Áp dụng giải thuật tìm kiếm sinh vật lai tối ưu vị trí đặt tụ bù trong lưới điện phân phối có xét đến nhiều mức phụ tải khác nhau_merged

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu vẫn đề bù tối ưu công suất phản kháng trong lưới điện phân phối 22 kV, áp dụng giải thuật Tìm kiếm sinh vật công sinh lai để giải bài toán tối ưu vị trí

TRUONG DAI HOC BACH KHOA

LE MINH LUAN

AP DUNG GIAI THUAT TIM KIEM SINH VAT LAI

TOI UU VI TRI DAT TU BU TRONG LUOI DIEN PHAN PHOI

CO XET DEN NHIEU MUC PHU TAI KHAC NHAU

Chuyén nganh: KY THUAT DIEN

5 TS Nguyén Nhat Nam

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHU TICH HOI DONG TRUONG KHOA DIEN - DIEN TU

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 22 tháng 10 năm 1980 Nơi sinh: Củ Chi - TP Hồ Chí Minh

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện — Mã số : 8520201

I TEN DE TAI: Ap dụng giải thuật Tìm kiếm sỉnh vật lai tối ưu vị trí đặt tụ bù

trong lưới điện phân phối có xét đến nhiều mức phụ tái khác nhau

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu vẫn đề bù tối ưu công suất phản kháng trong lưới điện phân phối 22 kV, áp dụng giải thuật Tìm kiếm sinh vật công sinh lai để giải bài toán tối ưu vị trí đặt tụ bù trong lưới phân phối có xét đến nhiều mức phụ tải khác nhau, nhằm mục tiêu cực tiêu hóa

chi phí vận hành hệ thống

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19.8.2019

II NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08.12.2019

IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Võ ngọc Điều

được sự giúp đỡ rât quý giá từ các Thây, Cô và bạn bè đông nghiệp

Dau tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy PGS

TS Võ Ngọc Điều, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy, động viên và cung cấp nhiều kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn cũng như trong quá trình học tẬp tại giảng đường

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý Thây, Cô của Khoa Điện —

Điện tử và các Quý Thây, Cô của Phòng Đào tạo Sau Đại học Trường Đại học Bách khoa — Đại học Quốc gia Thành phố Hỗ Chí Minh đã tận tình đào tạo, giảng dạy và

tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi nói riêng và các học viên nói chung trong suốt thời gian học tập tại Trường

Tôi cũng xin được tỏ lòng biệt ơn đôi với tât cả các nhà khoa học là tác giả của các tài liệu mà tôi đã tham khảo trong Luận văn này

Bên cạnh đó, tôi cũng trân trọng cảm ơn những người thân yêu trong gia đình

đã luôn bên cạnh tôi để động viên, ủng hộ để tôi có được những điều kiện tốt nhất cho việc học tập, nghiên cứu của mình

Sau cùng, cho tôi được gửi lời cảm ơn chân tình đến bạn bè đồng nghiệp và Ban Lãnh đạo Công ty Điện lực Củ Chi đã quan tâm giúp đỡ, hỗ trợ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi yên tâm công tác và học tập

cấp điện, giảm tốn thất công suất, nâng cao chất lượng điện luôn là vẫn đề được quan tâm hàng đầu Có nhiều phương pháp đề cải thiện chất lượng điện áp, giảm tốn thất

công suất như tái câu hình lưới điện, cân băng tải, nâng cấp điện áp, sử dụng tụ bù

Luận văn này tập trung nghiên cứu về vấn đề tối ưu vị trí tụ bù để giảm tổn thất công suất, nâng cao hệ số công suất của hệ thống điện phân phối hình tia bằng giải thuật Tìm kiếm sinh vật cộng sinh lai (HSOS) nhằm mục tiêu giảm thiêu chỉ phí vận hành

để tăng tiết kiệm ròng hàng năm của hệ thống điện phân phối Giải thuật HSOS là sự kết hợp giữa giải thuật Tìm kiếm sinh vật cộng sinh (SOS) và phép nội suy bậc hai

đơn giản nhằm cải thiện chất lượng giải pháp và tăng tốc độ hội tụ Luận văn này đã

sử dụng giải thuật HSOS cho bài toán tối ưu vị trí và dung lượng tụ bù đối với hệ thông phân phối IEEE 33 và 69 nút ở các mức tải khác nhau, đồng thời so sánh với một vài phương pháp khác để thấy được hiệu quả của giải thuật HSOS Kết quả so

sánh đã chỉ ra rằng HSOS có thể cho ra một lời giải tốt hơn các phương pháp khác Luận văn này cũng áp dụng giải thuật HSOS để tối ưu vị trí tụ bù cho một phát tuyến

phân phối thực tế của huyện Củ Chi Kết quả của bài toán đã cho thấy khả năng áp

dụng các giải thuật tìm kiếm nói chung, giải thuật HSOS nói riêng vào hệ thống điện thực tế cũng rất khả quan

reliability of power supply, reducing power loss, improving electricity quality are always a top concern There are many methods to improve voltage profile, reduce power loss such as distribution system reconfiguration, load balancing, voltage upgrades, installing capacitor banks, etc This thesis focused on the problem of optimizing the capacitor allocation to reduce power loss, improve the power factor of the radial distribution systems by Hybrid Symbiotic Organisms Search (HSOS) algorithm to minimize the operating cost so that increase the annual net savings of the electricity distribution system HSOS algorithm is a combination of Symbiotic Organisms Search (SOS) algorithm and simple quadratic interpolation to improve the solution quality and convergence rate This thesis has applied the HSOS algorithm for the optimal capacitors location and sizing problem of the IEEE 33 and 69-bus radial distribution networks with different load levels, and compared to those from the other optimization methods to see the effectiveness of the HSOS algorithm The results comparison has shown that HSOS algorithm can provide a better solution than other methods This thesis also applied HSOS algorithm to optimize the location and sizing

of the capacitor banks for the real distribution feeder of Cu Chi district The results of the problem have shown that the ability to apply search algorithms in general, HSOS algorithms in particular to the real distribution radial system is also very positive

vật lai tối ưu vị trí đặt tụ bù trong lưới điện phân phối có xét đến nhiều mức phụ tải

khác nhau” là công trình nghiên cứu riêng của tôi, không sao chép lại của người khác, không gian lận hay nhờ người khác làm hộ Toàn bộ nội dung luận văn được trình bày bởi chính cá nhân tôi và tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau Các nội dung tham khảo, trích dẫn đều được ghi nguồn rõ ràng và hợp pháp

Bằng lời cam đoan này, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật nếu phát hiện tôi có vi phạm các quy định, quy chế về đào tạo sau đại học

của Trường Đại học Bách khoa — Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 12 năm 2019

Lê Minh Luân

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐÔ THỊ .-2- 2° 2 ®+E£Ek£E#EEEESESEESEEEkExEkeExEEeEscrsrerkee vi Chương 1 MỞ ĐÂ Ú 2-3319 TH Thư Tư 0 ưu 1 1.1 LY do chon dé tai cccccsccscsccscsscscssssesscscsssssssssesssscsssssssssessssesssscssssessssssssessssssessessssesesass 1 1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tầi - sư 3E 3 HH TH gu 2

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đỂ tỒI, HH 11H ng gen re gegsesseeeeerererd 2

Chương 2 TÔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHÁN KHÁNG - 5-5 5s csecse 5 2.1 Giới thiỆU -G- << SH HH TH TH gác gu cư crrkd 5 2.1.1 Điều chỉnh hệ số công Suất << E132 E313 11325 325k cksrkd 8 2.1.2 Định nghĩa bù công suất phản kháng . - 22-2 5252 S2 EEES£eEs£seEsrerssree 9

2.1.3 Các dạng bù công suất phản kháng . - ©- S5 EE£EsEE# k*+E£Ex£eExEsersrerksred 9 2.1.3.1 BU theo phurong phap ti nhién 10

2.1.3.2 BU cong suat phan khang Qo cccscsssssssssscscsssssssssssssssssssssessesssessssssssecseasaes 12 2.1.4 Các vị trí lắp đặt tụ Đùi s- «sành TH ng TH HH ngư 16 2.1.4.1 Bù phân tán (còn gọi là bù trực tiẾp) .- 2s se +s+xscksrkerrrsrsersrrerree 17

"PP V6 cái 8 18

2.2 Một số phương pháp bù công suất phản kháng - 2-5 S5 ke 9E sEeEs si 20

2.2.1 Mô hình tính bù theo điều kiện cực tiểu tốn thất công SUẤK Sex ceei 20

2.2.2 Tính bù công suất phản kháng theo điều kiện cực tiểu tổn thất điện năng 21

2.2.3 Tính bù nâng cao hệ số cosọ đến giá trị cần thiết . - «+ s£cscscescscxee 21 2.2.4 Tính bù theo điều kiện điều chỉnh điện áp - 2 «+ eEs£Es£seescecxee 22 2.2.5 Tính bù theo điều kiện cực tiểu các chi phí tính toán 2- 22-2 s©ssss¿ 25 2.2.6 Tính bù theo chỉ tiêu tối đa hóa các tiết kiệm 5 sex xxx ees xi 27

2.3 Tổng quan một số kỹ thuật đã được áp dụng cho bài toán tối ưu vị trí tụ bù trên lưới

điện phân phỐi - «E119 k1 TH HH ng cư cướp 29 2.4 Giới thiệu sơ lược về các bài báo có liên quan đến vẫn đề tối ưu hóa vị trí và dung

lượng tụ bù trong lưới điện phân phối . °- < £ £E* Es£E£EE£E££E£ eE*£*£E£Esxersce ve 31

Chương 3 THÀNH LẬP BÀI TOÁN TÔI ƯU VỊ TRÍ TỤ ĐIỆN (OCP)TRONG LƯỚI ĐIỆN PHAN PHOI vescccsssssscsscscscsssscscsssssscscsssscsssssscsesssscsessescsessescsesssscsessssssessssssessssescsesseessesssesseaseavess 39 3.1 Cơ sở phát triỀn bài tOá¡n - ©4939 TH g7 re rrkg 39 3.2 Thành lập bài toán (CP °- - % ksEkEESEES SE 31311125125 825111132122 krsrkd 41

3.3 Một số phương pháp đã được sử dụng để giải bài toán OCP . 5c-<cscs¿ 42

3.3.1 Giải thuật Tìm kiém Cuckoo (Cuckoo Search) ‹-.-<.cc- << cesssss 42

3.3.2 Giải thuật Hòa âm cải tiến (Improved Harmony Algorithm - IHA) 47

3.3.2.1 Giới thiệu giải thuật Tìm kiếm Hòa âm ¿ - c ¿<2 c2 41 3.3.2.2 Giải thuật Hòa âm cải tiẾn -‹- cc QC HH HH ST ếy crey 48

3.3.3 Giải thuật Thụ phân hoa (Flower Pollination Algorithm - FPA) - 51

3.3.1 Giải thuật di (ayn cccccsccssscsscsccssesesssssscssesssscsssssssssesssssssessessssssssessssssessesens 54 3.3.2 Giải thuật tối ưu bầy đàn PSO (Particle Swarm Optimization) 5- s- 57

3.3.3 Giải thuật tối ưu hóa vi khuẩn tìm kiếm thức ăn: .- G5 se se +s£s£s£sseEexsessea 61

3.3.4 Giai thudt Tabu Search na 64

Chương 4 ÁP DỤNG THUẬT TOÁN HSOS CHO BÀI TOÁN OCP .5 5- 68

ALD T6ng Quan woocececcecccsccscssscssescsscssssescssescssssssssssssessssssssessessssssssssssssssssssessesssenssssesesssessesens 68 4.2 Gidi thigu phirong phap HSOS ccsscccsssscccessececcsseccesseeceesessessessesesssecessnseesssneeees 69 4.2.1 Giới thiệu vé thuat toan SOS (Sympiosis Organisms Search) . - 69

“VN C6 áo 0 1n 69

“VU AC co i00 4Á 70

4.2.2 Thuật toán Tìm kiếm sinh vật cộng sinh lai (HSOS) Q G9 72

4.2.2.1 Khởi tạO: - 6-6 SH< SH SH S313 11 11 3111511011 15 15 311111111510 11111 1k 75

4.2.3 Phương pháp tông quát - 2© SE EE* 4k3 EEEESEESEE E3 137151511 x06 76

4.3 Áp dụng giải thuật HSOS để tối ưu vị trí và dung lượng tụ bủ cho lưới điện phân phối chuẩn IEEE 33 nút và Ø9 nÚ( . ¿2® 2E SE S2 SE3S3EE3EEEEEEEEESEEEEESEESEEEEEEEEEEErkrrrrkrrkre 79 4.3.1 Lưới phân phối IEEE-33 nút 2-2 - «2 +SẻE®£E<£E#EE£E£ESEE2EE2 S2 EE2EeEsrsrrkrrke 81 4.3.2 Lưới phân phối IEEE 69 nÚ( - 2 2 % kẻ + EEEE£ESEE* E*£k£EEEEEE E25 ExEEerkee 86 Chương 5 ÁP DỤNG GIẢI THUẬT HSOS CHO BÀI TOÁN OCP ĐỒI VỚI LƯỚI ĐIỆN THỰỰC 'TÍ 2 © < £ESE£SEkEEEEE£ SE E325 EEEE1E115 9735151111115 5 7550551111919 750521.XE 93 5.1 Tông quan lưới điện phân phối (lưới trung thế) của huyện Củ Chi . - 93 5.2 Áp dụng giải thuật HSOS tối ưu vị trí và công suất tụ bù cho lưới điện thực tế huyện Củ

KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, ©2652 EEES SE E3 E133 E13 325831111315 32.30 101 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 2 2 2< £ S EEEE£EEEE£E*EE£EE£xeEEEseEsrerksred 103 PHỤ LỤC L - 2-2 5Ÿ 6£ Sẻ SE SE4 E4 E*EEEEEE E3 EEEEE13 13151151515 1515 1581513151115 0581111.000 110 PHỤ LỤC 22 2-2 6S Sẻ S11 S332 1513111111315 1131515155 1511113 131115131112 7.000 112

DANH MUC CAC CHU VIET TAT

CSPK Céng suat phan khang

Power Factor Power Factor Correction Power Loss Index

Plant Growth Simulation Algorithm Plant Growth Simulation Algorithm Particle Swarm Optimization

Simulated Annealing Shunt Capacitor Symbiotic Organisms Search Simple Quadratic Interpolation Static Compensator

Static VAR Compensator Teaching-Learning Based Optimization

Tabu Search

MUON oo osc csc ccs css ses cee cee sus eeu see ses sus ses sus ces see cue ess cusses cue cesses sus ses seseuecesene cesses cesses ss sseses essen 2 Bang 4.1 Biểu giá cho năng lượng, mua sắm, vận hành và bảo dưỡng tụ bù 73 Bảng 4.2 Các tham số cài đặt cho giải thuật HSOS và ràng buộc bất đẳng thức 75 Bang 4.3 Vi trí và dung lượng tôi ưu của tụ bù lắp đặt cho hệ thống IEEE-33 nút với các mức [2//8./8.,.8.) NET Rhh 76 Bảng 4.4 So sánh kết quả trước va sau bù của hệ thống IEEE-33 nút với các mức tải khác

Bảng 4.5 Vị trí và dung lượng tối wu của tụ bù lắp đặt cho hệ thống IEEE 69 nút với các mức 78/8.,.3., 1888 n8neẺẽh e 4 Bảng 46 So sánh kết quả trước và sau bù của hệ thống 69 nút với các mức tải khác /1(27 SE Cdiiddiddiiiidddddd 2” Bảng 5.1 Các tham số cài đặt cho giải thuật HSOS và ràng buộc bất đẳng thức khi tính bù tối

ưu cho phát tuyến Trung Lập Hạ ác cà esses eve see sve cae see ove saesea se se các sec se các ,ỐỠ Bang 5.2 Vi trí và dung lượng tối ưu của tụ bù lắp đặt cho phát tuyến 22 kV Trung Lập

7, ẼẼẺẼ®.am TH cee OQ

Bang 5.3 So sánh kết quả trước và sau bù của phát tuyến 22 kW Trung Lập Hạ 90

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỎ THỊ

Hình 2.1 Sơ đô vector dòng điện và công suất trong hệ thống điện c-c se cac rea 5 Hình 2.2 Mỗi quan hệ giữa các loại công suất điỆn -àc cóc cìàc cà các các cá cá cố Hình 2.3 Đô thị vector khi cosy = 1 va khi cosy = (0.8 (vượt trước) .20

Hình 2.4 Cấu trúc cơ bản của bộ lọc tích cực shMHf - cà cee sec se se se esse cae eseeeees2l

Hình 2.5 Phân bố dòng điện trên đường dây khi có tụ bù - c.c ccc se cóc sec sec c 22 Hình 2.6 Vector dòng điện và công suất trước và sau khi bù - .c - 22 Hình 2.7 Sơ đề vị trí lắp đặt tụ bù trong lưới điện phân phôi vse ‹.- cc«cccececscecee 24

Hình 2.8 Sơ đồ lắp tụ bù trực tỈẾD cà cọc ch KH ky hy nến ky nh sen se is ca sec si 24,

Hình 2.9 Sơ đồ bù ngang trên lưới điỆn -ả cọc Sàn cà sọ kê si se set sex se se sec

Hình 2.10 Sơ đồ mạng bù theo điều kiện điều chỉnh điện áp .c 3Ï

Hình 2.11 Sơ đề tính bù công suất phản kháng - sec cà sọc cà se se se ke sec se sec si

Hình 2.12 Sơ đồ tính vị trí và dung lượng bù theo điều kiện tối đa hóa các tiết kiệm 35

Hinh 3.1 Luu d6 giải thuật dựa trên CSA và bố trí tụ bù các c.c sec c2 Hình 3.2 Lưu đồ của F'PA cà cà th SH SH kh HH ghe He se ee se se ceeco sec

Hình 3.3 Khai niém Tabu Search is .cc ccc ccc cee ccc vce cee cee vee cee cee vee ces cee cee con cse cee cee cse cee cee ese sees ceed Hình 4.1 Pseudocode của thuật toán SÓSŠ c.c c.c sec và se Si Si s2 si seo sài các ÔÓ Hình 4.2 Pseudocode của giải thuật HSOS 00 cc ccc ccc vee cce cue cee ne cee ene cee cee cee cee cee saa esees sreeeesOO

Hình 4.3 Lưu đô của giải thuật HSOS để giải bài toán OCP ois ce coc csc csc ccs cse see ses sue cscsus eves ene 72

Hình 4.4 Đường đặc tuyến hội tụ tổng chỉ phí của hệ thông IEEE-33 nút “Ổ

Hình 4.5 Biên độ điện áp các nút trước và sau khi bù tối ưu của hệ thông IEEE-33 nút 78

Hình 4.6 Hệ số công suất của lưới IEEE-33 nút trước và sau khi bù bằng HSOS 70 Hình 4.7 Điện áp lưới hệ thống IEEE-33 nút trước và sau khi bù bằng HSOS 79

Hình 48 Tổn thất công suất của hệ thống IEEE-33 nút trước và sau khi bù bằng

Hình 4.9 Đường đặc tuyến hội tụ tổng chỉ phí của hệ thống IEEE-69 nút 83

Hình 410 Biên độ điện áp các nút trước và sau khi bù tối uu cia hé thing IEEE-69 Hình 4.11 Điện áp thấp nhất của hệ thống IEEE-69 nút trước khi bù và sau khi bù bằng

HSOS, có so sánh với các giải thuật KNGC 61 ccc vee ccc nnn ccc nnn cee cue cee cue cee cue cee cusses cee cesses cesses o0eO4

Hình 4.12: Ton thất công suất tác dung của hệ thống IEEE-69 nứt trước khi bù và sau khi bù bằng HSOS, có so sánh với các giải thuật khác - -c- sec các sen se se se se sec se các Ô⁄ƒ Hình 4.13 Hệ số công suất của hệ thống IEEE-69 nút trước khi bù và sau khi bù bang HSOS,

có so sánh với các giải thuật KháC «.- sec sàn SŸ KỲ VY KÝ SY Si cee cre eee ceeeeeeeeOo

Hình 5.1 Đường đặc tuyến hội tu tổng chỉ phí của phát tuyến 22 kV Trung Lập Hạ 39

Hình 5.2 Tôn thất công suất thực trước và sau khi bù bằng giải thuật HSOS của phát tuyến 22

1.1 Lý do chọn đề tài

Với sự phát triển kinh tế - xã hội ngày càng mạnh mẽ, nhu cầu sử dụng điện cho tiêu đùng, sản xuất, kinh doanh cũng ngày càng tăng Đặc biệt là các phụ tải lớn tại các khu công nghiệp có mức tiêu thụ công suất phản kháng rất lớn (do các phụ tải này đều mang tính chất điện cảm), và điều này đã làm gia tăng tôn thất điện năng, tôn thất công suất và chi phí truyền tải điện năng, làm giảm hệ số công suất cosọ, giảm hiệu quả sử dụng điện và chất lượng điện năng Chính vi lẽ đó, các đơn vị bản điện phải áp dụng hệ

số phạt đối với các hộ tiêu thụ có hệ số coso thấp hơn quy định Bên cạnh đó, hầu hết cầu trúc lưới phân phối đều được vận hành ở dạng hình tia, cung cấp cho phụ tải đa

dạng như thương mại, công nghiệp, dân dụng, nhu cầu phụ tải sẽ dao động theo thời gian và có thể gây ra sự mất cân bằng phân bố công suất trên đường dây, tạo nên hiện tượng sụp đỗ điện áp đối với lưới điện hạ áp Khi tốn thất công suất thực trong mạng

phân phối quá nhiều, điện áp tại các nút có thể phá vỡ ràng buộc điện áp Điều này có

thể sẽ ảnh hưởng đến chất lượng cung cấp điện và sự ổn định của hệ thống Sự sụt giảm điện áp tại các nút và tôn thất công suất là do thiếu hụt công suất phản kháng [1]

Có khá nhiều cách thức để giảm tốn thất công suất và nâng cao chất lượng điện

áp như tái câu trúc lưới điện, lắp đặt tụ bù, cân bằng phụ tải, nâng cấp điện áp, Trong

đó, bù công suất phản kháng (CSPK) là một giải pháp được sử dụng khá rộng rãi để duy trì an ninh và độ tin cậy cung cấp điện trong mạng phân phối cấu trúc hình tia

Điều này có thể thực hiện được băng cách tối ưu vị trí đặt tụ bù tại các nút khác nhau

trên lưới điện

Đề tài áp dụng giải thuật Tìm kiếm sinh vật cộng sinh lai (Hybrid Sympiosis Organisms Search - HSOS) dé giải bài toán tối ưu vị trí đặt tụ bù (Optimal Capacitors Placement - OCP) trong lưới điện phân phối với nhiều mức phụ tải khác nhau

phố biến với nhiều giải thuật được áp dụng Nó có ý nghĩa rất quan trọng trong sản xuất và kinh doanh điện năng Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu các phương pháp bủ tối ưu công suất phản kháng trong lưới điện phân phối nhằm giảm tốn thất và nâng cao

chất lượng điện năng Cụ thể luận văn cần thực hiện các nhiệm vụ sau:

Dựa vào thuật toán HSOS để tìm kiếm vị trí và dung lượng tối ưu của tụ bù trong lưới điện phân phối cẫu trúc hình tia nhằm giảm thiểu chi phí vận hành và gia

tăng giá trị tiết kiệm ròng hàng năm của hệ thống điện;

Xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu của lưới điện thực tế có xét đến nhiều

mức phụ tải khác nhau

1.3 Phạm vỉ và phương pháp nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu, áp dụng thuật toán HSOS đề xây dựng mô hình toán học cho

bài toán xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu trong lưới điện phân phối chuẩn của IEEE với nhiều mức phục tải khác nhau và lưới phân phối thực tế Đồng thời so sánh với các phương pháp khác để thấy được sự nỗi bật của phương pháp HSOS Đề tài sẽ

sử dụng phần mềm MATLAB để xây dựng thuật toán giải bài toán tối ưu hóa vị trí đặt

tụ bù trong lưới phân phối Thông số kỹ thuật vận hành của lưới điện thực tế được khai thác từ đữ liệu quản lý của Công ty Điện lực Củ Chi - Tổng công ty Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh, làm cơ sở cho bài toán OCP

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Bù công suất phản kháng là bài toán tối ưu đa mục tiêu, được chia làm hai bài

toán nhỏ là (7) xác định vị trí đặt tụ bù tối ưu và (2) xác định dung lượng tối ưu của tụ

bù Đối với các phụ tải tại hộ tiêu thụ, giá trị hệ số công suất cosọ được quy định phải

lớn hơn hoặc bằng 0.9 [2], tức là công suất phản kháng yêu cầu tại các nút tải không

được quá lớn Thông thường đối với các điểm tải này, tụ bù sẽ được lắp ngay tại phụ tải để bù công suất phản kháng cho thiết bị điện Đối với đường dây phân phối, số

thất công suất tác dụng theo thành phần tác dụng hoặc thành phần phản kháng của

đòng điện là tốt nhất [3] Bài toán bù tối ưu công suất phản kháng trong lưới điện phân phối là bài toán xác định vị trí và dung lượng bù cần thiết của tụ bù để lắp vào lưới điện sao cho tốn thất công suất là nhỏ nhất, chất lượng điện áp ôn định nhất và chỉ phí hàng năm của lưới điện thấp nhất

Có rất nhiều kỹ thuật được áp dụng để giải quyết vẫn đề tối ưu vị trí đặt tụ bù

Các đề xuất phương pháp giải thường chia thành 3 nhóm: Nhóm phương pháp giải tích (Analytical), nhóm phương pháp quy hoạch tối ưu (Programming) và nhóm phương pháp tìm kiếm thông minh (Heuristics) Trên lưới điện thực tế, tốn thất điện năng phụ thuộc vào cấu trúc của lưới điện và phụ tải, và các yếu tố này lại dễ bị thay đối theo thời gian và vị trí Hiện nay việc tính toán, xác định vi trí và dung lượng tụ bù tại các Công ty Điện lực ở Việt Nam chủ yếu dựa vào quy tắc 2/3 (vị trí lắp đặt tụ ở 2/3 khoảng cách đường dây tính từ tải về nguồn, và dung lượng bù bằng 2/3 công suất phản kháng lớn nhất của lưới điện) Đây là nhóm phương pháp giải tích Ưu điểm của

nhóm này là các phép tính đơn giản, nhưng nhược điểm là kết quả không có độ chính xác cao do bài toán phải đi kèm với các giả thuyết kém thực tế như: Phụ tải đường dây phân bố đều, dung lượng bù có giá trị liên tục, tiết điện đường dây đồng nhất

Nhóm phương pháp thứ hai là phương pháp quy hoạch tối ưu Phương pháp này

sử dụng kỹ thuật lặp để cực đại hoặc cực tiểu hóa hàm mục tiêu của các biến quyết

định trong bài toán xác định vị trí và dung lượng tụ bù (hàm mục tiêu gồm tổng tốn thất công suất của lưới hoặc tông chỉ phí tiết kiệm được nhờ vào việc giảm tôn thất; các biến quyết định bao gồm điện áp nút, dòng nhánh, vị trí, dung lượng tụ bù) Nhóm

phương pháp này có thể xét đến như quy hoạch nguyên hỗn hop (mixed integer programming) và quy hoạch toàn phương (quadratic programming) Nhược điểm của

phương pháp này là khó hội tụ, đặc biệt là các bài toán có kích cỡ lớn, nhiều biến số.

thu hẹp không gian tìm kiếm nhưng vẫn cho ra kết quả cuối cùng của hàm mục tiêu đạt gan đến giá trị tối ưu tổng thể Trong các phương pháp heuristics sử dụng trí thông minh nhân tạo, việc nghiên cứu tính toán xác định vị trí và dung lượng bủ trong lưới điện phân phối dựa vào thuật toán HSOS có thể cung cấp giải pháp tốt hơn so với các phương pháp khác Đây chính là tam quan trong cua thuat toan HSOS để tìm ra lời giải tối ưu Luận văn này sẽ áp dụng thuật toán HSOS để xác định vị trí đặt tụ bù công suất

phản kháng tối ưu cho lưới điện phân phối IEEE 33 nút và 69 nút, đồng thời so sánh

với các thuật toán trí tuệ nhân tạo khác để thấy được ưu điểm của phương pháp Dựa

trên kết quả đạt được, đề tài sẽ xây dựng thuật toán HSOS trên nền MATLAB để tối ưu hóa vị trí đặt tụ bù trên một xuất tuyến của lưới điện huyện Củ Chi.

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triên mạnh mẽ của các ngành công nghiệp sản xuất, các phụ tải công nghiệp được đưa vào sử dụng với công suất rất lớn

Cụ thê, các máy biến áp, các động cơ không đồng bộ và các phụ tải mang tính cảm sẽ tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện trong quá trình vận hành Theo thống kê, trong mạng điện xí nghiệp, lượng tiêu thụ công suất phản kháng do động cơ không

đồng bộ chiếm khoảng 60 + 65 %, máy biến áp khoảng 20 + 25 % và các thiết bị khác

là 10 + 20 %

Trong hệ thống điện xoay chiều, dòng điện 7 gồm 2 thành phần: Thành phần tác dụng 7z cùng pha với điện áp U và thành phần phản kháng 7x vuông góc với điện áp U

Góc lệch giữa điện áp U và dòng điện 7 là ø Hệ số cosø được gọi là hệ số công suất, là

hệ số biểu thị cho sự chuyển đổi công suất biểu kiến sang các dạng năng lượng hữu công khác [4]

Hình 2.1 Sơ đồ vector dòng điện và công suất trong hệ thống điện

Hệ số công suất (tức thời) được xác định bởi tỷ số giữa công suất tác dụng (P)

và công suât biêu kiên (S):

Giữa công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, công suất biểu kiến S và hệ

sô công suất coso liên hệ với nhau băng tam giác công suât

`,

P Hình 2.2 Mỗi quan hệ giữa các loại công suất điện

Công suất biểu kiến Š (hay công suất toàn phần) đặc trưng cho công suất thiết

kế của thiết bị điện Cùng một công suất S, nếu coso lớn (tức góc ọ nhỏ) thì công suất

P lớn, công suất Q nhỏ, thiết bị được khai thác hiệu quả Ngược lại, nếu coso nhỏ (góc

ọ lớn) thì P sẽ nhỏ và Q sẽ lớn, phụ tải sẽ yêu cầu công suất phản kháng từ nguồn lớn,

từ đó làm giảm các chỉ tiêu kinh tẾ - kỹ thuật của mạng điện, cụ thể như sau:

> Làm tăng tôn thất công suất

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

ap == TẾ x= xR4

Từ biểu thức (2.3) ta nhận thấy công suất phản kháng tăng sẽ làm cho tổn that

xR= AF, + AFig) (2.3)

công suất tăng

> Làm giảm chất lượng điện áp

Tăng công suất phản kháng sẽ làm cho tốn thất điện áp tăng, làm giảm chất lượng điện Tổn thất điện áp trên lưới điện được xác định như sau:

điện áp làm việc yêu cầu chỉ dao động quanh điện áp định mức ở một mức độ nhất

định Khi khởi động động cơ, dòng điện khởi động có giá trị từ 5 đến 7 lần dòng định

mức Nếu sụt áp của lưới điện quá lớn, khi động cơ khởi động thi điện áp cung cấp cho động cơ sẽ giảm gấp 5 đến 7 lần độ sụt áp của lưới và như vậy làm cho động cơ đứng yên không khởi động do moment điện tr khong I6n hon moment tải, do đó dòng điện chạy trong động cơ không thể chuyên hóa thành cơ năng nên chuyền thành nhiệt năng đốt nóng động cơ và động cơ tăng tốc chậm, do vậy kéo dài thời gian khởi động, dòng tải lớn tồn tại trong thời gian lâu dài làm đốt nóng dây dẫn và gây giảm áp trên các

đủ lớn để đảm bảo khả năng tải, lam tang chi phi đầu tư mạng điện

> Làm giảm khả năng truyền tải công suất tác dụng

Từ biểu thức (2.5), nếu giữ giá trị I bằng hằng số thì khi Q tăng, P sẽ giảm để

đảm bảo điều kiện đốt nóng cho phép của các phần tử trong mạng điện Nếu vẫn giữ nguyên công suất P thì công suất toàn phần S phải tăng Điều này sẽ gây quá tải cho thiệt bị Khi công suât tác dụng giảm sẽ làm giảm hiệu suât của mạng điện

suất cosọ, hay còn gọi là diéu chinh hé sé céng suat (Power Factor Correction — PFC) 2.1.1 Điều chỉnh hệ số công suất

Nguyên tắc của điều chỉnh hệ số công suất là bủ công suất phản kháng, tức là cung cấp tại chỗ cho phụ tải một lượng công suất phản kháng bằng cách đấu song song

với tải một thiết bị bù có tông dẫn phản kháng đơn thuần (-jBc) [4]

Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất thực chất là một thiết bị cung cấp một công

suất phản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng được tạo ra của thiết bị Thêm tụ điện hay cuộn dây vào quá trình để huỷ bỏ đi hiệu ứng cảm ứng hay điện dung tương ứng được tạo ra Động cơ có tính cảm ứng có thể được bủ bằng các tụ

lọc, lò hồ quang điện có tính điện dung có thể bủ bằng các cuộn dây

Khi thêm vào hay lấy ra các thiết bị bù công suất phản kháng có thể tạo ra sự biến động điện áp hay tạo ra các méo hài, trong trường hợp xấu nhất các thành phần bu công suất phản kháng có thể tạo ra hiện tượng cộng hưởng với hệ thống được bù, làm

Ƒ

ˆ

cho điện áp tăng cao và gây mất ôn định cho hệ thống Do vậy việc điều chỉnh hệ số PFC không thê đơn giản là việc thêm hay bớt các thành phân, mà nó cần được tính toán

kỹ phù hợp với từng mức công suất tải trên thiết bị

Để tránh trường hợp trên, ứng dụng việc điều chỉnh hệ số công suất PFC bằng các thiết bị bù tự động Thiết bị này bao gồm nhiều tụ điện được đóng hay ngắt ra khỏi thiết bị được bù công suất phản kháng bằng các công tắt Các công tắt này lại được điều khiển bằng một thiết bị điều khiến trung tâm có khả năng đo hệ số công suất bằng

việc đo dòng tải và điện áp của thiết bị qua các cảm biến đòng được gắn trên đường

truyền dẫn điện năng, trước khi vào thiết bị Tuỳ thuộc vào tải và hệ số công suất của

thiết bị, bộ điều khiển sẽ đấu nối tuần tự các tụ bù vào mạch sao cho gia tri hé số công suất luôn ở trên giá trị được chọn

kháng của thiết bị, tính chất tiêu thụ công suất phản kháng của động cơ đồng bộ được

xem là một tính chất đặt biệt của loại động cơ này, nó được xem tương đương như một

tụ đồng bộ Ngoài ra trong ngành công nghiệp điện còn có nhiều phương pháp để điều chỉnh hệ số công suất khác như bằng các thiết bị điện tử sử dụng ThyrIstor chăng hạn [5]

2.1.2 Định nghĩa bù công suất phản kháng

Một số phụ tải có nhu cầu được cung cấp công suất phản kháng, mặc dù không sinh ra công, nhưng công suất phản kháng cần thiết để tạo ra từ trường, một yếu tố trung gian trong quá trình chuyển hoá điện năng Để giảm truyền tải công suất phản kháng trong mạng điện, có thể đặt các thiết bị bù nhằm cung cấp thêm công suất phản kháng cho mạng điện tại các vi tri gan phy tải gọi là bù công suất phản kháng [4]

Bù công suất phản kháng được định nghĩa là quản lý công suất phản kháng để

cải thiện hiệu suất của hệ thống điện xoay chiều Khái niệm về bù công suất phản kháng bao trùm rộng rãi và đa dạng của cả vấn đề hệ thống và khách hàng, đặc biệt liên

quan đến các vẫn đề về chất lượng điện, vì hầu hết vẫn đề chất lượng điện năng có thể

bị suy giảm hoặc được giải quyết với việc kiểm soát đầy đủ công suất phản kháng [5]

Bù công suất phản kháng là một kỹ thuật hiệu quả nhằm nâng cao chất lượng của lưới

điện, có thể được thực hiện hoặc với bộ máy tụ đồng bộ, bộ bù công suất kháng tĩnh (SVC) hoặc bộ bủ đồng bộ tĩnh (STATCOM)

2.1.3 Các dạng bù công suất phan kháng

Thông thường có 2 dang bù công suất phản kháng là bù theo phương pháp tự nhiên và bù công suất phản kháng Q (sau khi phương pháp bủ tự nhiên không đạt yêu cầu)

2.1.3.1 Bù theo phương pháp tự nhiên

Bu theo phương pháp tự nhiên có nghĩa là nâng cao hệ số công suất của phụ tải băng các biện pháp để các hộ tiêu thụ giảm lượng công suất phản kháng cần cung cấp

từ nguồn, cụ thể như sau:

- Thay những động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng những động cơ có công suất nhỏ hơn Khi làm việc bình thường động cơ tiêu thụ công suất phản kháng:

Công suất phản kháng khi không tải (chiếm tỷ lệ 60 + 70 % so với Qz„) và có thể xác định theo công thức:

Trong đó, Ó„ là công suất phản kháng khi không tải; 7„ là dòng điện không tải

của động cơ; &k„; là hệ số mang tải của động cơ và được xác định:

AO¿„ = Qin — Deg * "18 Pay, — V3U an dm (2.9)

V6i Ham 1 hiệu suất của động cơ khi mang tải định mức

Hệ sô coso được xác định như sau:

- Giảm điện áp đặt vào động cơ thường xuyên làm việc non tải: Thực hiện giảm

áp khi không có điều kiện thay thế động cơ công suất nhỏ hơn Công suất phản kháng cho động cơ KĐB xác định như sau:

- Hạn chế động cơ không đồng bộ chạy không tải hoặc non tải: Động cơ không đồng bộ khi chạy không tải sẽ có coso rất thấp Do đó, hạn chế việc động cơ chạy không tải sẽ góp phần nâng cao hệ số cosọ

- Dùng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ: Đối với các thiết bị

có công suất không quá lớn như máy bơm, máy quạt, máy nén khí, nên sử dụng động

cơ đồng bộ để thay thế cho động cơ không đồng bộ bởi những ưu điểm như sau:

+ Động cơ đồng bộ có hệ số công suất cao Khi làm việc ở chế độ quá kích thích, động cơ đồng bộ có thể trở thành máy bù sản sinh ra công suất phản kháng cung

cấp cho lưới điện

+ Momen quay của động cơ đồng bộ chỉ tỷ lệ bậc nhất với điện áp nên ít bị ảnh

hưởng khi có sự thay đổi điện áp Mặt khác, tốc độ của động cơ đồng bộ không phụ thuộc vào phụ tải khi có thay đổi tần số của lưới điện Do đó năng suất làm việc của

may sẽ cao

- Thay các máy biến áp làm việc non tải thường xuyên bằng các máy biến áp có

công suất nhỏ hơn, phù hợp với nhu cầu phụ tải: Máy biến áp là thiết bị điện tiêu thụ công suất phản kháng khá lớn, chỉ sau động cơ không đồng bộ Do đó, đối với các máy

biến áp non tải (hệ số phụ tải dưới 0,3) thì nên thay bằng các máy biến áp có dung

lượng phù hợp với phụ tai dé giảm tiêu thụ công suất phản kháng, nâng cao hệ số cosọ

tự nhiên

2.1.3.2 Bù công suất phản kháng Q

Bù công suất phản kháng Q chỉ được tiễn hành sau khi thực hiện các biện pháp

tự nhiên không đạt được yêu cầu

Bù công suất phản kháng có thể dùng tụ bù, bộ lọc tích cực hoặc máy bủ đồng

bộ

a) Máy bù đồng bộ

Máy bù đồng bộ thực chất là động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ không tải và

dòng diện kích từ được điều chỉnh quá kích thích để động cơ phát ra công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất của lưới điện Công suất phản kháng của máy bù

đồng bộ được xác định như sau:

U

db

Trong dé: m 1a sé pha stator; U 1a dién 4p pha; Xm: Dién khang ding bé; Eo:

Sức điện động không tải; Ø: Góc lệch giữa Ủ và E,

Giả thiết giữ U, ƒ và P không đổi thì:

- Nếu EscosØ < U thì Q < 0, nghĩa là máy nhận công suất phản kháng của lưới điện để tạo ra từ trường, máy thiếu kích thích

- Nếu EạcosØ > U thì Q > 0, nghĩa là máy phát công suất phản kháng cung cấp

cho tải, máy quá kích thích

Như vậy, muốn điều chỉnh công suất phản kháng ta phải thay đối Eọ, nghĩa là phải điều chỉnh dòng điện kích từ Để tăng công suất phản kháng phát ra ta phải tăng dòng điện kích từ Khi đó Eọ sẽ tăng và cosÐ tăng nhưng Epsin®@ không đổi, do đó Q tăng

Hình 2.3 Đồ thị vector khi cosọ = 1 và khi cosọ= 0.8 (vượt trước)

Động cơ đồng bộ được sử dụng nhiều trong công nghiệp như luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, truyền động các máy bơm, nén khí, quạt gió,

* Ưu điểm của máy bù đồng bộ:

- Có cầu tạo chắc chắn;

- Lầm việc tùy theo chế độ kích từ nên có thể cung cấp hoặc tiêu thụ công suất

phản kháng của lưới điện và được dùng để điều chỉnh điện áp cho mạng điện tất tốt;

- Tốc độ quay của động cơ đồng bộ không phụ thuộc vào tải nên hiệu suất làm VIỆC CAO;

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

* Nhược điểm của máy bù đồng bộ:

- Do là máy điện quay nên việc lắp ráp, vận hành, bảo dưỡng khó khăn;

- Thường chế tạo với công suất lớn nên chỉ thích hợp ở những nơi cần bù tập trung với dung lượng lớn;

- Tiêu thụ nhiều điện năng:

- Suất chi phí tốn thất công suất tác dụng lớn hơn nhiều so với tụ bù (khoảng 0.027 kW/kVAr so với tụ là khoảng 0.003 + 0.004 KW/kVAr) [6];

- Chi phí đầu tư, bảo dưỡng cao.

b) Bộ lọc tích cực

Bộ lọc tích cực cũng là một lựa chọn tốt cho vấn đề cải thiện chất lượng điện

năng và điều chỉnh hệ số công suất trong lưới điện Tuy nhiên, bộ lọc tích cực không được sử dụng rộng rãi vì liên quan đến vấn đề chỉ phí đầu tư Hiệu quả của các bộ lọc tích cực đã được chỉ ra như [7], [§]:

- Loại bỏ các sóng hài;

- Giảm các tín hiệu tần số cao;

- Bù công suất phản kháng trong các mạng điện bị ô nhiễm sóng hài tránh được tân sô cộng hưởng

Hinh 2.4 Cau trac co ban cua bé6 loc tich cyc shunt

Bộ lọc tích cực shunt tạo ra dòng điện để bù cho các thành phần dòng điện

không mong muốn trong dòng tải (thành phần hài bậc 5 và bậc 7)

c) Tụ điện

Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp

cách điện (điện môi) Tụ điện có tác dụng tích và phóng điện trong mạch điện Trong

hệ thống điện, tụ bù làm cho dòng điện sớm pha hơn điện áp, do đó sinh ra công suất phản kháng nên được sử dụng với mục đích bù công suất phản kháng để nâng cao hệ

số công suất cosọ nhằm đảm bảo hiệu quả vận hành của lưới điện

Tải có tính cảm như động cơ chẳng hạn sẽ cần tiêu thụ năng lượng phản kháng,

do đó sẽ tồn tại dòng điện phản kháng đi từ đầu nguồn đến phụ tải tiêu thụ công suất phản kháng lắp đặt ở cuối nguồn (Dòng điện này chậm pha hơn điện áp 1 góc 90 độ)

Nếu mắc hệ thống tụ bù song song vào tải, dòng điện có tính dung do tụ sinh ra cũng sẽ truyền trong mạng điện (dòng điện này nhanh pha hơn điện áp Ì góc 90 độ) Kết quả là 2 thành phần dòng điện này triệt tiêu lẫn nhau do đó làm giảm dòng điện phản kháng truyền trong dây dẫn ở phía trước vị trí đặt tụ bù

Từ biểu thức (2.13) ta thay cong suất của tụ tỷ lệ với bình phương điện áp Do

đó thông thường thì các cụm tụ bù hạ áp sẽ hiệu quả hơn tụ bù cao áp

Công suất bù để nâng giá trị từ coso; lên coso; được xác định như sau:

Bảng 2.1 Giá trị hệ sô kạ phụ thuộc vào coso; hiện tại và cos@› mong muôn

Existing power Desired power factor cos (p2

factor (cosy) [ogg [ogs [o4 ]092 ]090 1085 Jos0 Jo7s [oz

Không có các quy tắc chung nào áp dụng cho mỗi kiểu lắp đặt Theo lý thuyết

thì tụ bù có thể được lắp đặt tại bất kỳ vị trí nào trên lưới điện Tuy nhiên, cần phải đánh giá đến tính khả thi liên quan giữa thực tế và kinh tế Thông thường, tụ bù được mắc ngay phía trước phụ tải của các hộ tiêu thụ điện, trên thanh cái của các trạm biến

áp hoặc tại các điểm nút của mạng điện để tránh phải truyền tải công suất phản kháng trên các phần tử khác của mạng điện [9]

Trong đó: A, B, C, D lần lượt là bù trực tiếp, bù theo nhóm, bù tập trung ở cấp điện

Hình 2.7 Sơ đồ vị trí lắp đặt tụ bù trong lưới điện phân phối

Theo các phương thức bù thì bù công suất phản kháng có các dạng sau đây: 2.1.4.1 Bù phân tán (còn gợi là bù trực tiếp)

Tụ điện có dung lượng phù hợp được đấu nối trực tiếp với thiết bị đầu cuỗi của

tải có yêu cầu công suất phản kháng Cách lắp đặt này khá đơn giản và ít tốn kém Tụ điện và phụ tải sử dụng chung một thiết bị bảo vệ quá dòng, đóng cắt cùng lúc Kiểu

lắp đặt này phù hợp cho các thiết bị lớn có công suất và phụ tải không thay đổi, thời gian kết nỗi dài (thường sử dụng cho động cơ và các tải phi tuyến như đèn huỳnh

ra rủi ro trong quá trình vận hành Khi ngắt kết nối ra khỏi nguồn điện, do quán tính, động cơ sẽ tiếp tục quay và tự kích thích với năng lượng phản kháng phát ra từ tụ điện Khi đó động cơ có thể sẽ trở thành máy phát không đồng bộ Trong trường hợp này,

điện áp phía tải của thiết bị điều khiển và đóng cắt vẫn được duy trì với nguy cơ quá áp

nguy hiểm (dangerous overvoltages) có giá trị lên đến hai lần điện áp định mức

Đối với kiểu đấu nối tại hình 2.7 (sơ đồ c) thì tụ bù chỉ được kết nối sau khi

động cơ đã được khởi động, và tụ sẽ ngắt kết nối trước khi ngắt nguồn động cơ Với kiểu đấu này, mạng điện về phía nguồn của phụ tải sẽ vận hành với hệ số công suất

cao,

2.1.4.2 Bù theo nhóm

Đối với đường dây trung thế, về lý thuyết thì khi cần tính toán bù công suất phản kháng cho một phát tuyến, cần phải xem xét phát tuyến đó có bao nhiêu nhánh lớn cần phải bù Trường hợp phát tuyến không có nhánh rẽ thì chỉ cần tính toán bù trên

phát tuyến Trường hợp phát tuyến có nhiều nhánh rẽ lớn thì cần phải tính toán bù trên

mỗi nhánh để đảm bảo các hàm mục tiêu đã đặt ra

Thông thường trên thực tế người ta thường xác định vị trí đặt tụ bù tối ưu theo phương pháp sau:

* Đối với trường hợp chỉ đặt tụ bù tại một vị trí trên phát tuyến:

Xét phương trình giảm tốn thất công suất:

Dao ham AP theo x; va cho bang khéng:

Khi đặt một tụ bù trên phát tuyến, tỷ số bù tối ưu sẽ là: c = 2/3

Đối với phụ tải phân bố đều, dòng phản kháng ở cuối đường dây sẽ bằng không:

I, = 0, A=0, o= 1

Vậy vị trí đặt tụ bù tối ưu là: x, = : chiều dài phát tuyến

* Đối với trường hợp đặt tụ bù tại hai vị trí trên phát tuyến:

Xét phương trình giảm tỐn thất công suất khi đặt hai tụ bù trên phát tuyến:

Đạo hàm AP theo x; và x; và cho bằng không:

Đối với phụ tải phân bố đều, dòng phản kháng ở cuối đường dây sẽ bằng không:

I, =0,A=0,a=1

Vậy vị trí đặt tụ bù tối ưu là: x, = : và x, = chiều dài phát tuyến [10]

* Ưu điểm của tụ bù:

- Công suất nhỏ, không có phần quay nên dễ bảo dưỡng và vận hành

- Có thể thay đôi dung lượng bộ tụ bù theo sự phát triển của tải

- Giá thành thấp hơn so với máy bù đồng bộ

- Tiêu thụ ít công suất tác dụng

- Làm việc êm dịu

* Nhược điểm:

- Nhạy cảm với sự biến động của điện áp và kém chắc chắn, đặc biệt dễ bị phá

hỏng khi ngăn mạch hoặc điện áp vượt quá định mức Tuổi thọ tụ bù có giới hạn, sẽ DỊ

hư hỏng sau nhiều năm làm việc

- Khi đóng tụ bù vào mạng điện sẽ có dòng điện xung, còn lúc cắt tụ điện khỏi mạng trên cực của tụ vẫn còn điện áp dư có thể gầy nguy hiểm cho người vận hành

- Sử dụng tụ bủ điện ở các hộ tiêu thụ công suất phản kháng vừa và nhỏ (dưới

5000 kVAr)

2.2 Một số phương pháp bù công suất phản kháng

Trong vẫn đề bù công suất phản kháng, có khá nhiều phương pháp để tính toán

bù theo nhiều mô hình khác nhau, tùy theo mục tiêu của bài toán

2.2.1 Mô hình tính bù theo điều kiện cực tiểu tốn thất công suất

Xét một mạng điện có r nhánh Tổn thất công suất tác dụng và phản kháng của nhánh thứ i được xác định theo công thức:

Để tìm cực tiểu tốn thất tác dụng, ta có thé giải bằng cách lấy đạo hàm ØAP/2O, =0 Giải ra ta có Ợ; = Ơ Điều này có nghĩa là để cực tiểu tổn thất công suất tác dụng cần phải bù toàn bộ lượng công suất phản kháng truyền tải trên đường dây Mặt khác, ta cũng có thể sử dụng phương pháp Lagrange để tìm nghiệm của phương trình (2.24)

* Ưu điểm của phương pháp: Tốc độ hội tụ của bài toán nhanh Với các mạng điện nhỏ, có số nút và số nhánh không lớn thì có thể giải một cách dễ dàng

* Nhược điểm của phương pháp: Thiếu ràng buộc về điện áp nút Việc giải bằng phương pháp giải tích với các mạng điện lớn, nhiều nhánh, nhiều nút sẽ gặp khó khăn

2.2.2 Tính bù công suất phan kháng theo điều kiện cực tiểu tốn thất điện năng

Trong trường hợp đã biết được đồ thị phụ tải của lưới, ta xác định độ giảm tổn thất điện năng AA trong khoảng thời gian T nhờ vào việc bù công suất phản kháng như Sau:

OMA = | SAP (t)dt = m | (2.0()0, -9?)at = m (.7.G„ -7.G?) (2.26)

Để tìm giá trị Q, cho điều kiện cực tiểu tổn thất điện năng, ta lẫy đạo hàm ôöAA/ôQ, =0 Suy ra Q; = Orp Điều này có nghĩa là dung lượng cần bủ tối ưu bằng giá trị công suất phản kháng trung bình trên đường dây

* Ưu điểm: Đơn giản, dễ tính toán

* Nhược điểm: Chưa xem xét đến điều kiện về điện áp lưới Công suất phản kháng của lưới chỉ lẫy giá trị trung bình nên kết quả bù tối ưu không có độ chính xác

cao

2.2.3 Tinh bù nâng cao hệ số eosọ đến giá trị cần thiết

Phương pháp này được sử dụng để bù công suất phản kháng cho các phụ tải tại

hộ tiêu thụ, nhằm làm giảm nhu cầu lẫy công suất phản kháng từ nguồn, tức giảm lượng công suất phản kháng truyền trên đường dây và nâng cao hệ số công suất của mạng điện Việc này chỉ giải quyết được phần ngọn của vẫn đề Phần gốc của vấn đề

chính là việc tiêu thụ công suất phản kháng của hộ tiêu thụ vẫn không thay đối Do đó,

cần ưu tiên xem xét đến việc nâng cao hệ số coso tự nhiên của phụ tải trước khi sử dụng phương pháp bù này

Để nâng hệ số công suất của phụ tải từ giá trị coso; lên giá trị cần thiết coso›, ta cần bù một lượng công suất phản kháng với dung lượng được xác định theo công thức:

O, = P(tgø —tgø,), kVAr (2.28)

Trong đó, P là phụ tải tính toán của hộ tiêu thụ, kW; ø; là góc ứng với hệ số trung bình (cosø;) trước khi bủ; ø; là góc ứng với hệ số công suất cần đạt được (cosợ;) trước khi bù

* Ưu điểm: Dễ tính toán, số liệu cho bài toán có sẵn (số liệu về giá trị hệ số

công suất và công suất tác dụng của phụ tải)

* Nhược điểm: Chỉ thích hợp với bài toán tính bù cho mạng điện xí nghiệp do phụ tải có nhu cầu công suất phản kháng cao và hệ số công suất thấp Đối với mạng điện địa phương thì phương pháp này không phủ hợp do lưới điện lớn, các giá trị hệ số công suất và công suất tác dụng của phụ tải không cố định

2.2.4 Tính bù theo điều kiện điều chỉnh điện áp

Thiết bị bù thường được sử dụng để điều chỉnh điện áp khi sử dụng các phương tiện khác không đảm bảo tiêu chuẩn về chất lượng điện năng

Xét một lưới điện đơn giản:

Hình 2.9 Sơ đồ bù ngang trên lưới điện

Đề đảm bảo yêu cầu điện áp ở thanh cái hạ áp Us, ta cần đặt tại day thiét bi bu voi dung lugng Q,

* Trước khi đặt thiết bị bù điện áp ở thanh cái ƯA có giá trị :

PR+(QX

U, =U,„ + A BO Uno (2.29) Trong đó :

Ứ¿ là điện áp ở đầu nguôn,

pọ điện áp thanh cái B qui đôi về phía cao áp,

P, Q: công suất tác dụng và phản kháng của phụ tải,

X, R: Thông số đường dây và máy biến áp

* Sau khi đặt thiết bị bù ta có:

„ PR+(2~0,)X

B

Trong đó: Ủp điện áp thanh cái B qui đỗi về phía cao áp

Cân bằng trước và sau khi đặt thiết bị bu ta có:

xác định được dung lượng bù cần thiết ở mọi chế độ vận hành của mạng điện Vì U; phụ thuộc vào hệ số biến áp của MBA nên có thê đặt đầu phân áp hợp lý sao cho dung lượng bù cần đặt là bé nhất

Hoặc ta có thể xét theo tổn thất điện áp trong mạng Xét một mạng điện gồm n

nút:

Trong đó: Ứ„ là điện áp định mức của mang dién; R;, X; la điện trở của đường

dây thứ ¡; P; Ó; là công suất của đường dây thứ ¡; n là số đoạn dây (số nút)

Tiến hành đặt bù tại từng nút tải, tôn thất điện áp giảm đi một lượng:

U, = ag? YX, % (2.36)

Sau khi bù, AU’ = AU - AU,

Xem tốn thất AU của lưới vẫn giữ nguyên Ta đựa thêm vào đầu nguồn một độ

tăng điện áp AE thì bản chất của vẫn đề vẫn không thay đổi

Trong trường hợp công suất cần bủ quá lớn, ta có thể chia thành nhiều điểm đặt

bu (phan phối dung lượng bù trong mạng điện) Đây là bài toán phân tích, so sánh để chọn ra điểm đặt tụ bù tối ưu

* Ưu điểm: Có thê dễ dàng tính được dung lượng bù cần thiết ở các chế độ phụ tải khác nhau ứng với mọi chế độ vận hành của mạng điện Có thể kết hợp chọn đầu phân áp máy biến áp để có dung lượng bủ nhỏ nhất

* Nhược điểm: Vị trí đặt tụ bù khá phân tán nên khó khăn trong việc vận hành

và điều chỉnh dung lượng bù Với mạng điện có cấu trúc lớn thì số phương án đặt bù sẽ

lớn nên việc giải bài toán tối ưu vị trí và dung lượng bù sẽ khá phức tạp [11]

2.2.5 Tính bù theo điều kiện cực tiểu các chỉ phí tính toán

Xét bài toán tôi ưu công suật thiệt bị bù đôi với sơ đô đơn giản sau:

Hình 2.11 Sơ đồ tính bù công suất phản kháng

Goi Z là chi phí tính toán toàn bộ trong một năm khi có đặt thiết bị bù với dung

lượng Q¿ Chi phí tính toán gồm có 3 phân:

a) Chi phi do dat thiết bị bù:

Trong do:

ko - suất đầu tư cho thiết bị bù, đ/MVAr (kể cả chi phi xây lắp);

Q, - công suất của thiết bị bù, MVAr

2„, - hệ số khấu hao hao mòn, sửa chữa và bảo quản

a„ - hệ số tiêu chuẩn thu hồi vốn đầu tư phụ

b) Chỉ phí về tân thất điện năng do bản thân thiết bị bù tiêu thụ:

Trong đó:

AP; - suất tổn thất công suất tác dụng trong thiết bị bù, kW/kVAr, đối với tụ điện tĩnh có thể lẫy APạ = 0,005

Cọ - giá tiền 1 kWh tốn thất điện năng, đ/kWh

T - thời gian thiết bị bù làm việc

c) Chỉ phí về tôn thất điện năng trong mạng điện (đường dây và máy biến ap)

Q, - phu tai phan khang, MVA

R - dién tro cua mach tai dién, Q

z - thời gian tốn thất công suất lớn nhất, h

U„„ - điện áp định mức của mạng điện, kVW

Do đó, hàm mục tiêu tổng chỉ phí sau khi bù công suất phản kháng là:

Z =(a,, +4, )k =(a,,+a,, )K).Q, + AP,.Q,.C,.T + APO, C7 + 2=2)” RC 72 RC, 7 (2.43)

dm

Giai bai todn téi wu céng suat thiét bi bu 1a xdc dinh gid tri Q, bang cach cuc tiêu hàm mục tiêu (2.43):