NGHIÊN cứu bù CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG để GIẢM tổn THẤT CÔNG SUẤT và điện NĂNG TRÊN lưới điện

Nguyễn Ngọc Hòa + Tên đề tài:“Nghiên cứu bù công suất phản kháng để giảm tổn thất công suất và điện năng trên lưới điện ” + Tóm tắt: Luận văn nghiên cứu tổng quan về bù công suất phản kh

NGUYỄN CÔNG CƯỜNG

NGHIÊN CỨU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ĐỂ

GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG

TRÊN LƯỚI ĐIỆN

LUẬNVĂNTHẠCSĨ

Chuyênngành:Kỹthuật điềukhiểnvà tự độnghóa

Hà Nội - Năm 2015

NGUYỄN CÔNG CƯỜNG

NGHIÊNCỨUBÙ CÔNGSUẤTPHẢNKHÁNG ĐỂ GIẢMTỔNTHẤTCÔNGSUẤTVÀ ĐIỆNNĂNG

TRÊN LƯỚI ĐIỆN Chuyênngành:Kỹ thuật điều khiển và tự độnghóa

Mã số:60520216

CÁNBỘHƯỚNGDẪNKHOAHỌC Cánbộhướngdẫnchính:GVC, TS NguyễnNgọcHòa

Hà Nội - Năm 2015

Cánbộchấmphảnbiện 1:

Cánbộchấmphảnbiện 2:

Luậnvănthạcsĩ đượcbảovệtại:

HỘI ĐỒNGCHẤMLUẬNVĂNTHẠCSĨHỌCVIỆNKỸTHUẬTQUÂNSỰNgày tháng năm 2015

Họvà têntácgiảluậnvăn: NguyễnCôngCường

đểgiảmtổnthấtcôngsuấtvà điệnnăngtrênlưới điện”

Chuyênngành:Kỹthuật điềukhiểnvà tự độnghóa

Mã số: 60520216

Cánbộhướngdẫn:GVC, TS NguyễnNgọcHòa

Tácgiả, cánbộhướngdẫnkhoahọcvà Hội đồngchấmluậnvănxácnhậntácgiả

đã sửachữa, bổsungluậnvăntheobiênbảnhọpHội đồngngày…

………… vớicácnộidungsau: ………

.………

………

……… ………

Ngàythángnăm 2015

GVC, TS NguyễnNgọcHòaNguyễnCôngCường

Tôixincam đoan:

Nhữngkếtquảnghiêncứu đượctrìnhbàytrongluậnvănlàhoàntoàntrungthực, củatôi, khôngviphạmbấtcứ điềugì trongluậtsởhữutrí tuệvàphápluậtViệtNam Nếusai, tôihoàntoànchịutráchnhiệmtrướcphápluật

TÁCGIẢLUẬNVĂN

NguyễnCôngCường

Chương 1 :TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN

LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 3

1.1 Chức năng và các sơ đồ lưới điện hạ áp 3

1.2 Sự tiêu thụ công suất phản kháng 6

1.3 Ý nghĩa của việc bù CSPK trong lưới phân phối 14

1.4 Các bước xác định tối ưu lắp đặt tụ bù cho lưới điện phân phối 17

1.5 Kết luận chương 1 19

Chương 2: CƠ SỞ THỰC HIỆN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TỐI ƯU CHO LƯỚI ĐIỆN 20

2.1 Xác định tối ưulắp đặt tụ bù khi tải phân phối đều 20

2.2 Tối ưu việc lắp đặt các tụ điện cố định và tụ điện đóng cắt trên các xuất tuyến lưới phân phối 34

2.3 Xác định tối ưu lắp đặt tụ bù khi tải thay đổi 50

2.4 Xác định tối ưu lắp đặt tụ bù khi phụ thuộc điện áp 57

2.5 Kết luận chương 2 62

Chương 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀN TÍNH TOÁN BÙ TỐI ƯU CHO MỘT LƯỚI ĐIỆN CỤ THỂ 63

3.1 Các dữ liệu của một lưới điện phân phối cụ thể 63

3.2 Khai thác phần mền phân bổ dung lượng bù tối ưu 69

3.3 Xác định phương án bù tối ưu khi tải cực tiểu 85

3.4 Xác định phương án bù tối ưu khi tải cực đại 90

1 Kết luận 99

2 Khuyến nghị 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

+ Họ và tên học viên:Nguyễn Công Cường

+ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Khoá: 26 + Cán bộ hướng dẫn:GVC, TS Nguyễn Ngọc Hòa

+ Tên đề tài:“Nghiên cứu bù công suất phản kháng để giảm tổn thất

công suất và điện năng trên lưới điện ”

+ Tóm tắt:

Luận văn nghiên cứu tổng quan về bù công suất phản kháng trên lướiđiện phân phối, các bước xác định tối ưu lắp đặt tụ bù cho lưới điện phânphối Dẫn ra các cơ sở lý thuyết của việc xác định tối ưu việc lắp đặt tụ bù khitải phân bố đều, khi tải cố định, khi tải thay đổi và khi tải phụ thuộc điện áp.Khai thác và ứng dụng phần mền PSS/ADEPT để tính toán phân bổ dunglượng bù (CAPO) cho xuất tuyến 477E18.3 do Điện lực huyện Kỳ Anh quản

lý Chế độ vận hành của lưới được xét ở hai trường hợp: Chế độ tải cực tiểu

và chế độ tải cực đại Ba phương án thực hiện đặt tụ bù ở mỗi chế độ đượcthiết lập để tính toán: Chỉ bù ở hạ áp, chỉ bù ở trung áp, bù cả hai phía hạ áp

và trung áp với cả hai loại tụ bù có dung lượng cố định và có chuyển mạch

CSPK : Công suất phản kháng

CSTD : Công suất tác dụng

GTO : Các cửa đóng mở - Gate turn off

HTĐ: Hệ thống điện

MBA: Máy biến áp

TCR : Kháng điểu chỉnh bằng Thyritor – Thyritor Cotrolled

Reactor

TSC: Bộ tụ đóng mở bằng Thyritor – Thyritor Swiched CapacitorTSR: Kháng đóng mở bằng Thyritor - Thyritor Swiched ReactorSVC: ( Static Var Compensator ) Thiết bị bù ngang dùng để tiêu thụ

CSPK có thể điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của

Thyritor

HA: Hạ áp

TA: Trung áp

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Xuất tuyến sơ cấp với phụ tải gộp lại (hay tập trung) và các tải phân

bố đều và dạng phân bố dòng điện trước khi lắp đặt tụ 22Hình 2.2: Giảm tổn thất với một bộ tụ điện 23Hình 2.3: Độ giảm tổn thất là một hàm số của vị trí lắp đặt tụ và tỷ số bù tụ cho một phân đoạn đường dây có các phjụ tải phân bố đều ( λ = 0) 24Hình 2.4: Độ giảm tổn thất là một hàm số của vị trí lắp đặt và tỷ số bù tụ cho một đoạn đường dây có các phụ tải phân bố đều (λ = 1/4) 25Hình 2.5: Độ giảm tổn thất là một hàm số của vị trí lắp đặt tụ và tỷ số bù tụ cho một phân đoạn đường dây có các phụ tải phân bố đều (λ = 1/2) 25Hình 2.6: Giảm tổn thất với hai bộ tụ điện 27Hình 2.7 So sánh việc giảm tổn thất có thể đạt được từ n = 1, 2, 3 và ∞ bộ tụ, khi λ = 0 29Hình 2.8 So sánh việc giảm tổn thất có thể đạt được từ n = 1, 2, 3 và ∞ bộ

tụ khi λ = 1/4 30Hình 2.9 Sơ đồ một dây của các phụ tải phản kháng của một suất tuyến sơ cấp ba pha không đồng nhất 38Hình 2.10.Vị trí lắp đặt tụ và các giá trị định mức của dòng phản kháng được đánh số ký hiệu 40Hình 2.11 Minh họa trình tự B của bài toán tối ưu kích cỡ ba tụ điện ở vị trí lắp đặt đã được quy định trước 42Hình 2.12: Minh họa chỉ tiêu diện tích ngang bằng cho bài toán ba tụ bù ở hình 2.10 44Hình 2.13: Ba hình bình hành ở hình 2.12 có diện tích bằng với diện tích bên giới đường tải phân đoạn [ 0,h1] 46

HÌnh 2.15: Dòng điện xuất tuyến thay đổi theo thời gian 52

Hình 2.16: Vị trí tụ điện và định mức dòng được đánh số như hình vẽ 53

Hình 2.17: Lưu đồ giải lặp ba bài toán nhỏ 56

Hình 2.18: Các điểm phụ tải được đánh số 58

Hình 2.19: Các thành phần theo trục d và trụ q của phụ tải và tụ điện 60

Hình 2.20: Các vị trí lắp đặt tụ và dung lượng tụ được đánh số như trên hình .61

Hình 3.1 : Chọn thư viện cho thông số chương trình 73

Hình 3.3 : Giao diện nhập các thông số nguồn 74

Hình 3.4 : Giao diện nhập thuộc tính nút lưới 74

Hình 3.5 : Giao diện nhập thông số nút tải 75

Hình 3.6 :Giao diện nhập thông số đường dây 75

Hình 3.7 : Giao diện nhập thông số máy biến áp 76

Hình 3.8 : Bảng nhập các thông số về kinh tế trong CAPO 78

Hình 3.9 : Hộp thoại thiết đặt thông số tùy chọn trong CAPO 81

Hình 3.10: Cửa sổ hiện thị kết quả tính toán CAPO 85

Hình 3.11: Sơ đồ lưới điện được xây dựng trong PSS/ADEPT 86

Hình 3.12: Bảng phụ tải cực tiểu tại các nút 87

Hình 3.13 : Hiển thị kết quả phân tích dòng công suất ở chế độ tải cực tiểu 87

MỞ ĐẦU

Với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật,nguồn điện cũng phải đáp ứng được những đòi hỏi về công suất và chất lượngđiện cho hộ tiêu thụ.Vấn đề công suất phát ra phải được đưa đến và tận dụngmột cách hiệu quả nhất, không để lãng phí quá nhiều ảnh hưởng đến kinh tế làmột bài toán được rất nhiều đề tài nghiên cứu

Tổn hao công suất là vấn đề ảnh hưởng đến chất lượng nguồn điện vàtính kinh tế.Để giảm nó, một trong những biện pháp khá hiệu quả là bù côngsuất phản kháng cho lưới điện

Một số các hệ thống lưới điện trên các tỉnh thành của nước ta không có

hệ thống bù công suất phản kháng thậm chí còn không quan tâm đến vấn đềnày Do đó hệ số công suất cosφ có giá trị nhỏ điều này ảnh hưởng rất lớn đếncác tham số kinh tế kỹ thuật của mạng điện như: giảm chất lượng điện áp,tăng tổn thất công suất và phát nóng dây dẫn, tăng tiết diện dây dẫn, hạn chếkhả năng truyền tải công suất tác dụng, không sử dụng hết khả năng của động

cơ sơ cấp, giảm chất lượng điện, tăng giá thành điện năng

Ở một số tỉnh đã quan tâm đến vấn đề này như: Nghệ An, Hà Tĩnh,Ninh Bình…nhưng việc thực thi còn có những hạn chế Nếu có công suất hệthống bù công suất phản kháng thì chỉ là bù tĩnh, thiết bị bù không có cơ cấu

tự động điều chỉnh mang lại hệ số công suất cosφ lớn cỡ trên 0,9 điều nàycũng dẫn đến những ảnh hưởng đáng kể như vào giờ thấp điểm có hiện tượngdòng công suất phản kháng chạy ngược, làm tăng tổn thất và quá áp cục bộ,điều này gây hậu quả nghiêm trọng đến các thiết bị điện Vị trí đặt thiết bị bùthường 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 các thiết bị bùdẫn đến sự lãng phí.

Để tìm hiểu phương pháp và phương tiện khắc phục các nhược điểm

đó, đề tài đi theo hướng nghiên cứu các phương pháp bù công suất phảnkháng tối ưu, dẫn ra cơ sở xác định dung lượng và vị trí bù tối ưu cho lướiphân phối, đồng thời luận văn cũng khai thác và áp dụng phần mềmPSS/ADEPT để tính toán dung lượng và vị trí bù cho một lưới điện cụ thể

Với sự nỗ lực của bản thân, được sự chỉ dẫn và giúp đỡ tận tình củathầy giáo hướng dẫn, GVC,TS Nguyễn Ngọc Hòa và của các thầy cô giáotrong bộ môn Kỹ Thuật Điện, khoa Kỹ Thuật Điều Khiển, sự hỗ trợ và tạođiều kiện của các phòng ban chức năng thuộc Học Viện Kỹ Thuật QuânSự,mà tác giả luận văn đã có thời gian được học tập tại trường và hoànthành nhiệm vụ luận văn tốt nghiệp của mình

Nội dung luận văn này được trình bày trong 3 chương:

Chương I: Tổng quan về bù công suất phản kháng trên lưới điện phân phốiChương II: Cơ sở thực hiện bù công suất phản kháng tối ưu cho lưới điệnChương III: Ứng dụng phần mềm tính toán bù tối ưu cho một lưới điện cụthể

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

1.1 Vai trò đặc điểm của lưới điện phân phối

Hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp,cácđường dây truyền tải và phân phối điện được nối với nhau thành hệ thống làmnhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng

HTĐ phát triển không ngừng trong không gian và thời gian để đáp ứngnhu cầu ngày càng tăng của phụ tải Tùy theo mục đích nghiên cứu, HTĐđược phân chia thành các phần hệ thống tương đối độc lập nhau

(i) Về mặt quản lý, vận hành, HTĐ được phân chia thành:

+ Các nhà máy điện do các nhà máy điện quản lý

+ Lưới điện siêu cao áp ( ¿ 220 kV) và trạm khu vực do các công tytruyền tải điện quản lý

+ Lưới truyền tải 110 KV và phân phối do các công ty điện lực quản lý,dưới nó là các điện lực

(ii) Về mặt quy hoạch, lưới điện được phân thành hai cấp:

1- Lưới hệ thống bao gồm:

+ Các nguồn điện và lưới hệ thống (500,220, 110 kV)

+ Các trạm khu vực (500,220, 110 kV) được quy hoạch trong tổng sơ đồ.2- Lưới phân phối (U ¿ 35 kV) được quy hoạch riêng

(iii) Về mặt điều độ chia thành hai cấp:

+ Điều độ trung ương

+ Điều độ địa phương

Công tác điều độ bao gồm:Điều độ các nhà máy điện, điều độ các miền,điều độ các điện lực

(iv) Về mặt nghiên cứu, tính toán, HTĐ được phân chia ra thành:

+ Lưới hệ thống 500 kV;

+ Lưới truyền tải (35, 110, 220 kV);

+ Lưới phân phối trung áp (6, 10, 15, 22, 35 kV);

+ Lưới phân phối hạ áp (0,4 kV, 0,23kV)

Trong đó lưới 35 kV có thể dùng cho cả lưới phân phối và lưới truyền tải

Do phụ tải ngày càng phát triển về không gian, thời gian với tốc độ ngày càngcao, vì vậy cần phải xây dựng các nhà máy có công suất lớn Vì lý do kinh tế

và môi trường, các nhà máy điện thường được xây dựng ở những nơi gầnnguồn nhiên liệu hoặc việc chuyên chở nguyên liệu thuận lơi, ít tốn kém;trong khi đó các trung tâm phụ tải lại ở xa, do vậy phải dùng lưới truyền tải đểchuyển tải điện năng đến các hộ phụ tải Vì lý do kinh tế cũng như an toàn,người ta không thể cung cấp trực tiếp cho các phụ tải bằng lưới truyền tải, dovậy phải dùng lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối thực hiện nhiệm vụ phân phối điện cho một địaphương (một thành phố, quận, huyện…) có bán kính cung cấp điện nhỏ, dưới

50 km

Lưới điện phân phối nhận điện từ các trạm phân phối khu vực gồm:

+ Lưới điện có các cấp điện áp 110/35 kV; 110/22 kV; 110/15 kV; 110/10kV;110/6 kV

+Hay lưới điện có các cấp điện áp 35/6 kV;35/10 kV;35/15 kV; 35/22 kV

Phương thức cung cấp điện của lưới điện phân phối có hai dạng sau.1-Phân phối theo một cấpđiện áp trung áp:

+ Trạm nguồn có thể là trạm nâng áp của các nhà máy địa phương,hoặc trạm phân phối khu vực có dạng CA/TA (110/35 -22 -15-6 kV)

+ Trạm phân phối có dạng TA/HA (35 -22 -15 -6/0,4 kV ) nhận điện từtrạm nguồn qua lưới trung áp, từ đó điện năng được phân phối đến hộ phụ tảiqua mạng hạ áp.

2- Phân phối theo hai cấp điện áp trung áp:

- Trạm nguồn thông thường là trạm nâng áp của các nhà máy địa phươnghoặc trạm phân phối khu vực có dạng CA/TA (110 kV/35 kV) hoặc TA1/TA2(35/22 -15 -10 -6 kV)

- Trạm phân phối trung gian có dạng trung áp 1/trung áp 2 (TA1/TA2)

+ Chất lượng cung cấp điện: Ở đây là độ tin cậy cung cấp điện và độ

dao động của điện áp tại hộ phụ tải

+ Tổn thất điện năng: Thường tổn thất điện năng ở lưới phân phối lớn

gấp 3 đến 4 lần so với tổn thất điện năng ở lưới truyền tải

+ Giá đầu tư xây dựng:Nếu chia theo tỷ lệ cao áp, phân phối trung áp,

phân phối hạ áp thì vốn đầu tư mạng cao áp là 1, mạng phân phối trung ápthường từ 1,5 đến 2 và mạng phân phối hạ áp thường từ 2 đến 2,5 lần

+ Xác suất sự cố: Sự cố gây ngừng cung cấp điện, sửa chữa bảo dưỡng

theo kế hoạch, cải tạo, đóng trạm mới trên lưới phân phối cũng nhiều hơn lướitruyền tải

Với các đặc điểm trên, việc nghiên cứu lưới phân phối rất phức tạp vàđòi hỏi nhiều thông tin

Nói chung lưới phân phối hiện nay của Việt Nam có rất nhiều cấp điện

áp phân phối, phương thức cấp điện hỗn hợp cả hai mô hình một cấp điện ápphân phối và hai cấp điện áp phân phối Việc phát triển lưới điện có tính chắp

vá do khó khăn về tiền vốn, phụ tải phát triển nhanh và chưa có quy hoạchtổng thể, do vậy chất lượng cung cấp điện kém (độ sụt áp lớn,tổn thất cao, sự

cố nhiều)

Các đường dây quá dài, mang tải lớn vượt khả năng của cấp điện ápđang sử dụng Ngoài ra các thiết bị điện vận hành trên lưới cũng như phụ tảichưa có quy định về các chỉ tiêu kỹ thuật để nâng cấp chất lượng lưới như:các thông số kỹ thuật, hiệu suất thiết bị, phụ tải điện chưa có quy định về hệ

số công suất, chế độ làm việc, số lượng sóng hài cũng như chưa có chươngtrình quản lý phụ tải, dẫn đến chất lượng cung cấp kém

Do vậy việc nghiên cứu tổng thể về lưới phân phối hiện nay là rất cầnthiết, trong đó nghiên cứu việc bù công suất phản kháng để giảm tổn thất côngsuất, giảm tổn thất điện năng, cải thiện điện áp, hệ số công suất, hạn chế cácdao động điện áp lớn do các phụ tải tiêu thụ công suất phản kháng thay đổinhiều, như các lò điện hồ quang và các nhiễu loạn trên lưới điện do ảnhhưởng của các sóng hài bậc cao, nhằm cải thiện chất lượng cung cấp điện vàtăng hiệu quả kinh tế là công việc đang được ngành điện quan tâm

Lưới phân phối có một số đặc điểm chung như sau:

1- Chế độ vận hành bình thường của lưới điện phân phối là vận hành

hở, hình tia hoặc dạngxương cá (đường trục chính) Để tăng cường độ tin cậycung cấp điện thỉnh thoảng cũng có cấu trúc mạch vòng nhưng vận hành hở

2- Trong mạch vòng các xuất tuyến được liên kết với nhau bằng daocách ly, hoặc thiết bị nối mạch vòng (Ring Main Unit) các thiết bị này vậnhành ở vị trí mở, trong trường hợp cần sửa chữa hoặc sự cố đường dây điệnthì việc cung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài nhờ việc chuyển đổi nguồn

cung cấp bằng thao tác đóng cắt dao cách ly phân đoạn hay tự động chuyểnđổi nhờ các thiết bị nối mạch vòng.

3- Phụ tải của lưới phân phối đa dạng và phức tạp, nhất là ở Việt Namcác phụ tải sinh hoạt và dịch vụ, tiểu thủ công nghiệp đa phần cùng trong một

hộ phụ tải

So với mạng hình tia, mạng mạch vòng có chất lượng điện tốt hơn, đóchính là lý do tồn tại của mạch vòng, song lại gây phức tạp về vấn đề bảo vệrơle Cấu trúc mạch vòng chỉ thích hợp cho những mạng TA/HA có công suấtlớn và số lượng trạm trên mạch vòng ít Mặt khác cùng một giá trị đầu tư thìhiệu quả khai thác mạch vòng kín so với mạch hình tia thấp hơn Ngoài ra,chất lượng phục vụ của mạng hình tia đã liên tục được cải thiện,đặc biệt trongnhững thập niên gần đây với sự xuất hiện các thiết bị có công nghệ mới vàcác thiết bị tự động, việc giảm bán kính cung cấp điện, tăng tiết diện dẫn và

bù công suất phản kháng do vậy chất lượng điện mạng hình tia đã được cảithiện nhiều

Kết quả của các nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành đã đưa đếnkết luận nên vận hành lưới phân phối theo dạng hình tia bởi các lý do:

+ Vận hành đơn giản hơn;

+ Trình tự phục hồi lại kết cấu lưới sau sự cố dễ dàng hơn;

+ Ít gặp khó khăn trong việc lập kế hoạch cắt điện cục bộ

Với các lý do đã trình bày ở trên, trong các phần kế tiếp sẽ trình bàyviệc bù công suất phản kháng trên lưới phân phối hở và các ứng dụng của bùcông suất phản kháng

1.2Sự tiêu thụ công suất phản kháng

1.2.1 Khái niệm về công suất phản kháng (CSPK)

Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạchđiện đơn giản có tải là điện trở

và điện kháng

Mạch điện được cung cấp bởi điện áp: u=U m sin ωtt .

Dòng điện i lệch pha với điện áp u một góc φ:

i=I msin(ωtt −ϕ ) hay i=I m(sin ωtt cosϕ−cosωtt sin ϕ)

Có thể coi: i=i '+i} } } {¿¿

¿ Với i '=I m cos ϕ sin ωtt và i } } =I rSub { size 8{m} } sinϕ cosωt=I rSub { size 8{m} } t=I rSub { size 8{m} } sin ϕ sin \( ωt=I rSub { size 8{m} } t - π/2 \) } {¿ ¿

¿ Như vậy dòng điện i là tổng của hai thành phần:

+ Thành phần i ' có biên độI mcos φ cùng pha với điện áp u

+ Thành phần i} } } {¿¿

¿ có biên độ I msinφ chậm pha với điện áp một góc π/2.Công suất tương ứng với 2 thành phần i ' và i} } } {¿¿

¿ là:

P=UI cos ϕ gọi là công suất tác dụng;

Q=UI sin ϕ gọi là công suất phản kháng.

Từ các biểu thức công suất trên ta có thể viết:

P=UI cos ϕ=ZI ( I cos ϕ)=ZI 2 R /Z=RI 2 . (1.1)Q=UI sin ϕ=ZI (I sin ϕ)=ZI 2 X /Z=XI 2 (1.2)

CSPK là thành phần công suất tiêu thụ trên điện cảm hay phát ra trên điện

dung của mạch điện.

1.2.2 Sự tiêu thụ CSPK

Trên lưới điện, CSPK được tiêu thụ trongđộng cơ không đồng bộ, máy biến

áp, kháng điện trên đường dây tải điện và ở các phần tử, thiết bị có liên quanđến từ trường và điện trường Năng lượng tích lũy trong điện dung gọi là nănglượng tĩnh điện; dấu của nó luôn đảo ngược với dấu năng lượng điện từ Theoquy ước năng lượng điện từ là năng lượng phản kháng dương; năng lượngtĩnh điện là năng lượng phản kháng âm

Khi cuộn kháng hấp thụ năng lượng, nó có thể vay mượn ở mạch điệndung, nếu còn thiếu thì nguồn sẽ cung cấp phần còn lại, và chỉ có phần này

được lưu thông trong mạch nối giữa nguồn đến tổ hợp kháng dung Điều nàygiải thích vai trò của tụ điện trong việc sản ra năng lượng phản kháng để bùvào sự hấp thụ của cảm kháng

Yêu cầu về CSPK chỉ có thể giảm đến mức tối thiểu chứ không thể triệt tiêuđược vì nó cần thiết để tạo ra từ trường và điện trường, yếu tố trung gian cầnthiết trong quá trình chuyển hóa điện năng

hở không khí Nhưng do số thiết bị và tổng dung lượng lớn, nên nhu cầu tổngCSPK của MBA cũng rất đáng kể

CSPK tiêu thụ bởi MBA gồm hai thành phần:

+ Công suất phản kháng được dùng để từ hóa lõi thép;

+ Công suất phản kháng tản từ ở các mạch dây quấn máy biến áp

3- Đèn huỳnh quang:

Thông thường để hoạt đông các đèn huỳnh quang có một chấn lưu để hạnchếdòng điện và mồi đèn Tùy theo điện cảm của chấn lưu, hệ số công suất chưađược hiệu chỉnh cosφ của chấn lưu nằm trong khoảng từ 0,3 đến 0,5

Các đèn huỳnh quang hiện đại có bộ khởi động điện tử, hệ số công suấtchưa được hiểu chỉnh cosφ thường gần bằng 1 Do vậy không cần hiệu chỉnh

hệ số công suất của thiết bị này Tuy nhiên, các mạch khởi động điện tử nàylại sinh ra các sóng hài.

1.2.3 Các nguồn phát công suất phản kháng trên lưới điện

Khả năng phát CSPK của các nhà máy điện là rất hạn chế, do cosφđm của nhàmáy từ 0,8 đến 0,85 hoặc cao hơn nữa Vì lý do kinh tế người ta không chếtạo các máy phát có khả năng phát nhiều CSPK của phụ tải, phần còn lại docác thiết bị bù đảm trách (máy bù đồng bộ, tụ điện)

Ngoài ra trong hệ thống điện nói chung, phải kể đến một nguồn phátCSPK nữa, đó là các đường dây tải điện, đặc biệt là các đường cáp và đườngdây siêu cao áp Tuy nhiên ở đây ta chỉ xét đến lưới phân phối, do vậy chỉ lưu

ý đến các trường hợp đường dây 35kV dài và các đường cáp ngầm Tuy nhiênCSPK phát ra từ các phần từ này cũng không đáng kể nên nguồn phát CSPKchính trong lưới phân phối vẫn là tụ điện, động cơ đồng bộ và máy bù

1- Máy bù đồng bộ:

Máy bù đồng bộ là loại máy điện đồng bộ chạy không tải dùng để pháthoặc tiêu thụ CSPK Máy bù đồng bộ là phương pháp truyền thống để điềuchỉnh liên tục CSPK Các máy bù đồng bộ thường được dùng trong hệ thốngtruyền tải, chẳng hạn ở đầu vào các đường dây tải điện dài, trong các trạmbiến áp quan trọng và trong các trạm biến đổi dòng điện một chiều cao áp

Nếu ta tăng dòng điện kích từ i kt lên (quá kích thích, dòng điện của máy bù đồng

bộ sẽ vượt trước điện áp trên cực của nó) thì máy phát ra CSPK Qb phát lên mạng

điện Ngược lại, nếu ta giảm dòng kích từ i kt (kích thích thiếu, E<U, dòng điệnchậm sau điện áp) thì máy bù sẽ biến thành phụ tải tiêu thụ CSPK

Vậy máy bù đồng bộ có thể tiêu thụ hoặc phát ra CSPK

Các máy bù đồng bộ ngày nay thường được trang bị hệ thống kích từ nhanh

có bộ kích từ chỉnh lưu Có nhiều phương pháp khởi động khác nhau, mộtphương pháp hay dùng là khởi động đảo chiều

2- Tụ điện tĩnh:

Tụ điện tĩnh là một chiếc hoặc một dãy các tụ nối với nhau và nối songsong với phụ tải theo sơ đồ hình sao hoặc tam giác, với mục đích sản xuất raCSPK cung cấp trực tiếp cho phụ tải, điều này làm giảm CSPK phải truyền tảitrên đường dây.Tụ bù tĩnh cũng thường được chế tạo không đổi (nhằm giảmgiá thành) Khi cần điều chỉnh điện áp có thể dùng tụ điện bù tĩnh đóng cắtđược theo cấp, đó là biện pháp kinh tế nhất cho việc sản xuất ra CSPK

Tụ điện tĩnh cũng như máy bù đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích trựctiếp cấp CSPK cho hộ tiêu thụ, giảm được lượng CSPK truyền tải trong mạng,

do đó giảm được tổn thất điện áp

CSPK do tụ điện phát ra được tínhtheo biểu thức sau:

Trong đó:

U - điện áp pha có đơn vị là kV;

f - tần số có đơn vị là Hz;

C - điện dung có đơn vị là μF

Khi sử dụng tụ điện cần chú ý phải đảm bảo an toàn vận hành, cụ thểkhi cắt tụ ra khỏi lưới phải có điện trở phóng điện để triệt điện áp

Các tụ điện bù tĩnh được dùng rộng rãi để hiệu chỉnh hệ số công suấttrong các hệ thống phân phối điện như: hệ thống phân phối điện công nghiệp,thành phố, khu đông dân cư và nông thôn Một số các tụ bù tĩnh cũng đượcđặt ở các trạm truyền tải

3- Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn được đồng bộ hóa:

Khi cho dòng điện một chiều vào dây quấn rôto của động cơ khôngđồng bộ thì động cơ đó sẽ làm việc như động cơ đồng bộ, có thể điều chỉnhdòng kích từ để nó phát ra CSPK cung cấp cho mạng

4- Mạng cáp:

Cảm kháng của dây dẫn là do có từ thông biến đổi khi có dòng điện chạytrên dây dẫn,trong mạng lưới điện phân phối, dây cáp có cảm kháng rất bé vì cáclõi cáp đặt rất gần nhau và từ thông móc vòng qua chúng rất nhỏ Vậy trên sơ đồthay thế của đường dây cáp chỉ còn có điện trở của cáp Hay nói một cách khác,trên mạng phân phối tổn thất CSPK từ mạng cáp rất không đáng kể CSPK do cápphát ra phụ thuộc vào cấp điện áp và tiết diện của lõi thép

Ngoài các thiết bị bù kể trên, còn có thể dùng động cơ đồng bộ làmviệc ở chế độ quá kích từ, hoặc dùng máy phát điện làm việc ở chế độ bù đểlàm máy bù

Ở các xí nghiệp có nhiều tổ máy phát điêzen, làm nguồn dự phòng, khichưa dùng đến có thể sử dụng làm máy bù đồng bộ Theo kinh nghiệm thực tếviệc chuyển máy phát thành máy bù không phiền phức lắm.Vì vậy biện phápnày được nhiều xí nghiệp áp dụng

1.2.3 Ưu nhược điểm của các nguồn phát công suất phản kháng

1.2.3.1 Ưu điểm của tụ điện so với máy bù đồng bộ:

- Chi phí cho một kVAr của tụ điện rẻ hơn so với máy bù đồng bộ Ưu điểmnày càng nổi bật khi dung lượng càng tăng

- Giá tiền của mỗi kVAr tụ điện tĩnh ít phụ thuộc vào công suất đặt và có thểcoi như không đổi, vì vậy rất thuận tiên cho viện phân chia tụ điện tĩnh ralàm nhiều tổ nhỏ, tùy ý lắp đặt vào nơi cần thiết Trái lại giá tiền mỗi kVAmáy bù đồng bộ lại thay đổi tùy theo dung lượng, dung lượng máy càng nhỏthì giá tiền càng đắt

- Tổn thất công suất tác dụng trong tụ điện rất bé, khoảng (0,3 ÷ 0,5)% côngsuất của chúng, trong khi đó tổn thất trong máy bù đồng bộ lớn hơn hàng chụclần, vào khoảng (1,33 ÷ 3,2)% công suất định mức.

- Tụ điện vận hành đơn giản, độ tin cậy cao hơn máy bù đồng bộ Trái lại máy

bù đồng bộ với những bộ phận quay, chổi than… dễ gây ra mài mòn, sự cốtrong lúc vận hành Trong lúc vận hành, một tụ điện nào đó có thể bị hư hỏngthì toàn bộ số tụ điện còn lại vẫn tham gia vào vận hành bình thường Songnếu trong nhà máy chỉ có một máy bù đồng bộ mà bị hư hỏng thì sẽ mất toàn

bộ dung lượng bù, ảnh hưởng tiêu cực khi đó sẽ rất lớn

Tụ điện lắp đặt, bảo dưỡng định kỳ rất đơn giản Có thể phân ra nhiềucụm để lắp rải trên dưới phân phối, hiệu quả là cải thiện cong phân bố điện áptốt hơn Tụ điện không cần công nhân trông coi vận hành như máy bù đồngbộ

- Tụ điện điện áp thấp còn có ưu điểm là nó được đặt sâu trong các mạng điện

hạ áp xí nghiệp, gần ngay các động cơ điện, nên làm giảm được ΔP và ΔA rấtP và ΔP và ΔA rấtA rấtnhiều

1.2.3.2 Nhược điểm của tụ điện so với máy bù đồng bộ:

- Tụ điện có cấu tạo kém chắc chắn vì vậy dễ bị phá hỏng khi xảy ra ngắnmạch

- Khi điện áp tăng quá 1,1Un thì tụ điện dễ bị chọc thủng

- Khi đóng tụ điện vào mạng có dòng điện xung, còn khi cắt tụ khỏi mạng,nếu không có thiết bị phóng điện thì sẽ có điện áp dư trên tụ

- Tụ điện tĩnh được chế tạo dễ dàng ở cấp điện 6 – 10 kV và 0,4 kV Thôngthường nếu dung lượng bù nhỏ hơn 5 MVAr thì người ta dùng tụ điện còn nếulớn hơn phải so sánh với máy bù đồng bộ

- Máy bù đồng bộ có thể điềuchỉnh trơn tương đối dễ dàng, còn tụ điệnthường chỉ được điều chỉnh theo từng cấp

- Máy bù đồng bộ có thể phát ra hay tiêu thụ CSPK theo một cơ chế linh hoạt,còn tụ điện chỉ có thể phát ra CSPK.

Theo thống kê thì có gần 60% tụ điện được bù ngày trên đường dây, 30%được bù tại thanh cái trạm biến áp và khoảng 10% còn lại được bù ở hệ thốngtruyền tải

1.2.3.3 Khắcphục nhược điểm của tụ bù tĩnh bằng thiết bị điều khiển Thyristo (SVC):

Các thiết bị bù giới thiệu ở trên không có tự động điều khiển, hoặc cóđiều chỉnh nhưng rất chậm (như máy bù đồng bộ) hoặc điều chỉnh từng nấc

Sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt là kỹ thậtđiện tử công suất với các thiết bị Thyristo công suất lớn đã cho phép thực hiệncác thiết bị bù điều chỉnh nhanh (thường không quá ¼ chu kỳ tần số côngnghiệp) Hiện nay các thiết bị bù có điều khiển đượcxác nhận là rất tốt khôngnhững trong lưới công nghiệp mà cả trong hệ thống điện truyền tải và phânphối

SVC (Static Var Compensator) là thiết bị bù ngang dùng để tiêu thụCSPK có thể điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở cửa của thyristo, nóđược tổ hợp từ hai thảnh phần cơ bản:

-Thành phần cảm kháng đê tác động về mặt công suất phản kháng (có thểphát hay tiêu thụ công suất phản kháng tùy theo chế độ vận hành)

-Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như Thyristo, các cửađóng mở GTO (Gate Turn Off)

SVC được cấu tạo từ ba phần tử chính gồm:

+ Kháng điều chỉnh bằng thyristo – TCR (Thyristor Controlled Reactor): cóchức năng điều chỉnh liên tục CSPK tiêu thụ

+ Kháng đóng mở bằng thyristo – TSR (Thyristor Switched Reactor): cóchức năng tiêu thụ CSPK, đóng cắt nhanh bằng Thyristo

+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristo – TSC (Thyristor Switched Capacitor): Cóchức năng phát CSPK, đóng cắt nhanh bằng Thyristo.

+ Để điều chỉnh trơn tụ điện người ta dùng tụ bù CSPK có điều khiển SVC.+ Để phát hay nhận CSPK người ta dùng SVC gồm tổ hợp TCR và TSC.+ Để bảo vệ quá áp và kết hợp điều chỉnh tụ theo điện áp người ta lắp đặtcác bộ điều khiển để đóng cắt tụ theo điện áp

Các thiết bị bù điều chỉnh có hiệu quả rất cao, đảm bảo ổn định đượcđiện áp và nâng cao tính ổn định cho hệ thống điện.Đối với các đường dâysiêu cao áp các thiết bị bù có điều khiển đôi khi là thiết bị không thể thiếuđược Chúng làm nhiệm vụ chống quá điện áp, giảm dao động công suất vànâng cao tính ổn định tĩnh và động Nhược điểm của các thiết bị bù có điềukhiển là giá thành cao.Để lựa chọn và lắp đặt các thiết bị này cần phải phântích tính toán tỷ mỷ và so sánh các phương án trên cơ sở các chi tiêu kinh tế

kỹ thuật Các thiết bị bù tĩnh được điều khiển bằng thyristo là loại thiết bị bùngang tĩnh (phân biệt với máy bù quay) CSPK được tiêu thụ hoặc phát ra bởicác thiết bị này có thể thay đổi được bằng việc đóng mở các thyristo

1.3Ý nghĩa của việc bù CSPK trong lưới phân phối

1.3.1 Các hiệu quả chính của việc bù CSPK

Hầu hết các thiết bị sử dụng điện đều tiêu thụ CSTD (P) và CSPK (Q) Sựtiêu thụ CSPK này sẽ được truyền tải trên lưới điện về phía nguồn cung cấpCSPK, sự truyền tải công suất này trên đường dây sẽ làm tổn hao một lượng côngsuất và làm cho hao tổn điện áp tăng lên đồng thời cũng làm cho lượng công suấtbiểu kiến (S) tăng, dẫn đến chi phí để xây dựng đường dây tăng lên Vì vậy việc

bù CSPK cho lưới điện sẽ có những mặt tích cực như sau:

1- Giảm được tổn thất công suất trong mạng điện

Ta có tổn thất trên đường dây được tính theo công thức

2- Giảm được tổn thất điện áp trong mạng điện

Tổn thất điện áp được tính theo công thức

3-Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp

Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điềukiện phát nóng, tức phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng Dòng điệnchạy trên dây dẫn và máy biến áp được tính như sau:

I=√P2+Q2

Từ công thức (1.6) với cùng một tình trạng phát nóng nhất định củađường dây và máy biến áp (tức I = const), ta có thể tăng khả năng truyền tảiCSTD P của chúng bằng cách giảm CSPK Q mà chúng phải tải đi Vì thế khivẫn giữ nguyên đường dây và máy biến áp, nếu giảm lượng Q phải truyền tảithì khả năng truyền tải của chúng sẽ được tăng lên, góp phần làm ổn định điện

áp, tăng khả năng phát điện của máy phát điện

Việc bù CSPK ngoài việc nâng cao hệ số công suất cosφ còn đưa đến hiệu quả

là giảm được chi phí kim loại màu tức là giảm được tiết diện dây dẫn nên tiếtkiệm được chi phí đầu tư xây dựng lưới điện Giảm được chi phí điện năng

1.3.2 Các tiêu chí bù công suất phản kháng trên lưới phân phối

Phụ tải của của các hộ gia đình thường có hệ số công suất cao, thường là gầnbằng 1, do đó mức tiêu thụ CSPK rất ít, không phải vấn đề lớn cần quan tâm.Trái lại, các nhà máy, xí nghiệp, phân xưởng đại bộ phận dùng động cơkhông đồng bộ, là nơi tiêu thụ chủ yếu CSPK Hệ số công suất của động cơkhông đồng bộ phụ thuộc vào điều kiện làm việc của động cơ, các yếu tố chủyếu như sau

Dung lượng của động cơ càng lớn thì hệ số công suất càng cao, suấttiêu thụ CSPK càng nhỏ

Hệ số công suất của động cơ phụ thuộc vào tốc độ quay của động cơ,nhất là đối Ví dụ với động cơ công suất 1 kW, nếu quay với tốc độ3000vòng/ph thì cosφ = 0,85 Còn nếu động cơ quay với tốc độ 750v/ph thì hệ

số công suất tụt xuống còn 0,65 Công suất của động cơ không đồng bộ cànglớn thì sự khác biệt của hệ số công suất với các tốc độ quay càng ít

Hệ số công suất của động cơ không đồng bộ phụ thuộc rất nhiều vào hệ

số phụ tải của động cơ, khi quay không tải lượng CSPK cần thiết cho động cơkhông đồng bộ cũng đã bằng 60-70% lúc tải định mức Công suất phản kháng

Q khi phụ tải của động cơ bằng P có thể được tính theo biểu thức sau:

Trong đó:

+ Qn và Pn là công suất phản kháng và công suất tiêu thụ cần cho động cơ khilàm việc với phụ tải định mức

+ Qkh.tải là công suất phản kháng cần cho động cơ chạy không tải, với động cơ

có cosφn= 0,9 thì Qkh.tải =0,6Qn, với động cơ có cosφn= 0,8 thì Qkh.tải =0,7Qn.Như vậy với biểu thức trên ta thấy rằng động cơ có cosφn= 0,8 khi tải tụtxuống còn 50% công suất định mức thì cosφn tụt xuống còn 0,6

1.3.2.2Đảm bảo mức điện điện áp cho phép:

Khi có điện chạy trong dây dẫn thì bao giờ cũng có điện áp rơi, cho nênđiện áp ở từng điểm khác nhau trên lưới không giống nhau Tất cả thiết bị tiêuthụ điện đếu được chế tạo để làm việc tối ưu với một điện áp định mức nhấtđịnh, nếu điện áp đặt trên đầu cực của thiết bị điện khác trị số định mức sẽlàm cho tình trạng làm việc của chúng xấu đi, ví dụ:

Vì các lý do trên, việc đảm bảo điện áp ở mức cho phép là một chỉ tiêu

kỹ thuật rất quan trọng Trên thực tế không thể nào giữ được điện áp đặt vàođầu cực của các thiết bị điện cố định bằng điện áp định mức mà chỉ có đảmbảo trị số điện áp thay đổi trong một phạm vi nhất định theo tiêu chuẩn kỹthuật đã cho phép mà thôi, thông thường điện áp đặt cho phép dao động ±5%

Độ lệch điện áp là tiêu chuẩn chất lượng quan trọng nhất ảnh hưởnglớn đến giá thành hệ thống điện

Để điện áp đặt vào phù hợp hoàn toàn với điện áp định mức của phụtải là một việc làm rất khó khăn, thực tế không thể thực hiện được, vì điện ápđặt tại các đầu cực của thiết bị điện phụ thuộc vào tổn thất điện áp Tổn thấtđiện áp trong quá trình truyền tải điện năng phụ thuộc vào thông số của mạng

và chế độ vận hành của phụ tải Ta có biểu thức:

ΔUU = PR+QX

Như vậy ta thấy:

+ ΔUU phụ thuộc vào R , X của đường dây, khi đóng hay cắt đườngdây thì R , X sẽ thay đổi;

+ P và Q là công suất của phụ tải, chúng luôn luôn thay đổi theo

thời gian không theo một quy luật nhất định nào

1.4 Các bước xác định tối ưu lắp đặt tụ bù cho lưới điện phân phối

Nói chung, việc lắp đặt tụ tốt nhất có thể đặt được nhờ việc làm tối ưutổn thất công suất và điều chỉnh điện áp Nghiên cứu phân bố điện áp xuất

tuyến được thực hiện để đảm bảo việc lắp đặt hiệu quả nhất cho tụ điện vàđảm bảo điện áp nằm trong giới hạn cho phép.

Quá trình tổng hợp tổng quát được tóm tắt trong các bước dưới đây:1- Thu thập thông tin về phụ tải của mạng:

+ Các thông số kVA, kVAr, kW, và các hệ số công suất của từng phụ tải;+ Công suất hiệu chỉnh mong muốn của mạng;

+ Điện áp xuất tuyến;

+ Bản đồ mạng chỉ các vị trí của các phụ tải và các bộ tụ điện hiện có.2- Xác định tải (kW) của xuất tuyến và hệ số công suất

3- Xác định hệ số hiệu chỉnh kVAr cho mỗi kW phụ tải cần thiết để hiệuchỉnh hệ số công suất của xuất tuyến từ giá trị ban đầu đến giá trị mong muốn.Xác định dung lượng tụ cần thiết bằng cách nhân hệ số hiệu chỉnh này vớitổng công suất (kW) của xuất tuyến

4- Xác định công suất biểu kiến (kVA) và hệ số công suất của mỗi phụ tải haynhóm phụ tải

5- Xác định công suất phản kháng (kVAr) trên đường dây, nhân từng phụ tảihay nhóm phụ tải với hệ số công suất phản kháng tương ứng

6- Xác định tổn thất đường dây cho từng đoạn 1000 m do tải cảm kháng đượclập thành bảng ở bước 4 và 5 Nhân tổn thất đường dây với chiều dài tươngứng Lặp lại quá trình này cho tất cả các phụ tải và các đường dây và cộng tất

cả lại để tìm tổng tổn thất cảm kháng của đường dây

7- Trong trường hợp có tụ trên lưới, hoàn thiện việc tính toán như ở bước 6nhưng trừ tổn thất tác dụng của tụ trong tổng tổn do cảm kháng gây ra DùngkVAr tụ được xác định như bước 3 và thành lặp bảng số liệu để tính lặp chobước 6, tìm tổn thất cho mỗi đường dây do ảnh hưởng của tụ điện

8- Tìm khoảng cách đặt tụ, chia tổng tổn thất cảm kháng của đường dây vớitổn thất điện dung của từng đoạn 1000m Nếu thông số này lớn hơn chiều dàiđường dây:

+ Chia phần tổn thất cảm kháng đường dây còn lại với tổn thất điệndung đường dây cho phần đường dây kế tiếp để tìm vị trí

+ Nếu thông số này vẫn lớn hơn chiều dài đoạn đường dây, lặp lại bước trên.9- Vẽ biểu đồ điện áp bằng tay hay sử dụng chương trình máy tính dùng cho

vẽ dạng điện áp và phân tích phụ tải để xác định các điện áp của mạch Nếuđường biểu diễn cho thấy đường biểu diễn điện áp nằm trong giới hạn yêu cầunhư vậy tụ điện được lắp đặt tại vị trí có tổn thất tối thiểu Nếu không, ta phảidùng chứng minh kỹ thuật để quyết định vị trí lắp đặt chúng phục vụ cho điềukhiển điện áp có hiệu quả nhất chứ không phải là tổn thất điện áp tối thiểu

Các dòng công suất phản kháng của mạng là cường độ của các quátrình dao động năng lượng giữa các phần tử kho (điện cảm, điện dung) vớinguồn hoặc giữa chúng với nhau Công suất phản kháng cần thiết để tạo ra từtrường hoặc điện trường ở các phần tử cung cấp điện Có nhiều nguồn tạo racông suất phản kháng khác nhau như máy phát điện đồng bộ, máy bù đồng

bộ, các tụ điện …

Bù công suất phản kháng nhằm làm giảm lượng công suất phản khánglưu chuyển trên đường dây mang lại nhiều hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, như:

giảm dung lượng máy phát, máy biến áp trung gian, giảm tổn thất công suất,tổn thất điện năng, cải thiện chất lượng điện áp, hệ số công suất, …

Xác định vị trí lắp đặt và dung lượng tụ bù là các bài toán tối ưu hóa

Chương 2

CƠ SỞ THỰC HIỆN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TỐI ƯU

CHO LƯỚI ĐIỆN 2.1 Xác định tối ưu lắp đặt tụ bù khi tải phân phối đều

Hiện nay có nhiều phương pháp tính bù cho lưới phân phối, mỗiphương pháp có một số giả thiết nhất định để đơn giản việc tính toán và dĩnhiên khả năng áp dụng cũng bị ràng buộc theo các điều kiện giả định đó.Trong chương này ta sẽ lần lượt xem xét một số phương pháp tính toán Ởđây chỉ xét các phương pháp tính bù với tụ điện được lắp rải trên lưới, vì việc

bù rải trên lưới mang nhiều hiệu quả trong việc cải thiện phân bố điện áp vànâng cao hệ số cos cục bộ cho các phụ tải tốt hơn là bù tập trung Trước hết

ta xem xét trường hợp đơn giản là phụ tải tập trung và phân bố đều

Trên hình 2.1 biểu diễn một xuất tuyến thực tế gồm nhiều phân đoạnvới các phụ tải phân bố đều và tập trung (hay gộp lại) Mỗi phân đoạn đườngdây biểu thị một phần của xuất tuyến nằm giữa các thiết bị đóng cắt, thiết bịđiều chỉnh điện áp hay các điểm quan trọng khác Để thuận tiện, ta giả thiếtphụ tải hay dòng điện đường dây và tổn thất công suất I2R gồm có hai phần:

(1) thành phần cùng pha hay thành phần tác dụng của dòng điện;

(2) thành phần lệch pha hay thành phần phản kháng của dòng điện

Vì tổn thất do thành phần cùng pha của đường dây khi đặt tụ bù ngangkhông có tác dụng lớn do đó về sau sẽ không được xét đến Điều này có thểkiểm tra được như sau:

Giả thiết tổn thấy I2R gây ra bởi dòng điện đường dây chậm sau I

chạy qua mạch có điện trở R được biểu diễn như sau:

I2R=( I cosϕ)2R+( I sin ϕ )2R . (2.1)

Sau khi thêm tụ vào với dòng điện dung I C , kết quả có dòng điệnđường dây mới I1 và tổn thất công suất mới I1

Như vậy chỉ có thành phần lệch pha hay thành phần phản kháng của

dòng điện là I sin ϕ được tính đến trong việc giảm tổn thất công suất nhờ đặt

tụ bù

Giả sử chiều dài của phân đoạn đường dây là 1 đơn vị chiều dài nhưtrên hình 2.1 Dòng điện tại một điểm cho trước trên xuất tuyến là hàm số củakhoảng cách tính từ điểm đầu xuất tuyến Do đó tổn thất vi phân I2R củaphân đoạn vi phân dx tại vị trí x có thể được biểu diễn như sau:

dP ls=3[I1−(I1−I2)x]2Rdx (2.5)

Do đó tổng tổn thất I2R của xuất tuyến là:

R của xuất tuyến trước khi thêm tụ;

I1 - dòng phản kháng tại điểm đầu của phân đoạn;

I2 - dòng phản kháng tại điểm cuối của phân đoạn;

R - điện trở tổng của phân đoạn;

x - khoảng cách theo đơn vị tương đối kể từ điểm đầu của phân đoạn

Hình 2.1: Xuất tuyến sơ cấp với phụ tải gộp lại (hay tập trung) và các tải phân bố đều, và dạng phân bố dòng điện trước khi lắp đặt tụ.

2.1.1 Giảm tổn thất nhờ lắp đặt tụ

a) Trường hợp 1: Một bộ tụ điện

Việc lắp thêm một bộ tụ điện trên xuất tuyến sơ cấp gây ra việc phá vỡtính lien tục của đường phân bố tải phản kháng, làm thay đổi dạng phân bốcủa dòng phản kháng, và kết quả là giảm tổn thất như biểu diễn ở hình 2.2

Do vậy, phương trình tổn thất sau khi lắp đặt thêm một bộ tụ có dạng:

P ls ' = 3

1 1 0 [

'

= (I12+ I1I2+I22) R+3x1[(x1-2) I1Ic-x1I2Ic+Ic2]R (2.8)Vậy mức giảm tổn thất công suất cho mỗi đơn vị do việc lắp đặt thêm

tụ bằng:

ΔUP ls =

P xl−p xl '

Thay (2.6) và (2.7) vào phương trình (2.9) ta có:

ΔUP ls =

−3 x1[(x1−2) I1I c−x1I2I c+I c2]R

(I12+I1I2+I22)R

(2.10)Chia tử và mẫu số cho I1

Hình 2.2: Giảm tổn thất với một bộ tụ điện

Nếu c được xác định là tỷ số dòng điện dung (tương ứng sốlượng

kVAr) với phụ tải phản kháng: c=

I C

I ,(2.12)

trong đó:

I C - dòng điện dung của tụ điện đặt;

I - tổng dòng phụ tải phản kháng

Gọi λ là tỷ số của dòng phản kháng ở cuối phân đoạn đối với dòngphản kháng tại điểm đầu phân đoạn thì ta có:

I2

trong đó:

I2 - dòng phản kháng ở điểm cuối phân đoạn;

I1 - dòng phản kháng ở điểm đầu phân đoạn

Thay (2.12) và (2.13) vào phương trình (2.11), độ giảm tổn thất côngsuất cho mỗi đơn vị là:

ΔUP ls =

3 x11+ λ+λ2[(2−x1)c +x1λc−c

cho một phân đoạn đường dây có các phụ tải phân bố đều ( λ=0 )

Hình 2.4: Độ giảm tổn thất là một hàm số của vị trí lắp đặt tụ và tỷ số bù tụ cho một phân đoạn đường dây có các phụ tải phân bố đều ( λ=1/4 )

Hình 2.5: Độ giảm tổn thất là một hàm số của vị trí lắp đặt tụ và tỷ số bù tụ cho một phân đoạn đường dây có các phụ tải phân bố đều ( λ=1/2 )

(2.18)Thay các phương trình (2.6) và(2.18) vào phương trình (2.9) phươngtrình mới giảm tổn thất cho một đơn vị là:

ΔUP ls =3 α cx 1[(2−x1)+λx1−3c ]+3α cx2[(2−x2)+λx2−c ]

(2.19)

hay: ΔUP ls =3 αc {x1[ (2−x1)+λx1−3 c ]+x2[(2−x2)+λx2−c ]} .

(2.20)

Hình 2.6:Giảm tổn thất với hai bộ tụ điện c) Trường hợp có n bộ tụ:

Phương trình tổng quát cho giảm tổn thất trên từng đơn vị với n bộ tụ:

c- tỉ số bù tụ tại mỗi vị trí lắp đặt được xác định ở phương trình (2.12);

xi- khoảng cách mỗi đơn vị của vị trí lắp đặt bộ tụ thứ i kể từ nguồn.

n -tổng số bộ tụ

2.1.2 Vị trí lắp đặt tối ưu bộ tụ điện

Vị trí lắp đặt tối ưu bộtụ điện thứ i có thể xác định bằng cách lấy đạo hàm bậc nhất phương trình (2.21) theo xi và cho bằng 0