Báo cáo khoa học: Bù công suất phản kháng nâng cao chất lượng điện năng l-ới điện nông nghiệp doc

Báo cáo khoa học:
Bù công suất phản kháng nâng cao chất lượng điện
năng l-ới điện nông nghiệp
Tạp chí KHKT Nông nghiệp, Tập 1, số 2/2003


142

bù công suất phản kháng nâng cao chất lợng điện
năng lới điện nông nghiệp
Reactive power compensation to raise electric quality in agricultural
distribution network
Nguyễn Thị Hiên
1

summary
Calculating and choosing the place and compensation capacity based on scientific
installation is a practical and imperative problem in distributing and conducting
electricity.
This paper presents a method to determine optimal compensation places and capacity

of reactive power in distribution network. Nonlinear programming model was applied
(optimum the benefits every year), and the optimal solution was received by the iterative
procedure. The problem was programmed by Matlab algrothim.
Keywords: Compensation, reactive, optimum.

I
Bộ môn Điện Nông nghiệp, Khoa Cơ điện
1. Đặt vấn đề
Nghiên cứu, đề xuất phơng pháp tính
toán bù tối u công suất phản kháng phù
hợp với lới điện phân phối sao cho vừa
đảm bảo chất lợng điện áp, vừa có tính
kinh tế đang là một vấn đề cần đợc quan
tâm bởi vì trong thực tế, việc lắp đặt các
thiết bị bù cha mang lại hiệu quả kinh tế;
dung lợng và vị trí đặt thiết bị bù đợc
chọn cha hợp lý nên không những không
cải thiện đợc chất lợng điện mà còn có
thể làm tăng tổn hao, gây thiệt hại kinh tế.
Việc tính toán, lựa chọn vị trí và dung
lợng bù trên cơ sở khoa học là một bài
toán có ý nghĩa thực tiễn và cấp thiết đối
với ngành điện nói riêng và nền kinh tế nói
chung.
Qua nghiên cứu, phân tích các phơng
pháp tính bù công suất phản kháng
(phơng pháp bù theo điện áp, cực tiểu
hàm chi phí tính toán, cực tiểu tổn thất
công suất tác dụng, ) của Nguyễn Thị

Hiên (2002) cho thấy: mỗi phơng pháp
đều có u, nhợc điểm nhất định và thích
hợp trong những điều kiện tính toán khác
nhau, các mô hình đợc xây dựng cha
mang ý nghĩa tổng quát, chỉ áp dụng với
mạng điện hình tia đơn giản, cha xét tới
sự phân bố ngẫu nhiên của phụ tải
Mô hình bù tối u cho phép xác định vị
trí và dung lợng đặt bù sao cho đạt đợc
hiệu quả kinh tế tối đa mà vẫn đảm bảo
các điều kiện kỹ thuật của mạng (điện áp,
dòng cho phép, )
2. xây dựng Mô hình toán học
2.1. Mô hình toán học
Bài toán bù tối u công suất phản
kháng là xác định công suất và vị trí đặt
các thiết bị bù nhằm mục tiêu đạt hiệu quả
kinh tế cực đại khi thoả mn tất cả các
điều kiện kỹ thuật trong chế độ làm việc
bình thờng của mạng điện. Chỉ tiêu hiệu
Bù công suất phản kháng nâng cao chất lợng điện năng


143


quả kinh tế là các chi phí quy đổi, các yêu
cầu kỹ thuật, là các hạn chế về độ lệch

điện áp, khả năng mang tải của các phần
tử trong mạng điện và công suất của các
thiết bị bù.
a. Hàm mục tiêu

F = C

.DA - p.
)(
0


+
bjbj
Qkk
max
(2.1)

Trong đó:
C


- giá 1 kWh tổn thất điện năng, lấy
bằng giá bán điện trung bình, (đ/ kWh);
DA - độ giảm tổn thất điện năng so với
trớc khi đặt bù, (kWh);
DA phụ thuộc vào cấu trúc lới, đồ thị
phụ tải công suất phản kháng, cấu trúc
trạm bù: số lợng, vị trí, chế độ vận hành
tụ bù.

p - hệ số đợc xác định:
p = a
tc
+ k
vh
+ k
kh
(2.2)
Với: a
tc
=
n
T
1
- hệ số thu hồi vốn đầu t
tiêu chuẩn;
T
n
- thời gian thu hồi vốn đầu t tiêu
chuẩn, (năm);
k
vh
, k
kh
- hệ số vận hành và hệ số khấu
hao thiết bị, thờng lấy theo phần trăm
vốn đầu t (bao gồm cả xây lắp và thiết
bị). Với lới trung áp: K
vh
= 7%, k

kh
= 3%
ữ 5% (Trần Quang Khánh, 2000)
k
oj
- thành phần chi phí cố định của
trạm tụ bù j, (đồng /trạm);
k
b
- giá đơn vị công suất tụ bù, là hàm
phụ thuộc công suất bù, là hàm phi tuyến,
rời rạc của Q
b
, để đơn giản lấy k
b
= const;
Q
bj
- công suất bù tại trạm thứ j,
(kVAr);
Theo L Văn út & cs (1999) có thể
biểu diễn hàm mục tiêu bằng ma trận cấu
trúc [A] :

F =
C

-

- p.
)(
0


+
bjbj
Qkk
max (2.3)

b. Các điều kiện ràng buộc
+ Điều kiện cân bằng công suất phản
kháng nút:
Tổng công suất phản kháng tới một nút
bất kỳ trong mạng điện phải cân bằng với
tổng công suất phản kháng đi ra từ nút đó

Q
i
= Q
tj
- Q
bj
+
)(
k
k
k
QQ +

(2.4)

Trong đó:
Q
i
- công suất phản kháng đi tới nút j,
với mạng điện hở i = j;
Q
tj
- phụ tải phản kháng tại nút j,
(kVAr);

Tổng k lấy ứng với các nhánh nối với
nút j có hớng công suất đi ra khỏi nút.
+ Điều kiện về công suất phát của tụ:
0 Q
bj
Q
bjmax
(2.5)
Q
bjmax
- công suất bù tối đa tại nút
j, xác định theo công suất phụ tải.
+ Điều kiện về chất lợng điện áp
Điện áp tại các nút trong mạng điện ở
bất kỳ chế độ làm việc nào đều phải nằm
trong giới hạn cho phép:
V
cpd

% V
j
% V
cpt
% (2.6)
hay U
min
U
j
U
max
(2.7)
U
max
, U
min
- Giới hạn cho phép trên và
dới của điện áp, (kV);
i
n
i
i
bibitti
R
U
QAQAQA

=

1

2
2
])][([]][]).([][([2
Nguyễn Thị Hiên

144

+ Điều kiện về dòng điện (khả năng tải
của đờng dây)
Sau khi đặt bù, dòng điện chạy qua
các nhánh phải ở trong giới hạn cho phép,
nghĩa là:

I
i
I
cpi
(2.8)
I
cpi
- dòng điện cực đại cho phép chạy
qua nhánh i, giá trị này đợc xác định theo
tiết diện dây dẫn của mạng điện.
+ Các điều kiện liên quan đến vốn đầu t
(thời gian thu hồi vốn) sẽ đợc xét đến
nh một điều kiện đủ để quyết định có nên
đặt bù tại một nút j nào đó hay không
(Nguyễn Thị Hiên, 2002).
* Nhận xét: Qua sự phân tích, so sánh
của Nguyễn Thị Hiên (2002) và Viện

Năng lợng (2000) cho thấy phơng pháp
bù tối u với hàm mục tiêu (2.1) và các
ràng buộc (2.4) ữ (2.7) tỏ ra hợp lý hơn cả,
là sự kết hợp hài hoà, chặt chẽ giữa lợi ích
kinh tế với các chỉ tiêu kỹ thuật, đáp ứng
đợc thực tiễn của lới điện phân phối
hiện nay ở Việt Nam.
2. 2. Phơng pháp tính
Mô hình với hàm mục tiêu (2.3) và hệ
các ràng buộc (2.4 ữ 2.8) là mô hình quy
hoạch phi tuyến, đa biến với các biến gián
đoạn vì công suất của các thiết bị bù (bộ
tụ) thay đổi rời rạc nên việc lựa chọn một
phơng pháp giải phù hợp, có hiệu quả là
vấn đề quan trọng và có ý nghĩa.
Qua phân tích, đánh giá một số phơng
pháp tính (Viện năng lợng, 2000;
Nguyễn Thị Hiện, 2002), phơng pháp lặp
nhiều bớc tỏ ra là phơng pháp khá phù
hợp đối với bài toán tính toán dung lợng
tụ bù tối u, tuy mức độ hội tụ chậm hơn
so với các phơng pháp sử dụng đạo hàm
cấp hai (Lagrange, Gradient ) nhng u
điểm nổi bật của phơng pháp là không
đòi hỏi tính chính quy và liên tục của hàm
mục tiêu, thuật toán đơn giản, dễ áp dụng.
Tuy nhiên, khối lợng tính toán của
phơng pháp lớn, đòi hỏi phải đợc thực
hiện trên máy tính.
2.3. áp dụng

Bài toán đợc lập trình theo ngôn ngữ
Matlab, áp dụng cho lới điện hình 1, kết
quả tính toán cho trong bảng 1; Sau khi
bù, lợng điện năng tiết kiệm hàng năm là
46114,5 kWh mang lại 41,8 triệu đồng
cho ngành điện; Phơng án đòi hỏi vốn
đầu t: 156,3 triệu đồng.
3. nhận xét Và kết luận
Trong điều kiện của mạng điện nông
nghiệp nớc ta hiện nay, việc tìm ra một
phơng pháp tính bù công suất phản
kháng khoa học là một bài toán hết sức có
ý nghĩa, phơng pháp tính bù tối u công
suất phản kháng dựa trên chỉ tiêu tối đa
các tiết kiệm mà chúng tôi xây dựng đ
khắc phục đợc một số nhợc điểm của
các phơng pháp tính trớc đó, cụ thể:
Phơng pháp có thể áp dụng thuận tiện
đối với một mạng điện hở bất kỳ, số liệu
đòi hỏi không nhiều, dễ thu thập.
Phơng pháp và chơng trình tính toán
cho phép xem xét sự ảnh hởng đồng thời
của nhiều yếu tố kinh tế - kỹ thuật, do đó
nâng cao đợc độ chính xác của bài toán.
Việc xác định thứ tự u tiên các nút đặt
bù và giảm nhỏ số biến (nút bù) tuỳ thuộc
vào khả năng đâù t và quản lý vận hành
(Nguyễn Thị Hiên, 2002) làm đơn giản rất
nhiều quá trình tính toán mà không ảnh
hởng đến tính tối u của bài toán.

Phơng pháp đề xuất có thể áp dụng có
hiệu quả đối với các lới điện trung áp ở
khu vực nông nghiệp và cũng có thể mở
rộng phạm vi ứng dụng đối với các lới
điện phân phối khác.


145

Bù công suất phản kháng nâng cao chất lợng điện năng

AC-70

0,2


3



4


16


18

20

22










14



AC -70
3
AC- 70

1,2

AC -70
1,2
AC- 70

0,3

AC -70

0,3


AC-70

0,55


AC
-
70

0,55

AC-70
0,4

AC-70
0,1

AC- 70
0,5

AC- 70
0,6

AC-70

0,8

AC-70
1,1

AC-70
0,25

AC-70
0,75

AC-70

0,25

AC-70
1,55

AC
-
70

1,15

AC-70

0,25

AC-70

1,1

AC
-
70

1,1






40
38

39



AC


AC-50
0,12
21

19

0

1

2

5

11

10

9

8

7

17

15

13

12

24



27

34



28





32


AC-70
0,22

AC
-
70

0,35

AC-70
0,32

AC-70
0,2

AC-70

2

AC-70

0,7

AC-35
0,01

AC-35

0,46

AC-35
0,55

AC-35
0,2

AC
-
70

0,72

AC
-
70

0,3

AC
-
70

1,3

AC-70

0,8

33

37

36

35

23

29

25

26

30

31



Hình 1
.

Sơ đồ mạng điện tính toán bù tối u công suất phản kháng

Nguyễn Thị Hiên

146

Tài liệu tham khảo
Nguyễn Thị Hiên (2002), Bù công suất phản
kháng nâng cao chất lợng điện năng lới
điện phân phối, Luận văn Thạc sỹ Khoa
học kỹ thuật, Hà Nội.
Trần Quang Khánh (2000), Quy hoạch điện
nông thôn, Giáo trình Đại học Nông nghiệp
I, Hà Nội.
L Văn út, Tăng Thiên T, Trần Vinh Tịnh
(1999), Đánh giá hiệu quả lắp đặt thiết bị bù
trong mạng cung cấp điện, Tạp chí Khoa học
và Công nghệ các trờng Đại học, (page 22).
Viện Năng lợng (2000), Nghiên cứu thiết
lập quy trình bù công suất phản kháng

nhằm giảm tổn thất điện năng trong lới
phân phối, Đề tài nghiên cứu khoa học.

Bảng 1
.

Kết quả tính toán bù tối u công suất phản kháng lới điện hình 1
Nút

Công suất P
max
(kW)
cos

U
trớc
(%) U
sau
(%)
Q
bù
(kVAr)
1
2
3
4
5
6
7
8

9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38

39
40
0
0
154
85
0
156
80
188
0
153
70
148
0
358
296
115
0
80
0
126
0
264
0
292
0
0
126
144

0
225
295
164
70
154
125
153
144
200
135
526
0
0
0,85
0,80
0
0,80
0,75
0,80
0
0,85
0,80
0,78
0
0,82
0,80
0,70
0
0,85

0
0,70
0
0,85
0
0,80
0
0
0,80
0,80
0
0,70
0,80
0,85
0,70
0,85
0,85
0,80
0,80
0,80
0,80
0,70
-2,44
-2,69
-2,73
-2,91
-3,75
-3,76
-4,22
-4,36

-4,48
-4,51
-4,55
-4,91
-5,39
-5,58
5,55
-3,12
-3,23
-3,25
-3,68
-3,72
-4,21
-4,21
-4,95
-5,07
-5,23
-5,49
-5,51
-5,51
-5,37
-5,87
-5,95
-6,03
-6,06
-5,38
-5,52
-5,63
-5,65
-1,37

-1,41
-1,45
-1,88
-2,13
-2,17
-2,35
-3,19
-3,21
-3,66
-3,80
-3,93
-3,95
-3,99
-4,35
-4,83
-5,00
-4,99
-2,30
-2,37
-2,39
-2,63
-2,67
-2,92
-2,92
-3,29
-3,40
-3,40
-3,66
-3,68
-3,68

-3,43
-3,48
-3,49
-3,51
-3,51
-3,44
-3,52
-3,57
3,58
1,37
1,41
1,45
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0

0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
260
260
120
80
0
0
130
130
0
0
0