Tài liệu Tính toán bù tối ưu công suất phản kháng lưới điện hạ thế thành phố đồng hới

1 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN THANH QUYỀN TÍNH TOÁN BÙ TỐI ƢU CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG C C LƢỚI ĐIỆN HẠ THẾ KHU VỰC THÀNH PHỐ ĐỒNG HỚI R L T. DU Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 85 20 201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Võ Quang Sơn Đà Nẵng, Năm 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả tính toán trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào. Tác giả luận văn C C Phan Thanh Quyền DU R L T. ii TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH Đề tài: TÍNH TOÁN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƢỚI ĐIỆN HẠ THẾ KHU VỰC THÀNH PHỐ ĐỒNG HỚI Học viên: Phan Thanh Quyền - Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 85 20 201 - Khóa: K34 - Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Giảm tổn thất điện năng là một trong những mục tiêu cơ bản để đánh giá hiệu quả trong công tác quản lý, vận hành hệ thống điện, các phần tử trong hệ thống điện là các máy phát điện, máy biến áp, đƣờng dây. Nhiệm vụ của hệ thống điện là sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng đến các phụ tải và phải đảm bảo hiệu quả vận hành cao nhƣ chất lƣợng điện áp, tổn thất điện năng, độ tin cậy và vận hành kinh tế. Có rất nhiều phƣơng pháp để giảm tổn thất điện năng nhƣ các biện pháp về nghiệp vụ quản lý, các biện pháp trong vận hành,… Trong đề tài này tác giả tiếp cận vấn đề từ góc độ bù công suất phản kháng cho lƣới điện để giảm tổn thất điện năng ở các chế độ phụ tải cực đại, cực tiểu, trung bình. Trên cơ sở các ứng dụng các công nghệ, phần mềm để phân tích, đánh giá và đƣa ra giải pháp bù tối ƣu nhất cho lƣới điện hiện trạng. Việc này không đòi hỏi nhiều vốn đầu tƣ nhƣng hiệu quả mang lại là rất đáng kể. C C R L T. Tuy nhiên, để thực hiện tốt công tác này cần phải có số liệu đầu vào đầy đủ và cần phải tính toán phân tích chính xác. Do thời gian thực hiện luận văn có hạn nên tác giả chỉ nghiên cứu, đề xuất giải pháp bù tối ƣu công suất phản kháng để giảm tổn thất điện năng cho lƣới điện hạ thế thành phố Đồng Hới. DU Từ khóa – Bù tối ƣu công suất phản kháng, lƣới điện hạ thế, tổn thất điện năng, hiệu quả vận hành. Topic: RESEARCH ON RECONSTRUCTION OF BA DON DISTRIBUTION GRID TO ENHANCE OPERATIONAL EFFICIENCY Abstract - Operational efficiency is one of the basic objectives for evaluating the ability to manage, operate electric power system, components of electric power system such as generators, transformers, electrical lines, and so on. The function of the electric power system is to produce, transmit and distribute energy to the loads and to ensure high operational efficiency such as voltage, reliability, energy loss and economic operation. There are many methods to improve, enhance operational efficiency such as management methods and operational methods, but the author approaches the issues from the perspective of grid reconstruction under normal operating conditions as well as troubleshooting conditions, under technologies and software implementation based on available equipment and facilities. Substantial investment is unnecessary but the its subsequent effect is remarkably significant. However, in order to conduct this mission, it is necessary to obtain sufficient input and to perfom accurate analysis. Due to the limited time of the thesis, the propose solutions to optimally compensate reactive power to reduce power loss for low voltage grid in Dong Hoi city. Keywords - Reconstruction, Low voltage grid, energy loss, reliability, operational efficiency. iii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH ................................................... ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................ vi DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... viii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................2 C C 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................................2 5. Bố cục của luận văn:.............................................................................................2 CHƢƠNG 1. ĐẶC ĐIỂM CỦA LƢỚI ĐIỆN HẠ THẾ, TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG VÀ SỰ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ......................................................3 R L T. DU 1.1. Đặc điểm của lƣới điện hạ thế ..................................................................................3 1.2. Tổn thất điện năng (TTĐN) và sự tiêu thụ công suất phản kháng (CSPK) .............4 1.2.1. Khái niệm về TTĐN .......................................................................................4 1.2.2. Sự tiêu thụ CSPK ............................................................................................4 1.2.3. Các nguồn phát CSPK ....................................................................................6 1.3. Sự phối hợp phát CSPK giữa các nguồn phát ..........................................................7 1.4. Phân tích ảnh hƣởng của tụ bù đến tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng ở lƣới điện hạ thế ....................................................................................................8 1.4.1. Lƣới hạ thế một phụ tải: .................................................................................8 1.4.2. Lƣới hạ thế có phụ tải phân bố đều trên trục chính : ....................................11 CHƢƠNG 2. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ BÙ CSPK CHO PHỤ TẢI HẠ THẾ – MỘT SỐ MÔ HÌNH BÙ CSPK VÀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG .................................................................................................15 2.1. Lý thuyết cơ bản về bù CSPK cho phụ tải hạ thế ...................................................15 2.1.1. Các yêu cầu về bù CSPK cho phụ tải ...........................................................15 2.1.2. Bù tự nhiên cho phụ tải .................................................................................16 2.1.3. Lý thuyết cơ bản về bù công suất phản kháng cho phụ tải ...........................16 2.2. Một số mô hình bù CSPK và phƣơng pháp xác định mô hình bù CSPK ...............17 iv 2.2.1. Phƣơng pháp xác định dung lƣợng bù theo biểu đồ CSPK của phụ tải .......18 2.2.2. Bù CSPK nâng cao hệ số cosϕ .....................................................................18 2.2.3. Mô hình tính bù CSPK theo điều kiện cực tiểu tổn thất công suất ..............18 2.2.4. Bài toán bù theo điều kiện điều chỉnh điện áp ..............................................19 2.2.5. Phƣơng pháp bù theo điều kiện cực tiểu các chi phí ....................................19 2.2.6. Bù công suất phản kháng dựa trên chỉ tiêu tối đa hoá các tiết kiệm ............21 2.3. Các phụ tải đã khảo sát ...........................................................................................22 2.4. Một số nhận xét từ kết quả thực tế .........................................................................22 CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC BÀI TOÁN BÙ TỐI ƢU VÀ GIỚI THIỆU CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ...........................................................23 3.1. Phƣơng pháp luận và sơ đồ thuật toán....................................................................23 3.1.1. Mô hình tổng quát bài toán bù tối ƣu CSPK trong lƣới điện phân phối nhằm giảm TTĐN .............................................................................................................23 3.1.2. Các hàm mục tiêu .........................................................................................23 3.1.3. Các hàm ràng buộc .......................................................................................26 3.1.4. Kết quả tính toán ...........................................................................................26 3.1.5. Tính toán dung lƣợng bù tối ƣu công suất phản kháng lƣới điện hạ áp .......26 3.2. Ứng dụng phần mềm PSS/ADEPT để tính toán vị trí bù tối ƣu ............................27 C C R L T. DU 3.2.1. Giới thiệu chung ...........................................................................................27 3.2.2. Tính toán vị trí bù tối ƣu bằng modul CAPO ...............................................29 3.2.3. Các chỉ số kinh tế ..........................................................................................33 CHƢƠNG 4. TÍNH TOÁN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƢỚI ĐIỆN HẠ THẾ KHU VỰC THÀNH PHỐ ĐỒNG HỚI ...............................................................35 4.1. Thực trạng lƣới điện hạ thế khu vực thành phố Đồng Hới ....................................35 4.2. Sơ đồ phân bố phụ tải và biểu đồ phụ tải đặc trƣng ...............................................36 4.3. Trạm biến áp điển hình để áp dụng tính toán: ........................................................36 4.3.1. TBA Hữu Nghị: ............................................................................................36 4.3.2. TBA Cầu 4. ...................................................................................................45 4.4. Các số liệu tính toán thu thập đƣợc ........................................................................57 4.5. Kết quả tính toán và lựa chọn phƣơng án tối ƣu ....................................................63 4.6. Hiệu quả kinh tế của giải pháp bù CSPK có xét đến giảm TTĐN .........................65 4.6.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế của việc bù CSPK TBA Hữu Nghị .....................65 4.6.2. Đánh giá hiệu quả kinh tế của việc bù CSPK TBA Cầu 4 ...........................66 4.6.3. Đánh giá hiệu quả kinh tế của việc bù CSPK cho toàn bộ các trạm biến áp của toàn hệ thống lƣới điện hạ thế thành phố Đồng Hới. .......................................66 v KẾT LUẬN ...................................................................................................................68 KIẾN NGHỊ ...................................................................................................................69 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................70 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. C C DU R L T. vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT EVNCPC : Tổng Công ty Điện lực Miền Trung LĐHT : Lƣới điện hạ thế CSPK : Công suất phản kháng MBA : Máy biến áp TBA : Trạm biến áp XT : Xuất tuyến CS : Công suất HA : Hạ áp TTĐN : Tổn thất điện năng DU R L T. C C vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1. Thông số cơ bản lƣới điện hạ thế ...........................................................35 Bảng 4.2. Bảng phân bố công suất phụ tải TBA Hữu Nghị tháng 3 ......................40 Bảng 4.3. Bảng công suất tiêu thụ trong ngày điển hình TBA Hữu Nghị tháng 7 .42 Bảng 4.4. Bảng công suất tiêu thụ trong ngày điển hình TBA Hữu Nghị tháng 3 .43 Bảng 4.4. Bảng phân bố công suất phụ tải TBA Cầu 4 tháng 7 .............................46 Bảng 4.5. Bảng phân bố công suất phụ tải TBA Cầu 4 tháng 3 .............................51 Bảng 4.6. Bảng công suất tiêu thụ trong ngày điển hình TBA Cầu 4 tháng 7 .......55 Bảng 4.7. Bảng công suất tiêu thụ trong ngày điển hình TBA Cầu 4 tháng 3 .......56 Bảng 4.8. Hộp thoại cài đặt các chỉ số kinh tế của PSS/ADEPT ...........................58 C C DU R L T. viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ mắc tụ bù tĩnh ........................................................................................6 Hình 1.2. Bù lƣới hạ thế 1 phụ tải ...................................................................................9 Hình 1.3. Lƣới hạ thế có phụ tải phân bố đều ...............................................................12 Hình 2.1. Nguyên lý bù công suất phản kháng. ............................................................17 Hình 2.2. Sơ đồ véc tơ của nguyên lý bù công suất QC.................................................17 Hình 2.3. Bù phân bố tại các điểm ................................................................................21 Hình 3.1. Giao diện cài đặt chƣơng trình PSS...............................................................28 Hình 3.2. Giao diện phần nhập thông số đầu vào..........................................................28 Hình 3.3. Giao diện nhập số liệu của tải........................................................................29 Hình 3.4. Các chỉ số kinh tế ..........................................................................................34 C C Hình 4.1. Mặt bằng hiện trạng TBA Hữu Nghị:............................................................37 R L T. Hình 4.2. Biểu đồ phụ tải điển hình ngày tháng 3 .........................................................44 Hình 4.3. Biểu đồ phụ tải điển hình ngày tháng 7 .........................................................44 DU Hình 4.3. Mặt bằng hiện trạng TBA Cầu 4 ...................................................................45 Hình 4.4. Biểu đồ phụ thải điển hình ngày TBA Cầu 4 tháng 3 ...................................57 Hình 4.5. Biểu đồ phụ thải điển hình ngày TBA Cầu 4 tháng 7 ...................................57 Hình 4.5. Vị trí đặt bù sau khi chạy Capo TBA Hữu Nghị 1 ........................................61 Hình 4.6. Vị trí đặt bù sau khi chạy Capo TBA Cầu 4 ..................................................63 Hình 4.7. Kết quả sau bù công suất phản kháng TBA Hữu Nghị 1điển hình tháng 7 ..65 Hình 4.8. Kết quả sau bù công suất phản kháng TBA Hữu Nghị 1điển hình tháng 3 ..65 Hình 4.9. Kết quả sau bù công suất phản kháng TBA Cầu 4 điển hình tháng 7 ...........66 Hình 4.10. Kết quả sau bù công suất phản kháng TBA Cầu 4 điển hình tháng 3 .........66 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Lƣới hạ thế là khâu cuối cùng của hệ thống điện năng trực tiếp đến hộ tiêu thụ. Trong quá trình sản xuất, truyền tải và hạ thế điện, lƣợng điện năng tổn thất chiếm tỷ lệ lớn nhất đó là ở lƣới điện hạ thế. Kinh nghiệm các Điện lực trên thế giới cho thấy tổn thất thấp nhất trên lƣới truyền tải vào khoảng 2% trong khi trên lƣới điện hạ thế là 4%, tổn thất trên lƣới điện hạ thế liên quan chặt chẽ đến các vấn về kỹ thuật của lƣới điện từ giai đoạn thiết kế đến vận hành [1]. Nhiệm vụ và mục tiêu đặt ra hiện nay của các Công ty Điện lực là phải tìm ra các giải pháp tối ƣu để giảm tổn thất xuống mức thấp nhất có thể. Vấn đề giảm tổn thất công suất, tổn thất điện năng…vẫn sẽ là trọng tâm trong công tác điều hành quản lý, vận hành của các Điện lực hiện nay, trong đó có Điện lực Đồng Hới. Nhiều giải pháp đã đƣợc áp dụng để tính toán cho việc giảm tổn thất nhƣ: cân pha san tải, thay dây dẫn lớn hơn, kéo mạch kép, lắp đặt tụ bù …vv . Trong đó, bù công suất phản kháng (CSPK) C C R L T. là giải pháp đơn giản và hiệu quả nhất. Trong những năm gần đây Công ty Điện lực Quảng Bình ngày càng quan tâm nhiều hơn về việc giảm tổn thất điện năng lƣới điện hạ thế, do đó tỷ lệ tổn thất điện năng giảm từ 4,44% năm 2015 về 4,01% năm 2017. Tỷ lệ tổn thất điện năng này khá cao nhƣng đổi lại suất đầu tƣ lại rất lớn. Để khắc phục, cần khảo sát hệ số công suất, sự thay đổi phụ tải,… để làm cơ sở phân tích, tính toán lắp đặt thêm thiết bị bù mới hoặc hoán chuyển kịp thời các vị trí bù chƣa phù hợp đến các vị trí mới tối ƣu hơn để góp phần giảm tổn thất điện năng xuống mức thấp nhất theo lộ trình giảm tổn thất điện năng (TTĐN) giai đoạn (2016÷2020) của Tổng Công ty Điện lực miền Trung (EVNCPC) giao cho Công ty Điện lực Quảng Bình (đến năm 2020 phải thực hiện đạt TTĐN chung cho cả lƣới trung thế và hạ thế ≤ 4,95%).Với các lý do trên, đề tài “Tính DU toán bù tối ƣu công suất phản kháng lƣới điện hạ thế thành phố Đồng Hới” hiện nay là thiết thực nhằm góp phần vào nâng cao hiệu quả vận hành kinh tế lƣới điện hạ thế thành phố. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu, đề xuất các giải pháp bù tối ƣu công suất phản kháng lƣới điện hạ thế nhằm giảm tổn thất điện năng. - Xây dựng quy trình kiểm soát hệ thống bù trên cơ sở các phần mềm tính toán và chƣơng trình có sẵn. 2 - Xây dựng đƣợc hệ thống sơ đồ phân bố phụ tải và đề xuất giải pháp bù tối ƣu cho khu vực thành phố Đồng Hới. - Tính toán đề xuất các vị trí lắp đặt hệ thống bù, dung lƣợng bù cho lƣới điện hạ thế khu vực thành phố Đồng Hới. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Nội dung luận văn đi nghiên cứu tính toán xác định vị trí và dung lƣợng bù tối ƣu công suất phản kháng lƣới điện hạ thế khu vực thành phố Đồng Hới. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Khảo sát thực tế hiện trạng các thiết bị, sơ đồ phân bố phụ tải trên lƣới điện. - Thu thập các thông số vận hành, tổn thất điện năng và xây dựng đồ thị phụ tải đặc trƣng cho lƣới điện hạ thế khu vực thành phố Đồng Hới. - Phân tích các phƣơng pháp bù công suất phản kháng từ xây dựng mô hình phù hợp cho lƣới điện. - Tính toán ảnh hƣởng của bù công suất phản kháng đến tổn thất điện năng và C C R L T. tính toán dung lƣợng cần bù cho lƣới điện. - Sử dụng phần mềm PSS/ADEPT 5.0 và chƣơng trình DSPM (thu thập số liệu từ xa) để tính toán phân bố bù tối ƣu cho hệ thống. DU - Đề xuất các giải pháp bù tối ƣu nhằm giảm tổn thất điện năng cho lƣới điện hạ thế khu vực thành phố Đồng Hới. 5. Bố cục của luận văn: Luạn văn gồm bốn chƣơng nhƣ sau: MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM CỦA LƢỚI ĐIỆN HẠ THẾ, TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG VÀ SỰ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN BÙ TỐI ƢU CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG LƢỚI ĐIỆN HẠ THẾ CHƢƠNG 4: SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSS/ADEPT TÍNH TOÁN BÙ TỐI ƢU CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG LƢỚI ĐIỆN HẠ THẾ KHU VỰC THÀNH PHỐ ĐỒNG HỚI KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3 CHƢƠNG 1 ĐẶC ĐIỂM CỦA LƢỚI ĐIỆN HẠ THẾ, TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG VÀ SỰ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.1. Đặc điểm của lƣới điện hạ thế Lƣới điện hạ thế khu vực thành phố Đồng Hới phát triển có tính chắp vá do khó khăn về tiền vốn, phụ tải phát triển nhanh đa dạng và chƣa có quy hoạch tổng thể. Tƣơng tác giữa phụ tải và hệ thống cung cấp chƣa đƣợc quan tâm đúng mức. Ví dụ các khu công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp sử dụng động cơ lớn; các tòa nhà thƣơng mại có sử dụng số lƣợng lớn máy tính, điều hòa, máy photocopy; các làng nghề, đầm nuôi tôm… gây sóng hài bậc cao, tiêu thụ công suất phản kháng lớn là những nơi có phụ tải làm ảnh hƣởng trực tiếp và suy giảm chất lƣợng cung cấp điện của hệ thống. Ngoài ra sự phân bố phụ tải không đồng đều, bán kính cấp điện quá dài, mức mang tải lớn vƣợt khả năng cung cấp của cấp điện áp đang sử dụng cũng gây ảnh hƣởng rất lớn đến lƣới điện hạ thế. Các thiết bị vận hành trên lƣới hạ thế cũng nhƣ phụ tải chƣa có quy định hoặc chƣa đƣợc kiểm soát về các chỉ tiêu kỹ thuật để nâng cấp chất lƣợng lƣới nhƣ: Chế độ làm việc, hàm lƣợng sóng hài cũng nhƣ chƣa có chƣơng trình quản lý phụ tải đƣa đến việc chất lƣợng cung cấp điện kém. Do vậy việc nghiên cứu tổng thể về lƣới hạ thế 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. Ngoài ra 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 điện hạ thế: - Chế độ vận hành bình thƣờng của lƣới hạ thế là vận hành hở, hình tia hoặc dạng xƣơng cá. - Phụ tải lƣới điện hạ thế đa dạng và phức tạp, sử dụng nhiều loại thiết bị, động cơ không đồng bộ tiêu thụ công suất phản kháng lớn. - Đƣờng dây hạ thế sau trạm biến áp (TBA) đến phụ tải dài dẫn đến tổn thất lớn, để giảm bán kính cấp điện cần phải đầu tƣ rất nhiều TBA cần tốn rất nhiều tiền đầu tƣ. Kết quả của các nghiên cứu và thống kê từ thực tế trên đã đƣa đến kết luận cần sử dụng bù tối ƣu để giảm đƣợc tổn thất với chi phí thấp. Với các lý do trên nên trong phần tiếp theo của nội dung luận văn tôi chỉ tập trung đi sâu tìm hiểu việc bù công suất phản kháng trên lƣới hạ thế và các lợi ích của việc bù công suất phản kháng. C C DU R L T. 4 1.2. Tổn thất điện năng (TTĐN) và sự tiêu thụ công suất phản kháng (CSPK) 1.2.1. Khái niệm về TTĐN Tổn thất điện năng là lƣợng điện năng bị mất đi trong quá trình truyền tải và kinh doanh mua bán điện. Tổn thất điện năng là một trong các chỉ tiêu quan trọng trong công tác quản lý vận hành và kinh doanh mua bán điện của ngành Điện. Tổn thất điện năng gồm hai loại: + Tổn thất kỹ thuật: Tổn thất kỹ thuật là tổn thất sinh ra do tính chất vật lý của quá trình truyền tải điện, tổn thất này phụ thuộc vào chế độ vận hành của lƣới điện, chất liệu của dây dẫn điện, khả năng tải của dây dẫn điện và vật liệu cách điện, điều kiện môi trƣờng, dòng điện và điện áp. Tổn thất kỹ thuật chia làm 2 loại: - Tổn thất phụ thuộc vào dòng điện: Sinh ra do sự phát nóng trên điện trở của chất liệu dẫn điện, tiếp xúc và nhiệt độ môi trƣờng của máy phát, máy biến áp, dây dẫn và thiết bị điện. Thành phần này là tổn thất chính. - Tổn thất phụ thuộc vào điện áp gồm có: chất lƣợng điện áp đầu nguồn, tổn thất trong lõi thép của máy biến áp, tổn thất do rò điện, do vầng quang. Tổn thất kỹ thuật không triệt tiêu đƣợc mà chỉ có thể hạn chế ở mức độ cho phép. + Tổn thất kinh doanh: Là tổn thất trong khâu kinh doanh mua bán điện năng, gồm các nguyên nhân: - Do chế độ kiểm soát chỉ số điện năng tại các thiết bị đo đếm, sai số thiết bị đo đếm, điện năng tiêu dùng không đo đƣợc. - Hệ thống đo đếm điện năng đo đƣợc nhƣng không xuất ra hóa đơn, điện năng đã xuất hóa đơn nhƣng không đƣợc trả tiền hoặc trả chậm (gọi tắt là công nợ). Đối với ngành Điện việc kiểm soát công nợ là một trong các tiêu chí hàng đầu trong công tác kinh doanh bán điện. 1.2.2. Sự tiêu thụ CSPK Xét sự tiêu thụ năng lƣợng trong một mạch có điện trở và điện kháng: Mạch đƣợc cung cấp bởi điện áp: sinωt; (1.1) Dòng điện i lệch pha với u một góc ϕ: (1.2) i = sin(ωt - ϕ); hay i = (sinωt.cosϕ - sinϕ.cosωt); i= + ; với: = sinωt.cosϕ; = sinϕ.cosωt = sinϕ.sin(ωt-π/2). Nhƣ vậy dòng điện i là tổng của 2 dòng điện thành phần: : có biên độ cosϕ cùng pha với điện áp; : có biên độ sinϕ chậm pha so với điện áp một góc π/2. Công suất tƣơng ứng với hai thành phần và là: C C DU R L T. 5 P = U.I.cosϕ: gọi là công suất tác dụng; Q = U.I.sinϕ: gọi là công suất phản kháng. Ta cũng có thể viết: (1.3) P = U.I.cosϕ = Z.I.(Icosϕ) = Z .R/Z = R. ; (1.4) Q = U.I.sinϕ = Z.I.(Isinϕ) = Z .X/Z = X. ; Nhƣ vậy: Trong hệ thống điện luôn có phần tử tiêu thụ và nguồn phát công suất phản kháng. Phần tử tiêu thụ công suất phản kháng là máy biến áp, động cơ không đồng bộ, trên đƣờng dây điện và mọi nơi có từ trƣờng. Yêu cầu về công suất phản kháng chỉ có thể giảm tối thiểu chứ không triệt tiêu đƣợc vì nó cần thiết để tạo ra từ trƣờng, là yếu tố trung gian trong quá trình chuyển hóa điện năng, yêu cầu công suất phản kháng đƣợc phân chia nhƣ sau: - Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 70-80%. - Máy biến áp tiêu thụ khoảng 10-20%. - Đƣờng dây tải điện và các phụ tải khác khoảng 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. Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện rất hạn chế, cosϕ = 0,8 ÷ 0,85. Các máy phát chỉ đáp ứng đƣợc một phần yêu cầu công suất phản kháng của phụ tải. Phần còn lại đƣợc cung cấp từ các nguồn công suất phản kháng đặt thêm tức là nguồn công suất bù. 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… Có 2 cách để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện: - Cƣỡng bức phụ tải đối với bù cứng hoặc cài đặt rơ le đối với bù tự động để các xí nghiệp công nghiệp, cơ sở sản xuất phải đảm bảo cosϕ của họ ở mức cho phép, theo quy định là 0,9. Cách này nhằm giảm yêu cầu công suất phản kháng vừa cho khách hàng và cho lƣới điện. - Đặt bù công suất phản kháng trong hệ thống điện để giải quyết phần thiếu còn lại, đầy là việc ngành điện, mà cụ thể là đơn vị quản lý vận hành lƣới điện phải tính toán và thực hiện. Tóm lại trong hệ thống điện phải bù cƣỡng bức hay bù kỹ thuật một lƣợng công suất phản kháng nhất định để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện. Hệ thống điện thiếu công suất phản kháng thì việc bù kỹ thuật là bắt buộc, gọi là bù cƣỡng bức. Sau khi bù cƣỡng bức, một lƣợng công suất phản kháng đáng kể vẫn C C DU R L T. 6 lƣu thông qua lƣới hạ thế gây ra tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng khá lớn. Để giảm tổn thất này có thể thực hiện bù kinh tế. Bù kinh tế chỉ đƣợc thực hiện khi nó thực sự mang lại lợi ích, nghĩa là lợi ích kinh tế mà nó mang lại phải lớn hơn chi phí vận hành và lắp đặt trạm bù. Trong các xí nghiệp công nghiệp, cơ sở sản xuất, lƣợng công suất phản kháng phải bù cƣỡng bức để đảm bảo cosϕ cũng đƣợc hạ thế hợp lý nhằm giảm tối đa tổn thất điện năng. 1.2.3. Các nguồn phát CSPK Có thể thấy rằng khả năng phát công suất phản kháng của máy phát tại các nhà máy điện là rất hạn chế, do cosϕ của các máy phát từ 0,8 trở lên. Vì lý do kinh tế ngƣời ta không chế tạo các máy phát có khả năng phát nhiều công suất phản kháng đủ cho phụ tải, đặc biệt là ở chế độ phụ tải cực đại. Các máy phát chỉ đảm đƣơng một phần yêu cầu công suất phản kháng của phụ tải và chủ yếu làm nhiệm vụ điều chỉnh cân bằng công suất phản kháng trong nội bộ hệ thống điện nhằm đáp ứng linh hoạt các yêu cầu luôn thay đổi của phụ tải. Phần còn lại trông chờ vào các nguồn công suất bù trên đƣờng dây và phụ tải. Nguồn công suất phản kháng chính gồm máy bù đồng bộ và tụ điện. Ngoài ra cũng phải tính đến một số nguồn bù công suất phản kháng tự sinh ra, đó là trên các đƣờng dây dẫn điện hay cáp ngầm. Với nguồn phát này thực tế thƣờng gây quá bù và nhiễu loạn hệ thống bù trên hệ thống khi phụ tải thấp. - Tụ điện đƣợc sử dụng rộng rãi để bù công suất phản kháng trong mạng điện, nó có thể mắc trên thanh cái của các trạm biến áp, hoặc tại các điểm nút của mạng điện. Tụ điện có thể mắc độc lập hoặc mắc thành từng nhóm theo sơ đồ đấu Y, hoặc Δ. C C R L T. DU Hình 1.1. Sơ đồ mắc tụ bù tĩnh Việc đầu tƣ máy bù đồng bộ đòi hỏi chi phí rất cao và phải tính toán chế độ vận hành tƣơng đối phúc tạp nên rất ít đƣợc dùng trên lƣới điện hạ thế. Đối với lƣới điện hạ thế hiện nay chủ yếu sử dụng tụ điện tĩnh với các ƣu điểm sau: - Suất đầu tƣ trên 1Var theo tụ là thấp hơn so với máy bù đồng bộ, thời gian hoàn vốn nhanh. Khi dung lƣợng cần bù càng lớn thì ƣu điểm này càng thể hiện rõ rệt hơn. - Kết cấu gọn nhẹ, làm việc đơn giản, tin cậy. - Tuổi thọ cao. - Tổn thất công suất trong tụ bù rất bé chỉ từ 0,2 đến 0,4%. - Lắp đặt, vận hành và bảo dƣỡng linh động, đơn giản, tốn ít nhân công. 7 - Tụ bù tĩnh đƣợc chế tạo thành từng đơn vị nhỏ nên có thể tùy theo sự phát triển của phụ tải trong quá trình hoạt động sản xuất mà điều chỉnh dung lƣợng sao cho phù hợp nhất. Tuy vậy tụ điện cũng có nhƣợc điểm so với máy bù đồng bộ: - Máy bù đồng bộ có thể điều chỉnh gần nhƣ ngay tức thì công suất phản kháng còn tụ điện điều chỉnh theo từng cấp. - Máy bù đồng bộ có thể phát ra hay tiêu thụ công suất phản kháng còn tụ điện chỉ có thể phát công suất phản kháng. - Công suất phản kháng do tụ điện phát ra phụ thuộc vào điện áp vận hành, thiết bị tuổi thọ ngắn dễ hƣ hỏng khi bị ngắn mạch hay quá điện áp. Tuy nhiên các nhƣợc điểm này có thể khắc phục đƣợc: - Để bảo vệ quá điện áp và kết hợp điều chỉnh tụ bù theo điện áp, ngƣời ta thƣờng lắp đặt các bộ điều khiển để đóng cắt tụ theo điện áp. - 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). Với các ƣu điểm trên, ngày nay trên lƣới điện hạ thế thƣờng dùng tụ điện tĩnh để bù công suất phản kháng. C C R L T. DU 1.3. Sự phối hợp phát CSPK giữa các nguồn phát Trong hệ thống điện, bù công suất phản kháng đƣợc chia ra làm hai loại: Bù cƣỡng bức hay bù kỹ thuật: là bù một lƣợng công suất phản kháng nhất định để đảm bảo cân bằng CSPK trong hệ thống điện. Công suất này có thể điều chỉnh để thích ứng với các chế độ vận hành khác nhau của hệ thống điện. CSPK của các nhà máy điện và các thiết bị bù (máy bù đồng bộ, tụ điện) phải dƣ thừa so với yêu cầu của phụ tải ở chế độ lớn nhất (max) để dự phòng cho sự cố. Một phần công suất bù, thƣờng là phần cố định có thể đƣợc phân tán xuống lƣới truyền tải để giảm tổn thất trong lƣới. Tuy nhiên phần công suất bù này cần phải đƣợc tính toán kỹ vì nhƣ vậy độ tin cậy của công suất bù này sẽ bị giảm và để an toàn trong hệ thống điện phải tăng dự trữ công suất phản kháng lên. Thục tế công suất phản kháng thƣờng bị thiếu cục bộ do chế độ phụ tải tăng đột biến. Do vậy cần phải bù trực tiếp và hơn nữa khi bù cƣỡng bức, một lƣợng công suất phản kháng đáng kể vẫn phải lƣu thông trong lƣới hạ thế, gây ra tổn thất công suất và tổn thất điện năng. Để khắc phục các vấn đề này ngƣời ta thực hiện giải pháp bù kinh tế. Với mục tiêu tăng cƣờng tối ƣu hóa hoạt động của hệ thống điện nhƣ giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và cải tạo tận dụng tốt hơn các thiết bị sẵn có trên lƣới để hạn chế mua thiết bị mới. 8 Khi thực hiện bù kinh tế ngƣời ta tính toán để đạt đƣợc các lợi ích, nếu lợi ích thu đƣợc cho việc lắp đặt thiết bị bù lớn hơn chi phí lắp đặt thì việc bù kinh tế sẽ đƣợc thực hiện. Các lợi ích khi lắp đặt bù: [9] - Giảm đƣợc công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ phụ tải cực đại của hệ thống điện do đó giảm đƣợc dự trữ công suất tác dụng (hoặc tăng đƣợc độ tin cậy) của hệ thống điện. - Giảm nhẹ tải cho các thiết bị hạ thế và các đƣờng trục lƣới điện do giảm công suất phản kháng truyền tải trên lƣới điện. - Giảm đƣợc tổn thất điện năng. - Cải thiện đƣợc chất lƣợng điện áp cung cấp cho các phụ tải. - Cải thiện hệ số công suất. - Cân bằng tải, nâng cao độ tin cậy cho lƣới điện. Để giải quyết vấn đề này cần phải làm tốt công tác theo dõi, kiểm soát và quản lý công suất phản kháng. Quản lý công suất phản kháng có thể đƣợc xác định nhƣ sau: kiểm soát đƣợc đồ thị phụ tải, từ đó tính toán, điều khiển điện áp máy phát, điều chỉnh nấc phân áp của các máy biến áp có điều áp dƣới tải, chọn nấc phân áp cho các biến áp phụ tải, bù công suất phản kháng và đóng ngắt các cuộn kháng, tụ điện bù ngang cũng nhƣ lắp đặt thêm các cuộn kháng hay thay đổi công nghệ điều khiển bù sao cho phù hợp với đồ thị phụ tải. Nếu làm đƣợc điều đó sẽ giảm đƣợc tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên hệ thống hoặc điều khiển điện áp một cách tốt nhất. C C R L T. DU 1.4. Phân tích ảnh hƣởng của tụ bù đến tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng ở lƣới điện hạ thế 1.4.1. Lưới hạ thế một phụ tải: Xét lƣới hạ thế theo hình 1.2 a công suất phản kháng yêu cầu lớn nhất 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 : qb(t)= q(t)- Qb 9 C C R L T. DU Hình 1.2. Bù lưới hạ thế 1 phụ tải - Trên hình 1.2 b : qb1(t) ứng với Qb = Qmin. - Trên hình 1.2 c : qb2(t) ứng với Qb = Qtb. - Trên hình 1.2 d : qb1(t) ứng với Qb = Qmax. Từ các đồ thị kéo dài của công suất phản kháng ta thấy: khi đặt tụ bù đồ thị kéo dài công suất phản kháng mới có thể nằm trên, nằm dƣới hoặc cắt trục hoành tùy thuộc vào độ lớn của công suất bù. Công suất phản kháng dƣơng có nghĩa là nó đi từ nguồn đến phụ tải còn âm có nghĩa là đi ngƣợc từ phụ tải về nguồn. Dù đi theo hƣớng nào công suất phản kháng đều gây ra tổn thất công suất tác dụng nhƣ nhau nếu độ lớn nhƣ nhau. Trong trƣờng hợp Qb = Qmin (hình 1.2 b) thì trong các chế độ trừ chế độ min phụ tải phải nhận công suất từ nguồn, còn trong chế độ max chỉ giảm đƣợc lƣợng công suất phản kháng Q = Qmax - Qb = Qmax - Qmin. 10 Trong trƣờng hợp Qb = Qmax ( hình 1.2 d) thì trong các chế độ trừ chế độ max, công suất bù thừa cho phụ tải và đi ngƣợc về nguồn. Công suất phản kháng yêu cầu ở chế độ max đƣợc triệt tiêu hoàn toàn, cho lợi ích lớn nhất về độ giảm yêu cầu công suất phản kháng và tổn thất công suất tác dụng. Về mặt tổn thất điện năng hai trƣờng trƣờng hợp này giống nhau hoàn toàn, ta thấy đồ thị công suất phản kháng của chúng có dạng giống nhau chỉ ngƣợc dấu mà thôi. Trong trƣờng hợp Qb = Qtb (hình 1.2 c), trong 1 nửa thời gian công suất phản kháng đi từ nguồn đến phụ tải còn trong nửa thời gian còn lại công suất phản kháng đi từ tụ bù đi ngƣợc về nguồn. Yêu cầu công suất phản kháng không giảm đƣợc nhiều nhƣng đồ thị này cho tổn thất điện năng nhỏ nhất có nghĩa là độ giảm tổn thất điện năng lớn nhất. Bởi vì tổn thất điện năng phụ thuộc vào độ bằng phẳng của đồ thị công suất phản kháng, độ thị càng bằng phẳng thì tổn thất điện năng càng nhỏ (theo nguyên tắc bình phƣơng cực tiểu). Tóm lại nếu cho phép bù không hạn chế thì: - Qb = Qmax cho độ giảm tổn thất công suất tác dụng và độ giảm yêu cầu công suất phản kháng ở chế độ max lớn nhất. - Qb = Qtb cho độ giảm tổn thất điện năng lớn nhất. Kết luận này là tổng quát đúng cho mọi cấu trúc lƣới hạ thế. Nếu xét đồng thời cho cả hai yếu tố thì công suất bù tối ƣu sẽ phải nằm đâu đó giữa Qmin và Qtb. Các nhận xét trực quan trên đây sẽ đƣợc lƣợng hóa chính xác dƣới đây để phục vụ giải bài toán bù sau này. Tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng q(t) gây ra là: C C R L T. DU Pq  q(2t ) U2 .R [ KW, MVAr, KV] (1.5) Trong đó U là điện áp định mức của lƣới điện Sau khi bù: Pqb  (q(t )  Qb )2 U2 .R  q 2(t )  2.Qb .q(t )  Q2(b) U2 .R (1.6) Lợị ích về tổn thất công suất tác dụng sau khi bù chính là độ giảm tổn thất công suất tác dụng do bù: P(t )  Pq  Pqb  2.Q (t ).Qb  Qb2 U2 .R (1.7) 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 max, lúc đó q(t) = Qmax và ta dễ thấy ΔP(t) sẽ lớn nhất khi Qb = Qmax. Lúc đó: 11 P(max)  2 Qmax .R U2 (1.8) Nếu xét mạng phức tạp hình tia, hiệu quả làm giảm tổn thất do đặt dung lƣợng bù Qbj tại nút j bất kỳ có thể viết đƣợc ở dạng tổng quát nhƣ sau:     Ri . 2 . Qi . Qbj  Qbj2 2 iD U i P   Xi . 2 . Qi . Qbj  Qbj2 2 iD U i Q   Với: * Qi , Ui là phụ tải phản kháng cực đại và điện áp cuối nhánh i [kVAr], [kV] * Ri, Xi là điện trở và điện kháng của nhánh i [] * D là đƣờng đi của dòng điện từ nguồn đến nút j Để giảm tổn thất điện năng trong thời gian xét T là tích phân của ΔP(t) trong khoảng thời gian xét T: T A(t )   2.Q .Qb  Qb2 .R.dt 0 U C C R L T. (t ) 2  2.T .Qtb .Qb  T .Q .R U2 2 b DU T .Qb (2.ksdq .Qmax  Qb ) T .Qb (2Qtb  Qb ) . R  .R U2 U2 1 Trong đó: Qtbq  .q( t ) .dt và Ksdq=Qtb/Qmax. T  A  (1.9) Giá trị của Qb cho độ giảm tổn thất điện năng lớn nhất có thể tìm đƣợc bằng cách giải phƣơng trình : (1.10) Giải phƣơng trình ( 1.10) cho kết quả Qb0pt = Qtb Q 2tb Khi đó: Amax  R.T . 2 (1.11) U Cần lƣu ý rằng để có thể giải bài toán bù, trƣớc hết phải tiến hành thu thập, kiểm tra đồ thị công suất phản kháng trên lƣới hạ thế dự định đặt bù để đảm bảo bù đem lại hiệu quả thực sự. 1.4.2. Lưới hạ thế có phụ tải phân bố đều trên trục chính : Xét lƣới hạ thế trên hình dƣới đây : 0 ro[Ω/km] qo[KVAr/km]