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

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu vấn 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

LÊ MINH LUÂN

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

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số : 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh - Tháng 01 năm 2020

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Võ Ngọc Điều

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 TÊN ĐỀ TÀI: 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

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu vấn 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 tiểu hóa chi phí vận hành hệ thống

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19.8.2019

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08.12.2019

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

được sự giúp đỡ rất quý giá từ các Thầy, Cô và bạn bè đồng nghiệp

Đầu 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 Thầy, Cô của Khoa Điện – Điện tử và các Quý Thầy, Cô của Phòng Đào tạo Sau Đại học Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ 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 biết ơn đối với tất 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 tổn thất công suất, nâng cao chất lượng điện luôn là vấn đề được quan tâm hàng đầu Có nhiều phương pháp để cải thiện chất lượng điện áp, giảm tổn thất công suất như tái cấu hình lưới điện, cân bằng 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 thiểu chi 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 thống 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

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ vi

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 2

1.3 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu 2

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 5

2.1 Giới thiệu 5

2.1.1 Điều chỉnh hệ số công suất 8

2.1.2 Định nghĩa bù công suất phản kháng 9

2.1.3 Các dạng bù công suất phản kháng 9

2.1.3.1 Bù theo phương pháp tự nhiên 10

2.1.3.2 Bù công suất phản kháng Q 12

2.1.4 Các vị trí lắp đặt tụ bù 16

2.1.4.1 Bù phân tán (còn gọi là bù trực tiếp) 17

2.1.4.2 Bù theo nhóm 18

2.2 Một số phương pháp bù công suất phản kháng 20

2.2.1 Mô hình tính bù theo điều kiện cực tiểu tổn thất công suất 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 cosφ đến giá trị cần thiết 21

2.2.4 Tính bù theo điều kiện điều chỉnh điện áp 22

2.2.5 Tính bù theo điều kiện cực tiểu các chi phí tính toán 25

2.2.6 Tính bù theo chỉ tiêu tối đa hóa các tiết kiệm 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 29

2.4 Giới thiệu sơ lược về các bài báo có liên quan đến vấn đề tối ưu hóa vị trí và dung lượng tụ bù trong lưới điện phân phối 31

Chương 3 THÀNH LẬP BÀI TOÁN TỐI ƯU VỊ TRÍ TỤ ĐIỆN (OCP)TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 39

3.1 Cơ sở phát triển bài toán 39

3.2 Thành lập bài toán OCP 41

3.3 Một số phương pháp đã được sử dụng để giải bài toán OCP 42

3.3.1 Giải thuật Tìm kiếm Cuckoo (Cuckoo Search)……… ………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……… 47

3.3.2.2 Giải thuật Hòa âm cải tiến……… ….48

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

3.3.1 Giải thuật di truyền 54

3.3.2 Giải thuật tối ưu bầy đàn PSO (Particle Swarm Optimization) 57

3.3.3 Giải thuật tối ưu hóa vi khuẩn tìm kiếm thức ăn: 61

3.3.4 Giải thuật Tabu Search 64

Chương 4 ÁP DỤNG THUẬT TOÁN HSOS CHO BÀI TOÁN OCP 68

4.1 Tổng quan 68

4.2 Giới thiệu phương pháp HSOS 69

4.2.1 Giới thiệu về thuật toán SOS (Sympiosis Organisms Search) 69

4.2.1.1 Giai đoạn tương sinh: 69

4.2.1.2 Giai đoạn hội sinh: 70

4.2.1.3 Giai đoạn ký sinh: 70

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

4.2.2.1 Khởi tạo: 75

4.2.2.2 Tiêu chí dừng: 76

4.2.3 Phương pháp tổng quát 76

4.3 Áp dụng giải thuật HSOS để tối ưu vị trí và dung lượng tụ bù cho lưới điện phân phối chuẩn IEEE 33 nút và 69 nút 79

4.3.1 Lưới phân phối IEEE-33 nút 81

4.3.2 Lưới phân phối IEEE 69 nút 86

Chương 5 ÁP DỤNG GIẢI THUẬT HSOS CHO BÀI TOÁN OCP ĐỐI VỚI LƯỚI ĐIỆN THỰC TẾ 93

5.1 Tổng 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 Chi 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

PHỤ LỤC 1 110

PHỤ LỤC 2 112

PHỤ LỤC 3 104

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HSOS Hybrid Symbiotis Organisms Search

IBPSO Improved Binary Particle Swarm Optimization IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IPSO Improved Particle Swarm Optimization

MILP Mixed Interger Linear Programming

NYS Net Yearly Savings

PSGA Plant Growth Simulation Algorithm PSGA Plant Growth Simulation Algorithm

TLBO Teaching-Learning Based Optimization

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Giá trị hệ số k q phụ thuộc vào hệ số cosφ 1 hiện tại và hệ số cosφ 2 mong muốn………23 Bảng 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

Bảng 4.3 Vị trí và dung lượng tối ưu của tụ bù lắp đặt cho hệ thống IEEE-33 nút với các mức phụ tải khác nhau……… 76 Bảng 4.4 So sánh kết quả trước và sau bù của hệ thống IEEE-33 nút với các mức tải khác nhau……….………77 Bảng 4.5 Vị trí và dung lượng tối ưu của tụ bù lắp đặt cho hệ thống IEEE 69 nút với các mức phụ tải khác nhau……… ……….81 Bảng 4.6 So sánh kết quả trước và sau bù của hệ thống 69 nút với các mức tải khác nhau……… ………… 82

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……… ……… 88

Bảng 5.2 Vị trí và dung lượng tối ưu của tụ bù lắp đặt cho phát tuyến 22 kV Trung Lập Hạ……….……… ….89 Bảng 5.3 So sánh kết quả trước và sau bù của phát tuyến 22 kV Trung Lập Hạ……… …….90

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Sơ đồ vector dòng điện và công suất trong hệ thống điện………… .…… 5

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa các loại công suất điện……….… ….………… 13

Hình 2.3 Đồ thị vector khi cosφ = 1 và khi cosφ = 0.8 (vượt trước)……… ….…….….…20

Hình 2.4 Cấu trúc cơ bản của bộ lọc tích cực shunt……… …….….21

Hình 2.5 Phân bố dòng điện trên đường dây khi có tụ bù……… ………….…22

Hình 2.6 Vector dòng điện và công suất trước và sau khi bù……… …….…….… 22

Hình 2.7 Sơ đồ vị trí lắp đặt tụ bù trong lưới điện phân phối……… …… 24

Hình 2.8 Sơ đồ lắp tụ bù trực tiếp……… ……… 24

Hình 2.9 Sơ đồ bù ngang trên lưới điện……… ……….…30

Hình 2.10 Sơ đồ mạng bù theo điều kiện điều chỉnh điện áp……… ……….…31

Hình 2.11 Sơ đồ tính bù công suất phản kháng……… …….…… 32

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

Hình 3.1 Lưu đồ giải thuật dựa trên CSA và bố trí tụ bù……… …47

Hình 3.2 Lưu đồ của FPA……… 53

Hình 3.3 Khái niệm Tabu search……….…65

Hình 4.1 Pseudocode của thuật toán SOS ……… … 66

Hình 4.2 Pseudocode của giải thuật HSOS……… … 68

Hình 4.3 Lưu đồ của giải thuật HSOS để giải bài toán OCP……… ….…72

Hình 4.4 Đường đặc tuyến hội tụ tổng chi phí của hệ thống IEEE-33 nút……… … 78

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

Hình 4.6 Hệ số công suất của lưới IEEE-33 nút trước và sau khi bù bằng HSOS………….…79

Hình 4.7 Điện áp lưới hệ thống IEEE-33 nút trước và sau khi bù bằng HSOS……… ….79

Hình 4.8 Tổn thất công suất của hệ thống IEEE-33 nút trước và sau khi bù bằng HSOS……….……… ……80

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

Hình 4.10 Biên độ điện áp các nút trước và sau khi bù tối ưu của hệ thống IEEE-69 nút……… … 83

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 khác……… …84

Hình 4.12: Tổn thất công suất tác dụng của hệ thống IEEE-69 nút trước khi bù và sau khi bù bằng HSOS, có so sánh với các giải thuật khác……… …84 Hình 4.13 Hệ số công suất của hệ thống IEEE-69 nút trước khi bù và sau khi bù bằng HSOS,

có so sánh với các giải thuật khác……… ……… 85 Hình 5.1 Đường đặc tuyến hội tụ tổng chi phí của phát tuyến 22 kV Trung Lập Hạ…… ……89 Hình 5.2 Tổn thất công suất thực trước và sau khi bù bằng giải thuật HSOS của phát tuyến 22

kV Trung Lập Hạ……… … 91 Hình 5.3 Giá trị điện áp trước và sau khi bù bằng giải thuật HSOS của phát tuyến 22 kV Trung Lập Hạ……… ……91 Hình 5.4 Hệ số công suất trước và sau khi bù bằng giải thuật HSOS của phát tuyến 22 kV Trung Lập Hạ……… ……92

Chương 1 MỞ ĐẦU

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 dùng, 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 tổn thất điện năng, tổn thất công suất và chi phí truyền tải điện năng, làm giảm hệ số công suất cosφ, giảm hiệu quả sử dụng điện và chất lượng điện năng Chính vì lẽ đó, các đơn vị bán điện phải áp dụng hệ

số phạt đối với các hộ tiêu thụ có hệ số cosφ thấp hơn quy định Bên cạnh đó, hầu hết cấu 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 đổ điện áp đối với lưới điện hạ áp Khi tổn 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 tổn thất công suất là do thiếu hụt công suất phản kháng [1]

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

áp như tái cấu 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 bằng 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) để 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

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

Bài toán tối ưu vị trí đặt tụ bù trong lưới điện phân phối đã được sử dụng khá phổ 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 bù tối ưu công suất phản kháng trong lưới điện phân phối nhằm giảm tổn 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 cấu 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 vi và phương pháp nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu, áp dụng thuật toán HSOS để 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 nổi 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 dữ 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 (1) 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 cosφ 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

lượng nút rất lớn nên rất khó để xác định được vị trí nút nào thích hợp nhất để lắp đặt

tụ bù Về lý thuyết, các nút thích hợp để lắp đặt tụ bù là các nút thuộc các nhánh có tổn thất công suất tác dụng theo thành phần tác dụng hoặc thành phần phản kháng của dòng 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 tổn thất công suất là nhỏ nhất, chất lượng điện áp ổn định nhất và chi phí hàng năm của lưới điện thấp nhất

Có rất nhiều kỹ thuật được áp dụng để giải quyết vấn 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, tổn thất điện năng phụ thuộc vào cấu trúc của lưới điện và phụ tải, và các yếu tố này lại dễ bị thay đổi theo thời gian và vị trí Hiện nay việc tính toán, xác định vị 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 diện 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 tổn thất công suất của lưới hoặc tổng chi phí tiết kiệm được nhờ vào việc giảm tổn 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 hợp (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

Nhóm phương pháp thứ ba là phương pháp tìm kiếm thông minh Phương pháp này giúp cho việc giải các bài toán tối ưu tốt hơn các phương pháp kể trên, bằng cách thu hẹp không gian tìm kiếm nhưng vẫn cho ra kết quả cuối cùng của hàm mục tiêu đạt gần 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 bù 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 tầm quan trọng của thuật toán 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

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

là 10 ÷ 20 %

Trong hệ thống điện xoay chiều, dòng điện I gồm 2 thành phần: Thành phần tác dụng I R cùng pha với điện áp U và thành phần phản kháng I X vuông góc với điện áp U Góc lệch giữa điện áp U và dòng điện I là φ Hệ số cosφ 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 suất biểu kiến (S):

UI

P S

P I

IR

3 cos     (2.1)

Trên thực tế, hệ số công suất thường được xác định theo giá trị trung bình:

cos 2 2

q p

p tb

A A

A





 (2.2)

Trong đó, A p và A q lần lượt là điện năng tác dụng và điện năng phản kháng xác định qua công tơ đo đếm điện năng

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

số công suất cosφ liên hệ với nhau bằng tam giác công suất

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa các loại công suất điện

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

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

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

φ 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 tổn thất công suất

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

2 2

2 2

2 2

Q

P R U

Q R U

P R U

Q P

P           

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

 Làm giảm chất lượng điện áp

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

U(P) U(Q)

U

QX U

PR U

QX PR

Thành phần tổn thất phản kháng ∆U(Q) tỷ lệ với công suất phản kháng Q Khi công suất phản kháng Q tăng sẽ làm tăng tổn thất điện áp ∆U Sụt áp quá lớn sẽ làm

thay đổi chế độ làm việc của các phần tử trong mạng điện, đặc biệt đối với các phụ tải đòi hỏi điện áp đầu vào phải gần bằng với điện áp định mức Ví dụ đối với động cơ, 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 thì 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 từ không lớn hơn moment tải, do đó dòng điện chạy trong động cơ không thể chuyển hóa thành cơ năng nên chuyển 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 thiết bị khác

 Làm giảm khả năng tải của máy biến áp, dây dẫn, cáp hay thiết bị đóng

S I

3 3

đủ lớn để đảm bảo khả năng tải, làm tăng chi phí 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 thiết bị Khi công suất tác dụng giảm sẽ làm giảm hiệu suất của mạng điện

Từ các phân tích nêu trên, nhận thấy rằng để giảm tổn thất công suất, nâng cao chất lượng điện và giảm chi phí vận hành mạng điện, cần phải nâng cao hệ số công suất cosφ, hay còn gọi là điều chỉnh hệ số công suất (Power Factor Correction – PFC)

2.1.1 Điều chỉnh hệ số công suất

Nguyên tắc của điều chỉnh hệ số công suất là bù 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 tổng 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 bù bằng các tụ lọc, lò hồ quang điện có tính điện dung có thể bù 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 bù công suất phản kháng có thể tạo ra hiện tượng cộng hưởng với hệ thống được bù, làm cho điện áp tăng cao và gây mất ổn định cho hệ thống Do vậy việc điều chỉnh hệ số PFC không thể đơn giản là việc thêm hay bớt các thành phần, 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 khiển 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 dòng 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 giá trị hệ số công suất luôn ở trên giá trị được chọn

Một cách khác để điều chỉnh hệ số công suất là dùng động cơ đồng bộ, động cơ đồng bộ cung cấp một công suất phản kháng có chiều nghịch với chiều công suất phản 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 chẳng 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 vị trí gần phụ 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 vấn đề về chất lượng điện, vì hầu hết vấn 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 bù đồng bộ tĩnh (STATCOM)

2.1.3 Các dạng bù công suất phản kháng

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

2.1.3.1 Bù theo phương pháp tự nhiên

Bù theo phương pháp tự nhiên có nghĩa là nâng cao hệ số công suất của phụ tải bằng 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:

QQ kt Q m k2pt (2.6)

Công suất phản kháng khi không tải (chiếm tỷ lệ 60 ÷ 70 % so với Q đm ) và có

thể xác định theo công thức:

Q kt  3U đm I kt (2.7)

Trong đó, Q kt là công suất phản kháng khi không tải; I kt là dòng điện không tải

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

đm

pt P

Với η đm là hiệu suất của động cơ khi mang tải định mức

Hệ số cosφ được xác định như sau:

pt đm kt

P k

k Q Q

Q P

P S

P

2 2

- 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 cosφ rất thấp Do đó, hạn chế việc động cơ chạy không tải sẽ góp phần nâng cao hệ số cosφ

- 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 máy 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 tải để giảm tiêu thụ công suất phản kháng, nâng cao hệ số cosφ

tự nhiên

2.1.3.2 Bù công suất phản kháng Q

Bù công suất phản kháng Q chỉ được tiến 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 bù 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:

E U

X

mU Q

đb





 0cos (2.12)

Trong đó: m là số pha stator; U là điện áp pha; X đb : Điện kháng đồng bộ; E 0:

Sức điện động không tải; θ: Góc lệch giữa Uvà E0

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

- Nếu E 0 cosθ < 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 E 0 cosθ > 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 đổi E0, 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 E0 sẽ tăng và cosθ tăng nhưng E0sinθ không đổi, do đó Q tăng

Hình 2.3 Đồ thị vector khi cosφ = 1 và khi cosφ = 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:

* 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 tổn 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 chi phí đầu tư Hiệu quả của các bộ lọc tích cực đã được chỉ ra như [7], [8]:

- 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 tần số cộng hưởng

Hình 2.4 Cấu trúc cơ bản của bộ lọc tích cực 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)

số công suất cosφ 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 1 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

Hình 2.5 Phân bố dòng điện trên đường dây khi có tụ bù

Công suất phát của tụ bù được xác định theo biểu thức sau:

2 2

2

C

U X

U X

I Q

C C

Từ biểu thức (2.13) ta thấy công 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 cosφ1 lên cosφ2 được xác định như sau:

Bảng 2.1 Giá trị hệ số kq phụ thuộc vào cosφ1 hiện tại và cosφ2 mong muốn

2.1.4 Các vị trí lắp đặt tụ bù

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]

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

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

hạ áp và bù tập trung ở cấp điện cao áp

Theo các phương thức bù thì bù công suất phản kháng có các dạng sau đây:

2.1.4.1 Bù phân tán (còn gọi là bù trực tiếp)

Tụ điện có dung lượng phù hợp được đấu nối trực tiếp với thiết bị đầu cuối 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 nối dài (thường sử dụng cho động cơ và các tải phi tuyến như đèn huỳnh quang)

a) b) c)

Hình 2.8 Sơ đồ lắp tụ bù trực tiếp

Nhược điểm của kiểu bù trực tiếp tại hình 2.7 (sơ đồ a và b) là có nguy cơ xảy

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 tổn thất công suất:

P3.c..x1. 2x1.x1c (2.15)

Đạo hàm ∆P theo x 1 và cho bằng không:

P/x13.c. 2x1x1.c(1)0 (2.16)

Suy ra:

21

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

x chiều dài phát tuyến

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

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

P3.c..x.{ 2x.x 3cx  2x x c} (2.19)

Đạo hàm ∆P theo x 1 và x 2 và cho bằng không:

2 3

01

3.2

3

2 2

2 2

1 1

1 1

c x P

x c x x c

x P

12

32

2

1

c x

c x

(2.21)

Khi đặt hai tụ bù trên phát tuyến thì tỷ số bù tối ưu sẽ là: c = 2/5

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

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 đổi 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 ngắn mạch hoặc điện áp vượt quá định mức Tuổi thọ tụ bù có giới hạn, sẽ bị

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 gây nguy hiểm cho người vận hành

- Sử dụng tụ bù 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 vấn 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 tổn thất công suất

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

bi i i

R U

Q Q P

2 2

2 (2.24)

 

i i

bi i i

X U

Q Q P

2 2

 P Q b Giải ra ta có Q b = Q 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 phản kháng theo điều kiện cực tiểu tổn thất điện năng

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

R dt t P

* 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 lấy giá trị trung bình nên kết quả bù tối ưu không có độ chính xác cao

2.2.3 Tính bù nâng cao hệ số cosφ 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 lấy 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 vấn đề Phần gốc của vấn đề chính là việc tiêu thụ công suất phản kháng của hộ tiêu thụ vẫn không thay đổi Do đó, cần ưu tiên xem xét đến việc nâng cao hệ số cosφ 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 cosφ1 lên giá trị cần thiết cosφ2, ta cần bù một lượng công suất phản kháng với dung lượng được xác định theo công thức:

Q b Ptg1tg2, kVAr (2.28)

Trong đó, P là phụ tải tính toán của hộ tiêu thụ, kW; φ 1 là góc ứng với hệ số

trung bình (cosφ 1 ) trước khi bù; φ 2 là góc ứng với hệ số công suất cần đạt được (cosφ 2)

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 phù 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

Để đảm bảo yêu cầu điện áp ở thanh cái hạ áp UB, ta cần đặt tại đây thiết bị bù

với dung lượng Qb

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

BO BO

A

U

QX PR U

(2.29) Trong đó :

U A là điện áp ở đầu nguồn,

U B0 điện áp thanh cái B qui đổi 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:

(2.30)

Trong đó: U B điện áp thanh cái B qui đổi về phía cao áp

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

Theo công thức (2.34), khi thay U B , X, U B0 ở các chế độ phụ tải khác nhau ta

xác định được dung lượng bù cần thiết ở mọi chế độ vận hành của mạng điện Vì

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:

Hình 2.10 Sơ đồ mạng bù theo điều kiện điều chỉnh điện áp

Ta có biểu thức xác định tổn thất điện áp trong mạng ∆U trước khi bù:

10

1 1

X Q R P U

Trong đó: U n là điện áp định mức của mạng điện; R i , X i là điện trở của đường

dây thứ i; P i , Q i là công suất của đường dây thứ i; n là số đoạn dây (số nút)

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

10

1 1

U

Xem tổn thất ∆U của lưới vẫn giữ nguyên Ta đựa thêm vào đầu nguồn một độ tăng điện áp ∆E thì bản chất của vấn đề vẫn không thay đổi

10

1 1

U U

b



10 2. (2.38)

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

bù (phân 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 thể 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 bù 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 chi phí tính toán

Xét bài toán tối ưu công suất thiết bị bù đối với sơ đồ đơn giản sau:

Hình 2.11 Sơ đồ tính bù công suất phản kháng

Gọi Z là chi phí tính toán toàn bộ trong một năm khi có đặt thiết bị bù với dung lượng Qb Chi phí tính toán gồm có 3 phần:

a) Chi phí do đặt thiết bị bù:

Z1 a tc a vh.k0.Q b (2.39) Trong đó:

k 0 - suất đầu tư cho thiết bị bù, đ/MVAr (kể cả chi phí xây lắp);

Q b - công suất của thiết bị bù, MVAr

a vh - hệ số khấu hao hao mòn, sửa chữa và bảo quản

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

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

Z 2 = ∆P 0 Q b C 0 T (2.40)

Trong đó:

∆P 0 - suất tổn thất công suất tác dụng trong thiết bị bù, kW/kVAr, đối với tụ điện tĩnh có thể lấy ∆P0 = 0,005

C 0 - giá tiền 1 kWh tổn thất điện năng, đ/kWh

T - thời gian thiết bị bù làm việc

c) Chi phí về tổn thất điện năng trong mạng điện (đường dây và máy biến áp) sau khi có đặt thiết bị bù:

Tổn thất công suất tác dụng trong mạng điện sau khi bù công suất phản kháng:

R U

Q Q P P

      

0 2

2 2

U

Q Q Z

R - điện trở của mạch tải điện, Ω

τ - thời gian tổn thất công suất lớn nhất, h

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

2 2

0 0

U

Q Q T C Q P Q

k a a Z

đm

b b

b vh