Định nghĩa lưới điện phân phối trung áp LĐPPTA 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 cấ
TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP
Cấu trúc và đặc điểm của lưới điện phân phối trung áp
1.1 Định nghĩa lưới điện phân phối trung áp
LĐPPTA là thành phần quan trọng trong hệ thống điện, có nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian và khu vực đến tay người tiêu dùng Đây là khâu cuối cùng trong quá trình cung cấp điện, đảm bảo điện năng được đưa trực tiếp đến các phụ tải Mặc dù lưới điện trung áp đã phủ sóng rộng rãi khắp các xã trên cả nước, vẫn còn một số thôn, bản chưa được kết nối với điện lưới quốc gia, buộc họ phải sử dụng điện từ các thủy điện nhỏ hoặc máy phát điện diesel.
1.2 Đặc điểm của lưới điện trung áp
LĐPPTA có sự phân bố rộng rãi, thường hoạt động không đối xứng và gặp phải tổn thất lớn Nghiên cứu chỉ ra rằng tổn thất thấp nhất trên LĐPPTA đạt khoảng
Tổn thất trên lưới điện phân phối và truyền tải (LĐPPTA) liên quan mật thiết đến các vấn đề kỹ thuật từ giai đoạn thiết kế đến vận hành Dựa vào các số liệu về tổn thất, có thể đánh giá sơ bộ chất lượng vận hành của LĐPPTA.
Trong những năm gần đây, LĐPPTA tại Việt Nam đã có sự phát triển mạnh mẽ, đi kèm với việc các Công ty Điện lực được phân cấp quản lý một cách rõ ràng Điều này đã góp phần nâng cao chất lượng vận hành của ngành điện.
LĐPPTA được nâng cao rõ rệt, tỷ lệ tổn thất điện năng giảm mạnh song vẫn còn rất khiêm tốn
1.2.1 Phân loại lưới điện trung áp
Lưới điện trung áp hoạt động chủ yếu ở các mức điện áp 6kV, 10kV, 22kV và 35kV, có nhiệm vụ phân phối điện cho các trạm biến áp trung áp và hạ áp, cũng như cung cấp điện cho các phụ tải ở cấp điện áp trung áp.
Phân loại LĐPPTA trung áp theo 3 dạng:
- Theo đối tượng và địa bàn phục vụ, có 3 loại:
+ Lưới phân phối thành phố;
+ Lưới phân phối nông thôn;
+ Lưới phân phối xí nghiệp
- Theo thiết bị dẫn điện:
+ Lưới phân phối trên không;
+ Lưới phân phối cáp ngầm
- Theo cấu trúc hình dáng:
+ Lưới hở (hình tia) có phân đoạn và không phân đoạn
+ Lưới kín vận hành hở;
1.2.2 Vai trò của lưới điện trung áp
LĐPPTA làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, trạm khu vực hay thanh cái của các nhà máy điện cho các phụ tải điện
LĐPPTA cần được thiết kế và lắp đặt để nhận điện năng từ nhiều nguồn cung cấp, phân phối đến các hộ tiêu thụ điện Mục tiêu là cung cấp điện một cách liên tục, giảm thiểu tình trạng mất điện và đáp ứng nhu cầu phát triển của phụ tải Đồng thời, hệ thống phải đảm bảo chất lượng điện năng cao, với tần số và điện áp ổn định trong giới hạn cho phép.
LĐPPTA trung áp có tầm quan trọng đặc biệt đối với hệ thống điện:
- Trực tiếp đảm bảo chất lượng điện áp cho phụ tải
- Giữ vai trò rất quan trọng trong đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải
Có đến 98% điện năng bị mất là do sự cố và ngừng điện kế hoạch lưới phân phối
Mỗi sự cố trên LĐPPTA trung áp đều có ảnh hưởng rất lớn đến sinh hoạt của nhân dân và các hoạt động kinh tế, xã hội
Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi
- Sử dụng tỷ lệ vốn rất lớn: khoảng 50% vốn cho hệ thống điện (35% cho nguồn điện, 15% cho lưới hệ thống và lưới truyền tải)
- Tỷ lệ tổn thất điện năng rất lớn: khoảng 40-50% tổn thất điện năng xảy ra trên
LĐPPTA Và tổn thất kinh doanh cũng chỉ xảy ra này
- LĐPPTA gần với người dùng điện, do đó vấn đề an toàn điện cũng là rất quan trọng
1.2.3 Các phần tử chính của lưới điện trung áp
Các phần tử chủ yếu trong LĐPPTA bao gồm [2][3]:
- MBA trung gian và MBA phân phối
- Thiết bị dẫn điện: Đường dây tải điện
- Thiết bị đóng cắt và bảo vệ: Máy cắt, dao cách ly, cầu chì, chống sét van, aptomat, hệ thống bảo vệ rơ le, giảm dòng ngắn mạch
Thiết bị điều chỉnh điện áp bao gồm các loại như thiết bị điều áp dưới tải, thiết bị thay đổi đầu phân áp ngoài tải, tụ bù ngang, tụ bù dọc, thiết bị đối xứng hóa và thiết bị lọc sóng hài bậc cao.
Công tơ đo điện năng tác dụng và điện năng phản kháng, cùng với đồng hồ đo điện áp và dòng điện, là những thiết bị đo lường quan trọng Ngoài ra, thiết bị truyền thông tin đo lường cũng đóng vai trò thiết yếu trong việc thu thập và truyền tải dữ liệu chính xác.
- Thiết bị giảm tổn thất điện năng: Tụ bù
Thiết bị nâng cao độ tin cậy bao gồm các giải pháp như thiết bị tự động đóng lại, thiết bị tự đóng nguồn dự trữ, máy cắt hoặc dao cách ly phân đoạn, khớp nối dễ tháo trên đường dây, và kháng điện hạn chế ngắn mạch.
Thiết bị điều khiển từ xa hoặc tự động bao gồm máy tính điện tử, thiết bị đo xa, thiết bị truyền, thu và xử lý thông tin, cùng với các thiết bị điều khiển xa và thiết bị thực hiện.
Mỗi phần tử trong lưới điện được xác định bởi các thông số đặc trưng như công suất, điện áp định mức, tiết diện dây dẫn, điện kháng, điện dung, dòng điện cho phép, tần số định mức và khả năng đóng cắt, tất cả đều được lựa chọn dựa trên các tính toán kỹ thuật.
Các phần tử như MBA, dây dẫn, thiết bị đóng cắt, máy biến dòng và tụ bù có dòng công suất đi qua sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số chế độ.
(điện áp, dòng điện, công suất) nên được dùng để tính toán chế độ làm việc của
Các phần tử thường chỉ có hai trạng thái: làm việc và không làm việc Tuy nhiên, một số ít phần tử như hệ thống điều áp và tụ bù có điều khiển có nhiều trạng thái, mỗi trạng thái tương ứng với một khả năng làm việc khác nhau.
Một số phần tử có thể thay đổi trạng thái trong khi mang điện (dưới tải) như:
Máy cắt, aptomat và các thiết bị điều chỉnh dưới tải là những thành phần quan trọng trong hệ thống điện Ngoài ra, một số thiết bị như dao cách ly và đầu phân áp cố định cũng có khả năng thay đổi trạng thái khi cắt điện Máy biến áp (MBA) và đường dây điện có thể được điều chỉnh nhờ vào các máy cắt, giúp đảm bảo hoạt động ổn định dưới tải.
Nhờ các thiết bị phân đoạn, đường dây tải điện được chia thành nhiều phần tử của hệ thống điện
Không phải tất cả các phần tử trong lưới phân phối đều hoạt động liên tục; một số có thể ngừng hoạt động do sự cố hoặc lý do kỹ thuật, kinh tế Chẳng hạn, tụ bù có thể bị ngắt khi tải thấp để duy trì điện áp, và một số phần tử trong lưới không hoạt động để LĐPPTA vận hành với tổn thất công suất nhỏ nhất.
1.2.4 Cấu trúc của lưới điện trung áp
Cấu trúc của LĐPPTA bao gồm cấu trúc tổng thể và cấu trúc vận hành [2][3]
Yêu cầu kỹ thuật trong vận hành hệ thống điện phân phối
Công trình điện cần được thiết kế, xây dựng và vận hành để đảm bảo chất lượng theo các quy định về điện áp, tần số, hệ số công suất, sóng hài, sự nhấp nháy của điện áp, dòng ngắn mạch và thời gian loại trừ sự cố.
- Điện áp danh định (định mức) Các cấp điện áp danh định trong hệ thống điện bao gồm 500kV, 220kV, 110kV, 35kV, 22kV, 15kV, 10kV, 6kV và 0.4kV
Trong chế độ vận hành bình thường điện áp vận hành cho phép tại điểm đấu nối được phép dao động so với điện áp danh định như sau:
+ Tại điểm đấu nối với khách hàng sử dụng điện là ±5%;
+ Tại điểm đấu nối với nhà máy điện là +10% và -5%
Trong chế độ sự cố đơn lẻ hoặc khi khôi phục vận hành ổn định, mức dao động điện áp tại điểm kết nối với khách hàng sử dụng điện có thể thay đổi trong khoảng +5% và -10% so với điện áp danh định.
Trong chế độ sự cố nghiêm trọng của hệ thống điện truyền tải, mức dao động điện áp được cho phép trong khoảng ±10% so với điện áp danh định Điện áp tăng cao có thể gây nguy hiểm cho cách điện và làm giảm tuổi thọ thiết bị; ví dụ, khi điện áp tăng 5%, tuổi thọ bóng đèn có thể giảm tới 50% Ngược lại, điện áp giảm sẽ dẫn đến giảm công suất và hiện tượng quá nhiệt; chẳng hạn, khi điện áp giảm 5%, quang thông của đèn có thể giảm đến 18%, đồng thời công suất và tốc độ quay của động cơ cũng bị ảnh hưởng.
Độ lệch điện áp trên cực của các thiết bị điện so với điện áp định mức được tính toán bằng biểu thức, trong đó U là điện áp thực tế trên cực thiết bị điện.
Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi ẟ𝑈 = 𝑈 − 𝑈 đ𝑚
Biến thiên độ lệch điện áp trong lưới điện được thể hiện qua Hình 1.8 Ở đầu nguồn, điện áp thường cao hơn mức định mức, dẫn đến độ lệch điện áp dương do sự điều chỉnh tăng áp của máy phát hoặc máy biến áp (MBA) Ngược lại, tại cuối đường dây, độ lệch điện áp âm xuất hiện do tổn hao lớn trong quá trình truyền tải.
Hình 1.8: Biến thiên của điện áp trong lưới điện
Hệ số công suất ảnh hưởng lớn đến tổn thất công suất và điện áp trong lưới điện, phản ánh lượng CSPK truyền tải trên hệ thống Theo Qui chuẩn quốc gia về kỹ thuật điện và Qui định hệ thống phân phối, nhà cung cấp điện năng phải đảm bảo hệ số công suất cos ≥ 0.85 tại điểm đo của bên mua điện có công suất từ 80kW trở lên hoặc có MBA từ 100kVA trở lên Nếu cos < 0.85 do tải của hộ sử dụng điện, hộ sử dụng điện cần có biện pháp đảm bảo hệ số công suất đạt yêu cầu.
Tần số danh định của hệ thống điện quốc gia là 50Hz với độ lệch được qui định trong [1][2] như sau:
- Trong chế độ vận hành bình thường của hệ thống điện, tần số được phép dao động từ 49.8Hz đến 50.2Hz
- Trong trường hợp sự cố đơn lẻ được phép dao động từ 49.5Hz đến 50.5Hz
Trong trường hợp hệ thống điện quốc gia gặp sự cố nghiêm trọng hoặc trong tình trạng khẩn cấp, tần số của hệ thống điện có thể dao động trong khoảng từ 47Hz đến 52Hz.
Tổng độ méo sóng hài điện áp (THD) được tính bằng tỷ lệ giữa điện áp hiệu dụng của sóng hài và điện áp hiệu dụng của tần số cơ bản, thể hiện dưới dạng phần trăm Cụ thể, trong công thức, Ui đại diện cho thành phần điện áp của sóng hài bậc i, trong khi U1 là thành phần điện áp của tần số cơ bản 50Hz.
Tổng độ méo sóng hài của điện áp ở điểm nối bất kỳ không được vượt quá những giá trị giới hạn cho trong Bảng 1.1 [1][6]
Bảng 1.1: Độ biến dạng sóng hài điện áp
2.5 Sự nhấp nháy điện áp
Mức nhấp nháy điện áp ngắn hạn (Pst) được xác định qua thiết bị đo chuyên dụng trong khoảng thời gian 10 phút Pst95% là ngưỡng giá trị của Pst, đảm bảo rằng trong 95% thời gian và 95% vị trí đo, Pst không vượt quá giá trị này Mức nhấp nháy điện áp dài hạn (Plt) được tính toán từ 12 kết quả đo.
Pst liên tục (trong khoảng thời gian 2 giờ) theo biểu thức sau:
Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi
Trong điều kiện bình thường, giá trị độ nhấp nháy điện áp tại điểm đấu nối không được vượt quá giới hạn quy định trong bảng.
Bảng 1.2: Giới hạn độ nhấp nháy điện áp
Đỉnh nhọn điện áp bất thường trên lưới điện phân phối có thể vượt quá mức biến dạng sóng hài quy định trong thời gian ngắn, tuy nhiên, điều này không được phép gây hư hỏng cho thiết bị của khách hàng sử dụng lưới điện.
2.6 Dòng ngắn mạch và thời gian loại trừ sự cố
Dòng ngắn mạch lớn nhất cho phép và thời gian loại trừ sự cố của hệ thống điện được quy định trong bảng sau [1][6]:
Bảng 1.3: Dòng ngắn mạch lớn nhất cho phép và thời gian loại trừ sự cố
Trong trường hợp một số khu vực trong hệ thống điện có dòng ngắn mạch lớn hơn mức quy định trong Bảng 1.3, cần thực hiện các biện pháp để giảm dòng ngắn mạch xuống mức quy định.
Trường hợp không thể giảm được đến mức quy định thì phải được chấp thuận của cơ quan quản lý nhà nước có thẩm quyền.
Đặc tính tải của LĐPP trung áp
3.1 Phụ tải và đồ thị phụ tải
Phụ tải điện là yếu tố quan trọng trong việc thiết kế và vận hành hệ thống điện, bao gồm việc lựa chọn thiết bị điện, tính toán tổn thất công suất và điện áp, cũng như lựa chọn các rơle bảo vệ Phụ tải điện biến đổi theo thời gian và phụ thuộc vào nhu cầu của khách hàng, do đó không tuân theo một quy luật cố định nào.
Việc xác định phụ tải chính xác là yếu tố then chốt để tính toán thiết kế và vận hành hệ thống điện (HTĐ), nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế của khách hàng sử dụng điện Do đó, việc dự báo phụ tải tổng thể và đồ thị phụ tải cụ thể là những số liệu quan trọng trong quá trình thiết kế và vận hành HTĐ.
Việc xác định đúng phụ tải là rất quan trọng, dẫn đến nhiều nghiên cứu nhằm tìm ra phương pháp tính toán phụ tải gần nhất với thực tế Các phương pháp xác định phụ tải được phân chia thành hai nhóm.
Nhóm phương pháp này dựa trên kinh nghiệm vận hành và thiết kế, được tổng hợp bằng các hệ số tính toán Đặc điểm nổi bật của nhóm phương pháp này là tính thuận lợi trong việc tính toán, khả năng đạt kết quả nhanh chóng, tuy nhiên, độ chính xác của kết quả thường không cao.
Nhóm phương pháp dựa trên lý thuyết xác suất và thống kê mang lại kết quả chính xác, nhưng quy trình tính toán lại khá phức tạp.
Sự thay đổi của phụ tải theo thời gian có thể được thể hiện qua các giá trị tức thời hoặc giá trị trung bình trong khoảng thời gian nhất định, được gọi là đồ thị phụ tải Đồ thị này được phân thành nhiều loại, trong đó có đồ thị phụ tải hàng ngày.
1.9 ii) Đồ thị phụ tải hàng tháng iii) Đồ thị phụ tải hàng năm… Ngoài ra, đồ thị phụ tải điện được phân loại theo đại lượng đo gồm: i) Đồ thị phụ tải tác dụng P(t) ii) Đồ thị phụ tải phản kháng Q(t) iii) Đồ thị điện năng A(t)
Hình 1.9: Đồ thị phụ tải
Học viên Nguyễn Đình Yến Nhi cho rằng đồ thị phụ tải chỉ thể hiện giá trị trung bình của tải theo thời gian, không phản ánh chính xác sự biến đổi của phụ tải trong từng khoảng thời gian vận hành Điều này gây ra sai số lớn trong việc tính toán các thông số chế độ của hệ thống.
3.2 Tính ngẫu nhiên của phụ tải điện
Phụ tải điện biến động theo thời gian và chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như nhu cầu khách hàng và điều kiện thời tiết Nghiên cứu cho thấy sự thay đổi của phụ tải mang tính ngẫu nhiên, và nhiều mô hình xác suất đã được giới thiệu để biểu diễn sự biến đổi này trong các nghiên cứu gần đây.
Mô hình xác suất cho phụ tải thường được sử dụng rộng rãi, với phân bố theo hàm mật độ xác suất chuẩn, được thể hiện qua biểu thức (1.4).
Trong đó: là giá trị trung bình của đại lượng ngẫu nhiên x, là độ lệch chuẩn và 2 là phương sai
Vì vậy, việc tính toán các bài toán trong hệ thống điện nói chung và LĐPP nói riêng theo thông số tải không đổi sẽ gặp sai số lớn.
Kết luận
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về LĐPP và LĐPPTA, cùng với đặc điểm cấu trúc của LĐPPTA Nó cũng đề cập đến yêu cầu về chất lượng điện năng, tổn thất công suất và điện áp trong LĐPP Đặc điểm của tải trong LĐPP được phân tích, từ đó lựa chọn phương pháp tính toán phụ tải nhằm đảm bảo độ chính xác và giảm khối lượng tính toán các thông số kỹ thuật.
Sự thay đổi của phụ tải chịu ảnh hưởng bởi nhu cầu của khách hàng và điều kiện thời tiết Để tính toán các thông số chế độ và tổn thất của LĐPPTA, phương pháp biểu diễn sự thay đổi của phụ tải theo mô hình xác suất được lựa chọn trong các chương tiếp theo.
PHƯƠNG PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP
Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong LĐPP
Tổn thất điện năng trong hệ thống điện là một vấn đề không thể tránh khỏi, xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau như hiệu ứng Joule, tổn thất từ trễ và dòng Foucault trong lõi từ của máy điện, tổn thất vầng quang trên các đường dây truyền tải, sai số trong hệ thống đo đếm, và gian lận sử dụng Những nguyên nhân này được phân chia thành hai nhóm chính: tổn thất kỹ thuật và tổn thất phi kỹ thuật.
Tổn thất kỹ thuật là tổn thất do đặc tính vật lý của các phần tử trong hệ thống điện, ảnh hưởng đến hiệu suất trong quá trình sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng Các thành phần chính của tổn thất kỹ thuật bao gồm:
Tổn thất điện năng trên điện trở của mọi phần tử có dòng điện chạy qua tỷ lệ với bình phương của dòng điện, được biểu diễn qua công thức \$P = I^2 \cdot R\$ Ngoài ra, cần lưu ý rằng nhiệt độ của phần tử cũng ảnh hưởng đến điện trở, vì khi dòng điện tăng, nhiệt độ thiết bị sẽ tăng theo.
Tổn thất không tải xảy ra trong các phần tử mang điện áp như MBA, động cơ, điện kháng, nam châm điện và các thiết bị bù Loại tổn thất này thường tỷ lệ với bình phương của điện áp và bao gồm các thành phần như tổn thất do hiện tượng từ trễ, tổn thất do dòng điện Foucault và tổn thất do hỗ cảm giữa các phần tử.
Tổn thất vầng quang xảy ra trên các đường dây truyền tải điện do năng lượng bị mất mát khi ion hóa không khí xung quanh.
Ngoài ra, tổn thất kỹ thuật có thể được phân loại theo cấp điện áp:
- Tổn thất ở lưới truyền tải:
+ Tổn thất trên các đường dây truyền tải (500kV, 220kV, 110kV)
Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi
+ Tổn thất qua MBA truyền tải
- Tổn thất ở lưới phân phối:
+ Tổn thất ở các phía cao áp lưới phân phối (35kV, 22kV, 10kV, 6kV)
+ Tổn thất qua MBA phân phối
+ Tổn thất ở lưới hạ áp (0.4kV)
1.2 Tổn thất phi kỹ thuật
Tổn thất phi kỹ thuật là sự chênh lệch giữa lượng điện năng sử dụng và lượng điện năng được tính tiền, gây ra bởi sai số của thiết bị đo đếm, các phụ tải không được tính tiền, hoặc do trộm cắp và gian lận thương mại Hiệu quả quản lý điện năng từ sản xuất, truyền tải đến phân phối tới khách hàng được phản ánh qua tổn thất phi kỹ thuật, bao gồm nhiều thành phần chính.
Tổn thất điện năng có thể xảy ra do sai số và hỏng hóc của các thiết bị đo đếm như máy biến dòng điện, máy biến điện áp, wattmet, công tơ, và các thiết bị hiển thị cơ và số.
Lượng tổn thất này có thể khá lớn vì số lượng các thiết bị đo đếm được sử dụng trong
- Tổn thất do lỗi trong việc tính toán hóa đơn điện năng tiêu thụ
- Tổn thất thương mại do quản lý (do gian lận, ăn trộm điện của người sử dụng )
Ngoài các nguyên nhân gây tổn thất, cần xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ tổn thất Những yếu tố này không trực tiếp gây ra tổn thất nhưng có tác động lớn đến giá trị của tổn thất.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất và khả năng giảm thiểu tổn thất
2.1 Điện áp làm việc của trang thiết bị
Khi làm việc với điện áp cao, dòng điện sẽ giảm, do đó việc lựa chọn cấp điện áp trong thiết kế (đường dây, MBA) và điều chỉnh điện áp trong quá trình vận hành có ảnh hưởng lớn đến tổn thất công suất và điện năng.
Nâng cấp điện áp định mức của lưới điện là một biện pháp hiệu quả để giảm thiểu tổn thất Tổn thất điện năng tỉ lệ nghịch với bình phương của điện áp định mức, do đó việc nâng cấp này sẽ giúp giảm đáng kể lượng tổn thất trong hệ thống.
Nâng cấp điện áp đòi hỏi tăng vốn đầu tư cho hệ thống điện và kết cấu lưới, do đó cần thực hiện so sánh lựa chọn dựa trên các tiêu chí kinh tế - kỹ thuật.
Điều chỉnh điện áp tại MBA là một yếu tố quan trọng trong hệ thống điện, cho phép tối ưu hóa điện áp làm việc cho đường dây tải điện bằng cách thay đổi đầu phân áp Việc này không chỉ giúp giảm tổn thất mà còn cải thiện sự phân bố công suất trong lưới điện Nếu áp dụng phương pháp điều khiển tối ưu, tổn thất có thể được giảm xuống mức thấp nhất.
Cân bằng CSPK tại nút là điều kiện thiết yếu để đảm bảo chất lượng điện năng Khi xảy ra mất cân bằng CSPK, điện áp tại nút sẽ bị thay đổi Trong hệ thống điện, quá trình truyền tải luôn diễn ra liên tục.
CSPK (kèm theo với CSTD), dòng điện tăng lên, làm tăng cao trị số tổn thất CSTD như công thức (2.1)
Có thể thấy rõ hơn điều này nếu biểu diễn tổn thất CSTD, tổng ∆P gồm 2 thành phần:
Thành phần ∆PQ tỉ lệ với bình phương của CSPK truyền tải, vì thế giảm CSPK truyền tải là biện pháp rất hiệu quả giảm thiểu tổn thất
Các thiết bị bù CSPK thường được lắp đặt tại các phụ tải để phát CSPK vào thanh cái kết nối, giúp giảm lượng CSPK chạy trên đường dây đến nút Khi một đường dây tải công suất S = P + jQ đến phụ tải cuối, tổn thất CSTD có thể được tính theo công thức (2.1) Nếu đặt bù ở cuối đường dây với dung lượng Qb, tổn thất sẽ giảm xuống đáng kể.
Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi
𝑈 2 𝑅 (2.3) Ngoài ra khi giảm truyền tải CSPK điện áp lưới được cải thiện (nâng cao), càng hậu thuẫn thêm cho hiệu quả giảm tổn thất
Điện dung tự nhiên của đường dây hoạt động như các thiết bị bù, phát CSPK vào lưới điện Tuy nhiên, hiệu quả của CSPK này phụ thuộc vào chế độ truyền tải, vì nó được sinh ra tại vị trí cụ thể của đường dây và phân bố dọc theo chiều dài Trong chế độ không tải hoặc non tải, dòng công suất điện dung không được tiêu thụ và có thể dẫn đến tổn thất tăng thêm Tổng CSPK do điện dung tự nhiên của đường dây sinh ra có thể được tính toán bằng một công thức cụ thể.
𝑄 = 𝐵 𝑈 2 (2.4) Trong đó: B là dung dẫn tổng của đường dây chiều dài L (B = ωC0.L); U là điện áp trung bình làm việc của đường dây
Lượng công suất phản kháng (CSPK) của đường dây tỉ lệ với bình phương điện áp làm việc, dẫn đến việc ở các cấp điện áp cao và siêu cao (220; 500kV), công suất này rất lớn Trong chế độ non tải hoặc không tải, công suất điện dung có thể làm tăng điện áp cuối đường dây vượt quá giới hạn cho phép Để khắc phục tình trạng này, người ta thường lắp đặt kháng bù trên đường dây nhằm giữ điện áp tại các nút trong phạm vi cho phép Để tận dụng công suất này, thường chỉ bù một phần công suất điện dung tự nhiên của đường dây, khi đó đường dây sẽ đóng vai trò như một nguồn bù CSPK cho hệ thống.
Điện áp của lưới điện phân phối trung áp (LĐPPTA) thường thấp, dẫn đến công suất do điện dung của đường dây sinh ra rất nhỏ Do đó, công suất phản kháng (CSPK) của phụ tải và tổn thất CSPK trên hệ thống cần được bù đắp bằng các thiết bị bù Các biện pháp giảm thiểu tổn thất trong LĐPPTA là rất cần thiết.
Khi lưới điện hoạt động, tỷ lệ tổn thất điện năng có sự khác biệt lớn do nhiều yếu tố như vốn đầu tư, lịch sử phát triển và quá trình tăng trưởng phụ tải Ngoài việc cải tạo nâng cấp đường dây và thiết bị, các biện pháp bổ sung để giảm tổn thất trong quá trình vận hành thường mang lại hiệu quả đáng kể Một số biện pháp này có thể kể đến là
- Lắp đặt thiết bị bù và điều khiển thiết bị bù (nếu có điều kiện);
- Trang bị các bộ điều áp dưới tải và thiết bị tự động điều áp dưới tải để nâng cao điện áp vận hành
- Tạo các mạch vòng nhằm cung cấp dạng lưới kín vận hành hở và điều khiển điểm cắt
Các giải pháp quản lý nhu cầu điện đã trở thành một xu hướng quan trọng trong những năm gần đây, nhằm giảm thiểu nhu cầu đỉnh và làm phẳng đồ thị phụ tải Điều này không chỉ giúp giảm tổn thất công suất mà còn giảm thiểu tổn thất điện năng.
Biện pháp bù kinh tế là một trong những giải pháp phổ biến và hiệu quả cao cho các thiết bị bù, giúp tối ưu hóa chi phí theo hiệu quả kinh tế Việc lắp đặt thiết bị bù ở vị trí hợp lý có thể giảm đáng kể chi phí tổn thất điện năng hàng năm mà không cần đầu tư lớn Tuy nhiên, LĐPPTA vẫn gặp phải tình trạng tổn thất công suất, điện năng và điện áp lớn, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng, đặc biệt ở các khu vực nông thôn và miền núi do bán kính cung cấp điện rộng.
Phương pháp bù theo yêu cầu kỹ thuật, bao gồm giảm tổn thất công suất và điện năng, cũng như đảm bảo độ lệch điện áp cho phép, đang được nghiên cứu và áp dụng để cải thiện chất lượng điện năng và giảm thiểu tổn thất của LĐPPTA.
4 Giải pháp quản lý nhu cầu điện
4.1 Khái niệm về quản lý nhu cầu điện
Quản lý nhu cầu sử dụng điện năng (DSM) là một tập hợp các giải pháp kỹ thuật, công nghệ, kinh tế, xã hội và điều khiển, nhằm tối ưu hóa việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả và tiết kiệm.
Để đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng, việc đầu tư xây dựng nhà máy điện mới thường được ưu tiên Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của nhu cầu sử dụng điện, gánh nặng tài chính cho ngành điện ngày càng lớn, trong khi nguồn nhiên liệu sơ cấp đang cạn kiệt và ô nhiễm môi trường từ các nhà máy điện ngày càng nghiêm trọng Do đó, DSM (Quản lý nhu cầu điện) được xem là giải pháp cung cấp điện rẻ và sạch nhất DSM không chỉ giúp giảm vốn đầu tư cho các nhà máy điện mới mà còn tiết kiệm tài nguyên và giảm ô nhiễm môi trường Hơn nữa, DSM cung cấp điện năng với giá rẻ và chất lượng cao hơn cho khách hàng Kết quả từ nhiều quốc gia cho thấy DSM có thể giảm ít nhất 10% nhu cầu điện với chi phí chỉ khoảng 0,3 đến 0,5 lần so với chi phí xây dựng nguồn và lưới điện tương ứng, mang lại lợi ích kinh tế và môi trường cho quốc gia, ngành điện và khách hàng.
4.2 Chiến lược của DSM trong hệ thống điện
Giải pháp quản lý nhu cầu điện
4.1 Khái niệm về quản lý nhu cầu điện
Quản lý nhu cầu sử dụng điện năng (DSM) là một tập hợp các giải pháp kỹ thuật, công nghệ, kinh tế, xã hội và điều khiển nhằm tối ưu hóa việc sử dụng điện một cách hiệu quả và tiết kiệm.
Để đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng, việc đầu tư xây dựng nhà máy điện mới thường được ưu tiên Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của nhu cầu sử dụng điện, gánh nặng tài chính cho ngành điện ngày càng lớn, trong khi nguồn nhiên liệu sơ cấp đang cạn kiệt và ô nhiễm môi trường từ các nhà máy điện ngày càng nghiêm trọng Do đó, DSM (Quản lý nhu cầu điện) được xem là giải pháp cung cấp điện rẻ và sạch nhất, giúp giảm bớt vốn đầu tư cho các nhà máy mới, tiết kiệm tài nguyên và giảm ô nhiễm DSM không chỉ cung cấp điện năng với giá rẻ và chất lượng cao hơn cho khách hàng, mà còn có thể giảm ít nhất 10% nhu cầu điện với chi phí chỉ khoảng 0,3 đến 0,5 lần so với chi phí xây dựng nguồn và lưới điện tương ứng, mang lại lợi ích kinh tế và môi trường cho quốc gia, ngành điện và khách hàng.
4.2 Chiến lược của DSM trong hệ thống điện
DSM tập trung vào hai chiến lược chính: nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng và điều chỉnh nhu cầu điện để phù hợp với khả năng cung cấp của hệ thống điện Điều này được thực hiện bằng cách tối ưu hóa đồ thị phụ tải, thay thế thiết bị cũ bằng thiết bị mới hiệu suất cao, và khuyến khích khách hàng cải thiện cách tiêu thụ điện mà không làm giảm chất lượng dịch vụ Thực hiện hiệu quả chương trình DSM sẽ giúp cải thiện hình dáng đồ thị phụ tải, giảm nhu cầu xây dựng nguồn điện mới, giảm tổn thất và tiết kiệm năng lượng.
- Điều khiển nhu cầu điện năng phù hợp với khả năng cung cấp điện:
Giảm điện tiêu thụ vào giờ cao điểm là phương pháp hiệu quả để kiểm soát việc sử dụng điện, đặc biệt là đối với các thiết bị tiêu thụ nhiều năng lượng như bình nước nóng và máy điều hòa nhiệt độ Bằng cách ngăn chặn hoạt động của những thiết bị này trong thời gian cao điểm, chúng ta có thể giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng tối đa trong ngày.
Khuyến khích tiêu thụ điện vào giờ thấp điểm và giờ bình thường nhằm ổn định công suất hệ thống điện và nâng cao hiệu quả kinh tế Các biện pháp bao gồm khuyến khích nhà máy lớn sử dụng thiết bị điện vào ban đêm, các cơ sở sản xuất nước đá hoạt động vào giờ thấp điểm, và hộ gia đình đun nước nóng dự trữ vào ban đêm.
Chuyển tiêu thụ điện vào các giờ cao điểm là một phương pháp hiệu quả nhằm tối ưu hóa việc sử dụng điện Tương tự như việc khuyến khích tiêu thụ điện vào giờ thấp điểm, việc điều chỉnh thời gian sử dụng điện trong giờ cao điểm giúp khách hàng có thể sử dụng các biện pháp giữ nhiệt để làm nước đá hoặc làm mát, đồng thời vẫn đáp ứng được nhu cầu sử dụng thiết bị của họ.
Bảo toàn và tăng cường chiến lược năng lượng bền vững là rất quan trọng cho sự phát triển của một quốc gia Phương pháp này bao gồm việc giảm tải trọng năng lượng tổng thể và điều chỉnh chính sách năng lượng, đồng thời khuyến khích sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời để sưởi ấm và đun nước nóng.
Nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng của hộ tiêu thụ là chiến lược quan trọng nhằm giảm nhu cầu điện năng một cách hợp lý Điều này không chỉ giúp giảm vốn đầu tư cho phát triển nguồn và lưới điện mà còn giảm lượng tiêu thụ điện năng của khách hàng Ngành điện sẽ có cơ hội nâng cấp thiết bị, chủ động đáp ứng nhu cầu phụ tải, giảm tổn thất và nâng cao chất lượng điện năng Chiến lược này bao gồm hai nội dung chủ yếu.
Sử dụng thiết bị điện có hiệu suất cao là một giải pháp hiệu quả nhờ vào sự tiến bộ của khoa học và công nghệ Các nhà chế tạo hiện nay cung cấp nhiều thiết bị điện với hiệu suất tối ưu và tuổi thọ cao, trong khi giá thành không tăng đáng kể Điều này giúp tiết kiệm điện năng trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống, chẳng hạn như trong việc sử dụng thiết bị chiếu sáng.
Học viên Nguyễn Đình Yến Nhi thực hiện các biện pháp nhằm nâng cao hiệu suất, bao gồm: sử dụng động cơ điện và thiết bị điện có hiệu suất cao, cũng như thay thế các thiết bị điện cơ bằng các thiết bị điện tử sản xuất theo tiêu chuẩn hiệu suất cao.
Hạn chế tiêu thụ điện năng vô ích là rất quan trọng, vì việc sử dụng điện hiện nay còn lãng phí Mặc dù mỗi hộ tiết kiệm không nhiều, nhưng tổng lượng điện tiết kiệm lại đáng kể Giải pháp này có vốn đầu tư thấp nhưng mang lại hiệu quả cao Để tiết kiệm điện, có thể chia thành 4 khu vực: i) Khu vực nhà ở: Nên chọn thiết bị chiếu sáng và sinh hoạt có hiệu suất cao, lắp đặt rơle thời gian để giảm thời gian hoạt động vô ích, thiết kế nhà ở thông thoáng để tận dụng ánh sáng tự nhiên, và sử dụng thiết bị công nghệ hiện đại để giảm công suất tiêu thụ ii) Khu vực công cộng: Thiết kế công trình hợp lý giúp tiết kiệm năng lượng cho chiếu sáng, làm mát và sưởi ấm Các quy định về thiết kế xây dựng và sử dụng thiết bị điện sẽ hỗ trợ cho việc tiết kiệm năng lượng trong tương lai.
Việc trang bị thiết bị đóng ngắt tự động cho ánh sáng và nhiệt độ là cần thiết để tiết kiệm năng lượng Thay thế các điều hòa không khí cục bộ bằng hệ thống điều hòa trung tâm giúp giảm tiêu thụ điện và dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ theo nhu cầu Sử dụng ga hóa lỏng hoặc năng lượng mặt trời thay cho hệ thống đun nước và sưởi ấm bằng điện sẽ mang lại hiệu quả kinh tế tốt hơn Trong khu vực công nghiệp, các biện pháp giảm tiêu hao năng lượng bao gồm thiết kế nhà xưởng hợp lý, tối ưu hóa quy trình sản xuất, và sử dụng động cơ điện với bộ điều chỉnh tốc độ Đối với sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng, tổn thất điện năng hiện trên 10%, và việc cải thiện quản lý lưới điện là cần thiết để giảm tổn thất này Hệ thống phân phối điện cần được nâng cấp để giải quyết các vấn đề về thiết bị lạc hậu và cấu trúc lưới phức tạp, đồng thời nâng cao hiệu quả vận hành và quản lý Các giải pháp như nâng cao hệ số công suất và điện áp vận hành sẽ giúp khai thác tiềm năng tiết kiệm điện năng trong lưới điện phân phối.
DSM cải thiện cấu trúc lưới điện, nâng cao chất lượng quy hoạch và thiết kế cải tạo lưới Đồng thời, phát triển và vận hành kinh tế các trạm biến áp, lựa chọn phương thức vận hành hợp lý Tăng cường tuyên truyền và quản lý lưới điện, đồng thời nâng cao chất lượng hệ thống đo.
Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi
Phương pháp bù CSPK và hiệu quả của biện pháp bù CSPK trong giảm tổn thất của LĐPPTA
Một mạch điện có tải là điện trở R và điện kháng X được cung cấp bởi điện áp: u = Um.sint như Hình 2.1
Dòng điện i lệch pha với điện áp u một góc và được tính như sau:
Hình 2.1: Sơ đồ và tham số của mạch điện Đặt i = i' + i" i’ = Im cos sint
Dòng điện i được xác định là tổng của hai thành phần: thành phần i' có biên độ Im cos và cùng pha với điện áp u, và thành phần i" có biên độ Im sin, chậm pha so với điện áp một góc / 2.
Từ hai thành phần i' và i", tính công suất tương ứng là:
Q = U.I.sin gọi là CSPK (2.8) Theo tam giác tổng trở Hình 2.2 có thể viết công thức công suất như sau:
CSPK của một nhánh thể hiện cường độ dao động năng lượng của nhánh đó Tổng hợp của CSTD và CSPK được gọi là công suất biểu kiến, được tính theo biểu thức (2.9) và thể hiện mối quan hệ giữa S, P và Q trong tam giác công suất như Hình 2.2.
Hình 2.2: Tam giác công suất
Các phần tử mang điện cảm và điện dung trong mạng điện có liên quan đến CSPK Công thức tính điện tích được biểu diễn là \$Q = I^2 X = I^2 (\omega L - \omega C) = Q_L - Q_C\$, cho thấy mối quan hệ giữa các phần tử có tính cảm.
(chứa từ trường) tiêu thụ CSPK còn các phần tử có tính dung (chứa điện trường) phát
5.2 Bù CSPK trong hệ thống điện
Trong hệ thống điện, luôn tồn tại các phần tử tiêu thụ và nguồn phát CSPK Các phần tử tiêu thụ bao gồm máy biến áp (MBA), động cơ không đồng bộ, và chúng có mặt trên đường dây điện cũng như ở mọi nơi có từ trường.
Yêu cầu CSPK không thể bị triệt tiêu hoàn toàn, mà chỉ có thể giảm thiểu, vì nó là yếu tố cần thiết để tạo ra từ trường, đóng vai trò trung gian trong quá trình chuyển hóa điện năng.
CSPK trong các phần tử như sau:
- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 70-80%
- Đường dây tải điện và các phụ tải khác 5%
Khả năng phát công suất của các nhà máy điện rất hạn chế, với hệ số công suất cosφ dao động từ 0.8 đến 0.85 Do đó, các máy phát chỉ có thể cung cấp một phần yêu cầu công suất của phụ tải, phần còn lại cần được bổ sung từ các nguồn công suất bù.
Từ phân tích trên cho thấy, việc đáp ứng CSPK cho phụ tải có thể đảm bảo bằng
- Giảm công suất tiêu thụ CSPK của phụ tải Ví dụ như các xí nghiệp công nghiệp, đảm bảo cos của họ ở mức cho phép
Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi
Lắp đặt thiết bị bù CSPK là cần thiết để duy trì sự cân bằng trong hệ thống điện Khi hệ thống thiếu CSPK, việc bù kỹ thuật, hay còn gọi là bù cưỡng bức, trở nên bắt buộc Tuy nhiên, sau khi thực hiện bù cưỡng bức, một lượng CSPK đáng kể vẫn tiếp tục truyền tải trong lưới phân phối trung áp, dẫn đến tổn thất CSTD và điện năng lớn Để giảm thiểu tổn thất này, việc thực hiện bù kinh tế là một giải pháp hiệu quả.
Bù kinh tế chỉ có hiệu quả khi lợi ích kinh tế vượt trội hơn chi phí vận hành và lắp đặt trạm bù Trong các xí nghiệp công nghiệp, việc bù cưỡng bức lượng CSPK là cần thiết để đảm bảo cosφ được phân phối hợp lý, từ đó giảm thiểu tổn thất điện năng.
5.3 Hệ số công suất và quan hệ với bù CSPK
Giả thiết, một phụ tải có tổng trở Z = R + jX được cung cấp bởi điện áp U Dòng điện chạy vào tải đó được tính theo biểu thức sau
Trong đó, IR là thành phần có cùng pha với điện áp, trong khi IX là thành phần phản kháng có độ trễ pha với điện áp là $\frac{\pi}{2}$ Góc giữa điện áp U và dòng điện I được ký hiệu là φ, như được thể hiện trong Hình 2.3.
Hình 2.3: Giản đồ vecto dòng điện
Lấy góc pha điện áp bằng 0, dòng điện là I IR jIX và công suất biểu kiến được xác định theo biểu thức
Như vậy công suất biểu kiến S có hai thành phần: Thành phần thực P và thành phần phản kháng Q, quan hệ giữa S, P và Q như Hình 2.2
𝑆 và được gọi là hệ số công suất Trong đó: P S.cosφ và Q = S.sinφ; Tỷ số Q/P = sinφ/cosφ = tgφ
Hệ số công suất (cosφ) ảnh hưởng đến tỷ lệ CSPK trong tổng công suất tiêu thụ của phụ tải Khi cosφ thấp, nhu cầu tiêu thụ CSPK sẽ tăng lên, và ngược lại.
Khi phân tích hệ thống điện, phụ tải được hiểu là công suất tiêu thụ tổng từ nút thanh cái, bao gồm công suất của các thiết bị điện kết nối vào thanh cái Để giảm công suất tiêu thụ từ nút cung cấp, có thể sử dụng các tụ bù kết nối vào thanh cái như một phần của phụ tải tổng hợp Giả sử tải tiêu thụ ban đầu là \$S_1 = P_{dm} + jQ_{dm}\$ và hệ số công suất tại thời điểm này là \$cos\phi_1 = \frac{P_{dm}}{S_1}\$.
Lắp đặt thiết bị bù, bù một lượng CSPK là 𝑄 𝑏 Khi đó, 𝑆 2 = 𝑃 đ𝑚 +
𝑗(𝑄 đ𝑚 − 𝑄 𝑏 ) và hệ số công suất:
Dễ dàng nhận thấy là cos φ2 > cos φ1 hay thiết bị bù đặt tại thanh cái phụ tải có thể nâng cao hệ số công suất tiêu thụ
Hệ số công suất của phụ tải có thể được cải thiện bằng cách sử dụng động cơ tiêu thụ ít CSPK, chẳng hạn như thay thế động cơ không đồng bộ bằng động cơ đồng bộ, hoặc áp dụng biến tần để điều chỉnh công suất khi tốc độ động cơ thay đổi.
Nhiều thiết bị có thể được sử dụng trong bù công suất phản kháng (CSPK) và trong lưới điện phân phối và truyền tải (LĐPPTA) Tụ bù tĩnh nổi bật với nhiều ưu điểm, giúp giảm tổn thất công suất và điện năng của LĐPPTA Với chi phí thấp, tụ bù tĩnh có khả năng kết hợp giữa phương pháp bù cố định và bù có điều chỉnh, mang lại hiệu quả cao trong việc tối ưu hóa hệ thống điện.
Nguyễn Đình Yến Nhi là học viên thực hiện nghiên cứu về SVC, một thiết bị có nhiều ưu điểm kỹ thuật Tuy nhiên, giá thành cao của SVC là một hạn chế, khiến nó thường chỉ được sử dụng trong các bài toán bù kỹ thuật, chẳng hạn như điều chỉnh điện áp.
Kết luận
Tổn thất công suất và tổn thất điện năng là những chỉ tiêu quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống phân phối điện, đặc biệt do hệ thống này có điện áp thấp và mật độ đường dây lớn Chương này sẽ giới thiệu các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện, vấn đề tổn thất và các phương pháp giảm tổn thất trong lưới điện phân phối Giải pháp điều chỉnh phụ tải (DSM) và thiết bị bù là những phương pháp hiệu quả nhất hiện nay Đối với lưới điện phân phối trung áp, thiết bị bù đang được áp dụng rộng rãi như một giải pháp kỹ thuật chính.
Nhiều thiết bị bù đã được giới thiệu và đánh giá, trong đó tụ bù tĩnh với hai phương thức bù cố định và bù điều chỉnh có cấp là lựa chọn phù hợp cho LĐPP Phương thức bù cứng bằng tụ điện là giải pháp tối ưu cho LĐPPTA nhờ chi phí đầu tư thấp, công suất phản kháng lớn và ít biến động Việc lựa chọn vị trí và dung lượng bù nhằm giảm thiểu tổn thất công suất và điện năng, đồng thời đảm bảo các thông số chế độ của LĐPP trong mọi chế độ vận hành là một bài toán phức tạp Chương tiếp theo sẽ trình bày phương pháp tính toán bù trong LĐPPTA, mô hình toán và chương trình tính.
CHƯƠNG 3: BÙ CSPK TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP XÉT ĐẾN XÁC XUẤT CỦA TẢI
Bù CSPK mang lại nhiều lợi ích cho LĐPP, bao gồm giảm chi phí đầu tư cho đường dây và thiết bị đóng cắt nhờ vào việc giảm dòng truyền tải trên hệ thống Ngoài ra, nó còn cải thiện độ lệch điện áp, giảm tổn thất công suất và điện năng Tùy theo mục đích cụ thể, có thể chia ra thành hai giải pháp bù CSPK.
- Bù kỹ thuật để nâng cao điện áp vận hành bởi khi thiếu CSPK điện áp sẽ thấp
Khi nguồn cung cấp CSPK không đủ, việc bù CSPK cưỡng bức trở thành giải pháp duy nhất Nếu nguồn có khả năng cung cấp CSPK, bù CSPK sẽ giúp nâng cao điện áp, giảm tổn thất và cạnh tranh hiệu quả với các biện pháp khác như tăng tiết diện dây hoặc điều áp dưới tải.
Bù kinh tế giúp giảm tổn thất công suất và điện năng, đồng thời nâng cao hệ số công suất cosφ Giải pháp này không chỉ cải thiện hiệu quả kinh tế của hệ thống mà còn tăng cường điện áp vận hành Hàm mục tiêu trong bài toán bù kinh tế có thể là tối thiểu hóa chi phí tổn thất điện năng hoặc tổng hợp các yếu tố lợi ích và chi phí được quy đổi thành tiền.
Các yếu tố không thể lượng hoá được và các tiêu chuẩn kỹ thuật thì được thể hiện bằng các ràng buộc và hạn chế
LĐPP chịu tổn thất lớn do điện áp thấp, tiết diện đường dây nhỏ và mật độ phụ tải cao Do đó, chỉ tiêu tổn thất công suất và điện năng được chú trọng trong các bài toán bù, nhằm đảm bảo giới hạn điện áp nút theo yêu cầu Mục tiêu của nghiên cứu này là tối thiểu hóa chi phí tổn thất điện năng, với ràng buộc đảm bảo điện áp vận hành trong mọi chế độ làm việc, tạo thành bài toán bù kinh tế.
Thiết bị bù CSPK
Nhiều thiết bị bù, bao gồm máy phát, máy bù đồng bộ và tụ điện tĩnh Static Var Compensater (SVC), đã được nghiên cứu và giới thiệu trong các nghiên cứu trước đây.
Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi
2.1 Máy phát và máy bù đồng bộ
Khả năng phát CSPK của máy phát trong các nhà máy điện bị giới hạn bởi hệ số công suất cos từ 0.8-0.85 Do yếu tố kinh tế, các máy phát chỉ đáp ứng một phần nhu cầu CSPK của phụ tải, phần còn lại cần được bù đắp bằng các thiết bị khác Hơn nữa, CSPK từ máy phát nguồn phải được truyền tải đến các phụ tải ở cuối đường dây, dẫn đến tổn thất lớn trong hệ thống.
Máy bù đồng bộ có khả năng hoạt động trong cả hai chế độ quá kích thích và thiếu kích thích Trong chế độ quá kích thích, máy bù đồng bộ phát công suất bù định mức (Qbp = Qbdm) Ngược lại, trong chế độ thiếu kích thích, máy bù sẽ tiêu thụ công suất bù.
Máy bù đồng bộ có phạm vi điều chỉnh rộng và khả năng điều chỉnh vô cấp, với công thức \$Qbt = 0.5Qbdm\$ Do đó, máy bù đồng bộ sở hữu những đặc điểm nổi bật.
Máy bù đồng bộ có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng điều chỉnh vô cấp, cho phép bù chính xác theo yêu cầu của tải Ngoài ra, máy bù còn có khả năng phát ra hoặc tiêu thụ công suất phản kháng (CSPK), mang lại sự linh hoạt trong việc quản lý năng lượng.
- Nhược điểm: i) Tổn thất của bản thân tương đối lớn ii) Thời gian vận hành và tuổi thọ ngắn, dễ hư hỏng (do liên tục chuyển động quay)
Tụ điện là thiết bị bù quan trọng trong hệ thống điện, được sử dụng phổ biến với phương thức bù cố định hoặc điều chỉnh có cấp Khi kết hợp với kháng điện điều chỉnh vô cấp, tụ điện có thể tiêu thụ hoặc phát CSPK, như sẽ được phân tích dưới đây.
2.2.1 Tụ bù tĩnh cố định
Thiết bị bù đơn giản nhất là bù CSPK bởi tụ điện tĩnh cố định với các đặc điểm sau:
Tụ điện có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm chi phí thấp hơn so với máy bù đồng bộ, đặc biệt khi dung lượng tăng Tổn thất công suất trong tụ điện rất nhỏ, chỉ khoảng (0.1-0.05)W/kVAr tùy thuộc vào công suất định mức Việc lắp đặt tụ điện cũng rất đơn giản, có thể chia thành nhiều cụm để phân bổ trên lưới phân phối, từ đó nâng cao hiệu quả bù và cải thiện đường cong phân bố điện áp Hơn nữa, việc vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa tụ điện cũng rất dễ dàng.
CSPK có một số nhược điểm quan trọng Thứ nhất, công suất phát ra phụ thuộc vào điện áp làm việc, cụ thể là tỉ lệ với bình phương điện áp, dẫn đến việc khi điện áp giảm, cần tăng bù nhưng công suất lại giảm mạnh Thứ hai, dung lượng bù cố định không thể điều chỉnh, chỉ có thể thực hiện việc đóng cắt.
2.2.2 Tụ bù tĩnh điều chỉnh có cấp
Tụ bù có thể được chế tạo với nhiều mức công suất khác nhau và có khả năng điều chỉnh tự động dung lượng Loại tụ bù này cho phép điều chỉnh dung lượng bù theo từng chế độ vận hành, giúp thiết bị bù thay đổi theo yêu cầu của tải tại các thời điểm khác nhau Mặc dù phương pháp bù CSPK này đáp ứng nhu cầu của tải ở nhiều chế độ làm việc, nhưng đầu tư cao và tăng xác suất xảy ra sự cố Hơn nữa, khả năng điều chỉnh dung lượng chỉ giới hạn ở một số mức công suất, dẫn đến việc không tối ưu khi có sự thay đổi lớn về phụ tải.
Hiện nay, công suất vận hành của LĐPP có sự biến động lớn với hệ số Pmin/Pmax thấp Do đó, việc kết hợp giữa bù cố định và bù điều chỉnh là cần thiết.
Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi
- Bù cố định được tính toán để bù tối thiểu cho mọi chế độ vận hành
Bù điều chỉnh có thể thực hiện thông qua thiết bị điều khiển, cho phép thay đổi dung lượng bù để phù hợp với các chế độ khác nhau của phụ tải, nhằm đáp ứng yêu cầu của CSPK.
2.3 Thiết bị điều chỉnh vô cấp SVC (Static Var Compensater) Để khắc phụ nhược điểm của tụ bù tĩnh điều chỉnh có cấp, SVC (Static Var
Compensater là thiết bị điều chỉnh vô cấp, có khả năng phát hoặc tiêu thụ CSPK với tốc độ điều chỉnh nhanh, tương tự như máy bù đồng bộ Sơ đồ nguyên lý của SVC bao gồm các thành phần như TCR (Thyristor Controlled Reactor), TSC (Thyristor Switched Capacitor) và TSR (Thyristor Switched Reactor), trong đó TCR là bộ kháng điện điều chỉnh bằng thyristor, TSC là bộ tụ điện đóng cắt bằng thyristor, và TSR là bộ kháng điện đóng cắt bằng thyristor.
Hình 3.1:Sơ đồ nguyên lý của SVC
* SVC có các đặc điểm sau:
Thyristor mang lại nhiều ưu điểm nổi bật trong việc điều chỉnh điện áp, bao gồm tốc độ điều chỉnh nhanh chóng, khả năng điều chỉnh vô cấp với hiệu quả bù cao, khả năng tiêu thụ hoặc phát CSPK giúp mở rộng phạm vi điều chỉnh, và tổn thất trong thiết bị rất nhỏ.
Nhược điểm của hệ thống này bao gồm việc có thể gây ra sóng hài trên lưới điện và chi phí đầu tư lớn Do đó, nó thường được sử dụng để bù kỹ thuật, như điều chỉnh điện áp của lưới điện truyền tải, nhưng không mang lại hiệu quả kinh tế trong lĩnh vực điện lực.
Khi động cơ đồng bộ làm việc với hệ số công suất vượt trước thì có thể phát
CSPK có thể được sử dụng làm nguồn phát, với động cơ có khả năng điều chỉnh CSPK tương tự như máy bù đồng bộ, mang lại những đặc điểm nổi bật.
Phương pháp bù trong LĐPP
LĐPPTA bao gồm các đường dây trung áp kết nối với các TBA phân phối để cung cấp cho các đường dây hạ áp Việc phân phối dung lượng bù cần được xác định giữa LĐPPTA và LĐPPHA để tối ưu hóa hiệu quả, vì chi phí đầu tư cho tụ điện áp cao (6-35kV) thấp hơn so với tụ điện hạ áp (220V hoặc 380V) Tuy nhiên, hệ thống đóng cắt và bảo vệ của tụ điện cao áp phức tạp hơn, đặc biệt khi sử dụng các bộ tụ có thể điều chỉnh dung lượng Trong LĐPPHA, việc điều chỉnh dung lượng bù của tụ điện hạ áp có thể thực hiện đơn giản bằng các công tắc tơ và bộ điều khiển, trong khi đó, việc điều chỉnh dung lượng bù trong LĐPPTA phức tạp hơn do yêu cầu sử dụng máy cắt hoặc SVC, dẫn đến chi phí đầu tư cao hơn.
Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi
Công suất vận hành của LĐPP hiện nay có sự biến động lớn giữa chế độ công suất cực đại và cực tiểu, dẫn đến hệ số Pmin/Pmax rất thấp Do đó, việc kết hợp bù cố định và bù điều chỉnh trong cả LĐPPTA và LĐPPHA là cần thiết.
Bù cố định được thiết kế để đảm bảo bù tối thiểu cho tất cả các chế độ vận hành, tập trung vào một số điểm trên trục chính trung áp Điều này giúp tận dụng chi phí đầu tư thấp của tụ điện tĩnh cao áp.
Bù điều chỉnh có cấp là thiết bị điều khiển giúp thay đổi dung lượng bù để đáp ứng CSPK cho các chế độ khác nhau của phụ tải Tụ bù được lắp đặt phân tán tại các TBA phân phối hạ áp hoặc trên các đường dây hạ áp, giúp giảm chi phí đầu tư cho thiết bị đóng cắt và giảm tổn thất công suất cũng như tổn thất điện năng nhờ vào khả năng bù sâu hơn Hơn nữa, với công suất nhỏ của các bộ tụ bù hạ áp, việc điều chỉnh có cấp với dung lượng nhỏ có thể đáp ứng linh hoạt yêu cầu thay đổi của các chế độ tải.
Các phương pháp tính toán trong LĐPP
4.1 Bù CSPK nâng cao hệ số cos 𝝋
Thiết bị bù cung cấp CSPK cho các phụ tải giúp giảm lượng CSPK phải truyền tải trên đường dây, từ đó nâng cao hệ số cosφ và giảm tổn thất của hệ thống Tuy nhiên, biện pháp này không làm giảm lượng CSPK tiêu thụ của các hộ phụ tải mà chỉ giảm lượng CSPK truyền tải Do đó, chỉ khi các biện pháp nâng cao cosφ tự nhiên không đạt yêu cầu, mới nên xem xét việc lắp đặt thiết bị bù.
Để nâng cao hệ số công suất từ cos1 lên cos2 (với cos2 > cos1) cho hộ tiêu thụ điện, dung lượng bù cần được xác định theo công thức cụ thể.
Phụ tải tính toán của hộ tiêu thụ điện được ký hiệu là P và có đơn vị là kW Góc ứng với hệ số trung bình trước khi bù được ký hiệu là 1 (cos1), trong khi góc ứng với hệ số công suất mong muốn được ký hiệu là 2.
(cos2) sau khi bù = 0.91 là hệ số xét tới khả năng nâng cao cos bằng những phương pháp không đòi hỏi đặt thiết bị bù (phương pháp tự nhiên)
Hệ số công suất cosφ thường được quy định bởi cơ quan quản lý hệ thống điện cho mỗi hộ tiêu thụ, với giá trị nằm trong khoảng 0.8 đến 0.95 Khi hệ số công suất vượt quá 0.95, tổn thất công suất chủ yếu do thành phần CSTD gây ra, khiến việc tăng hệ số công suất trở nên không hiệu quả Đối với các hộ dùng điện, dung lượng bù có thể được xác định dựa trên quan điểm tối ưu về tổn thất CSTD của từng phụ tải, giúp tiết kiệm một lượng điện năng đáng kể.
- kkt là đương lượng kinh tế của CSPK-kW/kVAr (lượng CSTD-kW tiết kiệm được khi bù 1 kVAr CSPK và được tính như biểu thức (3.3)
Trong biểu thức (3.3), lượng giảm tổn thất CSTD do CSPK gây ra khi đặt một đơn vị công suất bù kW/kVAr được ký hiệu là P, trong khi Q đại diện cho CSPK của hộ tiêu thụ tính bằng kVAr.
Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi
𝑈 2 (3.4) Giá trị của kkt = 0.02-0.12 kW/kVAr phụ thuộc vào phương thức cấp điện của hệ thống như trên bảng sau
Bảng 3.1: Giá trị của kkt theo phương thức cấp điện
- kb là suất tổn thất CSTD trong thiết bị bù, kW/kVAr Đối với thiết bị bù là tụ điện, kb = 0.0030.005kW/kVAr
Khi đó, P = f(Qb) và có thể tìm được dung lượng bù tối ưu ứng với P cực đại là:
Từ biểu thức (3.4) rút ra thành phần U2/2R và biểu thức (3.5) xác định được dung lượng bù tối ưu như biểu thức sau
Công suất bù tối ưu (Qbopt) có thể không trùng với Qb được tính theo biểu thức
Bù với Qbopt mang lại lợi ích kinh tế cho các hộ tiêu thụ, nhưng để đảm bảo lợi ích chung cho toàn hệ thống điện, nhà nước thường quy định hệ số công suất tiêu chuẩn mà các hộ tiêu thụ phải đạt Mặc dù vậy, hệ số cosφ tiêu chuẩn này có thể không phải là tối ưu cho từng hộ dùng điện cụ thể.
Trong thực tế, phương pháp nâng cao hệ số công suất được sử dụng rộng rãi để tính dung lượng bù do tính đơn giản và dễ áp dụng Tuy nhiên, việc phân phối dung lượng bù trong lưới điện phân phối (LĐPP) để đạt hiệu quả kinh tế tối ưu là một thách thức lớn, thường dựa trên nguyên tắc giảm thiểu tổn thất công suất (CSTD) do công suất phản kháng (CSPK) gây ra Tại các xí nghiệp công nghiệp, mạng điện thường có cấu trúc hình tia hoặc phân nhánh, điều này giúp cho việc phân phối dung lượng bù theo nguyên tắc trên trở nên dễ dàng hơn.
4.2 Cực tiểu tổn thất công suất
Giải tích lưới điện giúp tính toán phân bổ công suất cho từng chế độ xác lập, từ đó xác định điện áp tại các nút và tổn thất công suất thực (\$\Delta P\$) và công suất phản kháng (\$\Delta Q\$) của hệ thống.
[9][10][11][12] Trong đó tổn thất công suất của nhánh i của mạng điện được xác định theo biểu thức sau:
Trong đó: Si = Pi + jQi là công suất đi vào nút i trên nhánh i, kVA Zi = Ri + jXi là tổng trở của nhánh,
Khi đặt một giá trị bù Qi vào nút i, các biểu thức tính tổn thất công suất là:
Sử dụng các hàm mục tiêu Pi và Qi với biến Qbi trong bài toán bù tối ưu CSPK nhằm giảm thiểu tổn thất điện năng theo tiêu chí tối thiểu tổn thất CSTD.
Bài toán tối ưu hóa giá trị Qbi tại các nút i nhằm giảm thiểu $\Delta P(Qbi)$ với các ràng buộc điện áp tại các nút phải đạt gần giá trị định mức Đồng thời, các điều kiện biên của công suất bù cần được tuân thủ, cụ thể là $Qb_{min} \leq Qb \leq Qb_{max}$ Hơn nữa, các ràng buộc về cân bằng công suất tại các nút và giới hạn công suất của thiết bị cũng phải được đảm bảo để duy trì hoạt động ổn định của hệ thống Phương pháp này có những đặc điểm nổi bật.
- Ưu điểm: Bài toán hội tụ nhanh với qui mô lớn, sử dụng nhiều ràng buộc đảm bảo yêu cầu vận hành của hệ thống
Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi
- Nhược điểm: Chưa nhận xét đến chi phí đầu tư của thiết bị nên chưa đánh giá được đầy đủ hiệu quả kinh tế của phương án đầu tư
4.3 Theo điều kiện chỉnh điện áp
Trước khi bù tổn thất điện áp trong mạng là [6][21]:
100𝑈 𝑛 2 ∑(𝑃 𝑖 𝑅 𝑖 + 𝑄 𝑖 𝑋 𝑖 ) (3.11) Trong đó: lấy cho toàn đường dây
Sau khi bù tổn thất điện áp giảm đi một lượng hay đưa thêm vào đầu nguồn một độ tăng điện áp Ub (Ek)
100𝑈 𝑛 2 𝑄 𝑏 ∑ 𝑋 𝑖 (3.12) Trong đó: lấy điểm đặt bù
Vì vậy, tổn thất điện áp sau khi bù là U' = U - Ub
Khi đó, Qb được xác định với đường dây cùng tiết diện là:
𝑋 kVAr (3.13) Trong đó: X là điện kháng của đường dây tính đến điểm đặt bù,
Nếu công suất cần bù lớn có thể chia ra làm nhiều điểm đặt bù với phương trình
Trên cơ sở phân tích, so sánh các phương án sẽ lựa chọn được địa điểm đặt dung lượng bù hợp lý
Tụ bù điện có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm tính toán đơn giản giúp xác định dung lượng tụ dễ dàng khi biết lượng tăng thêm của điện áp Việc đặt bù theo điều kiện điện áp cho phép bù sâu, từ đó giảm đáng kể tổn thất trong mạng Hơn nữa, tụ bù có thể kết hợp với việc chọn nấc điều chỉnh ở MBA để đạt được dung lượng bù tối ưu nhất.
Nhược điểm của hệ thống bao gồm: i) Điểm đặt bù phân tán, gây khó khăn trong việc vận hành và điều chỉnh dung lượng; ii) Với lưới điện phân phối (LĐPP) có nhiều nút và nhánh, số phương án đặt bù lớn, làm cho việc tìm ra giải pháp tối ưu về điểm đặt bù và dung lượng trở nên phức tạp; iii) Không xem xét yếu tố kinh tế trong việc lắp đặt tụ.
4.4 Phương pháp bù kinh tế
Trước hết cần phân biệt bài toán bù CSPK trong lưới điện truyền tải (LĐTT) và
Trong lĩnh vực LĐTT, bài toán bù thường được chú trọng hơn, với mục tiêu đảm bảo điện áp nút và nâng cao giới hạn ổn định, được gọi là bù kỹ thuật Bài toán bù kinh tế ít được đề cập trong LĐTT, hoặc chỉ được xem như một khả năng kết hợp với bù kỹ thuật, do tỷ lệ tổn thất trong LĐTT tương đối thấp, chỉ từ 2-4%, và có nhiều nguồn cung cấp.
CSPK (máy phát, các đường dây cao áp với CSPK tự nhiên)
Trong LĐPP, tỉ lệ tổn thất điện năng cao hơn 5%, với lưới hình tia xa nguồn và việc nhận CSPK từ LĐTT qua trạm trung gian rất hạn chế Công suất điện dung tự nhiên từ các đường dây trung áp là không đáng kể, do đó cần có biện pháp bù đắp.
CSPK giúp giảm thiểu tổn thất do không cần truyền tải qua lưới, nhưng vị trí đặt bù có hiệu quả khác nhau Do đó, việc xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu là rất quan trọng, với nhiều dạng bài toán được đặt ra.
4.4.1 Cực đại hóa lợi nhuận