VÀ LƯÓI TRUYỀN TẢI
8. BÙ CÒNG SUẤT PHẢN KHÁNG
8.1 VẤN ĐỀ BÙ CÒNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Công suất phản kháng được tiêu thụ ở động cơ không đồng bộ, máy biến áp, trên đường dây điện và mọinơi có từtrường. Yêu cầucông suất phản kháng chi có thê giám đến tối thiểu chứ không thê triệt tiêu được vì nó cần thiết để tạo ra từ trường, yếu tô' trung gian cần thiết trong quá trình chuyên hóa điện năng. Theo [ 19][27Jyêucáucôngsuất phản kháng được phân chia như sau:
- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 70-80%.
- Máy biến áp tiêu thụ 25-15%.
- Đườngdây điệnvà các phụ tải khác 5%.
Nhu cầu công suất phản kháng chủ yếu là ở các xí nghiệp công nghiệp, cosọ của chúng dao động từ 0,5 đến 0,8có nghĩa là cứ tiêu thụ 1 kW công suất tác dụng thì chúng yêu cầu từ 0,75 đến 1,7 kVAr công suất phản kháng. Trong xí nghiệp công nghiệp các động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 65-70%, MBA 20-15%, các phụ tải khác 5-10% tổng lượng công suất phán kháng yêu cầu. Do đó muốn giám yêu cầu công suất phản kháng phái chú ý đến các động cơ không đồng bộ.
Nhu cầucông suất phản kháng ở cácphụ tải sinh hoạt, dân dụngkhông nhiều, costp của chúngthường lớn hon 0,9.
Nhu cầu công suất phản kháng ở MBA côngsuất nhỏ là 10% công suất định mức của chúng,MBA lớn là 3% còn ở các MBA siêu cao thế có thê từ 8-10% (để hạn chế dòng ngắnmạch).
Đặc điếm của cóng suất phán kháng là biến thiên mạnh theo thời gian cũng như công suất tác dụng. Yêu cầu cóngsuất phán kháng được cho bằng đồ thịcóng suất phản kháng ngày đém hoặc đồ thị kéo đài hoặc ít nhất là giá trị cực đại và hỊ số sử dụng Kq =QlbIQ,„ux.
Về mặt nguồn côngsuấtphản khángta thấy:
Khả năngphát công suất phản kháng của các nhà máy điện rất hạn chế, costp = 0,8-0,85. Vì lí do kinh tế người ta không làm các máy phát (MF) có khả năng phát nhiều công suất phảnkhángđủ cho phụ tải (ởchê'độ max). Các MF chì đảm đương 1 phần yêu cầu công suất phản kháng của phụ tải, nó gánh chức năng điêu chỉnh công suất phản kháng trong HTĐ làm cho nó đáp ứng được nhanh chóng yêu cầu luôn thay đổi cúa phụ tải. Phần còn lại trông vào các nguồn công suất phản kháng đặtthêm tức là nguồn công suấtbù.
Trong HTĐcòn phải tính đến mộtnguồn công suất phản kháng nữa đó là các đường dây siêu cao áp. Các đườngdây này phátra một lượng công suất phán kháng đáng kể, trong chếđộ max nó làm nhẹ đi khá nhiều vấn đề thiếu công suất phản
kháng.Nhưng trong chê' độ non tải nó gây thừa công suất phản kháng đến mức có thế gây ra tai biến phải đối phó bằng cách đặtcác kháng điện, nếu các đường dây này quá dài.
Tóm lại : Trong HTĐphải bù cưỡng bức hay bù kỹ thuật (BKT) một lượng công suất phản kháng nhất định để đảm báo cán bằng công suất phản kháng trong HTĐ. Lượngcông suất này phải điều chỉnh được để có thể thích ứng với các chế độvận hành khác nhau của HTĐ.
Công suất phản kháng của các Nhà máy điên và các trạm bù (bằng Tụ điên hoặc máy bùđồng bộ, su thếchung làthay máy bù đồng bộ bằng máy bù tĩnh : tổ hợp tụ-kháng điện) phải dưthừa so với yêu cầu của phụ tải ở chế độ max để dự phòng cho sự cố.
Có 2 conđườngđể đảmbảocán bằngcông suấtphảnkháng trong HTĐ :
1- Cưỡngbức phụ tảimà chù yếulàcác xí nghiệp công nghiệp phải đảm bảo coscp của họ ở mức cho phép.Cách này nhằm giảm yêu cầu công suất phản kháng.
2- Đặt bù công suất phản kháng trong HTĐ để giảiquyết phầnthiếu cònlại.
Cả 2 cách được sửdụng đổng thời trong đó cáchthứ 2do HTĐ thực hiện một cáchchủ động có tầm quantrọng rất lớn.
Lượng côngsuất bù kỹ thuật khá lớn và đượcđặt tập trungở cácnút hệ thôngmà ở đó thiếu công suất phản kháng(biểu hiện ở điện áp vận hành thấp) hoặc ở cácvị trí thuận lợi cho việc điều chỉnh điện áp (các nút kiểm tra điện áp).
Công suất bùthường đượcđiều chỉnh theo bậcmột cách tựđônghoặcdo nhân viên vận hành. Trong trường hợp cần thiết để điều chỉnh điện áp có thể sử dụng thiết bị bù đượcđiều chỉnh trơn, tức thời theo điện áp vận hành(SVC).
Một phần của công suất bù, thường là phần cố định có thể được phân tán xuống lưới truyềntải đểtranh thủ giảm tổnthất trong lưới này. Tuy nhiên phải cân nhắcvì như vậy độtin cậy của công suất bù này sẽ bị giảm và đểan toàn choHTĐ phải tăngdựtrữcông suất phảnkháng lên.
Ngoài ra còn có lượng công suất phản kháng thiếu cục bộ ở lưới phân phôi (thể hiện ở điện áp thấp), lượng công suất phản kháng này được đặt trực tiếp ở nơi thiếu.
Như vây sau khi đã bù cưỡng bức,mộ/ lượng công suất phản kháng đáng kểvẫn phải lưu thông qua lưới phânphối trung áp và gây ra trên lưới nàytổn thất công suất tác dụng vàtổn thất điện năng khá lớn.
Đểgiảm tổn thất công suấttác dụng và tổn thất điện năng trên lưới phânphối TA có thể thực hiện bù kinh tế.
Bùkỹ thuật ở mức HTĐ do thiếucông suất phản kháng được thực hiện bắt buộc(vì thếcòn gọi là bù cưỡngbức)
Bù kỹ thuật ởlưới trung, hạáp không nhất thiếtphảithựchiện vì còn có phương án khác để cân bằng công suất phảnkhángnhưđiều ápdưới tải,tăng dây dẫn để phân bố lại công suất phản kháng, tất nhiên phải cóđiều kiện là lưới cấp trên phải có đủ công suất phản kháng.
Bù kinh rê'chỉ được thực hiên khi nó thực sự mang lại lợi ích, nghĩa là lợi ích kinh tế mà nó mang lại phải lớn hơn chi phí đặt và vận hành trạm bù.
Trong xí nghiệp công nghiệp lượng công suất phản kháng phải bù cưỡng hức để đảm bảo coscp cũng được phân bố họp lý nhằm giảm tối đa tổnthất điện năng.
8.2 BÙ CÒNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN LƯÓI HỆ THỐNG
Bù công suất phản kháng trên lướihệ thốngđiện gắn liền với điểu chỉnh điện áp. Do đó sô' lượng, côngsuất,đặc tính và vị trí đặt của các trạm bù công suất phản kháng do chê'độ điện áp trên lưới điện trong cáctình huống vận hành bình thường vàsựcô'quyếtđịnh.
Trên lướihệ thống, yêu cầu điênáp phải nằm trong giới hạn trên và dưới :
- Giới hạn trên : xác định bởi khả năng chịu đựng của cách điện và nguy cơ bão hoàcácmáy biếnáp.
- Giới hạn dưới : xác địnhbởi - giới hạn ổn định tĩnh, - hoạt độngcủa điều áp dưới tải củacác MBA SCA/CA và- chê' độ làm việccủa các thiết bị tự dùng củacác nhà máy điện.
Giới hạn điện áp này được bảo đảm bằng cách điều chỉnh điên áp máy phát, giữ AU trên đường dây và MBA trong giới hạn cho phép (10-15% trong chế độ bình thường, 20%trong chê' độ sự cố),tổn thấtđiên áp này do cấu tạo đường dây, dòng công suất phản kháng và tổn thất công suất phản kháng gây ra, điều chỉnh công suất các nguồn công suất phản kháng,chủ yếu là tụđiện đặt thêm trong HTĐ từlướisiêu cao thê' đến tân lưới hạ thế.
Công suất và vị trícủa tụ bù được chọn trong quy hoạch HTĐ, thường cho 3 đến 4 năm trong tương lai (trong khi nguồn công suất tác dụng chọn cho 9-10 năm), cách chọn như sau : chọn 2 lần cho chê'độbình thường và chochê' độsự cô' rồi tổ hợplại.
Chế độ bình thường
Giảthiết rằng HTĐ có n nút, q MBAcóĐADT, kýhiệu:- Qị là côngsuất phản khángpháthoặc nhận tại nút i;- Uị điệnáp tại nút i; - 0ị là góc pha của điện áp tại núti;-Tị là hệ sô' biếnáp củaMBAĐADT i ;-Cj là công suất tụ bùvàSị là công suất kháng điện cần đặt thêmtạinút i.
Hàm mục tiêu đểxác định dung lượng Cị và Sị là : Cị vàSịnhỏ nhấttrong mọi trạng thái vận hành đồngthời tậndụng khả năngcủa các nguồn bù đã có và điềuáp dưới
tải để sao chomức điện áp trênlưới là cao nhất(AP sẽ ít nhất). Hàm mục tiêu r.
được thểhiện như sau :
F =E(Ưmax-U,) +EC, + ESi —> min Vóicácràngbuộc :
- Cân bằng công suất tác dụng ở các nút p°ị- D°, = (Pi(0,U,T) - Cân bằng công suất phán kháng : Q, + c,-Sị - E, -ụ/ị(0,U,T) và các hạn chế
Qimin< — NilỌ. < ọ— Nil max....
Uịininá U; < Ư,max
T„„:„Ẳ iinill<T * 1 — ‘ ĩmax< T.„„
c„s, >0
trong đó : p°i là công suất tác dụng phát tại nút I; D°i, Eị là công suất tác dụng V;
phán kháng yêu cầu tại nút i.
Mô hình này được giải bằng phưong pháp quy hoạch tuyến tính cho các hệ thống rất lớn.
Bài toán được giải cho mọi trạngthái vân hành (một trạng thái của HTĐ làtố hợp của trạng thái phụ tải và cấu trúc lưới) của HTĐ, trong mỗi trạng thái giá trị củac,và Sị đượcghi nhân. Sau đócác giá trị này được tổ hợplại sẽ nhận được tổng dung lượng bù Qn cũng như bậcthayđổi công suất cẩn có củatừng trạm bù. Có thẻ có nhiềuphươngán chia bậc, chọn phươngán có vốn đẩutư nhỏ nhất.
Chê độ sự cô
Cũngdùngmô hình giống như trên để xét tìrng trườnghợp sự cô làm cho điện áp vượt khung sau khiđã tính đến điều chínhcấp 1 và 2 cả tẩn số lẫn điện áp. Đại lượng cần tính ở đây là Qj cần thiết đểkhắc phục sự cố và lập mức điện áptối ưu sau sựcố. Trong trường hợp các nguồn công suất phản khángđã có không đủ đáp ứng thì pháităng thêm lượngcôngsuất bù mới.Kết quá tính ở bước nàysẽ dùngđể hiệu chỉnh lạikết quả tínhtrong chế độbình thường.
Một vấn đề quan trọng phải tính đến ở đây là hành vi của hệ thống sau điều chỉnh sơ cấp cả tần số đến điện áp, nếu thấy có vấnđề như nguy cơ sụt áp ở nút nào đó thì có nghĩa là cần đặt svc ở đấy. EDF sừ dụng bộ 3 chương trình MEXICO, COMPENS, RAPSI để giái quyết bài toán này. Trong đó chương trình MEXICO tạo ra trạng thái ngẫu nhiên của hệ thống, COMPENS tính chê' độ bình thường và RAPSI tính chỏđộ sự cố.
286
Với cáchệ thống nhỏcó thểdùng phương pháp kháosáttừng trạng thái có thể củahệthống điện.
- Chê độ bình thường :
Một trạng thái cúa HTĐ là tổ hợp của trạng thái phụ tải và cấu trúc lưới.
Trong mỗi chẻ độ phụ tải, không phải tất cả các phần tử của HTĐ đều làm việc, một số phần tử nghỉ đê bảo quản định kỳ, số khác nghỉ làm dự phòng lạnh hoặc vì lý do tối ưu hoáchếđộ (chỉ xét máy phát và đường dây hệ thống)... Các trạng thái cóthể mỏ phỏng bằng cách rút thăm, từ trạng thái của phụ tải và các phần tử, tính kiêm trachê'độ. Nếu là chếđộ khống có quá tái thì tính phân bố dòng công suất tác dụng và công suấtphản kháng, tính tổn thất công suất,tính điện áp các nút.
Tại các nútđiện áp thấp sẽ đặtcông suất bù Q|„k (i- nút, k-chế độ) sao cho càn bằng công suất phản kháng giữa nguồn và tải và điện áp đạt mức cho phép, có nhiều phương án bù, chọn phương án nào có công suất bù nhó nhất cho mức điện áp cao nhất. Sau khitính song cho tất cả các trạng thái cần xét (có thể hàng nghìn), tổ hợp các Qbik cho từng nút ta sẽ được lượng công suất cần bù tại từng nút và cả nhu cầu điểu khiên trong vận hành.
- Chế độ sự cố:
Cho mỏitrạng thái bình thường đã xét ở trên, cho sự cốcác tổ máy phát, MBA hoặcđường dậy chính. Tìm xem sự cố nào làm cho điện áp ra ngoài giới hạn cho phép sau khiđã tínhđến điều chỉnh cấp 1 và 2. Cáctình trạng này được nghiên cứu kỹ.Lại tìm cóng suất bù QSClk cần thiết để đám bảo điện áp cho phép. Sau đó kiểm tra lại xem tổng công suất phảnkháng bù Qbjk+Qscjk có thực sự khắc phục được tất cả các sự cốkhông, nếu xuất hiện yêucầu điều chinh cấp 1, thìcónghĩa làphải đật svc, hoặc là có yêu cầu hoàn thiện hệ thống điềuchỉnh cấp 2 đã có thì phải thực hiện.
Sau khi xác định được công suất phán kháng bù tại nút i trên lưới hệ thống, Chỗ đặt thực sự của công suất bù này là :một phần trên lưới truyền tải,phía ti ling áp của MBA trung gian đê đáp ứng yêu cầu của phụ tái, một phần ngaytại núthệ thống đê bù vào tổn thất công suất phản kháng trên lưới hê thống. Chỗ cụ thể và côngsuất bù đặt ớ mỗi chỗ trênlưới truyền tái lại là 1 bài toán kinh tếkỹ thuật cần giải.
Vấn đề nữa là luật điều chỉnhcác bộ tụ này. Cứ theo như tính toán ở trên cũng thấy được bộ tụ bù ở mỗinút cần điều chỉnh thê' nào. Tuy nhiên, khi bộ tụ đãđược đặt nócần được điều khiển tối ưu về phương diện điện áp cũng như tổn thất trên lưới.
Cáccách điềukhiển tụ bù nối vào núthệthống có thể là : - Điều khiển từxa, dođiều độviên thực hiệnbằng tay.
- Điều khiển tự động theo tiêu chuẩn điện áp cao-siêu cao địa phương. Có bậc đóng và cắt khác nhau cho giờ cao điểm và thấp điểm. Đóng cắt thực hiện theo đồng hổ thời gian. Điều độ viên có thể can thiệp từxa. Điều khiển kiểu này không đáp ứng được yêu cầucủa HTĐphức tạp.
- Điều khiển theo luật cân bằng đơn giản: mục tiêu là kinh tế, giảm tổn thất công suất tác dụng trên lưới hệ thống bằng cách hạn chế dòng công suất phản kháng bằng bù công suất phản khángđịaphương.
- Điềukhiển theo mức của điều chỉnh điện ápcấp 2. Mụcđích làgiữ mức điện áp cho trước.
Các bộ tụnối vào lưới trung ápđượcđiềukhiển như sau :
- Theo đồng hồ thời gian, trong từng thờiđiểm nhất định thì đóng hoặc cắt bớt tụ bù.
- Điều khiển từ xa: điềukhiển phối hợp một lúc nhiều bộ tụ bù.
- Rele varmetric : dùng microprocesseur xác định trong thời gian thựctừ dòng, áp, công suất phản kháng yêu cầu mà xác định lượng tụ cần đóng vào hoặc cắt ra.
Cách này cho phép giữ mức bù tối ưu, cứ 10phúttính bù 1 lần.
8.3 BÙ KINH TẾ CÓNG SUẤT PHẢN KHÁNG
8.3.1 Tổn thất công suất vàtổn thất điện năng
Bù kinh tế là phương pháp giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng hiệu quả. Trước tiên để cập tới vấn đề tổn thất công suất và tổnthất điện năng.
8.3.1.1 Khái niệm chung 1 - Phán loại tổn thất Tổn thất gồm 2 loại:
a) Tổnthất kỹ thuật là tổnthất sinh radotính chất vậtlý củaquátrình tải điện, tổn thất này phụ thuộc tính chất của dây dẫn và vật liệu cách điện, điều kiện môi trường,dòng điên và điện áp.
Tổnthấtkỹ thuật chia làm 2 loại:
- Tổn thất phụ thuộc dòng điện (phụ thuộc I2) : Đó là tổn thất do phát nóng trên điện trở của máyphát, máy biến áp và dây dẫn. Thành phần này là thành phần tổn thất chínhtrongHTĐ.
- Tổnthất phụ thuộc điệnáp (U hoặc Ư2)gồm có:
Tổn thất tronglõi thép của máy biến áp.
Tổn thấttrong cuộn áp của công tơđiện.
Tổn thất do rò điện.
Tổn thất vầngquang.
Tổnthấtkỹ thuật khôngthể triệt tiêu được mà chì có thể hạn chê' ở mức độ hợp lí hoặc cho phép.
b) Tổn thất kinh doanh (còn gọi là tổn thất phi kỹ thuật)- là tổn thất trong khâu kinh doanh điện gồm: điện năng tiêu dùng nhưng không đượcđo, điện năng được đo nhưng không được vào hoá đơn, điện năng được vàohoá đơn nhưng khôngđược trảtiền hoặc trảtiền chậm.
2 - Phán bố tổn thất kỹ thuật
HTĐ được phân chia theo sơ đổ sau (hình 8.1)[I ]:
Nguồn ; LướiHT : LướiTT TTG :
Hình 8.1 Tổn thất côngsuất được phân bốnhưtrong bảng 8.1.
LTA : LHA
HTĐđượcxem làrấttót nếu tổn thấtcông suất dưới 10%,costp = 0,95-1, điện kháng củaMBA dưới 6%.
Bảng 8.1 Phân bố tổn thất công suất trong hệ thống
Phạn tử Mức phấn đấu Mức cực đại cho phép
Riêng Tích luỹ Riêng Tích luỹ
Nguón điện 0.25 0.25 0.50 0.50
Lưới HT và trạm khu vực (TkV) 1.75 2.00 3.50 4.00
Lưới truyền tải (LTT) 2.00 4.00 4.00 8.00
Trạm trung gian (TTG) 0.25 4.25 0.50 8.50
Lưới phân phối trung áp (LPP-TA) 3.00 7.25 5.00 13.50
Trạm phân phối (TPP) và LPP-HA 1.00 8.25 2.00 15.50
Các nghiên cứu về kinh tế-kỹ thuật cho thấy là khi tổn thất vượt quá 10% điện năng sán xuất ra và coscp = 0,9-0,95 thì cần có các chương trình giảm tổn thất và vốn đầu tưvào việc này sẽ thu lạinhanh.
Khi tổn thất vượt quá 15% thìchắc chắnlà có tổn thất kinh doanh, lúc này cần tiến hành tính toán tổn thất kỹ thuật để đánh giá mức độ cúa tổn thất kinh doanh Mứctổn thất cao này đe doạsự cânbằng trongkinh doanh điện.
Bảng 9.2 cho ví dụvề sự phân bó' tổnthất ở 1 sở điện Ba lan [21]:
Bàng 8.2 Ví dụ phân bố tổn thất
Phần tử Tổn thất (%)
Công tơ điện (cuộn áp) 10,1
Lưới phụ tải 1.4
Lưới hạ áp 22,4
MBA-PP • tổn thất đổng 3,85
• tổn thất sắt 25,8
Lưới trung áp • do dòng điện 29,1
• rò điện 1,4
MBA-TG(110)/TA) . tổn thất đổng 1,6
• tổn thất sắt 5,2
Cộng 100
290