Giải pháp tính toán tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối

Tổn thất điện năng trên đường dây và máy biến áp ...17 Chương 2: Mô hình hóa các khâu trong mạng điện .... Tính toán tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên đường dây Để xác định t

Chương 1: Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối 6

I Tổng quan 6

II Tính toán tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên đường dây 8

III Tổn thất công suất trong máy biến áp 14

IV Tổn thất điện năng trên đường dây và máy biến áp 17

Chương 2: Mô hình hóa các khâu trong mạng điện 24

1 Mô hình tải 24

2 Mô hình đường dây trên không và cáp 28

3 Mô hình máy biến áp 30

4 Mô hình các phần tử phản kháng 31

Chương 3: Vấn đề giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện 34

1 Giới thiệu chung 34

2 Vấn đề thay đổi điện áp trên lưới điện 35

3 Các giải pháp giảm tổn thất công suất 37

4 Cấu tạo bên ngoài của CP 243-1 IT 33

5 Giới thiệu các LED trạng thái 34

Chương 4: Chương trình tính toán tổn thất công suất và tổn thất điện năng 62

1 Giới thiệu 62

2 Nhắc lại về các moment thống kê 62

3 Tính toán tổn thất điện năng 63

4 Ví dụ minh họa 68

Chương 5: Viết chương trình tính toán tổn thất điện năng

1 Giới thiệu chung 82

2 Chương trình tính toán tổn thất điện năng 83

3 Tính toán thực tế 87

KẾT LUẬN 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối

I Tổng quan

Khi truyền tải điện năng từ thanh cái các nhà máy điện đến hộ tiêu thụ, ta cần phải dùng dây dẫn và máy biến áp, nên một phần điện năng sẽ bị tiêu hao do đốt nóng dây dẫn, do tạo nên các trường điện từ và do các hiệu ứng khác Phần tiêu hao đó gọi là tổn thất điện năng

Trong mạng điện phân phối tổng chiều dài đường dây và số lượng MBA rất lớn, hơn nửa mạng điện phân phối có cấp điện áp thấp nên tổn thất công suất trên mạng điện phân phối là con số không nhỏ Với những hệ thống phân phối lớn, tổn thất này có thể lên đến 15% công suất truyền tải Theo một báo cáo của Công ty Dịch Vụ Công cộng tại New Mexico, trong khoảng từ năm 1978 đến 1988 chỉ với mức độ chiếm khoảng 8,71% tổn thất điện năng đã lên đến 299GWh

Tổn thất công suất bao gồm tổn thất công suất tác dụng (chủ yếu là đường dây) và tổn thất công suất phản kháng (chủ yếu là MBA) Tổn thất công suất dẫn đến các thiết bị phát điện phải tăng làm vốn đầu tư nguồn phát cao, gây tình trạng thiếu hụt điện năng tại nơi tiêu thụ, hiệu suất truyền tải thấp, làm tăng giá thành sản xuất cũng như truyền tải điện và không có lợi cho việc phát triển kinh tế, phục vụ dân sinh

Tổn thất công suất phản kháng tuy không ảnh hưởng trực tiếp đến mức phí tổn về nhiên liệu nhưng dẫn đến tình trạng không đủ công suất phản kháng cung cấp cho hộ tiêu thụ, do vậy tại đây cần phải trang bị thêm các thiết bị phát công suất phản kháng như tụ điện, máy bù đồng bộ Kết quả dẫn đến chi phí đầu tư về thiết bị tăng cao, làm giá thành truyền tải điện cũng tăng

Trong mạng điện phân phối, tổn thất sinh ra do các nguyên nhân sau:

 Tổn thất trên đường dây trong dây dẫn các pha

 Tổn thất trong các dây đất và trong đất

 Tổn thất trong lõi máy biến áp

 Tổn thất tăng do sự suy giảm các phần tử phản kháng

 Tổn thất tăng do các đặc tính của tải

 Tổn thất tăng do sự mất cân bằng giữa các pha trong hệ thống

Việc tính toán, chọn lựa đúng kích cỡ dây dẫn sẽ giới hạn tổn thất trong đường dây Với các hệ thống điện hai pha và một pha sẽ làm xuất hiện thêm tổn thất trong dây đất và trong đất Sự mất đối xứng của tải cũng sẽ làm tổn thất trong dây đất và đất tăng thêm Tổn thất trong lõi máy biến áp phân phối sẽ rất nhạy với giá trị biên độ của điện áp hệ thống Chất lượng của máy biến áp cũng sẽ ảnh hưởng đến tổn thất này Do tải tiêu thụ thay đổi giữa ngày và đêm, giữa các mùa nên hệ số công suất của hệ thống cũng sẽ thay đổi Nếu không có sự chọn lựa, tính toán đúng cho các thiết bị đóng cắt các phần tử bù công suất phản kháng sẽ dẫn đến việc tăng tổn thất trong hệ thống do hệ số công suất quá thấp Đặc tính của tải cũng đóng vai trò quan trọng trong tổn thất của mạng điện phân phối Trong chu trình tải đỉnh, điện áp trên đường dây có thể bị giảm xuống dưới giá trị cho phép Điều này trở nên rất quan trọng trong việc tính toán tổn thất trong hệ thống phân phối Ví dụ, rất nhiều các động cơ truyền động như máy bơm, máy nén, máy điều hòa nhiệt độ, quạt v v có đặc tính tải công suất không đổi khi làm việc với điện áp khác hơn so với giá trị danh định từ 80% đến 110% Điều này sẽ dẫn đến dòng điện chảy trong đường dây sẽ tăng cao hơn khi điện áp giảm, do vậy tổn thất hệ thống cũng sẽ tăng theo

II Tính toán tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên đường dây

Để xác định tổn thất công suất trên đường dây ta chỉ xét đường dây có phụ tải tập trung cuối đường dây làm đại diện cho đường dây có nhiều phụ tài tập trung, đường dây phân nhánh, lưới mạch vòng và giả thiết là tải đối xứng Vì các dạng lưới phân phối này đều có công thức tính giống nhau Khi tính lưới mạch vòng cũng dùng nguyên lí xếp chồng Sau đó tính riêng cho trường hợp lưới phân bố đều và lưới có phụ tải không đối xứng

1 Tổn thất công suất trên đường dây có phụ tải tập trung

Khi có dòng điện ba pha chạy qua đường dây có tổng trở Z R jX

sẽ gây

ra tổn thất công suất như sau:

)1_1(

2

2 2

R U

Q P R U

S R I

2

2 2

X U

Q P X U

S X I



Với: P, Q, S là của 3 pha

U2: điện áp dây

P, P [MW]; Q, Q [MVAR];

U2 [KV] ; R,X [];

Thông thường khi tính toán có thể có thể chọn Uđm là giá trị định mức của lưới Khi muốn tăng độ chính xác, tổn thất tính tại đâu sẽ lấy điện áp tại điểm đó

2 Tổn thất công suất trên đường dây có phụ tải phân bố đều

Đây là trường hợp các hệ thống điện phân phối trong thành phố, các đường dây chiếu sáng công cộng, đường dây cung cấp điện cho các xí nghiệp trong

khu chế xuất… Một cách gần đúng ta có thể xem dòng điện biến thiên dạng tuyến tính dọc theo đường dây dẫn

Lấy một vi phân dl tại B ta được:

Tổn thất P trong một vi phân dl là:

Gọi r0: điện trở trên một đơn vị chiều dài dây dẫn (/km)  dr = r0*dl

2

dl r L

l I P

l I P

0

2 2

0 2

0

2

2 0 0

2

)3_1(

;

*

*

*

3

*

*

I:dòng tổng của phụ tải phân bố đều

So sánh (1_3) với (1_1) ta thấy tổn thất công suất trên đường dây có phụ tải phân bố đều bé hơn 3 lần tổn thất trên đường dây có cùng phụ tải nhưng tập trung ở cuối đường dây

Ptập trung = 3 Pphân bố đều

Từ đó có thể dùng 1 trong 2 sơ đồ thay thế tương đương Hình 1_2 b) hay c) để xác định tổn thất công suất lưới phân bố đều

3 Tổn thất công suất khi tải không đối xứng

Khi tải không đối xứng sẽ dẫn đến dòng điện và điện áp cũng không đối xứng cả về biên độ và góc pha Ở đây chỉ xét sự mất đối xứng về biên độ Để thuận tiện trong việc tính toán, người ta phân tích các thành phần không đối xứng thành các thành phần đối xứng Đó là các thành phần thứ tự thuận

là điện áp và dòng điện của 3 pha A, B, C

Ta có các mối quan hệ sau:

a  :toán tử quay pha

Trong thực tế người ta không dùng trị số dòng điện để tính tổn thất công suất mà dùng trị số của công suất để tính toán Giả sử công suất của nguồn phát

là đối xứng SA,SB,SC

từ đó công suất của các thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không được phân tích như sau:

 ;(1_4)3

1

* 1

S        

 ;(1_5)3

1

* 2

 ;(1_6)3

1

* 0

Việc tính toán chế độ phụ tải không đối xứng, cũng như vấn đề tính toán tổn thất công suất Ta phải lập sơ đồ thay thế của lưới điện ứng với từng thành phần thứ tự Từ những sơ đồ cụ thể đó ta có thể xác định được tổn thất công suất cho đường dây giống như ở chế độ có phụ tải đối xứng

Để xác định tổn thất công suất trên lưới có tải không đối xứng theo phương pháp xếp chồng ứng với từng thành phần thứ tự phải có các giả thiết như sau:

 Hệ thống điện áp của nguồn cung cấp phải đối xứng và không phụ thuộc vào phụ tải đang xét

 Trị số không đối xứng thường bé nên dòng phụ tải có thể xác định theo điện áp định mức

 Tất cả các phần tử của hệ thống được xem là tuyến tính

 Mức độ không đối xứng của các thông số chủ yếu được xác định theo mức không đối xứng Do vậy giả thiết rằng tất cả các phần tử còn lại của lưới điện (ngoài phụ tải không đối xứng đang xét) có các thông số pha giống nhau

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận dạng thông thường được dùng trong tính toán chế độ đối xứng Các giá trị của các phần tử trong chế độ thứ tự thuận đều tương ứng với trị số của chúng trong chế độ đối xứng Vì vậy tổn thất công suất được xác định như trong chế độ đối xứng

Trong sơ đồ thay thế thứ tự nghịch tất cả các phụ tải đều được thay thế bởi các nhánh tổng trở cho trước Trị số dòng thứ tự nghịch tính toán được dựa vào sơ đồ Đối với các phần tử của lưới điện có hỗ cảm giữa các pha và không phụ thuộc vào thứ tự pha thì điện kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch giống nhau như đường dây trên không, cáp, kháng điện, tụ điện, MBA… Trong động cơ và máy phát dòng thứ tự nghịch tạo nên từ trường quay của stator ngược chiều với rotor, do vậy điện kháng thứ tự nghịch (X2) được tính khác với điện kháng thứ tự thuận (X1) Đồng thời điện dung của đường dây trên không và cáp có thể bỏ qua trong sơ đồ thay thế

Sơ đồ thay thế thứ tự không được thành lập tương tự Đối với lưới điện phân phối, điện áp khoảng 35KV nên sơ đồ đấu dây của MBA thường không nối

đất trung tính và được nối /Y hay Y/ nên dòng thứ tự không rất bé, do vậy tổn thất này thường được bỏ qua

- Trên sơ đồ nguyên lí ta có công suất truyền từ A là S1, qua các nút tải không đối xứng B, C có công suất S ,B SC

- Lập sơ đồ thay thế theo thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không

- Tổn thất công suất của sơ đồ thứ tự thuận được xác định như phụ tải đối xứng tùy theo loại lưới

- Xác định công suất của thành phần thứ tự nghịch (Hình 1_3b)

1 , 2

0 ; S

Z 

2 , 0 2 ,

nghịch; c):sơ đồ thay thế thứ tự không

, B C

A S S

S  

công suất pha A,B,C

 Tổn thất công suất trên đoạn 2:

)8_1(

;

*

)8_1(

;

*

)8_1(

;

22 2

2 2 2 2 22

22 2

2 2 2 2 22

22 22

22

c X

U

Q P Q

b R

U

Q P

P

a Q

j P S

dm

C C dm

C C

 Công suất đầu đoạn 2: S22 S2C S22;(1_9)

 công suất cuối đoạn 1: S21 S2B S22;(1_10)

 tổn thất công suất trên đoạn 1:

)11_1(

;

*

2 21 2 21 21

2

2 21 2 21

U

Q P j R U

Q P S

dm dm

;

22 21

S  

Tổn thất công suất của thành phần thứ tự không S0được tính cũng giống

như cách tính tổn thất của thành phần thứ tự nghịch Nếu không đòi hỏi độ chính xác cao thì có thể bỏ qua tổn thất của thành phần thứ tự không bởi dòng thứ tự không rất bé

 Vậy tổn thất do tải không đối xứng gây ra như sau:

)13_1(

;

0 2

III Tổn thất công suất trong máy biến áp

Tổn thất công suất trên mỗi MBA chiếm vài phần trăm so với công suất biến áp của nó Trong hệ thống điện nói chung và lưới phân phối nói riêng số lượng MBA áp rất lớn vì thế tổn thất trên phần tử MBA áp là con số không nhỏ Vậy ngoài vấn đề tổn thất công suất trên đường dây cần phải tính đến tổn thất công suất trong MBA

Tổn thất công suất trong MBA bao gồm tổn thất công suất không tải (tổn thất trong lõi thép hay tổn thất sắt) và tổn thất khi có tải (tổn thất trong dây quấn hay tổn thất đồng)

Nhu cầu công suất phản kháng ở MBA công suất nhỏ là 10% Sđm của chúng, MBA lớn là 3% Sđm, còn các MBA ở siêu cao thế có thể từ 8-10% (để hạn chế dòng ngắn mạch)

1 MBA một cuộn dây

Thành phần tổn thất trong lõi thép không thay đổi khi phụ tải thay đổi và bằng tổn thất không tải

)14_1(

;100

%

0 0 0 0

0

dm

S I j P Q j P

 

I0%: dòng không tải so với dòng định mức

Đối với MBA 2 cuộn dây, tổn thất công suất tác dụng trong các cuộn dây khi tải định mức bằng tổn thất ngắn mạch: P cddm P n;

Tổn thất công suất phản kháng trong các cuộn dây, nếu để ý đến RMBA <<

XMBA thì ta xác định như sau: nm%. dm ;(1_15)

Q S

U



Unm%:điện áp ngắn mạch phần trăm so với điện áp định mức

Vì MBA làm việc với phụ tải S khác với dung lượng định mức nên khi xác pt

định tổn thất trong MBA cần chú ý xét đến hệ số tải:

;

dm pt dm

pt t

I

I S

S

Khi đó tổn thất trong cuộn dây sẽ là:

)16_1(

;100

%

2

t nm t cd

S U jk P k

dm nm t nm

2 0

dm pt dm

pt

t

dm

pt nm MBA

dm

pt nm MBA

I

I S

S

k

S

S Q Q Q

S

S P P P

2 MBA ba cuộn dây và MBA tự ngẫu

Trước hết tính tổn thất công suất trong cuộn dây 2 và 3 theo phụ tải tương ứng trung và hạ áp (Hình 1_4)

)19_1(

;

3

2 3 2 3 3 3

2 3 2 3

U

Q P j R U

Q P

;

2

2 2 2 2 2 2

2 2 2 2

U

Q P j R U

Q P

Tổn thất công suất trong cuộn 1:

)19_1(

;

*

1 1 2 1 1 2

1

2 1 2 1

U

Q P

j R U

Q P

Tổn thất công suất trong MBA 3 cuộn dây và MBA tự ngẫu cũng có thể tính

trực tiếp theo các đại lượng định mức và hệ số tải:

)20_3(

;100

2 2 1

2 1 0

3 2 3 2 2 2 1 2 1 0

t dm nm

t dm nm t

nm t nm t nm t MBA

S U

k S U

k S U k Q

j

P k P k P k P S

IV Tổn thất điện năng trên đường dây và máy biến áp

Trên cơ sở tính tổn thất công suất trên đường dây và MBA, bây giờ tính tổn thất điện năng của chúng trong thời gian sử dụng điện năng t

Trị số tổn thất điện năng trên các phần tử của hệ thống điện phụ thuộc chủ yếu vào đặc tính phụ tải Nếu phụ tải không thay đổi thì trên phần tử có tổn thất công suất P sẽ gây ra tổn thất điện năng trong thời gian t là:

)21_1(

;

*t P

A

Song trong thực tế phụ tải luôn luôn thay đổi theo thời gian như biến thiên theo đồ thị phụ tải và tình trạng làm việc của các nhà máy điện Vì vậy phải dùng phương pháp tích phân để tính tổn thất điện năng:

)22_1(

;

Tuy nhiên P là một hàm số phức tạp của thời gian t rất khó tích phân Người ta thường dùng hai phương pháp sau:

 Phương pháp dòng điện đẳng trị

Xác định tổn thất điện năng trong một năm theo công thức sau:

2 2

)(

)()

(3

t U

t S R dt t I R

A

)23_1(

;.)(

)(

)(

)(

8760

0

2 2 2

t Q dt t U

t P R

A

P(t) và Q(t) nhiều khi rất khó biểu diễn được dạng công thức giải tích, khi đó có thể xác định điện năng gần đúng bằng cách bậc thang hóa đường cong P(t) vá Q(t) và lấy trị số bằng điện áp định mức:

U

R t S U

R

A

2 2 2

2

Trong đó: S[MVA]; R[]; Udm[KV]; tI[h]

Phương pháp này trong nhiều trường hợp không làm được vì ta không biết trước đồ thị P(t) và Q(t)

Vì vậy trong tính toán thường dùng phương pháp sau:

a) Phương pháp xác định tổn thất điện năng theo thời gian tổn thất công suất lớn nhất: phương pháp này cho ta dễ dàng xác định được tổn thất điện năng nếu biết được thời gian sử dụng công suất lớn nhất Tmax, thời gian tổn thất công suất lớn nhất max và phụ tải cực đại Smax

b) Thời gian sử dụng công suất lớn nhất: Nếu giả thiết rằng ta luôn sử dụng phụ tải lớn nhất (và không đổi) thì thời gian cần thiết Tmax để cho phụ tải đó tiêu thụ một lượng điện năng bằng lượng điện năng do phụ tải thực tế (biến thiên) tiêu thụ trong một năm làm việc được gọi là thời gian sử dụng công suất lớn nhất

Tmax được định nghĩa như sau:

)25_1(

;

.)

I

dt t I T

;

T P

i i dt

n

i

i i tb

với kdt:hệ số đồng thời tại thời điểm đạt max của PI(t)

Đối với các xí nghiệp làm việc một ca Tmax=15002000h;làm việc hai ca Tmax=30004500h; làm việc ba ca Tmax=50007000h Đối với phụ tải sinh hoạt thành phố thì Tmax=20003000h

 Thời gian tổn thất công suất lớn nhất:

ký hiệu  là thời gian nếu trong đó mạng điện luôn luôn mang tải lớn nhất sẽ gây ra một tổn thất điện năng đúng bằng tổn thất điện năng thực tế trên

 ;(1_26).

2 8760

0 2 8760

i

U

R t

Q t

P U

;

.3)

)28_1(

;

.)

2

m ax

8760

0 2

S

dt S

I

dt t

Và cũng có thể xác định theo công thức

kinh nghiệm Kezevits:

công thức thực nghiệm khác nếu biết P(t)

có Pmin và Pmax, biết Tmax thì ta có thể

tính max theo công thực nghiệm sau có

độ chính xác cao hơn so với công thực

(3_29):

)30_1(

;)1

(

*287601

87608760

max min

max

min max

max max

max

P P P

P T

Hình 1_6 Đường cong biểu diễn quan hệ 1.khi cos=1; 2.khi cos=0.8; 3.khi cos=0.7

Một công thức thực nghiệm khác:

8760

703

0

2

max max

T T





;

1 Tổn thất điện năng trên đường dây

Tổn thất điện năng trên đường dây và phụ tải tập trung, phân bố đều được tính như sau:

)31_1(];

.[

* KWh P

A 



P: tổn thất công suất lớn nhất trên đường dây và phụ tải tính toán

 : thời gian chịu tổn thất công suất lớn nhất

 Trường hợp cos của nhiều phụ tải giống nhau:

Nếu các phụ tải b,c,d có cos  giống nhau (Hình 1_7), Tmax như nhau thì trị số  của cả 3 phụ tải đều giống nhau, tổn thất điện năng được xác định như sau:

)32_1(

;

2 1 2

2 2 3

2 '' 3

S r U

S A

b c

d

 Trường hợp cos của nhiều phụ tải khác nhau:

Nếu cos và Tmax của các phụ tải khác nhau nhiều thì phải tính riêng rẽ tổn thất trên từng đoạn dây:

)33_1(

;

2 1 2 2

2 2 3 3

2 '' 3

U

S r

U

S A

b c

Nếu cos của các phụ tải khác nhau không nhiều, ta dùng trị số trung bình của Tmaxtb như công thức (1_25b) và tính costb theo công thức gần đúng sau:

)34_1(

;cos.cos

.cos

.cos

3 2 1

3 2

1

S S S

S c S

2 Tổn thất điện năng trong máy biến áp

Tổn thất điện năng trong MBA 2 cuộn dây được xác định như sau:

)35_1(

;

2

m ax 0

S

S P t P A

Tổn thất điện năng trong MBA 3 cuộn dây được xác định như sau:

)36_1(

;)

.(

2 3

m ax 3

2 2

m ax 2

2 1

m ax 1

pt nm dm

pt nm MBA

S

S P S

S P S

S P t P A

Sdm: công suất định mức của MBA

Sptmax: công suất phụ tải cực đại của MBA

P0: tổn thất kông tải

Pnm: tổn thất ngắn mạch của MBA (do nhà chế tạo cho)

Tổng quát với trạm có n máy làm việc song song thì:

)37_1(

;

1

2

m ax 0

S

S P n t P n A

)38_1(

;)

(

1

2 3

m ax 3

2 2

m ax 2

2 1

m ax 1

0 3

pt nm dm

pt nm

MBA

S

S P S

S P S

S P

n

t P n A

Khi biết đồ thị phụ tải, để giảm tổn thất điện năng người ta thường thay đổi số lượng MBA tùy theo mức phụ tải (Hình 1_8) khi đó tổn thất của trạm MBA

2 cuộn dây được xác định như sau:

)39_1(

;

1

1

2

1 0

i i i

S

S n P t n P A

Trạm có MBA 3 cuộn dây cũng được xác định tương tự như công thức (1_39)

Với nI: số MBA làm việc trong thời gian tI

SI : phụ tải của nI MBA vận hành song song trong thời gian ti

Trong trường hợp các MBA có công suất khác nhau làm việc song song, trước hết cần tìm sự phân bố phụ tải giữa chúng Đối với các MBA có điện áp ngắn mạch (Unm%) bằng nhau thì phụ tải phân bố giữa chúng có thể xem như tỉ lệ với công suất định mức của chúng

Phụ tải của toàn trạm là S thì mỗi MBA sẽ nhận công suất là:

)40_1(

;

1

S S

trong đó S i: phụ tải của MBA thứ i nhận được

S đmi:công suất định mức của MBA thứ i

Sau khi biế được công suất phân bố cho từng MBA, thì ta tính riêng tổn thất điện năng cho từng MBA theo cônt thức (1_37) hoặc (1_38) hoặc (1_39)

C HƯƠNG 2

Phương pháp mô hình hóa đuợc chia làm bốn thành phần chủ yếu: mô hình tải, mô hình đường dây và cáp, mô hình máy biến áp phân phối và mô hình các phần tử công suất phản kháng Mô hình tải phản ánh sự nhạy cảm của các thành phần tải khác nhau với sự thay đổi của điện áp và tần số

1 Mô hình tải:

 Tải thụ động

Để khảo sát được dạng tải mà chúng sẽ thay đổi theo giờ, ngày, mùa v.v người

ta dùng một hình vẽ biểu diễn phần trăm của tổng tải và gọi là “cửa sổ tải” Hình vẽ 2.1 biểu thị một cửa sổ tải vào mùa đông Phần trăm của các phần tử riêng lẻ trong tổng nhu cầu phụ thuộc vào thời gian trong năm, thời gian trong ngày, vị trí địa lý, hoàn cảnh kinh tế và các điều kiện khác Số lượng và chất lượng các thông tin liên quan đến sự thay đổi tải tùy thuộc vào các công ty cung cấp điện

Tải được thể hiện qua công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q và được xem xét theo bảng dưới đây:

Tải đèn nung

Lò sưởi Đèn huỳnh

Bảng 2.1 Các kiểu tải

Dạng sử

dụng

Tải gia đình Đèn nung tim

Đèn huỳnh quang Động cơ nhỏ Máy tính Thiết bị điện gia dụng

Trở thụ động Không tuyến tính Cảm thụ động Không tuyến tính Không tuyến tính Tải thương

mại

Đèn chóa Máy điều hòa không khí Lò sưởi nhiệt trở

Máy làm lạnh Máy giặt Đèn huỳnh quang ASDs

Máy tính Thiết bị điện tử khác

Trở thụ động Cảm thụ động Trở thụ động Cảm thụ động Cảm thụ động Không tuyến tính Không tuyến tính Không tuyến tính Không tuyến tính Nhà máy

nhỏ

Quạt Máy bơm Máy nén Nhiệt trở Lò hồ quang) ASDs

Tải điện khác

Cảm thụ động Cảm thụ động Cảm thụ động Cảm thụ động Không tuyến tính Không tuyến tính Không tuyến tính

 Các mô hình cho tải thụ động:

 Mô hình A:

Sử dụng cho tải có phần động cơ nhỏ ví dụ như tải gia đình và tải thương mại ở đó phần quay của động cơ nhỏ, tác động của phần trở là chủ yếu

Phần trởR

Hình 2.2 Mô hình A cho tải

Trong đó:

P

VR

2

 , V là điện áp pha ở tần số cơ bản

P là công suất tác dụng của tải

 Mô hình B:

Trong mô hình này, phần trở là một điện trở song song với phần cảm bao gồm điện trở RI song song với điện cảm L Mô hình này sử dụng cho tải có thể biết được số lượng động cơ đang hoạt động, và điện cảm thứ tự không của chúng Tuy nhiên, số lượng chính xác động cơ tại một thời điểm là không thể có, nên hệ số K là hệ số động cơ đang hoạt động cần phải sử dụng trong mô hình này Để tính toán điện cảm tương đương thứ tự âm, hệ số K1 là hệ số cân xứng đối với điều kiện khởi động khắc nghiệt cũng được sử dụng Do đó, công thức dùng cho mô hình này là:

Phần trở

Phần độngHình 2.3 Mô hình B cho tải

VL

1 E

Trong đó: P: Tổng công suất yêu cầu (MW)

K: Hệ số động cơ của tổng công suất MW

Tải công nghiệp: K=0.8, tải gia đình và thương mại: K=0.15

KE: Hệ số tải điều khiển điện trong tổng MW , KE  0

K1: Hệ số khắc nghiệt trong điều kiện khởi động, K1  4 – 7

R1: Biểu thị cho sự giới hạn dòng

K2: Hệ số điện cảm thứ tự âm hay điện cảm khi rotor bị khóa

: Tần số (rad)

 Mô hình C:

Dùng khi tải là động cơ cảm ứng lớn hay một nhóm động cơ nối vào điện áp trung thế, đây là đặc trưng của tải khu công nghiệp Mô hình này cũng coi phần động (motive) của tải bao gồm điện trở R1 nối tiếp vơi điện cảm thứ tự nghịch L,

R1 và L này được tính tương tự như trường hợp của mô hình B Còn R là điện trở hạn dòng và LT đặc trưng điện kháng rò tương đương, chúng được tính như sau:

R1

LT

Hình 2.4 Mô hình C cho tải

K3  8: Tác dụng công suất phản kháng của mạch motor

: Tần số cơ bản (rad)

 Mô hình D (Mô hình CIRGE):

RL

;R073.0L

Bảng 2.2 Các mô hình cho tải tuyến tính

Mô hình Mạch tương đương

Mô hình 1 - Nối tiếp (thường được sử dụng)

Khi biết P và Q

Mô hình 2 – Song song

1 (thường được sử dụng)

Biết P và Q có xét đến hiệu ứng mặt ngoài Mô hình 3 – Song song

2

Biết P và phân số của động cơ cảm

Mô hình 4 - Song song

Biết P và phân số của các động cơ

Mô hình 5 Nối tiếp/ song song 1

(Mô hình CIGRE/EdF) Mô hình 6

Nối tiếp/ song song 2

Model 7 Nối tiếp/ song song 2

Biết P, điện cảm của các máy biến áp phân phối và điện cảm của động cơ cảm

2 Mô hình đường dây trên không và cáp:

Hình 2.6 : Mô hình hình pi đơn giản cho đường dây

Thông thường sử dụng sơ đồ tương đương hình pi đối với các đường dây ngắn hoặc trung bình, có thể bỏ qua ảnh hưởng của 2 tụ tập trung ở hai đầu đường dây, nếu không tính đến hiệu ứng mặt ngoài, có thể mô hình đường dây là điện trở nối tiếp với điện cảm của đường dây đó, khi này, đối với họa tần, tổng trở sóng có dạng:

Z = Rh + j.X1.h

Trong đó X1 = jL là điện kháng của đường dây tại tần số cơ bản

Nếu cần quan tâm tới hệ số hiệu chỉnh tính tới hiệu ứng bên ngoài, thì Rh lúc này có thể tính đối với từng tần số:

h646.01

R

Rh = R(0.187 + 0.532h1/2) đối với cáp ngầm

3 Mô hình máy biến áp:

Máy biến áp phân phối phải có trong quá trình mô hình hóa mạng điện phân phối vì chúng có số lượng rất lớn và gây ra tổn thất đáng kể cho hệ thống Các máy biến áp một pha được mô hình hóa bởi tổng trở rò nối tiếp với mạch tổn thất lõi ở phần thứ cấp

Có thể mô phỏng máy biến áp theo các mô hình sau:

Hình 2.8: Mô hình B máy biến áp

Điện cảm rò song song với điện trở, điện trở trong trường hợp này = 80 lần điện cảm của máy biến áp R = 80L

 Mô hình C:

RP

L

RS

Điện trở Rs nối tiếp với cặp điện cảm song song với điện trở RP Điện trở Rs và RP là hằng số bất chấp họa tần

R.S

V90

13 2P 

4 Mô hình các phần tử phản kháng:

Các tụ điện, máy phát đồng bộ thường được dùng trong mạng phân phối để hiệu chỉnh hệ số công suất và hỗ trợ điện áp

 Máy phát đồng bộ:

Khi dòng, áp phi tuyến xuất hiện trong stator của máy đồng bộ, thành phần

cơ bản thực hiện quá trình chuyển đổi năng lượng và tạo sức từ động quay phản ứng với sức từ động rotor để tạo ra sức từ động cơ bản Ngược lại, thành phần hài cũng tạo ra sức từ động quay ở các tần số khác, nhưng không có phản ứng phần ứng Do đó, phản ứng tại tần số hài không liên quan tới các thông số đồng bộ mà liên quan tới tổng trở tương đương có thể gây nên bởi nhánh rò (leakage path) Có thể giả sử rằng máy đồng bộ không sinh ra điện áp hài và có thể được mô phỏng bởi tổng trở shunt tương đương tại tần số hài

R

L

Hình 2.10 Sơ đồ thay thế máy phát đồng bộ

(a) Thay thế nối tiếp

(b) Thay thế song song

X = 1/2(Xd"+Xq") =X2

Khi sử dụng các giá trị đặc trưng của điện kháng máy đồng bộ để tính toán điện kháng tương đương X, có thể sử dụng điện kháng thoáng, có thể hợp nhất với điện trở hạn dòng Trên là sơ đồ mô hình máy đồng bộ Người ta đưa ra hai loại: Nối tiếp và song song, ở đây, mô hình nối tiếp thích hợp hơn, bởi vì máy phát đồng bộ có thể coi là động cơ cảm ứng đối với tần số hài Tuy nhiên, trên thực tế, mô hình hiệu ứng bề mặt và kiểu kết hợp trở kháng sẽ không gây nên bất kỳ một sai khác nào đối với trở kháng tương đương Như vậy trong chương trình mô phỏng, có thể sử dụng mô hình nối tiếp, song song, mô hình thêm hiệu ứng mặt ngoài và hiệu chỉnh cảm kháng cũng như điện kháng damping dựa trên mất mát trong động cơ cho cả hai loại mô hình (nối tiếp và song song)

 Động cơ điện cảm ứng:

L là điện cảm khóa rô to

Hình 2.17 Mô hình động cơ cảm ứng (a) Mô hình hoàn chỉnh

(b) Mô hình tương đương đối với họa tần

Độ trượt s(h) ở họa tần:

Các hộ tiêu thụ điện trong quá trình dùng điện tiêu thụ cả công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q Tuy nhiên việc truyền tải công suất phản kháng Q trên đường dây là không có lợi, và gây ra tổn thất điện áp cũng như tổn thất điện năng

 Tăng tổn thất công suất tác dụng:

U

Q R U

P R U

Q P

 Làm tăng tổn thất điện áp:

Đặc biệt với các lưới phân phối Khi truyền dẫn công suất qua các phần tử có điện trở R và điện kháng X thì tổn thất điện áp được xác định theo biểu thức:

U

QX PR

Trong đó UP: tổn thất điện áp do công suất tác dụng gây nên

UQ: tổn thất điện áp do công suất phản kháng gây nên

Phần tổn thất thêm UQ làm tăng độ lệch điện áp trên cực các thiết bị điện so với điệân áp định mức của thiết bị khi phụ tải thay đổi do đó đảm bảo chất lượng điện cũng như về mặt kinh tế mà trong lưới điện cần phải đưa công suất phản kháng vào gần nơi tiêu thụ, như vậy làm giảm công suất truyền từ đầu đường dây, có nghĩa là giảm tải cho đường dây và MBA, do đó có khả năng tăng truyền tải cho đường dây cũng như MBA

Độ lệch điện áp sinh ra ở nơi tiêu thụ điện là do bởi hai nguyên nhân sau:

 Nguyên nhân phát sinh ở bản thân các hộ tiêu thụ điện: do các hộ tiêu thụ điện với tải thay đổi liên tục nên gây nên độ lệch điện áp

 Nguyên nhân do sự biến đổi về tình trạng vận hành của hệ thống điện: phương thức vận hành của các nhà máy điện trong hệ thống hoặc một sự thay đổi nào đó trong đường dây của hệ thống cũng làm cho sự thay đổi công suất trong toàn hệ thống Dẫn đến sự thay đổi mức tổn thất điện áp và làm biến đổi độ lệch điện áp ở nơi dùng điện

Độ lệch điện áp xảy ra cao nhất khi xảy ra sự cố: đứt dây, ngắn mạch …Trong thực tế không thể nào giữ điện áp ở nơi tiêu thụ điện luôn đúng bằng diện áp định mức, trong hệ thống cũng như thiết bị đều cho phép một độ lệch điện áp tương đối nhỏ nào đó mà vẫn đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật

2 Vấn đề thay đổi điện áp trên lưới điện:

Trong cung cấp điện trên lưới phân phối luôn có sự khác biệt giữa điện áp nguồn (các trạm biếp áp trung gian hoặc phân phối) và điện áp tải tại các vị trí khác nhau, do dòng tải qua tổng trở của MBA cũng như tổng trở trong các MBA, và tổng trở đường dây gây ra các độ sụt áp

T1 T2 T3 LTC

Điện áp giới hạn trên

Điện áp giới hạn dưới

Điện áp giới hạn trên

Điện áp giới hạn dưới

3 Các giải pháp giảm tổn thất công suất:

Có rất nhiều phương pháp để khắc phục tình trạng sụt áp trên lưới phân phối, hoặc giữ điện áp phân phối trong khoảng thay đổi cho phép Nghĩa là nâng điện áp lên khi điện áp ở trạm giảm vượt ra ngoài định mức và ngược lại giảm điện áp xuống khi điện áp ở trạm tăng vượt định mức Muốn giữ cho điện áp nằm trong phạm vi cho phép tốt nhất là kết hợp nhiều biện pháp điều chỉnh khác nhau:

 Điều áp ngay tại máy phát

 Sử dụng thiết bị điều chỉnh điện áp dưới tải tại các trạm phân phối

 Đặt tụ bù tại các trạm phân phối

 Phân phối đều hơn các phụ tải trên các phát tuyến

 Tăng tiết diện đường dây phân phối

 Chuyển một số các phụ tải qua các phát tuyến mới

 Xây dựng các trạm mới và các phát tuyến mới

 Nâng cao cấp điện áp phân phối

 Sử dụng máy điều áp dọc đường dây phân phối

 Đặc tụ bù song song trên các phát tuyến

 Đặt tụ bù nối tiếp trên các phát tuyến

 Tăng cấp điện áp

Sự chọn lựa một hay kết hợp nhiều giải pháp với nhau tùy thuộc vào yêu cầu của từng phát tuyến Tuy vậy trong thực tế giải pháp sử dụng máy điều áp tại các vị trí thích hợp tỏ ra là hữu hiệu và tiết kiệm

a Điều áp ở nhà máy điện:

Ơû các mạng điện nhỏ, chỉ có một nhà máy điện, ta có thể hoàn toàn dựa vào việc thay đổi điện áp ở các nhà máy điện đặt trong nhà máy đó để đạt tới mức điều chỉnh điện áp cần thiết phù hợp với yêu cầu của các hộ dùng điện, khi phụ tải lớn ta nâng điện áp của nhà máy phát điện lên, và ngược lại khi phụ tải nhỏ ta hạ điện áp ở nhà máy phát điện xuống Nghĩa là luôn giữ điện áp ở phía phụ tải gần với điện áp định mức Hoặc với một độ lệch điện áp tương đối nhỏ nào đó không vượt quá phạm vi cho phép

Kinh nghiệm cho ta thấy ở mạng điện nhỏ, phương pháp điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi điện áp của máy phát ở nhà máy điện là thích đáng và thông thường giúp ta giữ được độ lệch điện áp ở các hộ tiêu thụ không vượt quá phạm vi cho phép

Nhưng phương pháp này về phương diện sử dụng rất bị hạn chế, nó không

điện áp khác nhau hoặc hệ thống điện gồm nhiều nhà máy điện kết nối lại với nhau

b Thiết bị điều chỉnh điện áp dưới tải:

Do tính chất kinh tế - kỹ thuật của các thiết bị tiêu thụ điện mà điện áp làm việc cho phép dao động trong một phạm vi hẹp, điện áp thấp nhất xảy ra trên các thiết bị điện khi phụ tải lớn nhất và điện áp cao nhất khi phụ tải bé nhất

Một trong những biện pháp cơ bản để đảm bảo điện áp cần thiết trên thiết bị điện là chọn đúng đầu phân áp của máy biến áp, hay nói cách khác là ta thay đổi tỉ số k của máy biến áp để đạt được trị số yêu cầu của phụ tải

Ví dụ: Cho sơ đồ hệ thống điện:

Theo quy chuẩn thì tất cả các máy biến áp có công suất từ 5600KVA trở lên và có điện áp bên cao từ 35KV trở lên đều có 4 đầu phân áp phụ ở phía cuộn cao áp

Uc1 Uđm

A

Ub1 Ub2 Uđm

Uc1 Uđm

B

Khi chuyển đầu phân áp này sang đầu phân áp bên cạnh, tỉ số biến đổi thay đổi được

2, 5%, nghĩa là điện áp cũng thay đổi được 2, 5% như vậy với máy biến áp có 4 đầu phân áp phụ thì có thể cho ta thay đổi điện áp trong phạm vi ±5% tức là với phạm vi biến thiên chung của độ lệch điện áp 10%

Đối với máy biến áp có công suất bé hơn 5600KVA và điện áp bên cao áp bé hơn 35KV thì ngoài đầu chính còn có hai đầu phân áp phụ Và khi chuyển từ đầu phân áp này sang đầu phân áp bên cạnh thì điện áp thay đổi được 5%

Muốn thay đổi được đầu phân áp của các máy biến áp yêu cầu phải cắt MBA ra khỏi mạng để thao tác Như vậy việc thao tác phải có thời gian và số lượng MBA trong hệ thống rất lớn Vì những lý do trên mà ta không thể thay đổi thường xuyên đầu phân áp MBA được, mà cần tính toán sao cho để có thể chọn được một đầu phân áp thỏa mãn được yêu cầu về điện áp tại các hộ tiêu thụ trong các tình trạng làm việc khác nhau

-5%

-2 5%

0 +2 5%

+5%

H

H -5%

100vòng Tă

ng

Ho

Theo sơ đồ hình 3.7 ta có:

Tụ bù là các phần tử thụ động với dòng qua nó sớm pha hơn điện áp một góc

900 Nhờ vậy tụ trung thế thường được dùng để bù công suất phản kháng, trong các mạch lọc các sóng bậc cao và cải thiện phần nào tình trạng sụt áp trên các đường dây phân phối

Khi truyền công suất trên đường dây đến một phụ tải có yêu cầu công suất là:

Spt=Ppt+jQpt Dòng điện chạy trên đường dây khi đó là

U.3

Tăng Hoặc giảm

900 vòng

47 vòng

Hình 3.7: sơ đồ MBA điều chỉnh 5%

Do tụ bù trung thế có thể cung cấp công suất phản kháng Q tại chỗ nên ta có thể thay vì truyền một lượng công suất Q đi trên đường dây người ta chỉ việc đặt tụ bù tại nơi cần bù một lượng Q Với giải pháp sử dụng tụ bù mức độ cải thiện điện áp khoảng 3-4%Uđm

Các lợi điểm của việc dùng tụ bù:

 Bù công suất phản kháng cần thiết

 Cải thiện điện áp ở cuối đường dây

 Giảm bớt dòng tải trên đường dây, do đó giảm bớt dòng quá tải trên

các thiết bị lắp đặt, giảm bớt độ sụt áp, giảm tồn thất

 Nâng cao hệ số công suất của hệ thống

 Nâng cao công suất cung cấp nhờ giảm bớt thành phần phản kháng

trên đường dây, nâng cao hiệu quả kinh tế của lưới

Ưu, khuyết điểm khi sử dụng tụ bù để bù công suất phản kháng và cải thiện điện áp so với các thiết bị bù khác như sau:

Ưu điểm:

 Tổn thất công suất tác dụng trên bản thân tụ điện rất bé (0

0025÷0 005 Kw/Kvar)

 Tụ điện được chế tạo thành đơn vị nhỏ nên rất linh động trong việc

lắp ráp và mở rộng công suất

 Sử dụng trực tiếp ở nhiều cấp điện áp khác nhau

Nhược điểm:

 Tụ điện nhạy cảm với sự biến động của điện áp đặt lên cực tụ điện

theo một quan hệ như sau: Q=U2 2 f C

 Khi điện áp tăng 110% Uđm tụ điện dễ bị chọc thủng

 Khi đóng tụ vào hệ thống, trong hệ thống sẽ xuất hiện dòng điện

xung, ngược lại ngắt tụ điện ra khỏi hệ thống, trên cực tụ điện vẫn tồn tại điện áp

 Công suất phản kháng phát theo bậc không thể thay đổi điều chỉnh

tinh được

 Hiệu ứng bù dọc và bù ngang:

Chức năng chính của tụ điện là để bù công suất phản kháng và cải thiện được điện áp tại điểm nó được lắp đặt Tụ mắc nối tiếp (bù dọc) sẽ hiệu chỉnh trực tiếp cảm kháng của mạch mà nó được lắp đặt Tụ mắc song song (bù ngang) cải thiện hệ số công suất và điều chỉnh điện áp

 Bù dọc:

I

Trước khi bù: Z=R+jXL

Sau khi bù Z’=R+j(XL-XC)

Tổn thất điện áp trước khi bù: UIRcosIXLsin

.

Tổn thất điện áp sau khi bù: U IRcos (XLXC)sin

.

Trong đó:

R: điện trở đường dây (  )

XL: điện kháng đường dây (  )

XC: điện dung đường dây (



1) Cos : hệ số công suất

Khi đặt tụ bù nối tiếp vào đường dây sẽ làm giảm và có thể triệt tiêu cảm kháng XL của đường dây Nói cách khác tụ nối tiếp sẽ cung cấp một cảm kháng âm ngược lại với cảm kháng đường dây, do đó làm cho cảm kháng của mạch giảm xuống Như vậy tụ nối tiếp có công dụng nâng điện áp và hệ số công suất đường dây thông qua dòng Đối với tụ nối tiếp, điện áp sẽ tự động tăng khi tải tăng

Rõ ràng nhận thấy U > U’  giảm tổn thất điện áp

Nhận xét:

- Khó khăn khi bù dọc nhất là đối với lưới phân phối

- Cộâng hưởng sắt từ khi có cáp ngầm

- Bảo vệ tụ điện chạm đất một pha rất khó do lưới phân phối thường xuyên có ngắn mạch một pha

- Bù dọc ít ảnh hưởng đến cos

- Tăng điện áp lưới khi bù dọc, ngăn sụt áp trong hệ thống

- Gây ra hiện tượng dao động do tương tác bởi XC của tụ nối tiếp với XLphi tuyến của máy biến áp

- Khi máy biến áp hoạt động ở chế độ gần bảo hòa mạch từ, thì nếu có một sự dao động nhỏ về U sẽ gây ra giảm mạnh XL và nếu có bù dọc XCthì XL sẽ tiến tới gần bằng XC, dẫn tới quá điện áp trên thiết bị điện làm hỏng thiết bị điện