắp đặt tụ bù công suất phản kháng Ảnh hưởng của tụ bù đến sơ đồ lưới phân phối có 1 phụ tải Ảnh hưởng của tụ bụ đến lưới điện có một phụ tải phân bố đều trên trục chính Mô hình bài toán tối ưu đa mục tiêu Ví dụ về định nghĩa ưu thế Ví dụ về đường cong Pareto Phương pháp NSGA II Thuật toán NSGA-II Thiết lập các thông số kinh tế cho PSS/ADEPT Cài đặt các tùy chọn cho bài toán tính toán tối ưu vị trí bù tại thẻ CAPO Giao diện làm việc chương trình MATLAB Dữ liệu về nút trong case ma trận thông số của lưới điện Dữ liệu về máy phát trong case ma trận thông số của lưới điện Dữ liệu về nhánh trong case ma trận thông số của lưới điện Ma trận A và vectơ b Cấu trúc sheet data1 Cấu trúc sheet data2 Cấu trúc sheet data3 Cấu trúc sheet data4 Giao diện chương trình tối ưu Nhận dữ liệu từ file data.xlsx Thông báo thông tin lưới điện Phân bố công suất trên chương trình tối ưu Phân bố Pareto Thông tin thiếp lập chỉ tiêu kinh tế cho bài toán CAPO Thông tin thiếp lập tụ bù cho bài toán CAPO Kết quả phân bố công suât bằng PSS/ADEPT Đồ thị kết quả tối ưu Pareto 4 4 7 10 11 1.6. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. 3.12. 3.13. 3.14. 3.15. 3.16. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 13 17 18 18 20 20 25 27 32 35 36 37 41 42 42 43 43 43 44 44 45 45 50 51 51 53 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Điện năng là ngành năng lượng quan trọng hàng đầu của một quốc gia. Vì nguồn năng lượng này là tiền đề cho sự phát triển công nghiệp, hiện đại hóa đời sống xã hội. Tuy nhiên, việc sản xuất điện năng ngày càng khó khăn do cạn kiệt nguồn tài nguyên như nước, than đá… Đến năm 2030, Việt Nam sẽ không còn tiềm năng thủy điện lớn vì đã khai thác hết. Trữ lượng than đá cũng đang cạn dần. Năm 2015, khả năng khai thác than đá đáp ứng từ 96%-100% nhu cầu sử dụng để sản xuất điện năng. Năm 2020, khả năng khai thác chỉ đáp ứng được 60% và đến năm 2035, tỉ lệ này chỉ còn 34%. Theo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020, có xét đến 2030 thì vào năm 2020, Việt Nam sẽ nhập khẩu hơn 2.300 MW điện (chiếm 3,1% tổng cơ cấu năng lượng điện), năm 2030 sẽ nhập 7.100 MW (chiếm 4,9% tổng cơ cấu năng lượng điện). Điều này cho thấy quá trình công nghiệp hóa nhanh chóng khiến nguồn cung năng lượng đã không đáp ứng kịp nhu cầu. Do đó, bên cạnh việc tìm nguồn lực để sản xuất điện năng thì việc sử dụng có hiệu quả nguồn năng lượng này cũng đóng vai trò hết sức quan trọng. Chính vì vậy, một trong những công tác thường xuyên được quan tâm của ngành Điện lực Việt Nam hiện nay là giảm tổn thất điện năng trên hệ thống lưới điện phân phối. Hàng năm, một lượng vốn rất lớn được đưa vào lưới điện thông qua các chương trình sửa chữa lớn, sửa chữa thường xuyên để mua sắm, lắp đặt nhiều thiết bị vận hành (tụ bù, thay dây dẫn, thay máy biến áp tổn thất thấp…) nhằm mục đích giảm tổn thất điện năng trên lưới điện. Tuy nhiên, các chương trình này thông thường có nhược điểm đó là: nguồn lực tài chính là nguồn lực hữu hạn nhưng vẫn chưa có những đánh giá chính xác tính hiệu quả của các công trình sửa chữa, nâng cấp lưới nhằm mục đích giảm tổn thất điện năng. Trước nhu cầu thực tiễn trên đây và vị trí công tác của tác giả đề tài, tác giả mong muốn xây dựng một chương trình thể hiện mối tương quan giữa chi phí đầu tư và lợi nhuận thu được từ việc giảm tổn thất. Sau đó, tác giả áp dụng vào một phát tuyến 22kV hiện hữu để xem xét và đề xuất các giải pháp liên quan. Xuất phát từ các lý do nêu trên, đề tài “Nghiên cứu xây dựng chương trình đánh giá hiệu quả các phương án giảm tổn thất điện năng, áp dụng cho lưới điện phân phối thành phố Đà Lạt” được đề xuất nghiên cứu. Đây cũng là một vấn đề đang được các cán bộ lãnh đạo, quản lý tại các Điện lực trực thuộc Công ty Điện lực Lâm Đồng quan tâm nghiên cứu. 2 2. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là giải quyết các vấn đề sau: - Xây dựng chương trình tối ưu đa mục tiêu giữa chi phí lắt đặt tụ bù và lợi nhuận từ việc giảm tổn thất công suất trên lưới điện. - Sử dụng chương trình để tính toán cho một phát tuyến 22kV của Điện lực Đà Lạt. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các phương pháp tính toán tổn thất công suất trong đó nhấn mạnh đến phương pháp bù công suất phản kháng. Sau đó sử dụng chương trình MATLAB và MATPOWER để xây dựng chương trình tối ưu đa mục tiêu. Áp dụng đối tượng nghiên cứu trên cho một phát tuyến cụ thể là tuyến 22kV thuộc khu vực Thành Phố Đà Lạt. 4. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu, sách báo, giáo trình,…viết về vấn đề tính toán xác định tổn thất công suất và các cấu trúc câu lệnh trong chương trình MATLAB, MATPOWER. - Phương pháp thực nghiệm: Áp dụng chương trình đã xây dựng để tính toán các phương án bù công suất phản kháng trong đó có so sánh kết quả với chương trình PSS/ADEPT. 5. Bố cục của luận văn Bố cục luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung của luận văn được biên chế thành 4 chương như sau: - Chương 1: Tổng quan về lưới điện phân phối và tổn thất trên lưới điện phân phối. - Chương 2: Lý thuyết xây dựng bài toán tối ưu đa mục tiêu. - Chương 3: Xây dựng chương trình tính toán đa mục tiêu bù công suất phản kháng cho lưới điện phân phối. - Chương 4: Áp dụng chương trình tính toán đa mục tiêu bù công suất phản kháng cho lưới điện phân phối tại thành phố Đà Lạt. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI &TỔN THẤT TRÊN LƯỚI ĐIỆN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 1.1. Tổng quan về lưới điện phân phối Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây truyền tải và phân phối được nối với nhau thành một hệ thống thống nhất làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng. Theo mục đích nghiên cứu, hệ thống điện được chia thành các phần hệ thống như: - Lưới hệ thống 500kV - Lưới truyền tải (35, 110, 220kV) - Lưới phân phối trung áp (6, 10, 22, 35kV) - Lưới phân phối hạ áp (0,4kV) 1.2. Đặc điểm lưới điện phân phối Lưới điện phân phối cung cấp điện trực tiếp đến khách hàng của một địa phương nhỏ nên thường có cấp điện áp trung áp 6, 10, 15, 22, 35kV phân phối điện cho các trạm phân phối trung, hạ áp. Đặc điểm chính của lưới điện phân phối là: - Chế độ vận hành bình thường của lưới phân phối là vận hành hở, hình tia hoặc dạng xương cá. Để tăng cường độ tin cậy cung cấp điện thỉnh thoảng cũng có cấu trúc mạch vòng nhưng vận hành hở. - Trong mạch vòng các xuất tuyến được 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 trường hợp cần sửa chữa hoặc sự cố đường dây điện thì việc cung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài nhờ việc chuyển đổi nguồn cung cấp bằng thao tác đóng cắt dao cách ly phân đoạn hay tự động chuyển đổi nhờ các thiết bị nối mạch vòng. - Phụ tải của lưới phân phối đa dạng và phức tạp, nhất là ở Việt Nam các phụ tải sinh hoạt và dịch vụ, tiểu thủ công nghiệp đa phần cùng trong một hộ phụ tải. Sơ đồ cấp điện của lưới điện phân phối có các dạng cơ bản sau: 1.2.1. Sơ đồ hình tia Đây là loại sơ đồ đơn giản và thông dụng nhất. Từ trạm nguồn có nhiều xuất tuyến đi ra cấp điện cho từng nhóm trạm phân phối. Trục chính của các xuất tuyến này được phân đoạn để tăng độ tin cậy cung cấp điện. Thiết bị phân đoạn có thể là cầu chì, dao cách ly, máy cắt hoặc các Recloser có thể tự đóng lập lại. Giữa các trục chính của một trạm nguồn hoặc giữa các trạm nguồn khác nhau có thể được nối liên thông với nhau để dự phòng khi sự cố, cắt điện công tác trên đường trục hay các trạm biến áp nguồn. Máy cắt và dao cách ly liên lạc được mở trong khi làm việc để vận hành hở. 4 Các phụ tải điện sinh hoạt 0,2kV - 0,4kV được cung cấp từ các trạm biến áp phân phối. Mỗi trạm biến áp phân phối là sự kết hợp giữa cầu chì, máy biến áp và tủ điện phân phối hạ áp. Đường dây hạ áp 0,2kV - 0,4kV của các trạm biến áp phân phối này thường có cấu trúc hình tia. Hình 1.1 thể hiện sơ đồ hệ thống phân phối hình tia. Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống phân phối hình tia 1.2.2. Sơ đồ mạch vòng Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống phân phối mạch vòng Thường được áp dụng cho lưới điện phân phối đòi hỏi độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng. Các xuất tuyến được cấp điện trực tiếp từ các trạm khác nhau và trên mỗi tuyến đều có 2 máy cắt đặt ở hai đầu. Các trạm biến áp phân phối được đấu liên thông và mỗi máy biến áp đều có 2 dao cách ly đặt ở hai phía. Máy biến áp được cấp điện từ phía nào cũng được. Sơ đồ mạch vòng dạng này thường được áp dụng cho lưới điện phân phối dùng cáp trung thế. 5 Trong thực tế, lưới điện phân phối tại Việt Nam là sự phối hợp của hai loại sơ đồ trên. Chúng bao gồm nhiều trạm trung gian được nối liên thông với nhau bởi một mạng lưới đường dây phân phối tạo thành nhiều mạch vòng kín. Đối với các khu vực đòi hỏi độ tin cậy cung cấp điện cao thì sơ đồ lưới phân phối thường được áp dụng kiểu sơ đồ dạng thứ hai. 1.3. Tổn thất và nguyên nhân gây tổn thất Tổn thất điện năng trên hệ thống điện là lượng điện năng tiêu hao cho quá trình truyền tải và phân phối điện từ thanh cái các nhà máy điện qua hệ thống lưới điện truyền tải, lưới điện phân phối đến các hộ sử dụng điện. Chính vì vậy, tổn thất điện năng còn được định nghĩa là điện năng dùng để truyền tải, phân phối điện và là một trong những chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của ngành Điện. Việc nghiên cứu, áp dụng các giải pháp mới để giảm tỷ lệ tổn thất điện năng là mục tiêu của ngành Điện tất cả các nước, đặc biệt trong bối cảnh hệ thống đang mất cân đối về lượng cung cầu điện năng như nước ta hiện nay. Tỷ lệ tổn thất điện năng phụ thuộc vào đặc tính của mạch điện, lượng điện truyền tải, khả năng cung cấp của hệ thống và công tác quản lý vận hành hệ thống điện. Tổn thất điện năng được phân chia thành hai loại cơ bản là tổn thất kỹ thuật và tổn thất thương mại. 1.3.1. Tổn thất kỹ thuật Tổn thất kỹ thuật là tiêu hao điện năng tất yếu xảy ra trong quá trình truyền tải và phân phối điện. Do dây dẫn, máy biến áp, thiết bị trên lưới đều có trở kháng nên khi dòng điện chạy qua gây tiêu hao điện năng do phát nóng máy biến áp, dây dẫn và các thiết bị điện. Ngoài ra đường dây dẫn điện cao áp từ 110kV trở lên còn có tổn thất vầng quang; dòng điện qua cáp ngầm, tụ điện còn có tổn thất do điện môi, đường dây điện đi song song với đường dây khác như dây chống sét, dây thông tin... có tổn hao điện năng do hỗ cảm. Tổn thất kỹ thuật trên lưới điện bao gồm TTCS tác dụng và TTCS phản kháng. TTCS phản kháng do từ thông rò, gây từ trong các máy biến áp và cảm kháng trên đường dây. TTCS phản kháng chỉ làm lệch góc và ít ảnh hưởng đến TTĐN. TTCS tác dụng có ảnh hưởng đáng kể đến TTĐN. Tổn thất kỹ thuật có các nguyên nhân chủ yếu như sau: - Đường dây quá dài, bán kính cấp điện lớn, tiết diện dây dẫn quá nhỏ, đường dây bị xuống cấp, không được cải tạo nâng cấp, trong quá trình vận hành làm tăng nhiệt độ dây dẫn, điện áp giảm dưới mức cho phép và tăng TTĐN trên dây dẫn. - Máy biến áp vận hành non tải hoặc không tải sẽ không phù hợp với hệ thống đo đếm dẫn tới TTĐN cao. 6 - Máy biến áp vận hành quá tải do dòng điện tăng cao làm phát nóng cuộn dây và dầu cách điện của máy dẫn đến tăng tổn thất điện năng trên máy biến áp đồng thời gây sụt áp và làm tăng TTĐN trên lưới điện phía hạ áp. - Tổn thất do thiết bị cũ, lạc hậu: các thiết bị cũ thường có hiệu suất thấp, máy biến áp là loại có tỷ lệ tổn thất cao hoặc vật liệu lõi từ không tốt dẫn đến sau một thời gian vận hành tổn thất có xu hướng tăng lên. - Nhiều thành phần sóng hài của các phụ tải công nghiệp tác động vào các cuộn dây máy biến áp làm tăng TTĐN. - Tổn thất dòng rò: Sứ cách điện, chống sét van và các thiết bị không được kiểm tra, bảo dưỡng hợp lý dẫn đến dòng rò, phóng điện. - Đối với hệ thống nối đất trực tiếp, lặp lại không tốt dẫn đến TTĐN sẽ cao. - Hành lang tuyến không đảm bảo: không thực hiện tốt việc phát quang, cây mọc chạm vào đường dây gây dòng rò hoặc sự cố. - Hiện tượng quá bù, hoặc vị trí và dung lượng bù không hợp lý. - Tính toán phương thức vận hành không hợp lý, để xảy ra sự cố dẫn đến phải sử dụng phương thức vận hành bất lợi và TTĐN tăng cao. - Vận hành không đối xứng liên tục dẫn đến tăng tổn thất trên dây trung tính, dây pha và cả trong máy biến áp, đồng thời cũng gây quá tải ở pha có dòng điện lớn. - Vận hành với hệ số cosφ thấp do phụ tải có hệ số cosφ thấp, thực hiện lắp đặt và vận hành tụ bù không phù hợp. Cosφ thấp dẫn đến tăng dòng điện truyền tải hệ thống và tăng TTĐN. - Các điểm tiếp xúc, các mối nối tiếp xúc kém nên làm tăng nhiệt độ, tăng TTĐN. - Hiện tượng vầng quang điện: đối với đường dây điện áp cao từ 110kV trở lên xuất hiện hiện tượng vầng quang điện gây TTĐN. - Chế độ sử dụng điện không hợp lý: công suất sử dụng của nhiều phụ tải có sự chênh lệch quá lớn giữa giờ cao điểm và thấp điểm. 1.3.2. Tổn thất thương mại Tổn thất thương mại phụ thuộc vào cơ chế quản lý, quy trình quản lý hành chính, hệ thống công tơ đo đếm và ý thức của người sử dụng. Tổn thất thương mại cũng một phần chịu ảnh hưởng của năng lực và công cụ quản lý của các công ty điện lực, trong đó có phương tiện máy móc, máy tính, phần mềm quản lý. Tổn thất thương mại bao gồm các dạng tổn thất như sau: - Các thiết bị đo đếm như công tơ, TU, TI không phù hợp với tải có thể quá lớn hay quá nhỏ hoặc không đạt cấp chính xác yêu cầu, hệ số nhân của hệ thống đo không đúng, các tác động làm sai lệch mạch đo đếm điện năng, gây hỏng hóc công tơ, các mạch thiết bị đo lường, … 7 - Sai sót khâu quản lý: TU mất pha, TI, công tơ hỏng chưa kịp xử lý, thay thế kịp thời, không thực hiện đúng chu kỳ kiểm định và thay thế công tơ định kỳ theo quy định của Pháp lệnh đo lường, đấu nhầm, đấu sai sơ đồ đấu dây, … là các nguyên nhân dẫn đến đo đếm không chính xác gây TTĐN. - Sai sót trong nghiệp vụ kinh doanh: đọc sai chỉ số công tơ, thống kê tổng hợp không chính xác, bỏ sót khách hàng, … - Không thanh toán hoặc chậm thanh toán hóa đơn tiền điện. - Sai sót thống kê phân loại và tính hóa đơn khách hàng. - Sai sót trong khâu tính toán xác định tổn thất kỹ thuật. Hiện nay, có nhiều các phương pháp giảm tổn thất điện năng tùy thuộc vào việc xác định nguyên nhân gây tổn thất. Trong phạm vi đề tài nghiên cứu đưa ra các phương án tối ưu cho việc lắp đặt tụ bù, vì vậy, luận văn sẽ trình bày về phương án giảm tổn thất bằng bù công suất phản kháng. 1.4. Bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối 1.4.1. Bù công suất phản kháng Công suất phản kháng do phụ tải yêu cầu mang thuộc tính cảm, để sinh ra từ trường cần thiết cho quá trình chuyển đổi điện năng, từ trường xoay chiều cần một điện năng dao động đó là công suất phản kháng có tính cảm Q. Điện năng của từ trường dao động dưới dạng dòng điện, khi đi trên dây dẫn nó gây tổn thất điện năng và tổn thất điện áp không có lợi cho lưới điện. Hình 1.3. Bù công suất phản kháng Muốn giảm được tổn thất điện năng và tổn thất điện áp do từ trường gây ra người ta đặt tụ điện ngay sát vùng từ trường hình 1.3. Tụ điện gây ra điện trường xoay chiều, điện trường cũng cần một điện năng dao động - công suất phản kháng dung tính QC , nhưng ngược về pha so với từ trường. Khi từ trường phát năng lượng thì điện trường nhận vào và ngược lại. Nhờ đặc tính này mà khi đặt cạnh nhau điện trường và từ trường tạo mạch dao động, năng lượng của chúng truyền quan lại cho nhau, chỉ có phần thừa ra Q - QC (dù điện cảm hay điện dung) mới đi về nguồn điện. Nhờ vậy dòng công suất phản kháng giảm đi. Công suất phản kháng dung tính đi về nguồn cũng gây 8 tổn thất điện năng như công suất phản kháng cảm tính, nhưng về điện áp thì nó làm tăng điện áp ở nút tải so với nguồn (tổn thất điện áp âm). Vì thế khi đặt bù cũng phải tránh không gây quá bù (QC¬>Q) 1.4.2. Yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế 1.4.2.1. Tiêu chí kỹ thuật a) Yêu cầu về cosφ Phụ tải của các hộ gia đình thường có hệ số công suất cao, thường là gần bằng 1, do đó mức tiêu thụ công suất phản kháng rất ít không thành vấn đề lớn cần quan tâm. Trái lại, các xí nghiệp, nhà máy, phân xưởng… dùng động cơ không đồng bộ, là nơi tiêu thụ chủ yếu công suất phản kháng. Hệ số công suất của động cơ không đồng bộ phụ thuộc vào điều kiện làm việc của động cơ, các yếu tố chủ yếu như sau: - Dung lượng của động cơ càng lớn thì hệ số công suất càng cao, suất tiêu thụ công suất phản kháng càng nhỏ. - Hệ số công suất của động cơ phụ thuộc vào tốc độ quay của động cơ, nhất là đối với các động cơ nhỏ. - Hệ số công suất của động cơ không đồng bộ phụ thuộc rất nhiều vào hệ số phụ tải của động cơ, khi quay không tải lượng công suất phản kháng cần thiết cho động cơ không đồng bộ cũng đã bằng 60%– 70% lúc tải định mức. b) Đảm bảo mức điện áp cho phép Khi có điện chạy trong dây dẫn thì bao giờ cũng có điện áp rơi, cho nên điện áp ở từng điểm khác nhau trên lưới không giống nhau. Tất cả các thiết bị tiêu thụ điện đều được chế tạo để làm việc tối ưu với một điện áp đặt nhất định, nếu điện áp đặt trên đầu cực của thiết bị điện khác trị số định mức sẽ làm cho tình trạng làm việc của chúng xấu đi. Vì các lý do trên, việc đảm bảo điện áp ở mức cho phép là một chỉ tiêu kỹ thuật rất quan trọng. Trên thực tế không thể nào giữ được điện áp vào đầu cực của các thiết bị điện cố định bằng điện áp định mức mà chỉ có thể đảm bảo trị số điện áp thay đổi trong một phạm vi nhất định theo tiêu chuẩn kỹ thuật đã cho phép mà thôi, thông thường điện áp đặt cho phép dao động ± 5%. Độ lệch điện áp là tiêu chuẩn điện áp quan trọng nhất ảnh hưởng lớn đến giá thành hệ thống điện. Có thể thay đổi sự phân bố công suất phản kháng trên lưới, bằng cách đặt các máy bù đồng bộ hay tụ điện tĩnh, và cũng có thể thực hiện được bằng cách phân bố lại công suất phản kháng phát ra giữa các nhà máy điện trong hệ thống. c) Giảm tổn thất công suất đến giới hạn cho phép. Muốn nâng cao điện áp vận hành có nhiều phương pháp: - Thay đổi đầu phân áp của MBA. 9 - Nâng cao điện áp của máy phát điện. - Làm giảm hao tổn điện áp bằng các thiết bị bù. 1.4.2.2. Tiêu chí về kinh tế Khi thực hiện bù kinh tế người ta tính toán để đạt được các lợi ích, nếu lợi ích thu được cho việc lắp đặt thiết bị bù lớn hơn chi phí lắp đặt thì việc bù kinh tế sẽ được thực hiện. a) Lợi ích khi đặt tụ bù - Giảm được công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ max của hệ thống điện, do đó giảm được dự trữ công suất tác dụng. - Giảm nhẹ tải của MBA trung gian và đường trụ trung áp do giảm được yêu cầu CSPK. - Giảm được tổn thất điện năng. - Cải thiện được chất lượng điện áp trong lưới phân phối. b) Chi phí đặt tụ bù - Vốn đầu tư và chi phí vận hành cho trạm bù. - Tổn thất điện năng trong tụ bù.. 1.4.3. Các phương pháp bù công suất phản kháng Có hai phương pháp bù được áp dụng trong giảm tổn thất, đó là bù ngang và bù dọc. 1.4.3.1. Bù nối tiếp (Bù dọc) Tụ điện bù dọc được mắc nối tiếp đường dây nhằm làm giảm điện kháng của đường dây và được sử dụng chủ yếu để tăng điện áp cuối đường dây, tức là làm giảm tồn thất điện áp. Nó cũng cải thiện hệ số công suất đầu đường dây. Thực tế lưới phân phối ít sử dụng. 1.4.3.2. Bù song song (Bù ngang) Tụ bù ngang được kết nối song song trong hệ thống và được sử dụng chủ yếu để cải thiện hệ số công suất, nhằm làm giảm công suất phản kháng truyền tải. Từ đó làm giảm tổn thất trên đường dây. Bù song song cũng có tác dụng làm tăng điện áp của trục chính nghĩa là giảm tổn thất điện áp, đồng thời lọc sóng hài.. 1.4.4. Phương thức bù công suất phản kháng Bù công suất phản kháng mang lại 2 lợi ích: giảm tổn thất điện năng và cải thiện điện áp với chi phí vận hành không đáng kể. Trong lưới phân phối có thể có 3 loại bù công suất phản kháng: - Bù kỹ thuật để nâng cao điện áp. Do thiếu công suất phản kháng, điện áp sẽ thấp. Nếu công suất phản kháng nguồn thiếu thì bù công suất phản kháng là một 10 giải pháp nâng cao điện áp, cạnh tranh với các biện pháp khác như tăng tiết diện dây, điều áp dưới tải - Bù kinh tế để giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng. - Trong lưới xí nghiệp phải bù cưỡng bức để đảm bảo cos theo yêu cầu. Bù này không phải do điện áp thấp hay tổn thất điện năng cao mà do yêu cầu từ hệ thống điện. Tuy nhiên lợi ích kéo theo là giảm tổn thất điện năng và cải thiện điện áp. Bù kinh tế là để lấy lợi, nếu lợi thu được do bù lớn hơn chi phí đặt bù thì bù sẽ được thực hiện Có 2 cách đặt bù: Cách 1: Bù tập trung tại một số điểm trên trục chính lưới trung áp Cách 2: Bù phân tán ở các trạm phân phối hạ áp Bù theo cách 1, trên 1 trục chính chỉ đặt 1 đến 3 trạm tụ bù (hình 1.4). Công suất bù có thể lớn, dễ thực hiện điều khiển các loại. Dùng tụ trung áp nên giá thành đơn vị bù rẻ và công suất đơn vị lớn. Việc quản lý và vận hành dễ dàng Hình 1.4. Vị trí lắp đặt tụ bù công suất phản kháng Bù theo cách 2 giảm được tổn thất công suất và tổn thất điện năng nhiều hơn vì bù sâu hơn. Nhưng do bù quá gần phụ tải nên nguy cơ cộng hưởng và tự kích thích ở phụ tải cao. Để giảm nguy cơ này phải hạn chế công suất bù sao cho ở chế độ cực tiểu công suất bù không lớn hơn yêu cầu của phụ tải. Giá thành đơn vị bù cao hơn tập trung. Trong thực tế có thể dùng kết hợp cả 2 cách 1.4.5. Phân tích ảnh hưởng của tụ bù đến tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng của lưới phân phối xét trong một số trường hợp đơn giản 1.4.5.1. Lưới phân phối có một phụ tải Xét lưới phân phối như trên hình 1.5. Công suất phản kháng yêu cầu cực đại là Qmax, công suất bù là Qbù, đồ thị kéo dài của công suất phản kháng yêu cầu là q(t), đồ thị kéo dài của công suất phản kháng sau khi bù là: 11 qb(t) = q(t) - Qb Trên hình 1 .b : qb1(t) ứng với Qb = Qmin Trên hình 1. c : qb2(t) ứng với Qb = Qmax Trên hình 1. d : qb3(t) ứng với Qb = Qtb (Công suất phản kháng trung bình) Qmax[kVAr] R U Qb [kVAr] Q Q Qmax Qmax Qb = Qmin Qb = Qmin + + qb(t) qb(t) Qmin 0 t T Qmin 0 a) Qb=Qmin T b) Qb=Qtb Q Qmax Qb = Qmax + Qmin 0 T qb(t) t - c) Qb=Qmax Hình 1.5. Ảnh hưởng của tụ bù đến sơ đồ lưới phân phối có 1 phụ tải Tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng q(t) gây ra là: q(t ) 2 R P1 = U2 U là điện áp định mức của lưới điện t 12 Tổn thất công suất sau khi bù: [q(t ) Qb ]2 q(t ) 2 R= P2 = U2 2q(t )Qb U2 Qb2 R Lợi ích về tổn thất công suât tác dụng sau khi bù chính là độ giảm tổn thất công suất tác dụng do bù: P(t) = P1 - P2 = 2q (t )Qb Qb2 R.Qb .[2q(t ) Qb ] R= 2 U U2 Lợi ích do giảm tổn thất công suất tác dụng chỉ có ý nghĩa ở chế độ max của hệ thống khi mà nguồn công suất tác dụng bị căng thẳng, giả thiết tổn thất công suất max của lưới điện trùng với max hệ thống, lúc đó q(t) = Qmax và:  P sẽ lớn nhất khi Qb = Qmax Độ giảm tổn thất điện năng trong khoảng thời gian xét T là tích phân của theo ở trên trong khoảng thời gian xét T: T [2.q(t ).Qb A= = Vì Qb2 ].R.dt 0 U2 T .R.Qb [2.Qtb U2 Qb ] = 2..T .Qtb .Qb TQb2 R = U2 T .R.Qb [2.K sdq .Qmax Qb ] U2 [ q (t ).dt ]/T = Qtb và Ksdq = Qtb/Qmax Lấy đạo hàm theo Qb, đặt = 0 rồi giải ra ta được giá trị của Qb cho độ giảm tổn thất điện năng lớn nhất: A/ Qb = [2.T.Qtb - 2.Qb].R/U2 = 0 Rút ra: Khi đó Qbopt = Qtb A = R.T.Qtb2/U2 Như vậy muốn giảm được nhiều nhất tổn thất điện năng thì Qb = Qtb của phụ tải. Trong khi đó muốn giảm được nhiều nhất tổn thất công suất thì Qb = Qmax. Không được lạm dụng sự tăng công suất bù vì như vậy lợi ích do bù sẽ lại giảm. 13 1.4.5.2. Lưới điện phân phối có phụ tải phân bố đều trên trục chính Xét lưới điện phân phối trên hình 1.6. Trong trường hợp này đặt vấn đề là địa điểm đặt bù nên ở đâu để hiệu quả bù là lớn nhất. Còn vấn đề công suất bù đã được giải quyết ở phần trên và vẫn đúng cho trường hợp này 0 r0 [ km] q0 [kVAr km] L[km] Qb lb QN 0 B lx C A L Hình 1.6. Ảnh hưởng của tụ bụ đến lưới điện có một phụ tải phân bố đều trên trục chính Giả thiết rằng chỉ đặt bù tại 1 điểm và phải tìm điểm đặt tụ bù tối ưu sao cho với công suất bù nhỏ nhất đạt hiệu quả lớn nhất Ta xét chế độ max, tổn thất công suất tác dụng trước khi bù là: P1 = r0.q02.L3/(3.U2) Ta đặt bù sao cho công suất phản kháng QN từ nguồn cấp cho đoạn lx (đoạn 0B) còn tụ bù công suất phản kháng Qb cho đoạn còn lại là L - lx (đoạn BA hình 1.10b) QN = lx.q0 Qb = (L - lx).q0 Sẽ dễ dàng nhận thấy rằng muốn cho tổn thất công suất và tổn thất điện năng sau khi bù là nhỏ nhất thì trạm bù phải đặt ở chính giữa đoạn L-lx, công suất phản kháng của tụ sẽ chia đều ở 2 phía, mỗi phía có độ dài (L-lx)/2 và công suất phản kháng Qb/2 (hình 1.10b). Vị trí đặt bù sẽ là: lb = lx + (L - lx)/2 = (L + lx)/2 Tổn thất công suất tác dụng trên đoạn lx là: PN = (lx.q0)2.lx.r0/(3.U2) = lx3.q02.r0/(3.U2)