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

Sự xuất hiện của các khu công nghiệp đòi hỏi sự tiêu thụ công suất phản kháng tăng lên nhanh chóng, điều đó làm tăng tổn thất điện năng, công suất và chi phí truyền tải điện năng, giảm h

MỞ ĐẦU

Cùng với quá trình Công nghiệp hoá và hiện đại hoá Đất nước, nhu cầu phụ tải không ngừng gia tăng Sự xuất hiện của các khu công nghiệp đòi hỏi sự tiêu thụ công suất phản kháng tăng lên nhanh chóng, điều đó làm tăng tổn thất điện năng, công suất và chi phí truyền tải điện năng, giảm hiệu quả sử dụng mạng điện, đồng thời làm giảm hệ số công suất cos và chất lượng điện năng Sự tăng tổn thất do suy giảm hệ số cos buộc các nhà kinh doanh điện năng phải áp dụng bảng giá phạt đối với các hộ dùng điện có hệ số cos thấp Chính vì vậy nhiệm vụ bù công suất phản kháng được đặt ra không chỉ đối với hệ thống điện, mà cả các hộ dùng điện

Đề tài “Tính toán lựa chọn vị trí, số lượng, dung lượng thiết bị bù hợp lý trong

lưới điện phân phối ” được thực hiện nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách nói trên.

Khác với công suất tác dụng, công suất phản kháng trong hệ thống điện được sản sinh ra cũng như được tiêu thụ dưới rất nhiều hình thức Một số phần tử hệ thống điện chỉ tiêu thụ công suất phản kháng, một số khác vừa tiêu thụ vừa có thể sinh ra công suất này Sự tiêu thụ và tạo ra công suất phản kháng thay đổi phụ thuộc

vào nhiều yếu tố khác nhau Vấn đề “bù công suất phản kháng” là một vấn đề hết

sức phức tạp, liên quan đến rất nhiều tham số chế độ cũng như các tham số hệ thống, mà không ngừng biến đổi theo thời gian Đã có nhiều tác giả áp dụng các kết quả nghiên cứu của các nước khác nhau trong việc giải bài toán bù công suất phản kháng Tuy nhiên, đối với mạng điện phân phối nước ta, vấn đề bù công suất phản kháng mới chỉ được đề cập đến ở một số khảo sát, đánh giá Các cụm tụ bù được xây dựng một cách tự phát, chưa có những nghiên c ứu và tính toán một cách khoa học, nên sự làm việc của các thiết bị bù chưa mang l ại hiệu quả đáng kể, thậm chí

có một số nơi khi các thiết bị bù làm việc trong mạng thì lại dẫn đến tăng tổn thất và giảm chất lượng điện Trong khi thị trường công suất phản kháng ở nhiều nước trên thế giới diễn ra hết sức sôi động, thì ở nước ta công suất phản kháng chưa thực sự được coi là một dạng hàng hoá mà mới được trao đổi dưới dạng phạt hệ số cos Theo nghị định số 45/2001/NĐ-CP của chính phủ về việc sử dụng điện, nếu khách

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

hàng dùng điện với hệ số cos nhỏ hơn 0,85 thì sẽ phải trả thêm tiền mua điện năng tác dụng theo một hệ số phạt k luỹ tiến (hệ số cos càng nhỏ thì hệ số k càng lớn) Tuy nhiên trong thực tế vấn đề phạt hệ số cos thấp diễn ra hết sức tuỳ tiện và thiếu thống nhất Điều đó cũng dễ hiểu vì thực tế cái mốc phạt cos nhỏ hơn 0,85 đƣợc đặt ra chƣa dựa trên cơ sở tính toán khoa học Mặt khác khi khách hàng có hệ số cos lớn hơn mức quy định thì lại chƣa đƣợc đề cập đến…

Đề tài sẽ tính toán và đề xuất mô hình bù công suất phản kháng, các tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điện

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG

LƯỚI ĐIỆN PHÂN P HỐI

1 Sự tiêu thụ công suất phản kháng của các thiết bị :

Như đã biết, các thiết bị điện từ khi làm việc sẽ tiêu thụ từ lưới một dòng điện bao gồm các thành phần: phụ tải, tổn thất, dòng điện tản (dòng rò) và dòng từ hoá Tức là cùng với việc tiêu thụ một lượng công suất tác dụng để sinh công, các thiết bị điện còn tiêu thụ một lượng công suất phản kháng Lượng công suất phản kháng mà các thiết bị điện tiêu thụ phụ thuộc vào đặc tính của chúng, các động cơ không đồng bộ, máy biến áp vv… là những thiết bị tiêu thụ nhiều công suất phản kháng Theo số liệu thống kê, thì lượng công suất phản kháng do động cơ không đồng bộ tiêu thụ chiếm tỷ trọng lớn nhất (khoảng 65 75%), tiếp theo là máy biến áp khoảng 15 20% và các đường dây 5 8%

Mức độ tiêu thụ công suất phản kháng được đánh giá bởi hệ số công suất, mà được xác định bởi tỷ số giữa công suất tác dụng (P) và công suất biểu kiến (S) cos =P/S

cos =

UI

P S

r

x

A A

Trong đó:

Ar, Ax - điện năng tác dụng và phản kháng trên thanh cái trạm biến áp

P – công suất tác dụng;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Để thuận tiện cho việc phân tích và tính toán, đôi khi người ta thường dùng khái niệm hệ số tg thay cho hệ số cos , đó là tỷ lệ giữa công suất phản kháng và công suất tác dụng: tg = Q/P Tuy nhiên hệ số tg chỉ áp dụng trong các bước tính

trung gian, kết quả cuối cùng lại được chuyển về hệ số cos tương ứng

Khi cos của thiết bị điện càng lớn, tức là mức độ tiêu thụ công suất phản kháng càng bé, vì vậy làm cho mức độ yêu cầu về Q từ lưới ít, nó góp phần cải thiện chế độ làm việc của lưới Hệ số cos của các hộ tiêu thụ lại phụ thuộc vào chế

độ làm việc của các phụ tải điện Khi hệ số cos thấp sẽ dẫn đến sự tăng công suất phản kháng, sự truyền tải công suất phản kháng trong mạng điện làm giảm sút các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật của mạng điện như:

a) Làm tăng tổn thất công suất và tăng đốt nóng dây dẫn

Tổn thất công suất trong mạng điện được xác định theo biểu thức

R U

Q P R I

2 2 2

Khi truyền tải điện năng trong mạng điện cao áp do điện trở phản kháng lớn nên thành phần tổn hao công suất phản kháng thường lớn hơn thành phần tổn thất công suất tác dụng Đặc biệt đối với máy biến áp thành phần tổn thất công suất phản kháng chiếm tỷ lệ rất lớn Chẳng hạn đối với máy 320 kVA 10/0,4 thì P%= 2,4 còn Q% = 3,2

b) Tăng tiết diện dây dẫn

Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng cho phép, tức là phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng Dòng điện chạy qua dây dẫn và máy biến áp được xác định :

U

Q P U

S I

3 3

2 2

(1.3)

Từ biểu thức trên chúng ta nhận thấy: Với cùng một điều kiện phát nóng nhất định của đường dây và máy biến áp với P = const, nếu tăng lượng công suất phản kháng Q buộc phải tăng tiết diện dây dẫn, do đó sẽ làm tăng chi phí của mạng điện Theo số liệu tính toán, khi hệ số công suất giảm 20% (từ 1 xuống 0,8) thì lượng tổn thất công suất tăng lên khoảng 1,56 lần và khối lượng dây dẫn tăng lên 25% Ví dụ minh hoạ dưới đây cho thấy ảnh hưởng của hệ số cos đối với sự thay đổi của công suất toàn phần

Kết quả tính toán ở ví dụ trên cho thấy khi hệ số cos giảm từ 1 xuống 0,7 thì giá trị công suất toàn phần tăng lên 1,41 lần

c) Làm hạn chế khả năng truyền tải công suất tác dụng

Cũng từ biểu thức (1.3) trên ta thấy, nếu vẫn giữ dòng I=const thì khi Q tăng buộc phải giảm P để đảm bảo điều kiện đốt nóng cho phép của các phần tử hệ thống điện Còn nếu vẫn giữ nguyên giá trị P = const thì nếu công suất phản kháng quá lớn sẽ có thể gây quá tải cho các thiết bị điện vì công suất toàn phần S phải tăng lên Điều đó sẽ làm giảm tuổi thọ thậm chí có thể phá huỷ thiết bị Việc giảm công suất tác dụng sẽ làm giảm hiệu suất truyền tải của mạng điện

d) Giảm chất lượng điện

Tăng công suất phản kháng sẽ làm giảm chất lượng điện do tổn thất điện áp tăng

và do dao động điện áp khi công suất phản kháng thay đổi Như đã biết, tổn thất điện áp được xác định bởi biểu thức

x

r U

U U

QX PR

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Thành phần tổn thất phản kháng Ux tỷ lệ thuận với công suất phản kháng Việc tăng công suất Q sẽ làm tăng đáng kể tổn thất điện áp, do đó làm giảm chất lượng điện Điều đó làm tăng thêm chi phí do phải trang bị các cơ cấu điều chỉnh điện áp trong hệ thống Khi chất lượng điện giảm quá mức cho phép sẽ dẫn đến sự thay đổi chế độ làm việc của các phần tử hệ thống điện Sự thay đổi này có thể làm giảm năng suất của các thiết bị gây thiệt hại về kinh tế cho các ngành sản xuất

2 Hiện trạng bù công suất phản kháng:

2.1.Tình hình bù công suất phản kháng ở Việt Nam

2.1.1 Lưới điện phân phối và hệ số công suất cos

Sơ đồ mạng điện ở các địa phương có dạng như trên hình 1.1 Nguồn cấp là từ thanh cái trạm 110 kV, 220 kV hay thanh cái phía cao áp của nhà máy điện bằng đường dây tải điện theo cơ cấu mạch vòng hay hình tia dẫn điện đến khu vực phụ tải điện áp được hạ xuống 35 kV, 22 kV hay 10 kV, 6 kV Nếu là 35 kV thì tồn tại các đường dây 35 kV đi sâu tới phụ tải hơn và tại đó hạ xuống 22kV, 10 kV hay 6

kV Từ thanh cái 22 kV, 10 kV, 6 kV hình thành các đường dây phân phối hình tia, cũng có thể là mạch vòng nhưng khi vận hành vẫn để ở chế độ hình tia Từ các đường dây này theo điểm phụ tải đấu đến các máy biến áp hạ xuống điện áp hạ thế 400/220 V để cấp điện cho các phụ tải hạ thế Sau trạm hạ áp hình thành các đường dây hạ thế có cấu trúc hình tia dẫn điện đến từng hộ tiêu thụ

Hình 1.1 Sơ đồ lưới điện

110 kV,220 kV

35 kV

6 22kV

0,4 kV

Trong sơ đồ cấp điện nêu trên, hệ số công suất cos và bù công suất phản kháng được đề cập đến ở từng cấp điện áp Qua khảo sát thực tế tại một số Điện lực tỉnh, các giá trị cos ở các cấp điện áp thể hiện khá rõ nét như sau:

- Tại các cấp điện áp 35 kV trở lên hệ số công suất cos có giá trị thường từ 0,85 trở lên Trường hợp nguồn cấp là nhà máy điện, ví dụ như tại Điện lực Ninh Bình thì cos có giá trị khoảng 0,85; còn trường hợp nguồn cấp là thanh cái trạm 110kV, 220kV thì cos có giá trị cao hơn, thậm chí tới 0,92 0,95 Cũng chính vì vậy mà cos có giá trị tại các đầu nhánh đường dây cấp 22kV,10kV, 6kV cũng cao, không dưới 0,85 Do vậy các nhà quản lý Điện lực cấp tỉnh tự cảm nhận là hệ số cos dường như không có vấn đề gì

- Tại cuối các nhánh đường dây cấp 22kV,10kV, 6kV giá trị cos không còn cao nữa Các máy biến áp hạ áp 22kV,10kV, 6kV xuống 0,4 kV trong nhiều trường hợp vận hành non tải nên giá trị cos đầu ra đường dây điện hạ thế bị tụt xuống Và

xa hơn nữa tại đầu vào của các hộ phụ tải điện áp hạ thế 0,4 kV giá trị cos khá thấp do chính các phụ tải điện (đồ điện) như quạt, điều hoà nhiệt độ, đèn Neon, tủ lạnh, có giá trị cos thấp, tiêu thụ nhiều công suất phản kháng Từ cuối các nhánh đường dây cấp 22kV,10kV, 6kV và toàn bộ phía hạ thế do điện lực của các chi nhánh quản lý, họ chủ yếu quan tâm đến cung cấp điện liên tục và thu tiền điện, ít quan tâm đến chất lượng điện áp

Thực tế là do các giá trị cos từ cuối các nhánh đường dây c ấp 22kV,10kV, 6kV và toàn bộ phía hạ thế thấp dẫn đến phải tải công suất phản kháng để đáp ứng cho nhu cầu phụ tải Điều đó dẫn đến tổn thất công suất trên các đường dây lớn, tổn thất điện áp lớn, làm giảm điện áp tại hộ tiêu thụ, không đảm bảo chất lượng điện năng

Các vấn đề trình bày về chất lượng điện năng nêu trên nói chung ít được quán triệt ở các Điện lực và các chi nhánh, nên vấn đề bù công suất phản kháng rất ít được quan tâm Chỉ một vài Điện lực như Hà Nội, Hải Dương, Nam Định v.v… các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

lãnh đạo quan tâm tới vấn đề này thì công việc bù công suất phản kháng có được thực thi tốt hơn, tuy chưa triệt để; còn đại bộ phận các Điện lực tỉnh việc quan tâm đến vấn đề bù công suất phản kháng là rất ít, hoặc có chăng thực thi một cách

“cưỡng chế” do theo yêu cầu hoặc theo nghị định của Tập đoàn Điện lực Việt Nam

- Các xí nghiệp sử dụng điện công suất lớn, điện áp trung-cao thế có hệ số công suất cos thấp dưới 0,85 (do qui định của Tập đoàn Điện lực Việt Nam ) thường tiến hành lắp đặt tụ bù để tránh không bị phạt cos Các xí nghiệp công suất điện nhỏ hay khu cơ quan hành chính, khu dân cư hầu như không hề đề cập đến bù công suất phản kháng vì ý thức và quan trọng hơn cả là họ không phải đóng tiền tiêu thụ công suất phản kháng mà chỉ đóng tiền điện qua công tơ điện ( tức là chỉ đóng tiền điện tiêu thụ công suất tác dụng)

Các nhận xét chung nêu trên về cos và bù công suất phản kháng nêu trên đựơc thể hiện cụ thể qua điều tra thực tế Trong phạm vi đề tài, tôi đã tiến hành khảo sát tình hình cos và bù công suất phản kháng tại Điện lực tỉnh Hải Dương

2.1.2 Thực trạng làm việc của các thiết bị bù

Nhìn chung, đại đa số các thiết bị bù công suất phản kháng hiện tại không có

cơ cấu tự động điều chỉnh, vì vậy ở một số nơi vào giờ thấp điểm có hiện tượng dòng công s uất phản kháng chạy ngược, làm tăng tổn thất và quá áp c ục bộ Vị trí đặt thiết bị bù thường được chọn sao cho dễ vận hành chứ không xét đến hiệu quả kinh tế của thiết bị, vì vậy chưa tận dụng được hiệu quả làm việc của thiết bị, dẫn đến sự lãng phí Tuổi thọ của thiết bị bù thường thấp hơn nhiều so với giá trị quy định của nhà sản xuất vì điều kiện làm việc của thiết bị chưa phù hợp Đa số các trường hợp hỏng tụ do bị nổ một pha Nguyên nhân chủ yếu là do phần lớn tụ bù không có bộ lọc sóng hài, mà thông thường sự xuất hiện của sóng hài đồng thời với

sự mất đối xứng, do đó dẫn đến một trong các pha bị quá nhiệt cục bộ, làm nổ tụ

Để bảo vệ tụ bù và nâng cao tuổi thọ của chúng cần phải có sự nghiên cứu, phân tích, áp dụng các thiết bị bảo vệ phù hợp như bộ lọc sóng hài và các thiết bị giảm ảnh hưởng của sóng hài khác

Trên cơ sở phân tích hiện trạng sử dụng điện và hệ số công suất của mạng điện ở một số khu vực ta rút ra một số nhận xét sau:

1 Chế độ vận hành lưới phân phối chủ yếu là vận hành hở

2 Một thiết bù công suất phản kháng có thể đáp ứng cả ba chức năng là điều chỉnh công suất, điều chỉnh điện áp và cân bằng pha

3 Việc bù công suất phản kháng trong lưới phân phối là bù rải trên các xuất tuyến trung áp

4 Trong thực tế vận hành, đồ thị thay đổi không bằng phẳng Do vậy cần phải xác định vị trí, dung lượng, thời gian đóng cắt của tụ

2.2 Vấn đề bù công suất phản kháng ở một số nước trên thế giới

Vấn đề bù công suất phản kháng để là giải pháp giảm tổn thất điện năng rất được coi trọng ở các nước tiên tiến Giải pháp này được quan tâm ngay từ khâu thiết

kế, lựa chọn thiết bị và dây chuyền công nghệ sản xuất Mạng điện ở hầu hết các nước phương Tây đều có trang bị tụ bù để nâng cao hệ số công suất Việc đặt thiết

bị bù được thực hiện theo một số phương án cơ bản sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.1 Các phương án đặt thiết bị bù công suất phản kháng

1) Thiết bị bù lớn đặt trên thanh cái trạm biến áp hoặc tại các điểm nút của mạng điện (hình a) Phương án này cho phép giám sát và vận hành dễ dàng thiết bị

bù, tuy nhiên tổn thất trên đoạn từ thanh cái 1 đến các thiết bị dùng điện không giảm

vì ở đoạn này vẫn có dòng công suất phản kháng của phụ tải chạy qua Thêm vào

đó, khi phụ tải phản kháng nhỏ thì có thể sẽ xẩy ra hiện tượng dư thừa công suất bù

Vì vậy đối với phương án này người ta thường phải trang bị thêm hệ thống tự động điều chỉnh dung lượng tụ bù

2) Thiết bị bù tĩnh đặt trong tủ phân phối của nhóm thiết bị dùng điện (hình b) Phương án này cho phép giảm tổn thất trên đoạn dây từ thanh cái trạm biến áp đến

tủ phân phối của các nhóm thiết bị dùng điện, tuy nhiên hệ số công suất phụ thuộc vào số lượng thiết bị dùng điện Trong trường hợp có ít động cơ trong nhóm thì vẫn

a)

1

2

M M M M 3

b)

1

2

M M M M 3

c)

1

2

M M M M 3

có khả năng dư thừa công suất phản kháng Vì vậy đối với phương án này cũng cần phải trang bị thêm hệ thố ng tự động điều chỉnh dung lượng tụ bù

3) Thiết bị bù tĩnh đóng cắt ngay trên đầu vào của các thiết bị dùng điện (hình c) Theo phương án này một công tắc tơ sẽ điều khiển cả động cơ và tụ bù Khi động cơ không làm việc thì tụ bù cũng sẽ được cắt khỏi mạng, do đó sẽ không cần đến các thiết bị điều khiển

Thường thì các cụm tụ bù không điều chỉnh được áp dụng nếu công suất tụ chỉ chiếm 15% công suất của máy biến áp, còn nếu công suất tụ lớn hơn 15% công suất máy biến áp thì cần phải đặt thiết bị bù có tự động điều chỉnh

Để bảo vệ cho thiết bị bù người ta thường dùng bộ lọc sóng hài lắp nối tiếp với

Thiết bị tự động điều chỉnh hệ số công suất AFPC (Automatic Power Factor Controller) có tên gọi là POWERWARE được áp dụng khá rộng rãi ở các nước tiên tiến Đây là loại thiết bị tự động điều chỉnh hệ số công suất có gắn bộ vi xử lý, cho phép duy trì giá trị hệ số công suất cao nhất ở mọi thời điểm trong ngày

Công ty lưới điện Quốc gia NGC (National Grid Company) Hoa Kỳ đã tiến hành một số nghiên cứu bù và kinh doanh công suất phản kháng Công suất phản kháng được định giá theo từng khu vực Giá thành điện năng phản kháng được tính trung bình khoảng 2,4 $/MVArh Tại Canada, các nghiên cứu về bù công suất phản

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

kháng được tiến hành bởi ESO (Electric System Operator) và EMO (Electric Market Operator) Tất cả các máy phát trên 10 MW đều được nối với hệ thống điện

mà được kiểm soát bởi IESO (Indepedent Electric System Operator) Yêu cầu về hệ

số công suất ở hệ thống này là 0,9 đối với nguồn và 0,95 đối với phụ tải Ở Anh vào đầu những năm 1990 sau tiến trình tư hữu hoá hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, thị trường công suất phản kháng đã bắt đầu hoạt động Tất cả các máy phát từ 50 MW trở lên đòi hỏi phải có hệ số công suất không dưới 0,95 và hệ số công suất phía phụ tải không dưới 0,85 Ở Thuỵ Điển tất cả các nhà máy thuỷ điện

và nhiệt điện yêu c ầu phải duy trì hệ số công suất không dưới 0,9 Riêng ở Hà Lan việc trả tiền điện phản kháng chưa được thực hiện Ở Bỉ việc trả tiền điện năng tác dụng được thực hiện tuỳ vào cấp điện áp: Trong khi với mạng điện truyền tải là 0,21€/MWh, còn ở mạng điện phân phối là 0,23 €/MWh, thì giá điện phản kháng là

6 €/MVArh, nếu hệ số công suất thấp hơn 0,95 Ở Argentine giá tiền phạt công suất phản kháng là 0,45 $US/MVArh Ở Ấn Độ giá bán điện năng phản kháng khoảng 4 paise/kVArh (1$US/MVArh) Ở Australia hệ số cos được ấn định đối với các hộ dùng điện phải không dưới 0,9 và đối với nguồn – không dưới 0,93 Ở Nhật giá điện được phân ra 2 thành phần: thành phần cơ bản gắn với hệ số công suất theo biểu thức sau:

Ccb = gP.P.(1,85-cos ) (1.5)

CA= gA.A Trong đó

Ccb- tiền điện cơ bản;

CA- tiền điện trả theo mức tiêu thụ;

gp - đơn giá công suất tác dụng Yên/kW;

gA - đơn giá điện năng tác dụng Yên/kWh;

P – công suất đăng ký theo hợp đồng mua bán điện, kW ;

A - điện năng tiêu thụ, kWh

Như vậy có thể thấy đại đa số các nước trên thế giới đều thu tiền sử dụng điện năng phản kháng, tuy nhiên việc ấn định hệ số công suất làm cơ sở phạt tiền sử dụng công suất phản kháng ở các nước khác nhau rất khác nhau

3 Kết luận:

1 Hiện nay vấn đề bù công suất phản kháng trong mạng điện phân phối ở các địa phương trong cả nước chưa được quan tâm một cách đúng mức.Việc lắp đặt thiết bị bù thường chỉ là giải pháp tình thế, không có sự tính toán hợp lý vì vậy hiệu quả bù chưa cao Đặc biệt hầu hết các thiết bị bù không có cơ cấu tự động điều chỉnh nên làm giảm hiệu quả bù, thậm chí có thể gây thiệt hại do quá bù

2 Vấn đề phạt hệ số cos thấp ở các địa phương diễn ra không thống nhất Công suất phản kháng và chất lượng điện chưa được gắn với vấn đề kinh doanh điện năng, vì vậy dẫn đến nhiều bất cập trong việc áp dụng các biện pháp tiết kiệm điện và nâng cao hiệu quả sử dụng của các thiết bị điện Đã đến lúc chúng ta cần phải đưa ra những tiêu chí về chất lượng điện và hệ số cos tham gia trong thị trường điện cạnh tranh

3 Vấn đề bù công suất phản kháng ở mạng điện của các nước phát triển trên thế giới được đặc biệt quan tâm Một số sơ đồ bù công suất phản kháng được áp dụng là thiết bị bù tập trung, thiết bị bù phân tán và thiết bị bù đóng cắt cùng với máy công tác ở các nước khác nhau có các phương thức quản lý, kinh doanh công suất phản kháng khác nhau mà chúng ta có thể nghiên c ứu áp dụng trong điều kiện

cụ thể ở mạng điện Việt Nam

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN BÙ

TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Dưới đây chúng ta sẽ phân tích một cách chi tiết một số ảnh hưởng của sự truyền tải công suất phản kháng đối với các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của mạng điện

2.1 Quan hệ giữa tổn thất điện năng, chi phí quy dẫn với hệ số công suất và thời gian sử dụng công suất cực đại

2.1.1 Quan hệ giữa tổn thất điện năng với hệ số cos và thời gian T M

Như đã biết, tổn thất điện năng trong mạng điện có thể được đánh giá bởi biểu thức

R U

Q P A

2

22

R U

P

2

cos 2

Q P

A

2

22

R U

P

2

cos 2

2

2 2

3 4

2

cos

10 ).

10 124

, 0 (

.

U

t T

(hình 2.1) chúng ta thấy khi hệ số công suất nhỏ hơn 0,7 thì tốc độ tăng tổn thất sẽ khá nhanh

0 1 2 3 4

P U

p – hệ số sử dụng hiệu quả và khấu hao thiết bị;

b – hệ số kinh tế thay đổi của đường dây, đ/km.mm2;

- điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn;

c - giá thành tổn thất điện năng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Giả thiết dây dẫn được chọn theo mật độ dòng điện kinh tế, lúc đó tiết diện dây dẫn sẽ là

kt j

4000 6000

Hình 2.2 Biểu đồ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn với hệ số cos và T M

Vốn đầu tư đường dây được biểu thị bởi biểu thức

với: a, b – các hệ số kinh tế cố định và thay đổi của đường dây;

F - tiết diện mặt cắt ngang của dây dẫn

Chi phí quy dẫn của đường dây

Biểu đồ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn của đường dây với hệ số cos và TMđược thể hiện trên hình 2.2

Phân tích các biểu đồ phụ thuộc K=f(cos , TM) và Z=f(cos , TM) ta nhận thấy

hệ số cos có ảnh hưởng rất đáng kể đến vốn đầu tư và chi phí quy dẫn, việc nâng cao hệ số công suất sẽ góp phần làm giảm chi phí của mạng điện

2.2 Phương pháp nâng cao hệ số cos

Tất cả các giải pháp nâng cao hệ số công suất có thể phân thành các nhóm sau:

2.2.1 Các giải pháp tổ chức-kỹ thuật

* Sắp xếp hợp lý các quy trình công nghệ: Việc Sắp xếp hợp lý các quy trình

công nghệ sản xuất nhằm cải thiện chế độ sử dụng năng lượng của các thiết bị, như hạn chế đến mức tối đa công đo ạn chạy không tải

* Thiết lập chế độ làm việc bình thường cho các động cơ không đồng bộ

bằng cách thay các động cơ thường xuyên làm việc non tải bằng các động cơ công suất thấp hơn Khi kmt< 0,45 thì việc thay thế bao giờ cũng có lợi, còn khi 0,45<kmt<0,7 thì việc thay thế phải so sánh kinh tế kỹ thuật mới xác định được hiệu quả kinh tế khi thay Mối quan hệ hệ giữa hệ số mang tải kmt với hiệu suất và hệ

số công suất cos là phi tuyến, nếu động cơ được chọn với gam công suất thích hợp thì không những đạt hiệu suất làm việc cao mà còn có tác dụng nâng cao cos của lưới

* Thiết lập chế độ điện áp tối ưu: Ta dễ dàng nhận thấy công suất tiêu thụ Q tỷ

lệ với bình phương của U, nếu giảm điện áp U thì Q sẽ giảm đi rõ rệt Vì vậy có thể nâng cao hệ số cos bằng cách giảm điện áp ở những động cơ làm việc non tải, thường ta đổi tổ nối dây của động cơ từ tam giác ra đấu sao

* Thiết lập chế độ làm việc kinh tế của trạm biến áp

Đối với các trạm biến áp có nhiều máy cần xây dựng biểu đồ làm việc hợp lý Khi máy biến áp làm việc với phụ tải 30% công suất định mức thì nên tạm thời chuyển phụ tải sang các máy khác và cắt khỏi mạng trong kho ảng thời gian nhất định Lựa chọn các đầu phân áp tối ưu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

* Dùng động cơ đồng bộ thay thế động cơ không đồng bộ

Các động cơ đồng bộ tuy có giá thành đắt hơn so với động cơ không đồng bộ nhưng có hệ số cos cao, hơn nữa việc điều chỉnh dòng điện kích từ có thể cho phép động cơ thay đổi chế độ làm việc dễ dàng vì đặc điểm của máy bù đồng bộ là

có thể tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng tuỳ thuộc vào chế độ kích từ

* Dùng các thiết bị chỉnh lưu với hệ số công suất vượt trước

Đối với một số mạng điện cần có sự có mặt của dòng một chiều nên áp dụng các thiết bị chỉnh lưu có hệ số công suất vượt trước, điều đó cho phép c ải thiện hệ

số cos chung c ủa toàn mạng điện

Tất cả các giải pháp trên gọi là biên pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên Các biện pháp này không đòi hỏi chi phí thiết bị và vật tư, ho ặc chi phí không đáng kể, nên thường cho hiệu quả kinh tế cao, tuy nhiên phạm vi điều chỉnh hệ số cos chỉ

có hạn, do đó không phải bao giờ cũng có thể áp dụng được

2.2.2 Các giải pháp kỹ thuật

Các giải pháp kỹ thuật thường được áp dụng để nâng cao hệ số cos là áp dụng các cơ cấu bù (còn gọi là điều hoà) công suất phản kháng Do phụ tải trong thực tế chủ yếu mang tính điện cảm nên vec tơ dòng điện chậm hơn so với vec tơ điện áp, nếu bù được toàn bộ lượng công suất phản kháng thì chỉ còn lại thành phần tác dụng nên vec tơ dòng và áp sẽ trùng nhau Có thể dùng tụ bù hoặc máy bù đồng bộ Biện pháp này được gọi chung là bù cos

Công suất của thiết bị bù cần thiết để nâng hệ số công suất từ cos 1 lên cos 2 được xác định theo biểu thức

Qb = P(tg 1 - tg 2) = P.kq, kVAr ; (2.10) Với P là công suất tác dụng của phụ tải, kW

Để tiện tính toán người ta thiết lập bảng tính sẳn hệ số kq sau

Bảng 2.1 Giá trị của hệ số k q phụ thuộc vào hệ số cos 1 hiện tại và hệ số cos 2 mong mưốn

Ví dụ với hệ số cos 1=0,7, cần nâng lên giá trị cos 2=0,9 thì ta tra bảng để xác định hệ số kq=0,54 Như vậy công suất phản kháng cần thiết sẽ là Q=0,54P

Biểu đồ véc tơ công suất trước và sau khi đặt thiết bị bù cos biểu thị trên hình 2.3 và biểu đồ vectơ dòng điện khi có bù công suất phản kháng được thể hiện trên hình 2.4 P hân tích biểu đồ vec tơ công suất ta thấy công suất biểu kiến sau khi bù

S2 có giá trị nhỏ hơn công suất trước khi bù S1, điều đó cho phép giảm dòng điện chạy trong mạch và từ đó có thể giảm được chi phí đầu tư cho đường dây, giảm tổn thất điện năng, cuối cùng là giảm giá thành điện năng

Tuy nhiên việc đặt các cơ cấu bù công suất phản kháng đòi hỏi những chi phí nhất định, vì vậy cần phải tính toán lựa chọn dung lượng bù cũng như vị trí đặt hợp lý Theo tính toán thì khi hệ số cos > 0,95 hiệu quả kinh tế của việc đặt bù hầu như không đáng kể Để tìm lời giải cho câu hỏi nếu xẩy ra hiện tượng quá bù chúng ta phân tích biểu thức xác định tổn thất tổn thất công suất và điện áp khi đặt bù

R U

Q Q P

2 2

)(

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

x r

b

U U

U

X Q Q U

PR U

.

Hình 2.3 Véc tơ công suất trước và sau khi bù cos

Nếu chọn dung lượng bù Qb bằng giá trị phụ tải phản kháng Q thì có thể loại trừ được hoàn toàn thành phần tổn thất do công suất phản kháng gây nên và như vây

sẽ cải thiện được các tham số chế độ của mạng điện Việc bù công suất phản kháng đồng thời nâng cao hệ số công suất của mạng điện và tạo nên sự dự trữ công suất phản kháng cho quá trình điều chỉnh điện áp

Từ biểu thức (2.11) ta dễ dàng thấy rằng tổn thất công suất sẽ có giá trị nhỏ nhất khi công suất phản kháng của phụ tải bằng công suất của các c ụm bù, tức Q=

Qb và nó sẽ tăng trong c ả hai trường hợp Q > Qb và Q < Qb Như vậy nếu như hiện tượng quá bù xẩy ra thì vẫn có dòng công suất phản kháng chạy trên đường dây

Hình 2.4 Véc tơ dòng điện khi bù cos

(theo chiều ngược lại) và vẫn có sự tổn thất điện năng Có nghĩa là “tiền mất tật mang” chúng ta đã phí tiền cho việc đặt bù

Thế còn đối với đ ại lượng tổn thất điện áp thì sao? Xét biểu thức (2.12) ta thấy nếu Q < Qb thì thành phần Ux sẽ mang dấu (-), có nghĩa là sự có mặt của các thiết

bị bù sẽ sinh ra một suất điện động (sđđ) mà có thể gây quá áp khi phụ tải cực tiểu Như vậy, nếu dung lượng bù lớn hơn công suất phản kháng của phụ tải thì, như con dao hai lưỡi, các cụm bù này sẽ gây tổn thất cho mạng điện cả về kinh tế và kỹ thuật

Từ những phân tích trên chúng ta thấy các tính năng ưu việt của bù vô công chỉ

có thể có được khi chúng được sử dụng hợp lý Nếu chọn dung lượng và vị trí bù không hợp lý thì không những không cải thiện được các tham số mạng điện mà ngược lại có thể làm tăng tổn thất và giảm chất lượng điện, gây thiệt hại không chỉ

về kinh tế mà còn làm giảm các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng điện

2.3 Đặc tính kinh tế - kỹ thuật của các nguồn công suất phản kháng

2.3.1 Động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ (ĐCĐB) được sử dụng nhiều trong các xí nghiệp công nghiệp như xí nghiệp luyện kim, hoá chất, luyện khoáng vv để truyền động cho các máy công tác có chế độ làm việc lâu dài và ổn định như máy bơm, quạt, máy nén, băng tải vv Các loại động cơ đồng bộ được chế tạo với hệ số công suất vượt trước, do đó

có thể áp dụng làm nguồn công suất phản kháng Khả năng kỹ thuật của động cơ đồng bộ là giá trị công suất phản kháng cực đại có thể phát mà không quá nhiệt cho các cuộn dây stator và rôtor Các tham số đặc trưng cho chế độ làm việc của động

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

P, Q – phụ tải tác dụng và phản kháng;

U – điện áp lưới

Pn, Qn, Un – các giá trị phụ tải và điện áp định mức

Khi điện áp nằm trong giới hạn 0,95 1,05 thì động cơ đồng bộ có thể làm việc lâu dài với công suất phản kháng định mức Khả năng phát công suất của động cơ đồng bộ được xác định theo biểu thức

QM = kQMQn

kQM – giá trị cực đại của hệ số mang tải phản kháng, nó phụ thuộc vào hệ số kP

và giá trị điện áp, kQM = f(kP, U*)

Trong quá trình làm việc động cơ bị đốt nóng do tổn thất công suất tác dụng gây nên Lượng tổn thất này phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ

P = f(kP, kQ, U*) Bằng phương pháp gần đúng có thể xác định tổn thất công suất tác dụng trong động cơ đồng bộ theo biểu thức

Q

D Q Q

D P

n n

2 2 1

N

Q Q

D Q N Q

D N P

n n

2 2 2 1

Q N Q

D Q

Q

D

n n

(2.15) Trong đó:

Qn – công suất định mức của mỗi động cơ

Q – tổng công suất phản kháng do tất cả các động cơ phát ra

* Ưu điểm của động cơ đồng bộ

- Có thể sử dụng làm nguồn công suất phản kháng với chi phí phụ không lớn, bởi

vì khi làm việc với hệ số công suất vượt trước công suất toàn phần của động cơ đồng bộ, mà xác định giá thành của nó tăng lên rât không đáng kể so với khả năng

bù của nó (xem bảng sau)

- Tốc độ quay của động cơ đồng bộ không phụ thuộc vào phụ tải do đó hiệu suất làm việc cao;

- Tổn thất công suất tác dụng thấp hơn so với động cơ không đồng bộ vì hệ số hiệu dụng cao

2.3.2 Tụ điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Tụ điện là thiết bị tĩnh, được sử dụng rộng rãi để bù công suất phản kháng trong mạng điện, nó có thể được mắc ngay trên đầu của các hộ dùng điện, trên thanh cái của các trạm biến áp hoặc tại các điểm nút của mạng điện (hình 1.5) Tụ

bù tĩnh có thể mắc độc lập hoặc mắc thành từng nhóm theo sơ đồ đấu tam giác hoặc đấu sao Y

Hình 2.5 Sơ đồ mắc tụ bù tĩnh

Công suất phát c ủa tụ được xác định theo biểu thức

2

2 2

.CU

X

U X

I Q

C C

Tức là công suất của tụ tỷ lệ với bình phương điện áp Các cụm tụ bù hạ áp thường có hiệu quả bù cao hơn so với tụ bù cao áp Công suất phát của tụ tỷ lệ với giá trị điện áp

2

) (

c

n

U

U Q

c

n

U

U Q

S=P+jQ

Q C

~

Trong đó:

U* - điện áp tương đối của mạng điện tại nơi đ ặt tụ U* = U/Un

U*c- tỷ lệ điện áp định mức của tụ và lưới, U*c = Uc /Un

Qn - công suất định mức của tụ bù

Chi phí quy dẫn của tụ bù được xác định theo biểu thức

Q t P c U

U pK pK

* (

U pK

b c

2

*

*

Trong đó:

K0, Kb – các hệ số kinh tế cố định và thay đổi của tụ bù;

p – hệ số sử dụng hiệu quả và khấu hao thiết bị bù;

c – giá thành tổn thất điện năng,

Pb tổn thất công suất tác dụng trong thiết bị bù;

t – thời gian làm việc của tụ bù

* Ưu điểm của tụ bù tĩnh:

- Làm việc êm dịu, tin c ậy do kết cấu đơn giản

- Tuổi thọ cao

- Tiêu thụ công suất tác dụng ít

- Có thể thay đổi dung lượng bằng cách thay đổi sơ đồ của các cụm tụ bù

* Nhược điểm:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Không thể điều chỉnh trơn nên độ chính xác kém

- Gây mất ổn định cho lưới do công suất của tụ

Nguồn công suất phản kháng chủ yếu trong hệ thống điện là máy phát và máy

bù đồng bộ Chi phí cho sản xuất công suất phản kháng ở đây không tốn kém nhiều như đối với các nguồn công suất phản kháng khác nhưng việc truyền tải công suất phản kháng đến các hộ dùng điện không phải bao giờ cũng có hiệu quả kinh tế Thêm vào đó, khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện bị hạn chế

do cos của các máy phát từ 0,8 0,81 Vì lý do kinh tế các máy phát chỉ đ ảm đương một phần nhu c ầu công suất phản kháng của phụ tải, phần còn lại do các thiết bị bù đảm nhiệm Việc xác định tổn thất công suất tác dụng trong máy phát và máy bù đồng bộ cũng tiến hành tương tự như đối với động cơ đồng bộ Các giá trị của các

hệ số D1 và D2 cho trong sổ tay thiết kế ứng với từng loại máy phát Đối với các máy phát công suất lớn, chi phí cho s ản xuất công suất phản kháng không đáng kể, nên trong nhiều trường hợp có thể không cần xét đến Về phần mình, máy bù đồng

bộ được sử dụng cho mục đích chính là sản xuất công suất phản kháng, do đó giá thành của nó phải được tính đến trong quá trình so sánh kinh tế kỹ thuật các nguồn công suất phản kháng Vốn đầu tư của máy bù đồng bộ để sản xuất ra lượng công suất phản kháng Q được xác định theo biểu thức

Q Q

K K

Qn – công suất định mức của máy bù đồng bộ

Tổn thất công suất tác dụng trong máy bù đồng bộ gồm hai thành phần: Tổn thất cố định P1 (hay tổn thất không tải) và tổn thất thay đổi P2, phụ thuộc vào hệ

số mang tải của máy

M n

M n

P Q

Q P

Q

Q Q

Q Q

P P

PM – tổn thất công suất ngắn mạch của máy bù đồng bộ, kW;

P0 – tổn thất công suất không tải của máy bù đồng bộ, kW;

Q

P P

Q

Q P

Q

Q Q P

P P

n

M n

M n

0 2

0 2

0 2

P Q

Q

Q P Q

Q

P P

n

M n

M n

(2.27) Chi phí quy đổi của máy bù đồng bộ

0 0

0 00 1

2

n

M M

n n

MB MB

Q

Q P g

Q

P g Q

pK

2 0

2

n

M M MB

Q

P g

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Trong đó:

g00- suất giá thành tổn thất không tải, đ/kW

g0M- suất giá thành tổn thất ngắn mạch, đ/kW

2.3.4 Bài toán chọn nguồn công suất phản kháng tối ưu

Khi đưa một phụ tải vào mạng thì lượng tiêu thụ công suất phản kháng sẽ tăng, do đó nguồn công suất phản kháng cũng phải tăng tương ứng để đáp ứng chế

độ làm việc bình thường của mạng điện Bài toán chọn nguồn công suất phản kháng là một trong những bài toán quan trọng, việc chọn nguồn công suất phản kháng hợp lý không những cho phép nâng cao hiệu quả kinh tế của mạng điện mà còn cải thiện các tham số kỹ thuật, chính xác hơn là các tham số chế độ của mạng điện Việc lựa chọn nguồn công suất phản kháng được thực hiện trên cơ sở cực tiểu hoá chi phí quy dẫn Bài toán được thiết lập như sau: Hãy xác định giá trị công suất phản kháng của nguồn thứ i Qi để tổng chi phí quy dẫn có giá trị nhỏ nhất Hàm mục tiêu trong trường hợp này có dạng

Các điều kiện ràng buộc:

- Cân bằng công suất phản kháng:

Q Q

Q

M

j j N

i

i

1 1

Qi, Qj – công suất của nguồn và của các phụ tải

N, M – số nguồn và số phụ tải;

U – điện áp thực tế tại điểm nút;

Umin, UMax – giá trị giới hạn dưới và giới hạn trên của điện áp;

Icp – dòng điện cực đại cho phép của phần tử mạng điện;

Qmin, QMax – giới hạn dưới và giới hạn trên của nguồn công suất phản kháng

Giá trị công suất kinh tế được xác định theo phương pháp lặp gần đúng với độ chính xác cho phép

2.4 Ảnh hưởng của thiết bị bù đối với chất lượng điện năng

Như đã biết việc đặt các thiết bị bù công suất phản kháng vừa với mục đích giảm tổn thất điện năng do nâng cao hệ số cos vừa nâng cao chất lượng điện do giảm tổn thất điện áp Tuy nhiên, do quán tính, sự biến đổi năng lượng điện từ xẩy

ra khi đóng cắt thiết bị bù thường gây ra hiện tượng quá điện áp nội bộ trong mạng điện

Quá trình quá độ khi đóng công tắc tụ bù được biểu thị trên hình 2.6 Khi công tắc tụ đóng tại thời điểm mà điện áp lưới đạt giá trị cực đại Điện áp qua tụ tại thời điểm này có giá trị không Do điện áp của tụ không thể thay đổi tức thời, địên áp lưới tại vị trí đặt tụ nhanh chóng kéo xuống đến không và tăng dần khi tụ bắt đầu nạp đến giá trị điện áp lưới

Vì nguồn điện mang tính điện cảm, điện áp tụ vượt trước và dao động ở tần số

tự nhiên của hệ thống Các kết quả quan sát cho thấy sự biến thiên ban đầu của điện

áp không hoàn toàn trở về 0 bởi vì tồn tại một điện trở giữa điểm quan sát (nơi đặt

osilograph) và điểm đặt tụ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Sự vượt trước sẽ sinh ra một sự quá áp có giá trị trong kho ảng từ 1 đến 2 pu (tức bằng 1 đến 2 lần giá trị điện áp định mức của mạng điện) phụ thuộc vào sự suy giảm điện áp lưới Sự quá áp được truyền vào lưới qua các máy biến áp và đường dây phân phối đến các hộ dùng điện Nếu tụ mắc trên thanh cái phía thứ cấp, thì quá điện áp có thể bị khuyếch đại ở phía phụ tải của máy biến áp (hình 2.7)

Hình 2.7 Sự khuyếch đại điện áp khi đóng cắt tụ bù

(a.Sơ đồ mạch điện b.Sơ đồ thay thế c.Mắc tụ nối tiếp với cuộn dây)

Tần số cắt

1 1

1

2

1

C L f

Tần số tự nhiên c ủa mạch cộng hưởng phía hộ dùng điện

2 2

22

1

C L f

Sự cộng hưởng điện áp diễn ra khi f1 f2 tức là khi

L1C1 = L2C2

Sự quá áp nội bộ dưới 2 pu (đơn vị tương đối so với giá trị định mức) thường không gây nguy hiểm đối với cách điện, nhưng khi được truyền vào lưới, giá trị quá điện áp nội bộ sẽ được khuyếch đại và có thể đạt giá trị 3 4 pu trên thanh cái hạ

áp, do đó có thể gây ảnh hưởng đến chế độ làm việc của các thiết bị dùng điện thậm chí gây nguy hiểm đối với các thiết bị mắc trên thanh cái này Các giải pháp chống quá điện áp khi đóng cắt tụ thường là

- Sử dụng máy cắt có bộ phận đóng đồng thời điện trở cài trước;

- Sử dụng máy chống sét đặt tại thanh cái của các hộ tiêu thụ;

- Xây dựng bộ tụ dưới dạng bộ lọc sóng hài: Một cuộn cảm được mắc nối tiếp với tụ sẽ làm giảm giá trị quá điện áp trên đầu vào c ủa các hộ dùng điện đến trị số cho phép

Việc sử dụng cuộn dây mắc nối tiếp với tụ (hình 1.8.c) sẽ ngăn cản sự xuất hiện của tần số cộng hưởng Thông thường công suất của cuộn kháng được chọn trong phạm vi khoảng 5 7% , có nghĩa là sự có mặt của cuộn kháng điện sẽ làm giảm công suất của tụ đi 5 7% Cuộn kháng điện thường sinh ra một lượng nhiệt khá lớn,

bởi vậy cần phải được làm mát tủ bằng quạt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.5 Đánh giá chất lượng điện

Một trong các phương pháp đánh giá chất lượng điện thông dụng nhất là áp dụng mô hình xác suất thống kê Giả thiết độ lệch điện áp trong mạng điện là một đại lượng ngẫu nhiên tuân theo luật phân phối chuẩn với hàm mật độ xác suất:

2 2

2 ) (

2

1 )

tb

v v v

e v

Trong đó:

- độ lệch điện áp;

tb – kỳ vọng toán của độ lệch điện áp, có thể coi là giá trị trung bình;

v - độ lệch trung bình bình phương của độ lệch điện áp, xác định theo phương sai:

) ) ( (

1

T - thời gian khảo sát

Giá trị v có thể xác định theo biểu thức

100

n

U v

U - độ lệch trung bình bình phương của điện áp

6

min max U U

Un - điện áp định mức

Xác suất chất lượng là xác suất mà độ lệch điện áp của mạng điện nằm trong giới hạn cho phép (v cp v cp)

dv

e 2

2 2 ) (

21

vcp, vcp- giới hạn cho phép dưới và trên của độ lệch điện áp

Giá trị độ lệch trung bình của điện áp có thể xác định theo biểu thức

%100

n

n tb tb

U

U U v

Utb - giá trị trung bình c ủa điện áp,có thể xác định theo biểu thức:

2

min max U U

A - tổng điện năng tiêu thụ trong thời gian xét T

Trong thực tế khi có các dãy số liệu về điện áp có thể xác định các đại lượng

Utb, su theo các quy tắc xác suất thống kê

Thiệt hại do giảm chất lượng điện được xác định theo biểu thức

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1

2 2

U

= a1 + a2H= y0.A ; (2.44)

Trong đó:

a1 , a2 - các hệ số hồi quy, phụ thuộc vào loại phụ tải điện;

A - tổng điện năng tiêu thụ trong năm;

y0 - suất thiệt hại do giảm chất lượng điện;

H - độ không san bằng điện áp (hay độ bất định của điện áp)

2 Hệ số cos có ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu kinh tế của mạng điện, khi

hệ số cos thấp sẽ dẫn đến tăng tổn thất điện năng, tăng chi phí đ ầu tư và giảm chất lượng điện v.v… Vì vậy việc tìm ra các giải pháp nâng cao hệ số cos trong mạng điện là vấn đề hết sức cấp thiết, đặc biệt trong bối cảnh Đất nước đang bước vào thời kỳ hội nhập, nhu cầu phụ tải không ngừng tăng nhanh và yêu cầu về chất lượng điện không ngừng gia tăng

3 Đặt thiết bị bù công suất phản kháng là một trong những giải pháp quan trọng để nâng cao hệ số cos và chất lượng điện Trong số các nguồn công suất phản kháng thì tụ điện tĩnh tỏ ra có ưu thế về kinh tế và kỹ thuật Tuy nhiên tụ bù rất nhạy cảm đối với sự thay đổi của các tham số chế độ cũng như các tham số hệ

thống Vì vậy cần phải có sự nghiên cứu, tính toán áp dụng các thiết bị hợp lý để nâng cao hiệu quả kinh tế và kéo dài tuổi thọ của thiết bị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

CHƯƠNG III XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 3.1 Lựa chọn phương pháp tính bù công suất phản kháng

3.1.1 Mô hình tính bù theo cực tiểu tổn thất công suất

Giả sử công suất truyền tải đến nút i của mạng điện là Si=Pi+jQi Khi ta đặt một giá trị công suất bù Qbi nào đó vào nút i thì khi đó tổn thất là:

10)

2

2 2

R U

Q Q

i i

bi i i

i

Trong đó: Ri- điện trở của đường dây tính từ nguồn đến điểm nút thứ i

Để làm cực tiểu giá trị tổn thất công suất ta lấy đạo hàm theo Qb và cho triệt tiêu: PSB/ QB=0, giải ra ta được QB=Q Tức là trong điều kiện cực tiểu hoá tổn thất công suất tác dụng sẽ phải bù toàn bộ lượng công suất phản kháng truyền tải trên đường dây

3.1.2 Mô hình tính bù theo điều kiện cực tiểu tổn thất điện năng

Giả thiết ta biết được hàm phụ thuộc của phụ tải vào thời gian (hoặc đồ thị phụ tải) Độ giảm tổn thất điện năng do bù trong suốt khoảng thời gian T sẽ là:

T TB

B TB

T

B B T

dt t Q T Q

Q T Q T U

R dt Q Q t Q U

R dt t P A

0

2 2

0

2 0

2

)(1

;

.2)

(.2)

(

(3.2)

Đạo hàm A theo QB và triệt tiêu ta có:

QB=QT BNhư vậy trong trường hợp này giá trị công suất bù tối ưu sẽ bằng lượng công suất phản kháng trung bình trên đường dây

3.1.3 Mô hình tính bù theo điều kiện điều chỉnh điện áp

Trước khi bù thì tổn thất điện áp U trong mạng là:

n

i

i i i i n

X Q R P U

Ri, Xi - điện trở của đoạn dây thứ i, ;

Un- điện áp định mức của mạng điện, kV;

n – số đoạn dây

Sau khi đặt bù thì tổn thất điện áp giảm đi một lượng là:

n

i i i n

U

U

1 2

U U

E

1 2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

10 )

(

c R U

Q Q

Trong đó:

p - hệ số tính đến tỷ lệ khấu hao và thời gian thu hồi vố n p= tc+ vh; ;

Kb - suất vốn đầu tư của thiết bị bù (đối với tụ bù tỉnh giá trị này kho ảng

10 $/kVAr);

Pb - suất tổn thất công suất trong thiết bị bù;

tb - thời gian làm việc của thiết bị bù;

c - giá thành tổn thất điện năng;

P - công suất tác dụng của phụ tải;

Q - công suất phản kháng trong lưới điên;

Qb - công suất bù cần thiết;

U- điện áp của mạng điện, có thể lấy bằng giá trị định mức;

R - điện trở mạng điện tính đến điểm đặt cơ cấu bù;

- thời gian tổn thất công suất cực đ ại

Lấy đạo hàm và giải phương trình tìm được để xác định công suất bù tối ưu

)(

2

b b b

Q Q U

c R c t P pK Q

Z

= 0

Qb = Q -

c R

c t P pK

2

) (

2

3.1.5 Mô hình tính bù theo chỉ tiêu tối đa hoá các tiết kiệm

Các tiết kiệm ròng đạt được từ việc giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng:

Trong đó:

P – lượng tiết kiệm công suất đỉnh;

A – lượng tiết kiệm điện năng;

3.1.6 Mô hình tính bù theo giá trị hệ số cos 2 cần đạt được

Công suất bù cần thiết để nâng hệ số cos 1 lên giá trị cos 2 được xác định theo biểu thức

* Một số nhận xét về các phương pháp tính bù

+ Mỗi phương pháp có ưu, nhược điểm riêng và thích hợp trong những trường hợp tính toán nhất định, nhưng nhìn chung các mô hình đều có hàm mục tiêu là chi phí cho bù nhỏ nhất trên cơ sở đảm bảo các điều kiện kỹ thuật của lươí điện, điện áp của nút nằm trong giới hạn cho phép, giảm tổn thất điện năng

+ Các phương pháp chủ yếu áp dụng đối với mạng hình tia đơn giản hoặc các mạng có phụ tải nối trực tiếp trên đường dây

+ Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chỉ được xét đến một cách độc lập ở từng phương pháp