Ứng dụng mạng nơ ron điều khiển công suất phản kháng trong lưới phân phối nhằm giảm tổn thất điện trong lưới phân phối có xét ảnh hưởng của đồ thị phụ tải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---VŨ XUÂN TÙNG ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI NHẰM GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ẢNH HƯ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

VŨ XUÂN TÙNG

ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI NHẰM GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG

CỦA ĐỒ THỊ PHỤ TẢICHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

HÀ NỘI 2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

VŨ XUÂN TÙNG

ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI NHẰM GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG

CỦA ĐỒ THỊ PHỤ TẢICHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HỆ THỐNG ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

HÀ NỘI 2011

CỦA ĐỒ THỊ PHỤ TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HỆ THỐNG ĐIỆN

Hà Nội – Năm 2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ XUÂN TÙNG

ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI NHẰM GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỒ THỊ PHỤ TẢI

CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS PHAN ĐĂNG KHẢI

Hà Nội – Năm 2011

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người luôn tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và trong thời gian làm luận văn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi Các kết quả tính toán nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một bản luận văn nào khác

Hà Nội, tháng 9 năm 2011

Tác giả luận văn

Vũ Xuân Tùng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Chương I: LƯỚI PHÂN PHỐI VÀ VẤN ĐỀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG 1 Lưới phân phối 3

1.1 Phân phối theo một cấp điện áp trung áp 3

1.3 Đặc điểm chung của lưới phân phối 4

1.4 Đặc điểm của lưới phân phối Việt Nam hiện nay 5

2 Tổn thất điện năng 5

2.1 Thực trạng về tổn thất điện năng 5

2.2 Khái quát một số phương pháp tính tổn thất điện năng 6

3 Các biện pháp giảm tổn thất điện năng 11

3.1 Đối với đường dây 11

3.2 Đối với máy biến áp 12

3.3 Giảm tổn thất điện năng trong vận hành 12

Chương II: KHÁI QUÁT VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Công suất phản kháng trên lưới phân phối 14

2.1.1.Khái niệm về công suất phản kháng 14

2.1.2 Sự tiêu thụ công suất phản kháng 15

2.1.3 Các nguồn phát công suất phản kháng trên lưới điện 16

2.1.4 Ảnh hưởng của tụ bù đến tổn thất điện năng trong lưới phân phối 18

2.1.5 Các lợi ích khi thực hiện bù công suất phản kháng 19

2.2 Khái quát một số phương pháp tính bù công suất phản kháng 20

2.2.1 Mô hình tính bù theo cực tiểu tổn thất công suất 20

2.2.2 Mô hình tính bù theo điều kiện cực tiểu tổn thất điện năng 20

2.2.3 Mô hình tính bù theo điều kiện điều chỉnh điện áp 20

2.2.4 Mô hình tính bù theo điều kiện cực tiểu các chi phí 21

2.2.5 Mô hình tính bù theo chỉ tiêu tối đa hóa các tiết kiệm 22

2.2.6 Mô hình tính bù theo giá trị hệ số cosφ2 cần đạt được 22

2.2.7 Tự động điều chỉnh dung lượng bù công suất phản kháng 22

2.3 Kết luận 23

Chương III: THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG VIỆC GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG 3.1 Vai trò của thiết bị bù ngang 24

3.2 Thiết bị bù ngang tĩnh có điều khiển – SVC 25

3.2.1 Cuộn cảm được điều khiển bằng Thyristor 25

3.2.2 Bộ tụ đóng ngắt bằng thyristor (TSC) 26

3.3 Nguyên tắc chung điều khiển SVC giảm tổn thất điện năng 28

3.4 Đặc tính điều chỉnh của SVC 29

3.5 Kết luận 33

Chương IV: TỔNG QUAN VỀ LOGIC MỜ VÀ MẠNG NORON 4.1 Logic mờ 34

4.1.1 Tập mờ 34

4.1.2 Luật hợp thành mờ 37

4.1.3 Giải mờ 40

4.2 Bộ điều khiển mờ 43

4.2.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản 43

4.2.2 Các nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ 44

4.3 Mạng nơron 46

4.3.1 Mô hình của mạng nơ ron nhân tạo 46

4.3.2 Cấu tạo của mạng nơ ron 48

4.3.3 Các trạng thái làm việc của mạng nơ ron 49

4.3.4 Một số mô hình mạng nơ ron 51

4.4 Ứng dụng mạng nơ ron trong điều khiển 56

4.4.1 Khả năng ứng dụng 56

4.4.2 Các bước thiết kế mạng nơ ron ứng dụng 56

4.5 Ghép nối bộ điều khiển mờ và mạng nơ ron 57

Chương V: ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON VÀ LÔGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN BỘ BÙ TĨNH SVC THEO ĐỒ THỊ PHỤ TẢI 5.1 Phân tích bài toán bù công suất phản kháng cho đường dây trung áp 1 phụ tải 59

5.2 Khả năng mô phỏng Hệ thống điện trên Simulink 60

5.2.1 Giới thiệu về simulink 60

5.2.2 Khả năng mô phỏng hệ thống điện trong simulink 60

5.3 Mô phỏng hệ thống trên sumilink 62

5.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 62

5.3.2 Tiến hành mô phỏng 66

5.5 Ứng dụng mạng nơ ron – mờ ANFIS để điều khiển lượng Công suất phản kháng Q bù theo (P T ; Q T ) 67

5.5.1 Giới thiệu chung về ANFIS 67

5.5.2 Quá trình huấn luyện của mạng nơ ron – mờ ANFIS trên phần mềm matlab 69

5.5.3 Ứng dụng mạng nơ ron – mờ ANFIS để giải bài toán tính Q b 72

5.6 Mô phỏng hệ thống điều khiển bộ tụ bù tĩnh dùng mạng nơ ron – mờ trên phần mềm simulink 74

5.6.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống 74

5.7 Ứng dụng điều khiển dung lượng tụ bù cho cho xuất tuyến 133-C6 Trạm trung gian Gang Thép 78

KẾT LUẬN CHUNG 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

PHỤ LỤC 97

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT

TCR Thyristor Controlled Reactor Cuộn cảm điều khiển bằng thyristor TSC Thyristor Switched Capacitor Tụ đóng cắt bằng thyristor

SVC Static Var Compensator Bộ bù công suất tĩnh

MISO Multy Input Single Output Nhiều đầu vào, một đầu ra

SISO Single Input Single Output Một tín hiệu đầu vào, một tín hiệu đầu ra MPL Multy Layer Perceptron Mạng nhiều lớp

ANFIS Adaptive Neuro-Fuzzy

Inference Systems

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Tên và nội dung bảng trang

Bảng 4.1 Bảng luật điều khiển 49 Bảng 5.1: Kết quả tính bù công suất phản kháng cho phụ tải ví dụ hình 5.1

ứng với 24h giờ trong ngày

79

Bảng 5.2 Thông số trạm và phụ tải 84

Bảng 5.4 Thông số cơ bản của ngày điển hình 88

Bảng 5.5: Kết quả tính bù công suất phản kháng cho phụ tải bằng mạng nơ

ron mờ ví dụ hình 5.18 ứng với 24h giờ trong ngày

90

Bảng 5.6: Phân phối dung lượng bù trong các nhánh 93

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Tên và nội dung hình vẽ, đồ thị trang

Hình 1.1 Sơ đồ khối lưới phân phối theo một cấp điện áp trung áp 3

Hình 1.2 Sơ đồ khối lưới phân phối theo hai cấp điện áp trung áp 4

Hình 1.3 Đồ thị biến thiên của dòng điện theo thời gian 6

Hình 1.4b Đồ thị phụ tải được hình thang hóa 6

Hình 1.5 Đồ thị phụ tải dòng điện theo thời gian T 7

Hình 1.6 Đồ thị dòng điện trung bình bình phương Itb 7

Hình 1.7 Xác định thời gian sử dụng công suất cực đại Tmax 9

Hình 1.8 Xác định thời gian tổn thất công suất cực đại τmax 9

Hình 2.3 Lưới điện khi chưa đặt thiết bị bù 18

Hình 4.5 Giải mờ bằng phương pháp cực đại 41

Hình 4.6 Giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm 41

Hình 4.7 Hàm thuộc đầu ra có dạng hình thang 42

Hình 4.8 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ cơ bản 43

Hình 4.9 Cấu trúc của nơ ron sinh học 46

Hình 4.10 Mô hình nơ ron có m đầu vào và một đầu ra 47

Hình 4.12 Mạng nơ ron truyền thẳng một lớp 51

Hình 4.13 Mạng MLP truyền thẳng 52 Hình 4.14 Mạng nơ ron hai lớp truyền thẳng 53

Hình 4.15 Các bước thiết kế mạng nơ ron ứng dụng 56

Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý đường dây trung áp 59

Hình 5.3 Các khối trong SimPowerSystems trong thư viện sumilink 61

Hình 5.4 Các nguồn trong khối nguồn 61

Hình 5.6 Sơ đồ mô phỏng mạch điện hình 5.1 trên matlap 63

Hình 5.8 Quan hệ Qbù và α khi α thay đổi từ 900 đến 1800 66

Hình 5.10 Cửa sổ khai báo mô phỏng 67

Hình 5.11 Cấu trúc mô hình anfis đơn giản 68

Hình 5.12 Quá trình huấn luyện trong mạng 69

Hình 5.13 Quá trình tính toán cơ bản trong ANFIS 71

Hình 5.14 Cấu trúc mạng nơ ron mờ của bài toán 72

Hình 5.16 Các luật điều khiển 73

Hình 5.18 Mô phỏng hệ thống hệ thống có SVC có bộ điều khiển bằng

mạng nơ ron – mờ

75

Hình 5.19 Đồ thị phụ tải P, Q của đường dây khí chưa bù va khi có bù 76

Hình 5.21 Sơ đồ mạch điện tương đương hình 5.18 82

Hình 5.23 Sơ đồ mô phỏng mạch điện tương đương hình 5.22 trên matlap 84 Hình 5.24 Sơ đồ mô phỏng hệ thống SVC điều khiển dung lượng bù trên

sơ đồ đẳng trị theo đồ thị phụ tải bằng mạng nơ ron mờ

85

Tính chung cho toàn hệ thống điện thường có 10-15% năng lượng được phát ra

bị mất mát trong quá trình truyền tải và phân phối Vấn đề chống tổn thất cho lưới phân phối có nhiều biện pháp khác nhau, trong đó bù công suất phản kháng lưới điện phân phối, thường được sử dụng Việc bù công suất phản kháng có tác dụng như sau:

+ Bù công suất phản kháng sẽ làm tăng khả năng phát cho các nhà máy điện, tăng khả năng tải cho các phần tử mang điện, giảm tổn thất công suất góp phần khắc phục thiếu điện

+ Bù công suất phản kháng sẽ giảm chi phí đầu tư nguồn và nâng cấp lưới điện, giảm tổn thất điện năng góp phần bình ổn giá điện

Để giảm tổn thất điện năng, việc áp dụng tiến bộ khoa học trong công nghệ bán dẫn vào lĩnh vực sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng có ý nghĩa vô cùng quan trọng Các ứng dụng này đặc biệt rõ nét trong việc tạo ra một nguồn công suất phản kháng có giá trị thay đổi linh hoạt đảm bảo đáp ứng sự biến thiên của phụ tải, sự thay đổi các thông số của hệ thống Để tạo ra nguồn cung cấp công suất phản kháng đảm bảo các yêu cầu trên, người ta dùng các bộ bù tĩnh (SVC) có công suất phản kháng ở ngõ ra thay đổi liên tục SVC là sự kết hợp từ các phần tử TCR, TSC, TSR và một bộ điều khiển phù hợp với mục đích sử dụng Khi sử dụng SVC sẽ đảm bảo sự cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống, do đó chất lượng điện năng được nâng cao, giá trị điện áp tại các nút phụ tải được giữ ổn định, làm giảm tổn thất cũng như nâng cao hiệu quả truyền tải trên các đường dây

Với đề tài “Ứng dụng mạng nơron điều khiển công suất phản kháng trong lưới phân phối nhằm giảm tổn thất điện năng trong lưới phân phối có xét ảnh hưởng của đồ thị phụ tải” Tác giả mong muốn đóng góp một phần nhỏ trong công tác tìm tòi nghiên cứu của mình vào việc tính toán tổn thất kỹ thuật và đề xuất phương pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối, góp phần vào vận hành kinh tế lưới điện phân phối

II Mục đích của đề tài

Nghiên cứu tổng quan về lưới phân phối, các thiết bị bù Phương pháp tính bù công suất phản kháng và các phương pháp tính tổn thất điện năng để có giải pháp khai thác hiệu quả lưới điện phân phối góp phần giảm tổn thất kỹ thuật nâng cao hiệu quả truyền tải trên các đường dây

Xem xét khả năng ứng dụng mạng nơ ron trong việc điều khiển dung lượng bù của SVC theo đồ thị phụ tải nhằm mục tiêu giảm tổn thất điện năng

III Đối tượng nghiên cứu, phạm vi đề tài

Nghiên cứu việc bù công suất phản kháng trong lưới và các phương pháp tính tổn thất điện năng Đồng thời tìm hiểu xây dựng bộ điều khiển nơ ron cho thiết bị bù tĩnh SVC, mô phỏng, viết chương trình trên phần mềm Matlab thông qua công cụ Simulink

IV Bố cục của luận văn

Với mục tiêu và phạm vi nghiên cứu nêu trên luận văn bố cục thành 5 chương: Chương I: Lưới phân phối và vấn đề tổn thất điện năng

Chương II: Khái quát về bù công suất phản kháng trong hệ thống điện

Chương III: Thiết bị bù ngang có điều khiển và khả năng ứng dụng trong việc giảm tổn thất điện năng

Chương IV: Tổng quan về logic mờ và mạng nơ ron

Chương V: Ứng dụng mạng nơ ron và lôgic mờ điều khiển bộ bù tĩnh SVC theo

đồ thị phụ tải

V Ý nghĩa khoa học của luận văn

Các vấn đề đề cập trong luận văn cho thấy việc bù công suất phản kháng và ứng dụng mạng nơ ron trong điều khiển bộ bù tĩnh trong hệ thống điện mang lại hiệu quả hữu hiệu cho việc giảm tổn thất điện năng trong lưới phân phối

Với năng lực hạn chế của bản thân cũng như các nguyên nhân khách quan, chủ quan khác, luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong được sự góp ý của quý thầy cô, các bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo và cô giáo trong Bộ môn Hệ thống điện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian thực hiện luận văn Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với Thầy giáo TS Phan Đăng Khải đã quan tâm, tận tình hướng dẫn giúp tác giả xây dựng và hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG I LƯỚI PHÂN PHỐI VÀ VẤN ĐỀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG

1 Lưới phân phối

Lưới phân phối thực hiện nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian (trạm khu vực hoặc thanh cái nhà máy điện) cho các phụ tải với bán kính nhỏ

Lưới phân phối gồm 2 phần:

- Lưới phân phối trung áp có điện áp 35kV, 22kV, 10kV, 6kV phân phối điện cho các trạm trung áp / hạ áp và các phụ tải trung áp

- Lưới hạ áp cấp điện cho các phụ tải hạ áp 380/220V;

Phương thức cung cấp điện của lưới phân phối thường có hai dạng: Phân phối theo một cấp điện áp trung áp và phân phối theo hai cấp điện áp trung áp

1.1 Phân phối theo một cấp điện áp trung áp

- Trạm nguồn có thể là trạm tăng áp của các nhà máy địa phương hoặc trạm phân phối khu vực có các dạng CA/TA(110/35-22-10-6kV)

- Trạm phân phối nhận điện từ trạm nguồn qua lưới trung áp, sau đó điện năng được phân phối tới các hộ phụ tải qua mạng điện hạ áp, có dạng TA/HA ( 35-22-10-6/0,4kV)

1.2 Phân phối theo hai cấp điện áp trung áp

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

- Trạm phân phối trung gian có dạng TA1/TA2 (35/22-10-6kV)

- Trạm phân phối hạ áp có dạng TA/HA(22-10-6/0,4kV)

Hình 1.1 Sơ đồ khối lưới phân phối theo một cấp điện áp trung áp

Mạng trung áp

(Trạm nguồn) Trạm phân phối Mạng hạ áp (Hộ phụ tải)

Kết cấu lưới phân phối có ảnh hưởng rất lớn tới các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của toàn

hệ thống điện như:

- Độ tin cậy cung cấp điện

- Độ dao động điện áp tại các hộ phụ tải

- Tổn thất điện năng: ở lưới phân phối thường có tổn thất điện năng tới gấp 3 tới

4 lần lưới truyền tải

- Chi phí đầu tư xây dựng: chi phí đầu tư xây dựng ở lưới phân phối thường từ 1,5 tới 2,5 lần so với lưới truyền tải

- Xác suất ngừng cung cấp điện: Xác suất ngừng cung cấp điện ở lưới phân phối thường lớn hơn nhiều lần ở lưới truyền tải do kết cấu lưới phân phối rất phức tạp

1.3 Đặc điểm chung của lưới phân phối

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

- Phụ tải của lưới phân phối đa dạng và phức tạp

- Lưới phân phối thường có hình tia Chế độ vận hành bình thường của lưới phân phối là vận hành hở

- Để tăng cường độ tin cậy cung cấp điện người ta có thể sử dụng cấu trúc mạch vòng nhưng thường vận hành ở chế độ hở Trong mạch vòng các đường dây thường được liên kết với nhau bằng dao cách ly, hoặc máy cắt điện Các thiết bị này vận hành

ở vị trí mở Khi cần sửa chữa hoặc sự cố thì việc cung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài nhờ việc chuyển đổi phương thức cung cấp điện

- So với mạng hình tia, mạng mạch vòng có chất lượng điện tốt hơn Tuy nhiên mạnh vòng lại tồn tại nhiều vấn đề phức tạp về bảo vệ rơ le và hiệu quả khai thác mạch vòng kín so với mạch hình tia thấp hơn với cùng lượng vốn đầu tư

Trạm phân phối hạ áp

Trạm phân phối trung gian

Trạm nguồn

Mạng phân phối 1 và phân phối 2

Hình 1.2 Sơ đồ khối lưới phân phối theo hai cấp điện áp trung áp

Hộ phụ tải

- Trong những năm gần đây, do sự phát triển nhanh chóng các thiết bị có công nghệ cao và các thiết bị tự động, việc giảm bán kính cung cấp điện – tăng tiết diện dẫn

và bù công suất phản kháng nên chất lượng điện năng trong mạng hình tia đã được cải thiện đáng kể Kết quả của các công trình nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành cho thấy rằng hiện nay lưới phân phối hình tia vẫn còn được sử dụng phổ biến

1.4 Đặc điểm của lưới phân phối Việt Nam hiện nay

Lưới phân phối Việt Nam hiện nay tồn tại nhiều cấp điện áp như 35, 22, 10, 6

kV, kết cấu lưới rất phức tạp gây khó khăn lớn trong vận hành và sửa chữa Phương thức cấp điện hỗn hợp cả hai mô hình một cấp điện áp và hai cấp điện áp trung áp cũng góp phần tăng thêm độ phức tạp của lưới phân phối

Các thiết bị điện, phụ tải điện vận hành trên lưới chưa được quy định chặt chẽ

về các chỉ tiêu kỹ thuật (các thông số kỹ thuật, hiệu suất, hệ số công suất, chế độ làm việc, sóng hài, các chương trình quản lý, …) để đảm bảo chất lượng lưới

Phần lớn lưới phân phối Việt Nam tồn tại lưới hình tia Tiết diện dây dẫn nhỏ,

sử dụng nhiều chủng loại dây trên một đường dây Các đường dây thường có khoảng cách lớn, mang tải lớn quá khả năng tải của cấp điện áp đang sử dụng

Những đặc điểm nêu trên dẫn tới chất lượng cung cấp điện chưa cao, chất lượng điện năng không đảm bảo: Độ sụt áp lớn, sóng hài cao, tổn thất lớn, sự cố xảy ra nhiều

2 Tổn thất điện năng

Tổn thất điện năng là tổn thất sinh ra do tính chất vật lý của quá trình tải điện, tổn thất này phụ thuộc vào tính chất của dây dẫn và vật liệu cách điện, điều kiện môi trường, dòng điện và điện áp

2.1 Thực trạng về tổn thất điện năng

Đối với lưới điện phân phối tổn thất điện năng chiếm một lượng đáng kể khoảng 60-70% tổng tổn thất trên toàn hệ thống, do khối lượng dây và trạm biến áp lớn, dây dẫn nhỏ, dòng điện đi qua lớn, điện áp đã được hạ thấp Mặt khác do điện áp thấp lên yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật, công nghệ, yêu cầu về đầu tư cũng bị giảm so với lưới điện truyền tải điện áp cao

Tổn thất điện năng có ảnh hưởng rất lớn đến chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của hệ thống điện Các biện pháp làm giảm tổn thất điện năng không những có ý nghĩa làm hạ giá thành sản xuất điện, mà còn góp phần khai thác hiệu quả các công trình điện, giảm chi phí đầu tư xây dựng nhà máy phát điện, tiết kiệm điện năng cũng chính là tiết kiệm nguồn năng lượng sơ cấp, nguồn tài nguyên thiên nhiên đang ngày càng cạn kiệt

Chính vì vậy lưới điện phân phối cần biện pháp giảm tổn thất, nâng cao chất lượng điện năng

2.2 Khái quát một số phương pháp tính tổn thất điện năng

2.2.1 Phương pháp phân tích đồ thị

2.2.1.1 Đồ thị phụ tải cho ở dạng dòng điện

Hình 1.3: Đồ thị biến thiên của dòng điện theo thời gian Với hệ tọa độ I – t Chia trục hoành (t) thành n đoạn bằng nhau với độ dài t t

0

1 0

Khi I0=I n công thức 1.2 sẽ nhận được dạng công thức 1.1

Theo phương pháp này thứ nguyên của dòng điện tính bằng (A) tổn thất điện năng tính bằng (kWh) thì công thức 1.1 sẽ được tính theo công thức 1.3 sau:

2.2.1.2 Đồ thị phụ tải cho ở dạng công suất toàn phần

Hình dạng đồ thị và cách tính tương tự như trên, công thức tính tổn thất điện năng sẽ tính như sau:

2.2.2 Phương pháp dòng điện trung bình bình phương

Dòng điện trung bình bình phương Itb là dòng điện quy ước có giá trị không đổi, chạy trên đường dây trong suốt thời gian khảo sát T và gây nên tổn thất điện năng bằng tổn thất điện năng do dòng điện làm việc gây ra (hình 1.5 và 1.6)

Hình 1.5: Đồ thị phụ tải dòng điện theo thời

I dt I

T

= ∫

(1.8) Như vậy dòng điện trung bình bình phương sẽ là:

2 0

.

T t tb

I dt I

T

(1.9) Tính toán Itb cũng giống như phương pháp tích phân đồ thị phụ tải Tích phân ở biểu thức (1.9) được tính tương tự theo biểu thức (1.1) và (1.2) tức là:

R – là điện trở tác dụng của đường dây (Ω)

T – là thời gian khảo sát (h)

Nếu dòng điện trung bình được tính theo biểu thức (1.8) và (1.9) thì phương pháp này chính là một dạng của phương pháp tích phân đồ thị

Mạng điện phân phối thường sử dụng phương pháp này và cho kết quả gần đúng Giá trị Itb có thể tính gần đúng theo công thức kinh nghiệm Dalesxky:

4

ax (0,12 ax 10 )

I =I +T − (1.12)

Ở đây Tmax là thời gian sử dụng công suất cực đại

Hoặc theo dòng điện cực đại và thời gian tổn thất công suất cực đại τ:

Giá trị các đại lượng τ, Tmax được xác định phụ thuộc tính chất phụ tải hoặc qua

cá số liệu thống kê Phương pháp này chỉ đúng khi chúng ta xác định được chính xác các giá trị trên

2.2.3 Phương pháp thời gian tổn thất

Xét đồ thị phụ tải năm theo công suất tác dụng và theo dòng điện bình phương theo thời gian như hình 1.7 và 1.8 sau:

Đổ thị phụ tải năm được biểu diễn với một trục là thời gian, một trục là công suất Diện tích giới hạn bởi trục hoành và đường cong Pt của đồ thị này xác định lượng điện năng tiêu thụ của phụ tải trong khoảng thời gian t, do đó:

ax max 0

T

A=∫P dt P T= (1.14)

Hình 1.7: Xác định thời gian sử dụng công

suất cực đại Tmax

Hình 1.8: Xác định thời gian tổn thất công

suất cực đại τ max

P dt T

P

= ∫

(1.15) Tmaxtd: Thời gian tổn thất công suất tác dụng cực đại

Q dt T

Trên hình 1.8 biểu diễn quan hệ I t2 = f t( ) Gọi τ là thời gian tổn thất công suất cực đại

Để xác định τ người ta thay diện tích giới hạn bởi đường cong I t2 ( ) bằng diện tích hình chữ nhật có tung độ 2

max

I , hoành độ là τ khi đó ta có:

max 0

T t

∆ = ∫ = (1.18)

Hay

2 0 2 max

T t

I dt I

τ = ∫

(1.19) Hoặc tính tổn thất ∆A qua công suất S tương tự như biểu thức (1.11) tức là:

2 3 ax

ax

.10

m m

S

A R

∆ = (kWh) (1.20)

Trong công thức (1.18) cần phải xác định τ, τ được xác định nhờ mối quan hệ

Tmax và Cosφ Quan hệ τ=f(Tmax,Cosφ) có nhiều phương pháp xây dựng khác nhau Mỗi đường cong biểu diễn mối quan hệ đó được xuất phát theo một số điều kiện giới hạn khác nhau như không tính đến dáng điệu đồ thị phụ tải, hay không xét đến sự biển đổi hệ số công suất Hoặc chúng ta có thể xác định τ bằng các công thức kinh nghiệm:

4 ax

8760

m

td m

2 ax

.

T

t td

m

P dt P

τ = ∫

(1.25a)

2 0

2 ax

.

T

t pk

m

Q dt Q

τ = ∫

(1.25b) Nếu các đồ thị công suất tác dụng và phản kháng cực đại trùng nhau thì biểu thức (1.25) có thể viết lại:

3 Các biện pháp giảm tổn thất điện năng

3.1 Đối với đường dây

Như ta đã biết tổn thất điện công suất và tổn thất điện năng tác dụng trên đường dây chủ yếu do thành phần điện trở tác dụng gây nên theo công thức sau:

Do vậy để giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng tác dụng phải giảm được điện trở của dây dẫn muốn vậy phải dùng vật liệu làm dây dẫn có tính dẫn điện cao hoặc phải dùng dây dẫn có tiết diện lớn, trong trường hợp này sẽ bị nâng cấp vốn đầu tư xây dựng đường dây, do vậy phải tính toán để chọn phương án thích hợp

Giảm bán kính cấp điện tức là giảm chiều dài đường dây cũng làm giảm điện trở đường dây, nhưng phải đầu tư xây dựng thêm nhiều trạm trung gian, làm tăng tổng vốn đầu tư

Việc nâng cao điện áp vận hành chỉ thực hiện trong phạm vi cho phép giới hạn điều chỉnh bởi với một điện áp định mức nhất định không thể nâng điện áp quá cao sẽ làm ảnh hưởng đến độ bền cách điện của đường dây cũng như thiết bị có thể gây nên

sự cố làm hư hỏng thiết bị

3.2 Đối với máy biến áp

Tổn thất không tải của máy biến áp không phụ thuộc vào phụ tải mà nó phụ thuộc vào chất liệu làm mạch từ và từ thông chính, muốn giảm được tổn thất này đòi hỏi công nghệ chế tạo máy biến áp phải cao, chất lượng thép làm mạch từ phải có độ

từ thẩm cao ( từ trở nhỏ), là thép càng mỏng càng tốt, cách điện giữa các lá thép phải đảm bảo để hạn chế dòng xoáy (fuco) Hạn chế mức thấp nhất các khe hở giữa trụ và gông từ

Tổn thất trong cuộn dây máy biến áp hoàn toàn phụ thuộc vào phụ tải và điện trở dây cuốn máy biến áp, do vậy muốn giảm tổn thất trong cuộn dây phải chế tạo dây cuốn bằng vật liệu dẫn điện tốt, trong vận hành phải quan tâm đến chế độ làm mát của máy biến áp và chế độ vận hành hợp lý

3.3 Giảm tổn thất điện năng trong vận hành

Ngoài các biện pháp giảm tổn thất điện năng đã nêu ở trên, trong quá trình quản

lý vận hành và sửa chữa cải tạo lưới điện chúng ta cũng có các biện pháp để làm giảm tổn thất điện năng như: đặt các thiết bị bù công suất phản kháng hợp lý, nâng cao điện

áp vận hành mạng điện, thay dây dẫn có tiết diện nhỏ bằng dây dẫn có tiết diện lớn hơn, thay các máy biến áp quá tải và non tải bằng các máy biến áp có công suất đặt phù hợp với công suất phụ tải

Khuyến khích các khách hàng dùng điện sản xuất vào thấp điểm đêm, hạn chế dùng điện vào cao điểm để san bằng biểu đồ phụ tải, sẽ giảm tổn thất điện năng cũng như khai thác hiệu quả kinh tế hơn các công trình điện, giảm sự cố của lưới điện cũng như giảm sức ép đầu tư xây dựng các công trình điện chỉ để đáp ứng công suất giờ cao điểm

Trong quá trình sản xuất và truyền tải điện phải không ngừng nâng cao chất lượng thiết bị thay thế thiết bị cũ tiêu tốn điện năng nhiều bằng các thiết bị công nghệ cao tiêu thụ điện năng ít

* Kết luận: Các biện pháp giảm tổn thất như tăng tiết diện dây dẫn, giảm bán

kính cấp điện sẽ làm tăng tổng vốn đầu tư Nâng cao điện áp vận hành cũng chỉ thực hiện ở trong phạm vi cho phép bởi làm ảnh hưởng tới độ bền cách điện đường dây và tăng vốn đầu tư Với máy biến áp phụ thuộc công nghệ chế tạo và thường tổn thất máy biến áp chỉ có thể giảm thiểu tới mức nhất định Vậy phương thức tốt nhất để giảm tổn thất điện năng là biện pháp giảm tổn thất trong vận hành như đặt thiết bị bù công suất phản kháng hợp lý, khuyến khích khách hàng dùng điện vào giờ thấp điểm đêm…

CHƯƠNG II KHÁI QUÁT VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 Công suất phản kháng trên lưới phân phối

2.1.1.Khái niệm về công suất phản kháng

Sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện có tải là điện trở và điện kháng

Hình 2.1 Mạch điện có tải R và X Mạch điện được cung cấp bởi điện ápu U= msinωt

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

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

i1 có biên độ I c m osϕ cùng pha với điện áp u

i2 có biên độ I msinϕ chậm pha với điện áp u góc Π/2

Công suất tương ứng với hai thành phần i1 vài2

Công suất tác dụng là công suất có hiệu lực biến năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác và sinh công

Ta có thể biểu diễn quan hệ P và Q như hình vẽ

Hình 2.2 Quan hệ giữa công suất P và Q

2.1.2 Sự tiêu thụ công suất phản kháng

Trên lưới điện công suất phản kháng được tiêu thụ ở động cơ không đồng bộ, máy biến áp, kháng điện trên đường dây tải điện và ở các phần tử và thiết bị có liên quan đến từ trường Yêu cầu về công suất phản kháng chỉ có thể giảm đến mức tối thiểu chứ không thể triệt tiêu được vì nó cần thiết để tạo ra từ trường, yếu tố trung gian cần thiết trong quá trình chuyển hóa điện năng Sự tiêu thụ công suất phản kháng trên lưới điện có thể phân chia một cách gần đúng như sau:

- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 60÷65%

- Máy biến áp tiêu thụ khoảng 22÷25%

- Đường dây tải điện và các phụ tải khác khoảng 10%

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)

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

S

UIcosφ

Q

P φ

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

b) Tăng tổn 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 phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng Dòng điện chạy qua dây dẫn và máy biến áp được xác định:

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

Cũng từ biểu thức (2.3) 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 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 hủy 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

2.1.3 Các nguồn phát công suất phản kháng trên lưới điện

a, Máy điện đồng bộ

Trong hệ thống điện, các nguồn công suất phản kháng gồm có: Máy điện đồng

bộ (máy phát điên, máy bù, động cơ đồng bộ), tụ điện tĩnh và các đường dây tải điện ( đường dây có điện áp cao hoặc cáp điện)

Khả năng phát Công suất phản kháng của các nhà máy điện rất hạn chế do cosφđm của nhà máy từ 0,8÷0,9 hoặc cao hơn Vì lí do kinh tế người ta hạn chế sử dụng các máy bù đồng bộ và động cơ điện đồng bộ Chúng chỉ sử dụng trong những trường hợp đặc biệt, không thể thay thế Các máy điện đồng bộ nói chung chỉ đáp ứng được một phần nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải (chủ yếu tập trung ở lưới truyền tải), phần còn lại do các tụ điện tĩnh đảm trách Các tụ điện tĩnh dùng làm nguồn phát Công suất phản kháng có thể được sử dụng ở cả lưới truyền tải và phân phối

b, Đường dây tải điện

Trong hệ thống điện có thể kể đến một nguồn công suất phản kháng nữa đó là các đường dây, nhất là đường dây siêu cao áp Tuy nhiên, với lưới phân phối, lưới có điện áp thấp, công suất phản kháng phát ra có số lượng đáng kể ở các đường cáp có chiều dài lớn

c, Tụ điện tĩnh

Tụ điện tĩnh là một đơn vị hay một dãy đơn vị nối với nhau và nối song song với phụ tải theo sơ đồ hình sao (Y) hoặc (∆) với mục đích sản xuất ra Công suất phản kháng cung cấp trực tiếp phụ tải, điều này làm giảm Công suất phản kháng phải truyền tải trên đường dây, làm như vậy được gọi là bù công suất phản kháng

Công suất phản kháng do tụ điện phát ra được tính theo biểu thức sau:

2

C

Q =U ωC U (volt): điện áp pha, C(F), Q(VAr)

Ưu điểm: Chi phí tính theo một đơn vị công suất phản kháng (kVAr) ở tụ điện

rẻ hơn máy bù đồng bộ, ưu điểm này càng rõ nét khi lượng công suất phản kháng phải cung cấp càng lớn

- Tổn thất công suất tác dụng trong tụ điện rất nhỏ, chỉ 2÷4 W/kVAr; trong khi

đó máy điện đồng bộ tương đối lớn khoảng 10÷15 W/kVAr tùy theo công suất định mức máy

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

- Tụ điện lắp đặt đơn giản, có thể phân ra nhiều cụm để lắp rải trên lưới phân phối, hiệu quả là cải thiện tốt hơn đường cong phân bổ điện áp Không cần người trông nom, vận hành Việc bảo dưỡng đơn giản

Nhược điểm:

- Tụ điện không cho phép điều chỉnh dung lượng bù một cách liên tục như máy

bù đồng bộ mà dung lượng bù được điều chỉnh theo từng cấp

- Tụ điện chỉ có khả năng phát ra công suất phản kháng mà không có khả năng thu nhận công suất phản kháng như máy bù đồng bộ

- Công suất phản kháng do tụ điện phát ra phụ thuộc vào điện áp vận hành Tuổi thọ không cao, độ bền thấp, dễ hư hỏng ( khi bị ngắn mạch, quá áp)

Tuy nhiên, với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuât điều khiển, công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn cùng các thiết bị bù tĩnh có khả năng khắc phục các nhược điểm của tụ điện nhưng giá thành còn khá cao nên chưa được sử dụng phổ biến, đặc biệt ở lưới phân phối

- Để điều chỉnh trơn dung lượng bù người ta dùng bù công suất phản kháng có điều khiển SVC(Static Var Compensator)

- Để có thể phát hay nhận công suất phản kháng người ta dùng SVC gồm tổ hợp TCR và TSC

- Để bảo vệ quá áp và kết hợp điều chỉnh tụ bù theo điện áp, người ta lắp đặt các bộ điều khiển để đóng cắt tụ theo điện áp

2.1.4 Ảnh hưởng của tụ bù đến tổn thất điện năng trong lưới phân phối

Các phụ tải dân dụng và công nghiệp phần lớn là có tính cảm kháng, điện áp vượt trước dòng điện Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện càng lớn thì hệ số công suất cosφ của lưới điện càng nhỏ

Bù công suất phản kháng có mục tiêu là giảm bớt góc lệch pha giữa dòng điện

và điện áp Với cùng một công suất tác dụng cung cấp cho phụ tải, khi hệ số công suất cosφ càng thấp dẫn đến công suất phản kháng truyền tải trên đường dây để cung cấp cho phụ tải càng lớn, tạo ra tổn thất công suất tác dụng và tổn thất năng lượng càng cao

Bù công suất phản kháng có nghĩa là sử dụng các thiết bị có khả năng phát công suất phản kháng đặt ở phía tải để đáp ứng trực tiếp nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải

Trong lưới phân phối chủ yếu sử dụng tụ điện tĩnh mắc song song với các phụ tải sử dụng công suất phản kháng( còn được gọi là các tụ bù ngang) Công suất phản kháng phát ra từ các tụ điện tĩnh này sẽ cung cấp trực tiếp cho các phụ tải, tránh phải truyền tải đi xa, gây nhiều tổn thất trong quá trình truyền tải

Xét mạng điện với phụ tải P+jQ (hình 2.3)

Hình 2.3 Lưới điện khi chưa đặt thiết bị bù

Từ công thức tổn thất công suất trên đường dây

P+jQ R+jX

P+jQ

Sử dụng tụ điện tĩnh đặt ở phía tải, lượng công suất phản kháng do tụ điện phát

ra là Qbù thì công suất phản kháng cần truyền tải trên đường dây chỉ còn là ( Q- Qbù)

Hình 2.4 : Lưới điện đã đặt tụ bù Khi đặt tụ bù, tổn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây được xác định như sau:

ù 2

2.1.5 Các lợi ích khi thực hiện bù công suất phản kháng

- Giảm được công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ max (công suất đỉnh) của hệ thống điện, do giảm được tổn thất công suất tác dụng trong quá trình truyền tải Vì vậy, dự trữ công suất tác dụng giảm đi và độ tin cậy của hệ thống điện tăng lên

P+j(Q-Q bù )

R+jX

P+jQ

Q bù

- Giảm nhẹ tải cho các máy biến áp trung gian và các đường trục trung áp do giảm truyền tải công suất phản kháng và hiệu quả là thời gian cải tạo nâng dung lượng máy biến áp, dây dẫn được kéo dài thời gian làm việc hơn

- Nâng cao hệ số cosφ, giảm tổn thất công suất tác dụng trên đường dây tức là

đã giảm được tổn thất điện năng trên đường dây do thành phần công suất phản kháng gây ra

- Giảm tổn thất điện áp trên đường dây

- Nâng cao hiệu quả kinh tế đường dây

2.2 Khái quát một số phương pháp tính bù công suất phản kháng

2.2.1 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+jQ i Khi ta đặt một giá trị công suất bù Qbi nào đó nào đó vào nút i thì khi đó tổn thất là:

3 2

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: ∂∆P SB/ ∂Q B = 0, giải ra ta được QB=Q Tức là trong điều kiện cực tiểu hóa tổn thất công suất tác dụng sẽ phải bù toàn bộ lượng công suất phản kháng truyền tải trên đường dây

2.2.2 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:

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

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

2 1

dm

Trong đó:

Ri, Xi điện trở, điện kháng của đoạn dây thứ i,Ω;

Uđm – 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

2 1

2 1

1 10

n

i dm

p – hệ số tính đến tỷ lệ khấu hao và thời gian thu hồi vốn p=αtc+αvh

Kb- suất vốn đầu tư của thiết bị bù

∆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 điện

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

τ – thời gian tổn thất công suất cực đại

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

2.2.5 Mô hình tính bù theo chỉ tiêu tối đa hóa các tiết kiệm

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

E c= δP c+ ∆δA K− ∑Q =>m

Trong đó:

δP – lượng tiết kiệm công suất đỉnh

δA – lượng tiết kiệm điện năng

2.2.6 Mô hình tính bù theo giá trị hệ số cosφ2 cần đạt được

Công suất bù cần thiết để nâng cao hệ số cosφ1 lên giá trị cosφ2 được xác định theo biểu thức

Qb=P(tgφ1-tgφ2), kVAr

2.2.7 Tự động điều chỉnh dung lượng bù công suất phản kháng

Khi tính chọn tụ bù ta thường tính toán với phụ tải cực đại, nên trong quá trình làm việc thường tụ không làm việc hết công suất, dẫn đến hiện tượng bù thừa, làm ảnh hưởng đến chất lượng điện và hiệu quả kinh tế của mạng điện Vì lẽ đó cần phải thiết

kế hệ thống tự động điều chỉnh dung lượng tụ bù cho phù hợp với tải thực tế Mô hình

bù công suất phản kháng do đề tài đề xuất có xét tới ảnh hưởng tính chất không bằng phẳng của đồ thị phụ tải:

+ Trên cơ sở đồ thị phụ tải điển hình xác định quy luật đóng cắt các ngăn tụ để duy trì chế độ làm việc tối ưu của mạng điện

* Nguyên lý điều chỉnh tối ưu dung lượng tụ bù

Một số nguyên lý được áp dụng rộng rãi trong thực tế điều khiển tụ bù:

+ Bù theo thời gian: Một chương trình đóng cắt, thay đổi các nấc tụ được thiết lập sẵn nhờ cơ cấu thời gian, chương trình này được xây dựng phụ thuộc vào biểu đồ phụ tải

+ Bù theo tín hiệu dòng điện: Tín hiệu điều chỉnh là dòng điện, ứng với giá trị xác định của dòng điện một số ngăn tụ được đóng vào hoặc cắt ra cho phù hợp với yêu cầu của mạng điện

+ Bù theo tín hiệu điện áp: Tín hiệu điều chỉnh là mức điện áp cần thiết lập, khi quá điện áp thì một số ngăn tụ được cắt ra và khi điện áp thấp thì một số ngăn được đóng vào Kiểu điền chỉnh như vậy luôn đảm bảo chất lượng điện được tốt nhất

+ Bù theo hướng dòng công suất phản kháng : Khi dòng công suất phản kháng

có hướng đi từ nguồn đến các điểm tải thì các ngăn tụ được bổ sung vào, còn khi

hướng dòng công suất phản kháng đi ngược từ các điểm tải vào hệ thống thì một số ngăn tụ sẽ được cắt ra

+ Tự động điều chỉnh dung lượng tụ bằng Thyristor

2.3 Kết luận

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

hệ số cosφ thấp sẽ dẫn đến tăng tổn thất điện năng, tăng chi phí đầu tư và giảm chất lượng điện… Vì vậy tìm ra các giải pháp nâng cao hệ số cosφ trong mạng điện là vấn

đề hết sức cấp thiết

+ Đặt thiết bị bù công suất phản kháng là một trong những giải pháp quan trọng

để nâng cao hệ số cosφ và chất lượng điện năng Mỗi phương pháp tính bù công suất phản kháng có ưu, nhược điểm riêng và thích hợp trong những trường hợp tính toán nhất định

+ Hiện nay trong sản xuất đã có nhiều loại thiết bị bù công suất phản kháng được điều khiển bởi Thyristor SVC ( Static Var Compensator) Việc điều khiển dung lượng bù bằng Thyristor sẽ tạo ra cơ cấu điều chỉnh trơn theo đồ thị phụ tải phản kháng của mạng điện nơi đặt tụ bù Đảm bảo công suất truyền tải trên lưới nhỏ nhất, giảm thiểu được tối đa tổn thất điện năng

CHƯƠNG III THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

TRONG VIỆC GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG

3.1 Vai trò của thiết bị bù ngang

Các thiết bị bù có vai trò quan trọng trong việc giữ điện áp các nút trong giới hạn cho phép Điều chỉnh điện áp được thực hiện thông qua điều chỉnh công suất phản kháng Công suất phản kháng mất cân bằng là nguyên nhân chính gây ra điện áp nút thay đổi Để giữ cho điện áp nút không thay đổi có thể tiến hành theo các cách sau:

- Điều chỉnh dòng công suất phản kháng từ nguồn cung cấp có thể giữ điện áp nút U theo mong muốn bằng cách thay đổi dòng điện kích từ máy phát điện

- Điều chỉnh công suất phản kháng bằng cách tại nút phụ tải ta cấp trực tiếp một phần công suất phản kháng thì cũng có thể tăng điện áp U tại nút đó.(bù ngang)

- Thay đổi điện kháng đường dây bằng cách dùng kháng bù dọc để điều chỉnh điện áp (trong luận văn này không xét trường hợp này)

Do điện áp nút trong hệ thống điện là không giống nhau nên biện pháp bù công suất phản kháng tại các nút phụ tải sẽ rất hiệu quả cho việc cải thiện chất lượng điện áp của nút đó Đối với đường dây tải điện cao áp và siêu cao áp, trong khi làm việc nó tạo

ra lượng công suất phản kháng đáng kể là do điện dung bản thân các đường dây này đóng vai trò là các tụ điện, phát công suất phản kháng theo công thức: Qc = bc.U2, với

bc = b0.l trong đó b0 dung dẫn trên một đơn vị chiều dài Công suất phản kháng này truyền vào hệ thống gây mất cân bằng công suất phản kháng dẫn đến quá điện áp hệ thống nếu không có biện pháp cân bằng Sử dụng kháng bù ngang rất hiệu quả để cân bằng công suất phản kháng dẫn tới giữ ổn định điện áp

Thiết bị bù có tác dụng giảm tổn thất công suất, tổn thất điện năng Phần lớn phụ tải của mạng điện là các động cơ không đồng bộ và các máy biến áp nêu trên các đường dây của mạng điện phải chuyên chở một lượng công suất phản kháng lớn làm tăng tổn thất và tổn thất điện năng Như vậy muốn giảm tổn thất công suất ta cần giảm lượng công suất phản kháng truyền trên đường dây, lượng công suất phản kháng này giảm khi ta đặt các thiết bị bù ngay tại phụ tải

Thiết bị bù còn có tác dụng làm tăng khả năng cho phép lượng công suất hữu dụng truyền tải trên đường dây

Ngoài ra thiết bị bù còn các tác dụng cải thiện quá trình ổn định của hệ thống

Do các thiết bị bù có thể tăng khả năng truyền tải tối đa Vì vậy người ta rất quan tâm đến việc điều chỉnh nhanh và thích hợp việc bù ngang để có thể thay đổi được dòng năng lượng trong hệ thống suốt quá trình biến động nhằm tăng quá trình ổn định và cung cấp công suất tác dụng để dập tắt dao động

3.2 Thiết bị bù ngang tĩnh có điều khiển – SVC

SVC là thiết bị có khả năng điều chỉnh nhanh công suất phản kháng bằng cách thay đổi giá trị điện kháng Để hiệu chỉnh tổng trở phản kháng theo đặc tính đã định một cách thích hợp người ta dùng các thyristor

SVC được xây dựng trên nhiều mô hình thiết kế khác nhau Tuy nhiên cấu tạo chung của thiết bị bù ngang tĩnh SVC đều từ hai loại phần tử cơ bản sau:

- TCR: Thyristor controller reactor (cuộn kháng được điều khiển bằng Thyristor)

- TSC: Thyristor switched capacitor (tụ đóng cắt tụ bù bằng thyristor)

3.2.1 Cuộn cảm được điều khiển bằng Thyristor

Phần tử cơ bản của TCR là cuộn cảm nối tiếp với cặp thyristor mắc đối song song như hình 3.1 Cuộn kháng cố định có lõi bằng không khí

Thyristor dẫn luân phiên mỗi nửa chu kỳ của tần số nguồn tùy thuộc vào góc kích α Khi α = π/2 thyristor dẫn hoàn toàn, lúc này dòng điện có được như khi nối tắt thyristor Dòng điện i hình sin chậm pha hơn điện áp u là π/2, khi α = π/2 ÷ π thyristor dẫn một phần, góc kích α từ 0 ÷ π/2 không được phép vì sẽ tạo ra dòng điện không đối xứng với thành phần một chiều Tăng góc α sẽ làm giảm biên độ thành phần cơ bản I1của dòng điện, dẫn đến XL tăng Đặc tính U – I được mô tả bởi phương trình:

U = Uref + XSL.I (3.1)

Do dẫn điện trễ, TCR tạo ra dòng điện điều hòa bậc lẻ khi α = π/2 ÷π, trong đó thành phần 6n+1 là thành phần thứ tự thuận, thành phần 6n – 1 là thành phần thứ tự nghịch, thành phần 6n – 3 là thành phần thứ tự không TCR hoạt động như nguồn dòng

và không phải biên độ cực đại của tất cả các dòng điều hòa được xuất hiện cùng một góc kích

Trong hệ thống ba pha cân bằng TCR được đấu hình tam giác ∆ (TCR 6 xung)

và chỉ có sóng hài bậc 6n ±1 Cuộn cảm được tách ra thành hai phần mắc hai bên thyristor ở mỗi nhánh ∆ để hạn chế dòng sự cố thyristor

Có thể khử sóng hài bằng cách dùng TCR 6 xung mắc vào hai cuộn thứ cấp của máy biến áp giảm áp, một cuộn thứ cấp nối Y và một cuộn thứ cấp khác nối ∆ để tạo

ra TCR 12 xung Cả hai TCR được điều khiển bởi cùng một góc kích Vì điện áp lệch pha π/6 nên thành phần 6(2n -1) ± 1 của dòng điện sẽ bị khử trong MBA, thành phần 12n ± 1 của dòng điện sẽ đi vào hệ thống điện Các bộ tụ có thể mắc song song với TCR để vừa nới rộng đặc tính làm việc của nó, vừa có thể lọc các sóng hài không mong muốn Khi đó vùng làm việc được xác định bởi công suất định mức của các phần tử và định mức quá tải của TCR

Như đặc tính làm việc trên hình vẽ, để duy trì cân bằng giữa các cực của khóa thyristor, tránh các dòng điều hòa bậc và một chiều, các xung mở được hạn chế từ α = π/2 ÷ π Xung gửi đến khóa thyristor ở góc mở α làm cho điện kháng tương ứng dẫn điện cho đến điểm không kế tiếp của dòng điện, do đó việc cấp công suất bù phản kháng được xác định

Như vậy dễ nhận thấy TCR có những đặc điểm sau:

- Đáp ứng động của TCR rất nhanh, nhưng trễ do mạch đo lường và điều khiển cũng như tổng trở hệ thống, cho nên có thể chỉnh định để cho thời gian đáp ứng chậm hơn khoảng từ 3 đên 10 chu kỳ vì lý do ổn đinh mạch điều khiển

- Phát sinh sóng hài của sơ đồ tùy thuộc loại TCR, cấu trúc bộ lọc và tình trạng vận hành của hệ thống điện Điện áp không cân bằng, dung sai ở góc kích và phần tử chính của TCR có thể tạo ra nhiều sóng hài bậc 2, 3, 9 Những sóng hài này thường dưới 2% định mức của TCR Bộ lọc ở mạch đo lường và điều khiển có thể làm giảm những sóng điều hòa này

- Tổn hao của TCR tùy thuộc và kết cấu và điểm làm việc Tổn hao của TCR với tụ cố định từ 0,5 ÷ 0,7% công suất định mức

- Khả năng quá tải của TCR được xác định bởi thyristor

Vì những đặc điểm này mà TCR có thể được ứng dụng:

- Ổn định điện áp và giảm quá điện áp tạm thời trong hệ thống điện

- Cải thiện ổn định trong hệ thống điện

- Giảm dao động công suất

- Cân bằng tải trong hệ thống điện

- Bù cho tuyến HVDC

3.2.2 Bộ tụ đóng ngắt bằng thyristor (TSC)

Phần tử cơ bản của TSC là các tụ điện mắc song song, mỗi tụ được mắc nối tiếp với một cặp thyristor, cặp thyristor mắc song song ngược chiều nhau như hình 3.2

Bộ tụ được chia thành nhiều nấc nhỏ, đóng cắt các nấc này bằng thyristor TSC cung cấp điều khiển on/off chứ không phải là điều khiển pha Nhu cầu công suất phản kháng được đáp ứng bằng cách đóng hay mở một lượng xấp xỉ các tụ điện Ở trạng thái cắt của tụ điện có một điện áp nạp trước bằng với đỉnh âm hay dương của điện áp xoay chiều được duy trì từ thời điểm không của dòng điện khi nó đã bị cắt lần sau cùng Để làm cực tiểu dòng quá độ của tụ điện, tụ được đóng chỉ khi điện áp xoay chiều bằng với điện áp nạp trước Điều này chỉ xảy ra một lần trong mỗi chu kỳ, do vậy, mạch điều khiển luôn có ít nhất một chu kỳ đầy đủ mà trong khoảng đó để quyết định cắt hay không cắt một tụ nào đó Do đó điều khiển tạo xung kích cho thyristor sẽ quyết định quá độ đóng ngắt như sau:

- Quá độ nhỏ về dòng điện i sẽ diễn ra nếu thyristor được kích lúc điện áp trên

tụ uc bằng điện áp của hệ thống

- Quá độ lớn về dòng điện sẽ xảy ra nếu thyristor được kích lúc điện áp trên tụ

uc và điện áp hệ thống ngược nhau

Ngoài ra có thể mắc một cuộn cảm nhỏ nối tiếp tụ sao cho biến thiên di/dt vẫn nằm trong giới hạn cho phép khi tình trạng đóng cắt quá độ xấu nhất xảy ra

Như vậy có thể nhận thấy một số đặc điểm sau của TSC:

- Chọn cấp điện áp để mắc TSC có thể ảnh hưởng đáng kể đến giá thành toàn

bộ TSC Nó cũng quyết định đến mức chịu điện áp và dòng điện của thyristor

- Đặc tính U – I của TSC gián đoạn và được xác định bởi công suất và số phần

tử mắc song song Đáp ứng động của TSC nhanh (khoảng 0,5 – 1 chu kỳ), nhưng do trễ của mạch điều khiển và đo lường cho nên có thể chỉnh định để đáp ứng chậm hơn

vì lý do ổn định điều khiển

- TSC không phát sinh sóng hài nhưng nguy hiểm do cộng hưởng nối tiếp với

hệ thống điện và tổng trở của cuộn cảm nối tiếp

U

C i

Hình 3.2 Tụ đóng ngắt bằng thyrristor